300 MW火电机组循环水系统最优运行方式的研究

No2电力科学与工程2005ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING19●文章编号: 1672-0792(2005)02-0019-05300MW火电机组循环水系统最优运行方式的研究崔修强(华电国际十里泉发电厂，山东枣庄277103)Optimal Operation Mode of Circulating Water Systemof 300 MW Thermal Power PlantCUI Xiu-qiang(Shiliquan Power Plant under the HDPI, Zaozhuang 277103, China)Abstract: Based on the turbine optimum vacum theory, opti-16.7/537/537型凝汽式汽轮机。循环水为单元制闭mization operation in fired-coal power plants is studied. A discrete式系统，机组配有2台双速循环水泵，转速为334/optimized model is proposed for circulating water system featuring375 r/min。运行中循环水泵的编组方式有以下4种:noncontinuous change of water flow rate. With the 300 MW单泵低速、单泵高速、双泵高-低速并联、双泵高power unit of Shiliquan Power Station as an example, the present速并联。model is used to study operation optimization in order to deter-循环水系统是火力发电厂一个重要的环节,循环mine the most eonomical grouping mode of operation for the cir-culating water pumps at different circulation water temperature水泵所耗用的电能约占电厂总发电量的1 %~1.5 %，and at various loads of the power unit. The economic operation它又是改变汽轮机真空的重要可调节因素。合理选schemes are obtained. It is employed to regulate the operation of择循环水系统的运行方式对于提高发电厂的经济性circulating water pumps and has obtained significant economic有重要意义。但目前电厂在循环水系统的运行方式gains. A profit analysis indicates that for a 300 MW power unit it中缺乏可操作性的理论依据，对循环水量的调节相is pssible to achieve a c∞al consumption saving of 0.5~ 0.7当粗略，并带有-定的随意性。循环水系统远未达g/ (kW.h).到经济运行，造成了能源的极大浪费。对循环水系Key words: circulating water system; discrete optimization; e∞o-统的运行方式进行优化，成为电厂节能降耗工作中nomic operation摘要:由凝汽器最佳真空原理人手，探讨了火电厂循环水系一个亟待解决的问题。统的运行优化问题，对水量不可连续变化的单元制循环水系统提出了一种离散优化模型。以山东枣庄十里泉电厂3001循环水系统优化运行原理[1]MW机组为例，利用本模型对循环水系统进行了运行方式的优化研究，确定了机组在不同循环水温度、不同负荷下最经在汽轮机排汽量和循环水温度-定的情况下，济的循环水泵运行组合方式，编制了循环水系统最优化运行以循环水流量D.为决策变量,随着Dw的增加，凝工况图，为运行中实现指导循环水泵的科学经济调度提供了汽器真空升高， 汽轮机功率输出增加，但同时循环量的依据。效益分析表明，对于300 MW机组，循环水系统水泵的耗功亦随之增多，抵偿增发功率的收益，使离散优化可使电厂标准煤耗降低0.5~0.7g/ (kW.h)。汽轮机的输出功率N,与循环泵耗功Np之差达到最关键词:循环水系统;离散优化;经济运行大的循环水流量称最佳循环水流量，相应凝汽器真中團分类号: TM621文献标识码: A空称最佳真空。即:引言中国煤化工]Np;(1)山东枣庄十里泉发电厂300 MW机组为N300 -.MHC.NMHG为第i台水泵的.消耗的功率，kW。收稿日期: 2005-03-31; 修订日期: 2005-04-28图1为循环水流量可连续调节系统的最佳真空● 20.电力科学与工程2005示意图。可以利用计算机进行这个一维无约束寻优。连续变动，等效益点成为等效益线，由此划分出切换循环泵组流量的工况区间。等效益线必然是低循N环水量与高循环水量引起净功转折工况点的轨迹。根据这-点，等效益线亦可用试验方法求出。Np综上所述，循环水系统优化的目标函数中包含了循环水、汽轮机组和凝汽器三大子系统模型。这些子模型不仅反映了循环水进水温度、凝汽器真空、r AN汽轮机功率增量、循环水泵流量、泵功率之间的约Dw 1(.心)束，而且彼此之间借助于循环水流量存在确定的耦合关系。.围1最佳真空示意图Fig.1 Diagram of optimum vaccum但是目前我国绝大部分大型电厂的循环水流量3离散优化具体计算方法是不能连续调节的，而只能通过改变水泵的不同组合方式对循环水流量进行间断调节。对此，式(1)运用本模型对十里泉电厂7号机的循环水系统和图1所示优化模型在原理上仍具有意义，但无法进行了运行优化研究。用于进行实际最优循环水流量的一维搜索， 上述传3.1 循环水泵的流与功率统的连续优化模型不能采用。针对此种情况，笔者循环水系统特性可表述为在一定的系统设备构提出了一种新的循环水系统优化模型一离 散优化成及系统组织方式下，在某-外部环境(水温、压模型。头)和确定的循环水泵运行状态时，进入凝汽器的循环水流量和水泵耗功之间的关系:2循环水系统离散优化数学模型Np=f (Dw)(3)式中: Dw为进人凝汽器的循环水流量，tm。对于循环水流量间断调整的单元制系统，在给对于十里泉电厂的循环水泵调节方式，在- -定.定的负荷和水温下，最佳循环水流量(最佳真空)的泵转速下，循环水泵的特性就确定了，而管路特只是若干离散流量(与泵组合方式对应)中的一个，性又不会变化，故系统的管路特性和循环水泵特性原则上可以用枚举法确定，但这样决定最佳流量对影响循环水流量的关系比较简单,表现为有限的几于电厂实际操作意义不大。因为它并没有给出最佳个数值对应。借助于试验可以确定循环水流量与循循环水流量与机组负荷和循环水温度的关系，运行环水泵运行方式的对应。即循环水流量、泵功率均人员则需要根据不同季节(水温)、不同机组负荷来只与循环水泵的编组方式(包括转速切换)有关，选择最优的循环水流量，进而控制最佳真空。实际而不须知道系统的管路特性和循环水泵特性，这是上，在机组负荷-循环水温度坐标面上,最优循环离散优化的一-个重要优点。进入凝汽器的循环水流水流量作为函数只是若千个离散的等高平台，用枚量、泵功率与泵的编组方式的关系，即式(3),可举法无法确定这些平台的边界。借助于试验取得。为此，我们定义功率净增益:循环水泵性能试验按照水泵试验标准进行,分ON= 0N;- 0Np(2)别进行了循环水泵低速和高速不同组合方式下的性式中: ON,为按某一基准计算的汽轮机的增发功率,能试验，通过对循环水泵在高、低转速下的试验数kW; ONp为按某一基准计算的循环泵的功率增量,据进行整理和计算，得到主要计算结果如表1所示。3.2 汽轮机特性[2~3]离散优化的原理就是在确定最佳循环水流量时,汽轮机特性可表述为汽轮机在某-汽轮机排汽用程序计算等效益点的方法取代简单枚举法,从而流量时，汽轮机组输出的功率和排汽压力之间的关给出离散的最佳循环水流量与机组负荷、循环水温中国煤化工度的函数关系并决定切换时机的临界工况线。所谓MHCNMH Gpo)(4)等效益点，是指两相邻离散循环水流量产生的功率式中: D。为轮机排式重，t/h; pe 为汽轮机排汽净增益ON保持相等的点(N, twn)。 如果将负荷压力，kPao .No2电力科学与工程喪1不同循环水泵运行方式下循环水泵功耗与冷却水流的关系Tab.1 Relation of power and water flow rate for circulating water pump under different pump groups循环水泵运行方式循环水泵凝汽器过循环水泵.循环泵扬程/m流量/ (t+h~1)水量/ (th~1)功率/kW效率/%双泵高速并联运行36 81234 6363 10125.287.2双泵高、低速并联33 526 .31 2082 65124.487.1单泵高速运行23 506 .21 5721 55921.6 .85.8单泵低速运行.20 50418 6041 10118.086.4.3.2.1排汽量的确定连接方式下，凝汽器的压力与循环水温度、进人凝根据汽轮机变工况原理，凝汽式机组末级常处汽器的循环水流量和汽轮机功率之间的关系，即:于临界工况，末级抽汽点压力p1与排汽量D.成正比;即使处于亚临界工况，末级抽汽点压力p也与排汽量D。成正比，即:De_卫(5)Do~ P10式中: p1为末级抽汽点压力，kPa; D。为设计排汽量，t/h; p1o为末级抽汽点设计压力，kPao-10-12由此只要测得末级抽汽点压力p1，便可求得排-14汽量D。o200260 320 380 440560 6203.2.2功率- 背压关系的确定排汽量(1.h1)运行中，汽轮机排汽压力随着很多因素的变化▲2.94 kPa● 4.903 kPa■6.864 kPa。8.826 kPa●10.79 kPa而变化，排汽压力的变化对机组的经济性及带负荷<12.75 kPa 2 414.71 kPa能力影响很大，排汽压力升高,将会引起机组功率困2低压缸排汽压力对功率修正曲线减少。一般汽轮机制造厂在热力特性计算说明书中Fig.2 Power revised rate curve response to different ex-都提供低压缸排汽压力对功率修正曲线，该曲线是haust steam pressure汽轮机厂根据变工况理论逐级计算并绘制出来的，pc= fc (tw1, Dw，N)(6)对于没有对机组通流部分改造和系统变更的机组,式中: tm为循环水人口温度,C。利用此法来确定背压变化对机组功率的影响可以满凝汽器热力特性的求取可以通过试验的方法获足工程需要，是工程界解决实际问题的一种简捷的得。试验根据JB3344--83《凝汽器性能试验规程》途径。进行，利用试验可以确定凝汽器特性曲线图，由曲图2为制造厂在热力特性计算说明书中提供的线图可以查出某-特定的运行方式下，对应不同循低压缸排汽压力对功率修正曲线,图中的曲线族为环水温度、流量和机组负荷,凝汽器排汽压力值。不同的汽轮机排汽压力。利用此曲线，只要确定汽凝汽器特性曲线可用于指导运行人员监视凝汽器的轮机排汽量即可获得汽轮机输出功率-背压关系。运行并可为其策划汽轮机组的安全、可靠、合理的3.3凝汽器热力特性[4]运行方式，是确定循环水系统优化运行方式的重要影响凝汽器排汽压力的因素归纳起来，有结构环节。参数、物性参数，对于已运行的凝汽器它们是不变对于循环水流量不能连续调节的系统，凝汽器的;还有运行参数，其中如管子清洁度、凝汽器的特性曲线可以Dw为参变量绘制。对于不同的Dw =严密性等，其变化往往是非正常的，运行人员应采定值，给出p。与D。, twn的关系曲线。图3、图4取措施予以消除，在运行时也较为稳定;运行中经分别中国煤化工组循环水泵在双泵高常变化的是循环水进口温度tw、汽轮机功率N,及速并F肿组合方式(对应两循环水流量Dw,这三个因素对凝汽器来说，分别称种循CNM HG盾环水温度，负荷的为凝汽器的负荷特性、系统参数特性和环境特性。变化对凝汽器排汽压力的影响。凝汽器热力特性可表述为在一定的设备组成和22●电力科学与工程200511泵组合方式下的功率净增益ON1, ON2, 然后不断10变换机组负荷,这个过程直至机组负荷Nt变化到使循环泵的两种组合方式的功率净增益彼此相等，即:ON1= ON记下此时的汽轮机负荷N;*,则tm*与N,"决定-一个等效益点(tw1*, N;* )1。其次，改变循环水进水温度(tw1)2, 重复上述求N;"的过程，则得到第二个等效益点(tm",N;* )2,如此试验得到i个等效益点{(tw1*, N;")i},利用这些等效益点的信息，经过拟合方程计算,'150 180 210240 270300 330将其关系回归出循环水温度与机组负荷的函数关系负荷/MW曲线方程，然后将其绘人工况图。Dw=34 636 t/h最后，将该过程应用于各个相邻流量(或各个◆20C●25C ▲27C■30C.*33C相邻泵组合)，即可得到整个循环水流量范围内的循环水泵最优运行方式控制图。围3负荷变化对凝汽 器压力的影响曲线等效益点和等效益线的求解是利用计算机循环Fig.3 Condenser pressure curves response to turbine pow-程序实现的，计算结果整理见图5。由图5,运行人员可以在任一-循环水温度、 机组负荷下确定最经济的循环水泵运行方式。图中横坐标机组负荷N,与纵坐标循环水初温tw组成交点，该点落人的泵组合区域就是最佳供水量区域。图中曲线实际，上就是循环水泵切换时的机组经济性最佳的分界线。(图中曲线1为双泵高速并联运行切换为双泵高、低速并联运行时的分界线;曲线2为双泵高、低速并联运行切换为单泵高速运行时的分界线;曲线3为单泵高速2「0中150 180 210 240 270 300 3308收NDw=21 572 th◆15C ●18C▲20C■25C围4负荷变化对凝汽器压 力的影响曲线Fig.4 Condenser pressure curves response to turbine pow-22,3n●Aer change204基于离散模型的优化计算十里泉电厂7号机组循环水泵4种固定组合方150 180210 240 270 . 300 330式，分别对应于4种不同的循环水流量。试验法求N/MW等效益线的方法如下。圉5循环水系统离散优化结果困首先，固定循环水进水温度twl=tm",与某一Fig.5 Discrete optimized result for circulating water sys-机组负荷N,对应，在两相邻循环水流量(与相邻泵组合相应)间切换，利用上述各子系统模型分别计运行切中国煤化工界线)。由优化结算在点(N, tm1)时两种相邻的泵组合(分别以下果知:YHC NMH C或; I区域为单泵标1, 2代表)的发电功率增量ONu，ON2和泵功高速运行区域;皿区域为双泵高、低速并列运行区增量ONp，ON2;在利用式(2)分别计算出不同域; IV区域为双泵高速并列运行区域(工作点落在No2电力科学与工程曲线界面时，应以界面线下侧区域为准)。例如，当可操作性强，而且无须增加额外的支出,有很好的推负荷为240 MW,循环水温为21 C时，在图5上确广价值。定一点A，它在单泵高速运行区域，此时投用1台参考文献: .高速循环水泵运行是最经济的，相应的最佳循环水量为19 250 t/h。[1]崔修强.300 MW机组循环水系统运行方式优化[D] .济南:山东大学, 2004.5效益分析[2]剪天聪.汽轮机原理[M] . 北京:水利电力出版社，1992.根据循环水泵最优运行工况图，可对电厂循环[3]哈尔滨汽轮机厂.N300 - 16.7/537/537型汽轮机热力特水系统运行方式给出优化建议，运行人员可由此确性[R] . 哈尔滨:哈尔滨汽轮机厂，1992.定最经济的循环水泵运行方式。电厂采用上述优化[4]张卓澄.大型电站凝汽器[M] . 北京:机械工业出版社，1993.措施后，可以从根本上克服循环水泵启停的随意性[5]张栾英，李建强，谷俊杰，等.100 MW循环流化床锅和盲目性的缺点，保证机组的凝汽器运行真空接近炉床温控制策略[J] . 华北电力大学学报，2004，(1):其最佳值，从而大幅度地降低电厂用电,提高电厂44-47.经济效益。十里泉电厂通过合理安排循环水泵运行方式, .使机组运行安全性和经济性都得到了提高。在任一作者简介:崔修强(1972-),男，山东滕州人，华电国际十里汽轮机负荷和循环水温度下(对应图5上的一个泉电厂助理工程师，主要从事火力发电厂节能和辅机运行方式优化点)，计算最佳循环水流量与相邻流量的功率净增益方面的研究。ON的差值，即可得到采用最佳循环水流量的节能效益。十里泉电厂300 MW机组年统计平均负荷大全球最大核电商看重我国电力市场约为250MW,按不同季节循环水温度进行效益的全球最大核电商一-法国阿莱 瓦集团总裁罗薇中女加权平均计算，每年节能收益81.26万元，供电标士在第11届中法经济研讨会上说,为了解决中国能源短煤耗降低0.611 2g/(kW.h)。缺,中国近年来加快了同外国核电企业合作的步伐,法国作为世界上核电技术领先的国家，已经同中国进行了成6结论效卓著的合作。据罗薇中介绍,法国阿莱瓦集团参与了我国多座核(1)在影响汽轮机凝汽器真空变化的诸多因素电站的建设工作,并且制定了专门针对我国的技术转让计划,集团在我国的雇员超过3500人。她说,中国准备中，运行中可以调节的只有循环水量。选择最佳的在今后15年大力发展核电工业,这使得中国市场对于阿循环水流量是实现循环水系统优化运行的基础。汽莱瓦尤为重要。轮机的最佳真空随机组负荷、循环水温度的变化而从全球范围看,发展核电是大国能源战略的必然选变化。外部条件变化时，及时调整泵的运行方式，择。法国的核电发电量占总发电量的77 % ,比利时达50 %,整个欧盟为35 %,日本为34 %,美国为20 %。实现循环水系统的优化运行，可显蓍提高系统的经然而,我国核电发电量所占比例不足2 %。我国核燃料济性。资源既有保证，又有潜力,发展核电具有广阔的前景。(2)提出了以等效益点迭代计算为主要特征的按照发展改革委的测算，到2020年,我国的电力总循环水系统离散优化模型。此优化模型对循环水量装机容量将达到9亿至10亿kW。按国家能源结构调整的规划设想,届时核电的装机容量要达到总装机容量不可连续调节的循环水系统普遍适用。的4%,即3600万kW至4000万kW。按照这个要求,(3)对十里泉电厂300 MW机组进行了循环水在今后15年内,我国的核电装机容量至少要新增3 000系统优化运行研究，经优化计算得出了循环水泵最万kW,即比现在增加300 %以上,平均每年要建成两台佳运行控制图，所得到的优化运行曲线图直观简洁，百万kW级的核电机组。中国煤化工法国技术,建造了两台可作为指导电厂运行人员对循环水系统优化操作的依据。.HCNMH(核电站建设时, 中法又术转让合作。(4)不同机组负荷下，本优化平均可降低供电(华电校园网)标煤耗0.5~0.7g/(kW.h)。该方法简便易行，运行