双速循环水泵冷端系统优化及时间递推分析

第30卷第3期机电工程Vol. 30 No.32013年3月Jourmal of Mechanical & Electrical EngineeringMar. 2013DOI: 10.3969/j.issn.1001- -4551 .2013.03.024双速循环水泵冷端系统优化及时间递推分析马洁',孙永平”，盛德仁",吴文健,李 蔚',陈坚红'(1.浙江大学热工与动力系统研究所，浙江杭州310027;2.浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州310014)摘要:为探究双速泵循环水系统优化运行问题,对冷端系统模拟工况计算模型进行了分析建立了在- -定循环水进口温度与不同负荷不同循环水泵运行方式下的功率收益及费用收益通用特性曲线;另外,为避免水泵启停以及高低速切换过于频繁,提出了时间递推优化模型,利用前一-天的综合功率收益 、费用收益来预测后- -天的循环水泵优化方案。 最后,以某电厂600 MW机组为例,利用以上分析模型进行了计算。研究结果表明:经优化后的综合机组功率收益可达1 699.39 kw ,运行费用收益可达每小时658.26元。关铡词:循环水系统;双速泵;优化;时间递推中图分类号: TM621文献标志码:A文章编号:1001- 4551(2013)03- 0349-05Optimal operation and time recursion analysis of tw0- -speedcirculating water pump unitMA Jie', SUN Yong -ping', SHENG De -ren', WU Wen-jian', LI Wei', CHEN Jian-hong'(1. Institute of Thermal Science and Power System, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Electric Power Research Institute, Zhejiang Electric Power Corporation, Hangzhou 310014, China)end system under the simulation working condition was investigated with the analysis of the general features of power income and expenseincome in a certain circulating water inlet temperature , difterent load and different water circulating pump operation. Otherwise, to avoidthe frequency of water pump's powering on, powering off and switching between high and low speed,a time recursion optimization modelwas put forward, which can predict the optimal operation mode a day after using the comprehensive power income and expense incomethe day before. Taking a 600 MW power plant as an example, it was caculated using these two models. The results indicate that thecomprehensive power income is up to 1 699.39 kW and the comprehensive expense income is up to 658.26 Yuan per hour.Key words: circulating water system; two -speed pump; optimization; time recursion重视循环水系统的优化运行，并提出和采用了一一些优0引言化方案,也取得了一-定的经济效益[0-7]。循环水系统的优化运行是指在满足凝汽器最佳笔者从经济性角度出发,以某电厂600MW机组水量的前提下,寻找最优的并联水泵运行组合和调速为例,建立循环水系统模拟工况计算模型,以功率收比,使整个泵组处于最优运行状态,以提高火电厂的益及费用收益作为目标函数,阐述微增功率和循环水经济效益"。对于在100%额定负荷运行时的600 MW泵耗功的计算过程,考虑到机组经过双速改造后,循机组,采用优化计算之后的电能收益高达1482 kW ,环水泵的运行方式更多,采用传统的等效益曲线图[0-9]1占主机功率的0.25%2。长期以来许多发电厂都非常不能直观与中国 煤化工,为此本研究提*YHCNM HG收稿日期: 2012-11-16作者简介:马洁(1989-),女 ,江苏靖江人，主要从事火电及核电厂热力性能计算等方面的研究. E- mail:21027079@zju.cdu.cn通信联系人:盛德仁,男,教授. E-mail:shengdr@zju.edu.cn350 .机电工程第30卷出绘制- -定 循环水进口温度下,不同负荷、不同循环通 过变工况理论逐级计算绘制排汽压力对功率的修水泵运行方式下功率收益及费用收益的系列通用曲正曲线并提供给用户,对于通流部分未进行改造和系线图。另一方面,水泵的频繁启停将对泵本体、机械统变更的机组,可利用该法确定汽轮机特性。密封装置、出口逆止门等造成- -定的损伤,且对于双1.2.1 凝汽器热 负荷速泵，高低速的切换需要停机操作,频繁切换会影响凝汽器热负荷的计算采用理论计算与精确热力电厂的经济性和安全性,因此笔者提出时间递推优化试验相结合的方法,根据试验所得热耗率修正曲线计模型,将前一天内的机组功率收益、费用收益进行累算变工况下机组热耗率,进而求得凝汽器热负荷,更加排序,以预测指导后一天的循环水泵优化方案,并贴近机组实际运行情况。保证每天循环水泵启停与切换次数不超过一一次。由机组负荷求热耗率,其拟合公式为:r。=2.374 8x10*P2 - 3.872 3P.+9 218.9 (3)1循环水系统模拟工况计算模型式中: P.- -机组功率, MW。模拟工况计算模型是指以实时运行工况的参数当机组排汽压力偏离额定工况时,热耗率也会发为基础,修改其中可调参数(循环水泵台数、叶角、循生变化, 当排汽压力低于额定工况时,排汽压力修正环水出口门等) ,进行模拟计算,以得出同- -循环水进系数为正,则热耗率增加,反之亦然。口温度、不同可调参数下运行耗差变化情况。以某电50%和100%负荷工况下,排汽压力对热耗率修正厂600 MW机组为例,模拟工况所需要的运行参数主系数拟合公式分别为:要包括:发电机输出功率、进人低压凝汽器排汽温度、Or50on=1.875 8x 10~pζ- 1.330 3p.+6.803 8 (4)进入高压凝汽器排汽温度、凝汽器热井出口凝结水温r0on=-8.896 4x 10~p2-0.710 3po +4.478 1 (5)度、低压凝汽器循环水进口温度、高压凝汽器循环水式中:P.-排汽压力,kPao出口温度。其可调参数为循环水泵组合。其他负荷工况下的修正系数可通过插值法获1.1目标函数得。当负荷为m %时,热耗率修正拟合公式为:1.1.1功率收益Arx-=10m-STrx :(m- 50)+Or5% (6)通过增加循环水量虽然可使机组电功率增加,但50同时循环水泵的耗功率也要增加。当改变循环水量由式(3,6)得修正后热耗率为: .使机组电功率微增值AP.与循环水泵所耗功率的增r=ro*(1 +0.01 . Or,)(7)加值AP,之间的差值达到最大时,所对应的真空称为由能量平衡,可得出排人凝汽器的热量为:最佳真空。机组最大功率收益SP_为:Qm=Po.r-P。3 60/nmn,)-D.h (8)AP.. =AP.- AP,(1)式中: η.-机械效率,%; η。-发电机效率,%;1.1.2 费用收益D2 -供热流量,th; h. - -供热抽汽焓值, kJ/kg。近年来,随着电力体制的改革深人以及电力调度凝汽器热负荷Q为:自动化程度的提高,最优化目标逐渐由机组煤耗率最Q=Q-D.h.(9)小化转变为市场经济时期追求企业利润的最大化[0。式中: D. -进人凝汽器的低压缸排汽流量,th; h.-对于给定机组,在机组负荷和循环水温等内外部条件凝结水比焓,kJ/kg。一定的情况下,通过寻求最优的循环水泵运行组合、研究者运用实时工况下的参数,通过计算凝汽器叶角开度等调整目标,以使综合利润最大化的方法,负荷可求得凝汽器清洁系数,在仿真工况计算中,通称为费用收益法。过凝汽器热负荷,迭代计算机组功率。本研究将发电增量折算成煤耗成本OC. ,泵耗功1.2.2循环水流量增量折算成电价费用OC, ,煤耗成本与电价费用之差本研究根据循环水泵叶角开度管路阀门开度以达到最大所对应的循环水量即为最佳值,即:及循环水泵运行方式所对应的循环水泵性能曲线和AC.. =△C. -QC;=OP.c.b,-OP,"c，(2)管路性能曲线取交点,即为循环水泵工作状态点。以式中:c-标准煤价 ,元/t; b,-供电煤耗率,kg/(kW.h);2机4泵小母管制循环水至统为例循环泵经过双速改中国煤化]c,-.上网电价,元/t。造,其运行方三运行工况的计算1.2 变工况下机组微增功率的确定过程更为复CNMHE程保持不变、流在某一新蒸汽参数和流量下汽轮机输出的功率量叠加的原则。循环水泵运行工况如图1所示,研究者与排汽压力的关系称为汽轮机特性。汽轮机制造厂根据图 1即可求得各运行方式下对应的工作状态点。第3期马洁,等:双速循环水泵冷端系统优化及时间递推分析0←00 250 300 350 400 450 500 550 600030.-一机两泵两高+ --机两泵-高-低两机二溧两高低105两机三装-高两低管路鼠力特性曲线循环水流tum's")机组负荷MW81 循环水泵运行工况图2循环水人口温度 24.6 C时的微增功率曲线图.2.3排汽压力的计算300凝汽器压力由与之对应的饱和蒸汽温度1,决2000定。饱和蒸汽温度计算方法如下式:1,=1.1+▲t+8t(10)350450I 00式中:t。-循环水进口温度,; Au- -循环水温-2000升,C; 8t -凝汽器传热端差, C。000-=二组价该算例中采用双背压凝汽器,需要对高低压凝汽4000器分别进行饱和蒸汽温度的计算,具体计算过程可参图3循环水入口温度 24.6 C时的功率收益曲线图考文献[11-12]。.1.3 变工况下循环水泵耗功增量的确定600根据泵类机械流体相似原理,已知制造厂提供的a 40高速循环水泵功率特性曲线,可求得低速状况下功率特性曲线,根据循环水泵运行方式及循环水流量,即5040043005506可求得循环水泵耗功增量△P,。本-2001.4循环水泵最佳运行方式的流程确定在同一仿真模型计算中,本研究认为凝汽器的清洁系数不发生变化,清洁系数可由输人的实时工况计图4循环水入口温度 24.6 C时的费用收益曲线图算求得。实时工况的机组功率和凝汽器热负荷作为由于机组负荷与循环水进口温度于前后两天不修改可调参数后第- -次迭代的初值。本研究保持循同时间段内相差不太大,本研究以--天作为时间单环水进口温度--定,改变机组负荷以及循泵运行方元,利用时间递推优化指导模型,结合冷端系统运行式,重复以上计算,得出机组微增功率、功率收益以及参数的变化特性,根据前- -天内的综合功率收益以及费用收益随机组负荷的变化,并给出最优排列。费用收益,合理地预估今天的最合理的循环水泵切换管理人员可根据当前循环水进口温度,查找相对运行方式,再根据当天的机组负荷和循环水温情况计应收益曲线(如图2~4所示,基准工况为组合1,即-机算综合功率收益以及费用收益,用于预测后-天最经两泵一两高速泵),从而选定循环水泵最佳运行方式。济的循环水泵组合,依次递推。某600 MW机组在一天24 h内典型时段的运行参2时间递推优化指导模型数如表2所示。本研究根据不同时间点的运行工况数双速改造仅改变定子绕组的接线方式,不添置和据计算该工况下功率收益与费用收益,可得到一天内改变任何设备,即可达到两种速度。其相对于其他调不同循环水泵运行方式下的功率收益与费用收益走速方式具有改造投资小、维护运行保养方便、可靠性势图,如图5、图6所示。笔者将24 h内不同时刻的功高等优势,但缺点是需停泵进行切换。率收益和费用收益进行积分求和取平均,即可得到一由于机组参与的调峰状况偏多,循环水泵启停与天内不同循环水 运行方式下的机组综合功率收益P高、低速切换都需要一定的操作时间,实际操作过程及综合费用收益^r中国煤化工中不可能在不同负荷、不同进水温度间不停地切换组合;另一方面,水泵的频繁启停也将对泵本体、机械密YHCNMH CP.Ot)OP=-i -=_。(11)封装置、出口逆止门等造成一定的损伤。为此本研究提出时间递推优化指导模型。●352●机电I第30卷表2某600 MW机组24 h运行参数(典型时段)时间发电机输出高压凝汽器低压凝汽器凝汽器热井循环水出口循环水进口功率MW排汽温度/C排汽温度C .出口温度/C温度心C温度/C6:00356.634.8331.2834.6932.4424.079:00482.236.4731.7036.0533.4422.7012:00589.736.1132.2835.9332.2123.3618:0038.9433.5338.5435.6623.6821:00440.835.2931.0935.1532.2522.1024:00293.628.2625.7228.2117.18表3某600 MW机组- -天内时间递推模型计算结果6000+对应功率对应费用4000.功率收益收益值费用收益2000最优排列kW1(元h)246881/1416(18/20224组合61699.39658.26不-2000组合51 55.24592.6240006000组合41405.555521.92时刻h组合31343.67组合7511.84图5 - -天内某机组功率收益曲线图859.28490.721500组合2753.51组合8.277.21组合1275.36500组合8-301.450表4机组双速运行循泵相关参数凝汽器循环循泵综合循泵-1 500时刻名称循泵组合水流量耗功扬程/(t-h")/kW/m图6 - -天内某机组费用收益曲线图-机两泵两高72 280.49795027.99之(0C.-SC)Qu 之(QC. 01)一机两泵一高一低65 936.72 6 794.67 25.48sC=1(12)两机三泵三高62 066.43 5 895.01 24.55-机两泵两低60 301.49 5 670.5 24.02两机三泵两高一低57225.72 5 201.19 22.86式中: AP.-机组微增功率, kW;△P, - -循环水泵所耗组合6两机三泵 -高两低54 963.74 4 785.32 22.25功率的增量,kW;△P -功率收益,kW; SC-煤耗成一机一泵一高44 093.80 3 657.89 19.41本增量,元h; AC。一电价费用增量,元h; SC一费用-机一泵一低37 282.81 2 587.44 17.85收益,元h。本研究将- -天内不同循环水运行方式下的机组3.2结果分析综合功率收益AP及综合费用收益AC进行优化排3.2.1模拟工况计 算结果序,可用于预估指导当天最合理的循环水泵运行方本研究对600MW汽轮机进行冷端系统优化计式。笔者对上文600 MW机组进行时间递推指导优化算,根据试验期间实测所得该电厂机组的实际运行数模型计算,其最优组合排序结果如表3所示。据,通过改变循泵运行方式改变循环水流量,以组合1(一机两泵两高)作为基准工况,利用循环水系统模拟3计算实例工况模型计算,从而得出机组微增功率、功率收益以3.1机组介绍及费用收益随机组负荷的变化曲线(如图2~4所示)，某电厂4台600MW超临界燃煤发电机组,凝汽即在同-循环水口泪度24 6r不同机组负荷下的中国煤化工器为N-37000A型单流程双背压凝汽器,循环水泵经计算结果。THCNM H G,双速改造后高、低速分别为370 r/min与330 r/min。循图2中,v以m咱陋日v组负荷的增加而环水泵的运行方式总共有8种组合,其循环水流量、循减小,其中,组合7与组合8方式下随着负荷的增加微泵耗功等参数如表4所示。增功率减小的幅度最大;组合2方式下,在负荷变化中第3期马洁,等:双速循环水泵冷端系统优化及时间递推分析353●微增功率-一直保持最大,组合8方式则最小。和负荷运行情况预测当天的循环水泵最优组合,更符由图3、图4可看出,采用费用收益与功率收益的合实际应用情况。寻优结果较为接近,只有当标准煤价与上网电价发生参考文献(References):较大变化时,曲线才会发生- -些整体偏移。当标准煤[1] 夏东伟,张承慧,石庆升.电厂循环水系统优化控制及其价.上涨幅度较大时,应考虑通过增加循环水流量降遗传算法求解[J].山东大学学报,2005 ,35(2):50 -54.低汽轮机背压来增加机组发电量;而当上网电价上调[2] 楼可炜,孙永平,秦 攀,等.600MW机组循环水泵最佳运幅度较大时,应考虑通过减少循泵耗功来降低厂用行方式的确定方法[J].浙江电力,2011 ,30(9):47-50.电。[3] 李秀云,严俊杰,林万超.火电厂冷端系统评价指标及诊3.2.2 时间递推优化指导结果断方法的研究[J].中国电机工程学报, 2001,21 (9):94- 98.该电厂进行时间递推优化后的排序结果如表3所[4]石涛,孙永平 ,朱朝阳,等.母管制双速循环水泵冷端系统示,本研究将前-一天8种循环水泵组合方式下的机组的运行优化[J].动力工程学报,2011,31(4):285 -289,311.功率收益、费用收益进行累加排序,预测后- -天循环水[5] 张志刚,王 玮,曾德良,等.冷却塔出塔水温的迭代计算泵最优组合运行方式。由计算结果可得,组合6的综方法[J].动力工程学报,2010,30(S):372- -377.合机组功率收益为1699.39kW,运行费用收益为[6] 李勇,曹丽华,赵金峰,等考虑更多因素的凝汽器最佳真空确定方法[J].中国电机工程学报, 2006, 26(4):658.26元h,为最优循环水泵运行方式。71-75.4结束语[7] 王玮,曾德良,杨婷婷,等.基于凝汽器压力估计算法的循环水泵最优运行[].中国电机工程学报, 2010, 30本研究对双速循环水泵模拟工况冷端系统优化(14):7-12.模型进行了分析,介绍了判断指标,并采用费用收益8] 刘吉臻,王 玮,曾德良,等.火电机组定速循环水泵的全作为冷端系统优化模型的目标函数,考虑了煤和电不工况运行优化[J].动力工程学报,2011 ,31(9):682- 688.同能量价值后的综合价值后的综合煤耗成本,与功率9]焦玉香,冯永和. 循环水泵节能改造[J].机械, 2012,39(4):86-88.收益相比更加科学。[10] 肖增弘,董立羽,王 雷.广义经济调度模型下火电厂循为了避免循环水泵频繁起停和切换,本研究提出环水系统的优化运行及可视化实现[J].电力技术经济，了时间递推优化指导模型,得出- -天内的综合功率收2008,20(6) :43-46.益以及费用收益,能够更好地指导管理人员选择最优[11] 曾德良,王玮,刘吉臻,等.双压凝汽器闭式循环水系统的最优运行方式[J].热能动力工程, 2011, 26(2) :循泵组合。最后,本研究针对某电厂600 MW机组进171-175,252.行计算,给出8种循环水泵运行方式下的机组功率收[12] 葛晓霞,缪国钧,钟 澎,等.双压凝汽器循环水系统的优益和运行收益的排列,以方便运行人员选择最优的循化运行[J].动力工程,2009 ,29(4):389 -393.环水泵运行方式,同时也可以根据前一天的气温条件[编辑:李辉](_上接第348页)[5] SALAS V ,ALONSO-ABELLA M,CHENLO F,et al. 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