火电机组定速循环水泵的全工况运行优化

第31卷第9期动力工程学报Vol, 31 No. g2011年9月，Journal of Chinese Society of Power EngineeringSep. 2011文章编号:1674 7607(2011)09-0682-07中图分类号:TK229.2文献标识码:A学科分类号:470.30火电机组定速循环水泵的全工况运行优化刘吉臻，王玮，曾德良，常太华，柳玉(华北电力大学控制与计算机工程学院,北京102206)摘要:为解决枚举法得出的定速循环水泵最优运行方式的局限性,通过分析汽轮机低压缸、冷却塔及凝汽器真空的全工况计算模型,提出了在环境温度相等的前提下进行循环水泵全工况运行优化,并对其流程进行了阐述,将排汽压力对汽轮机功率的修正曲线进行了全工况拟合,利用二分法求解机组各工况下循环水泵相邻运行方式的等效益点,进而获得等效益曲线,并采用二分法对某电厂的定速循环水泵进行了等效益曲线实例验证.结果表明:循环水泵优化运行后,平均可降低煤耗0. 594 g/(kw. h).关键词:火电机组;定速循环水泵;运行优化;凝汽器真空;等效益曲线;二分法Operation Optimization of Constant-speed Circulating WaterPumps in a Thermal Power Plant under Full ConditionsLIU Ji-zhen'，WANG Wei'，ZENG De-liang'，CHANG Tai-hua'，LIU Yu'(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206 , China)Abstract: In order tccomee the limitation of optimized operation of constant speed circulating waterpumps obtained by enumeration method, the idea of optimizing the operation of circulating water pumpsunder full conditions was proposed on the premise of equal inlet temperature of cooling water, based on a-nalysis of full-condition calculation models for low pressure cylinder, cooling tower and condenser vacuum.The specific optimization process is to fit the corrective curve between turbine power and exhaust pressureunder full conditions, then to solve the equal efficiency points between adjacent operating modes of circu-lating water pumps by dichotomy method, and finally to acquire the equal efficiency curves. V erificationresults on the equal efficiency curves in a certain power plant show that an average of 0.594 g/(kw●h) netcoal consumption can be saved after the optimization of relevant circulating water pumps.Key words: thermal power unit; constant -speed circulating water pump; operation optimization; condenservacuum; equal efficiency curve; dichotomy method循环水泵是火电机组冷端系统的重要设备,其一,消耗的电能约占厂总发电量的1%~1.5%1];运行方式对厂用电率和凝汽器真空等指标有着重要另-方面,由于在汽轮机排汽量和环境条件- - 定的的影响.-方面,它是火电厂中耗电量较大的辅机之情况下,凝汽器真空仅由循环水流量决定.因此,循收稿日期:2011-02-06修订日期2011-03-08基金项目:国家自然科学基金(51036002)资助项目作者简介:刘古臻(1951-),男,山西岚县人,教授,博士生导师,主要研究方向为大机组智能优化控制和电力企业信息化.E玮(联系人),男,博士研究生.电话(Tel. ):13581791569,E- mail :ncepuwangwei@ sina. com.第9期刘吉臻,等:火电机组定速循环水泵的全工况运行优化●683环水泵的运行方式直接决定了凝汽器真空的高低.获得最大的电功.图1为循环水泵优化运行原理图.凝汽器真空是汽轮发电机组运行的最重要指标之，汽轮机低压气一,真空降低将会明显提高热力循环的冷源温度,降末级组低汽轮机出力,最终导致主蒸汽能源利用效率降低[4.因此,研究在一定环境及汽轮机负荷条件下的循环水出口↓冷却塔入塔循环水泵最优运行方式,保证凝汽器在最佳真空下工汽温度豪光器K=y[冷却堞作,可以在节省能耗的基础上使电厂的净电能输出增[对应Dww▲循环水入冷却塔出塔加,从而降低供电成本,提高电厂的运行经济性.循环水泵实现循环水泵的优化运行，是火电机组各种节真空能降耗方法中一种卓有成效的“软"方案.自上世纪80年代以来，此方面的研究已经有了较大进展,但环水泵耗功率仍存在一些问题亟待解决.首先，当前循环水泵优化运行的研究均是在循环水人口温度相等的前提下进L+/MAX行的,这对循环水入口温度依赖于冷却塔的闭式循环水系统来说不合理，因为当循环水泵的运行方式图1循环水泵优化运行 原理图发生变化时(即循环水量发生变化时),其对应的循Fig. 1 Optimized operation of circulating water pump环水入口温度也会因冷却塔的冷却效果差异而发生变化.王玮等[2]中提出在环境温度相等的前提下确循环水泵优化运行的目标函数可表述为:定循环水泵的最优运行方式,本文的论述以此为基max(OPr-△Pp) =础进行.其次,对定速泵最优运行方式的研究,当前max[(Pr..- Pro)-(Pp.- Pro)]=基本采用枚举法获得其最优运行方式,但由于机组max[(Pr.- Pp,)-(Pro- Pro)]=不可能长时间保持在枚举出现的几个典型工况下运max(Pr.,- Pp.)(1)行.因此,实现循环水泵运行方式的全工况寻优势在式中:OP+为汽轮机功率增量,kW;OPp为循环水必行.笔者通过分析汽轮机低压缸、冷却塔以及凝汽泵耗功率增 量,kW;P.,为当前工况下的汽轮机功器的全工况计算模型,为确定循环水泵的最优运行:率,kW;Pp.为当前工况下的循环水泵耗功率,kW;方式奠定基础,然后利用二分法获得循环水泵不同Pro为参考工况下的汽轮机功率，kW;Ppn为参考工运行方式间的等效益曲线，在当前的环境温度及负况下的循环水泵耗功率,kW.当参考工况确定后，荷条件下,可即时获得循环水泵的最优运行方式.由Pro、Pp为常数.本文中除特殊说明处外，所有参数此获得的循环水泵全工况优化运行曲线对现场定速下标含0的均表示参考工况(或设计工况),下标含i循环水泵的优化运行具有一定的指导意义.表示当前工况.图1中,冷端系统净收益功率是指机组在当前1循环水泵的优化运行原理工况下收益的汽轮机功率与消耗的循环水泵功率之凝汽器压力对机组的出力影响较大.葛晓霞差,见式(1).冷端系统净收益功率的概念在本质上等[4]指出,凝汽器压力从4 kPa降至3 kPa时,汽轮与前人提出的汽轮机功率增量与循环水泵耗功率之机的汽耗量平均降低1. 5%~2.0%.由于凝汽器压差的增量目标函数是相通的.值得一提的是,冷 端系力是由汽轮机排汽量、循环水人口温度以及循环水统净收益功率的物理意义更能表达循环水泵最优运流量共同决定的，所以在汽轮机排汽量和环境条件行的本质，即用最小的循环水泵消耗功获得最大的一定的情况下,凝汽器真空仅由循环水流量决定,即汽轮 机功率输出循环水流量的大小直接决定了机组出力的大小.综上可知，循环水泵最优运行方式的确定共涉增大循环水流量可以提高凝汽器真空,增大汽及4个子设备,即汽轮机低压缸末级组、冷却塔、循轮机功率,但同时循环水泵的耗功率也随之增加.因环水泵和凝汽器.在循环水泵最优运行方式的确定此,这就存在一个平衡计算的问题.根据热经济性最过程中,循环水流量是自变量;汽轮机蒸汽流量与环佳的原则,当二者的差值最大时对应的循环水泵运境温度等外界条件为控制变量;而状态变量可分为行方式最优,此时对应的凝汽器真空为最佳真空.循三级变量体系,见图2.循环水泵的优化运行,即确环水系统最优运行的实质即用最小的消耗功代价，定一定的汽轮机蒸汽流量及环境温度等外界条件下●684●动力工程学报第31卷指标冷端系统净收益功率式(2)~式(8)中:Pp为循环水泵耗功率, kW;Q为循环水流量,m2 /s;he为汽轮机低压缸排汽焓,kJ/状态变量| 汽轮机功率循环水泵耗功率kg;a为机组负荷比;Lm为循环水人口温度,C:1t为环境温度,C;D。为循环水流量, t/h;t,为凝汽器内l 凝汽器压力饱和蒸汽温度,C;p为凝汽器压力,kPa;Pr为汽轮机功率,kW;OP为冷端系统净收益功率,kW.状系警量排汽始[循环水入口温度扬程、 效奉循环水入口温度初值取为环境中冷却水的温度循环水流量凝汽器控制变量[汽轮机蒸汽流量[环境温度等外界条件循环水图2循环水泵优化运行参数体系框图入口温度返回循环水Fig.2 Parameters control in optimized operationL入口温度相等of circulating water pump冷却塔出塔水温_↓ 入塔水温的最优循环水流量.要获得全工况的循环水泵优化运行模型,需建立上述4个子设备及各级参数变量的全工况计算模型.图3循环水入口温度计算流程图"ig. 3 Calculation for inlet temperature2循环水泵的全工况优化运行流程of cooling water2.1计算流程2.2循环水泵特性(1)获取循环水泵在各运行方式下的工作点，循环水泵的运行特性是由泵的自身性能与管路包括循环水泵的流量、扬程和效率,计算各运行方式特性共同决定的,两条特性曲线的交点即为泵的实对应的轴功率:际工作点.泵的特性曲线以及效率曲线通常由厂家Pp= f(Q)提供,泵的管路特性曲线-般可表述为:(2)由当前的汽轮机负荷及各级抽汽参数计算H;= H, +φQ°(9)汽轮机低压缸排汽焓:式中:H;为管路特性能头,m;H。为净扬程,m;q为he= f(a)(3)常数.(3)计算给定汽轮机负荷及环境温度下的循环当单台泵的流量不够时,可通过并联循环水泵水人口温度,图3为计算流程图.由于循环水入口温来增加流量.并联后循环水泵的特性曲线由相同扬度受凝汽器与冷却塔的耦合作用，所以此处涉及凝程点的流量叠加获得.图4为某2X600 MW机组汽器特性以及冷却塔热力特性的计算:循环水泵运行方式曲线图.tw = f(a,ta,he,D)(4)s0(4)由循环水人口温度、排汽焓及凝汽器参数计算凝汽器饱和蒸汽温度,进而计算凝汽器压力:40-1, = f(a,twl,h.)(18.32,28.1)2/(转, + 1007.46器30p=(57.66) X9.8X10-3 (6)(0.99.21.6)15.30.251(5)根据排汽压力对汽轮机功率的修正曲线，20-.计算当前的汽轮机功率:单泵运行3/2泵井联双聚并联一 1002Pr= f(a,pu)(7)流量Q(m'.5)(6)计算当前汽轮机负荷及环境温度下的冷端图4某电厂循环水泵运行方式曲线图系统净收益功率:Fig.4 Operating mode of cireulating water pump△P= Pτ- Pp(8)in a certain power plant(7)计算相邻循环水泵运行方式在各环境温度已知循环水泵的运行工作点，可由下式计算循下的等效益负荷点,并拟合获得等效益曲线.环水泵轴功率:第9期刘吉臻,等:火电机组定速循环水泵的全工况运行优化●685●Pp = QogH/η(10)0.10母源数据式中:P为循环水密度,一般取1.0 g/cm2 ;g为重力0.05-一拟合多项式加速度;H为循环水泵扬程,m;7为循环水泵效率.2.3汽轮机低压 缸末级组-0.10-2.3.1排汽压力对机组功率的修正曲线汽轮机特性可表述为汽轮机在某一新蒸汽参 数和流量下,汽轮机的输出功率与排汽压力之间的关-0.25系.首先,对几个概念进行一下阐述:背压即汽轮机40排汽压力,指低压缸中做完功后还有一定压力和温变换后的排汽压力plkPa度的排人凝汽器的那部分蒸汽压力;凝汽器真空指图6某电厂排汽压力与微增功率修正曲线当凝汽器中的压力低于大气压力时，把低于大气压Fig.6 Corrective curves of incremental power byexhaust pressure力的部分叫做凝汽器真空,而凝汽器内的压力是绝对压力，即所谓的凝汽器压力.对于常规的湿冷机拟合曲线的相关系数R2 =0.995 3.组,排汽口与凝汽器间距离相对较短,可近似认为其2.3.2.汽轮机低 压缸排汽焓排汽压损为零,汽轮机低压缸排汽压力等于凝汽器汽轮机排汽焓的计算采用以汽轮机末级抽汽或压力.在本文后述的计算中,即认为排汽压力等于凝末级抽汽的上一级抽汽(过热蒸汽状态)为计算起点汽器压力.的顺序变工况核算方法.从末级抽汽开始,对于过热汽轮机特性通常可直接由厂家提供的汽轮机低蒸汽状态点以前的各级抽汽，级和级的压比不变,故压缸排汽压力对汽轮机功率的修正曲线来描述.但认为其相对内效率不变[5].对于过热蒸汽状态点之由于该曲线仅提供了几个典型工况下的修正曲线，后的各级抽汽,假设汽轮机内的膨胀做功过程为理因此不适合用于全工况计算，见图5.建立汽轮机微想绝热过程,逐级计算各级蒸汽的参数,直至计算出增功率与排汽压力的修正曲线,拟合结果可直接用排汽焓0.图7为某电厂排汽焓与机组负荷比的拟于全工况计算,且具有较高的精度.图6为某电厂汽合曲线.轮机微增功率与排汽压力的修正曲线,拟合结果为:2440y=204x2-420.47x+2 556。242R'=0.9909ANt --2.367x10-6(如-5.25 )“主2 400-2 3800. 0089(P .5.25)- 0.004 4(11)◆源数据2340--拟合多项式因此,当前的汽轮机功率可表示为:N: = Nro(1 + ONr)(12).20.0.81.负荷比式中:ONt为功率修正率;Nro为满负荷机组功率;图7某电厂排汽焓与机组负荷比的拟合曲线Fig. 7 The fited curve of exhaust enthalpy by load ratio2.4凝汽 器特性凝汽器压力计算采用基于换热理论的凝汽器压力变工况算法[6].图8为基于换热的凝汽器压力变工况算法流程框图.图中实线箭头为设计工况计算，虚线部分为当前工况计算,各模块之间箭头上标注-10-的参数为未知参数,其他均为已知参数.因此，可通过平衡式计算直接获得各未知参数,直至获得当前isL工况下的饱和蒸汽温度t。.13排汽压力MPa图8中,D。为汽轮机蒸汽流量,t/h;cp为定压图5某电厂排汽压力对汽轮机功率的修正曲线比热容,4. 186 8 kJ/(kg. C);tu2为循环水出口温Fig.5 Corrective curves of turbine power by度,C;Nru为换热单元数;K●F为凝汽器的换热系数;ε为加热器效能;风为循环水温修正系数.●686●动力工程学报第31卷起始数关系和决定切换时机的临界工况线.笔者借鉴此结束Delhe-ct>)=ducp(lw2-lwn)能量守恒方法,提出利用二分法确定相邻循环水泵运行方式方程之间的等效益点,由此获得的等效益曲线可直接划联立求解设计工况的分出泵组切换的工况区间.ε-1-e-~Mum WELL所谓等效益点即两种相邻的循环水泵运行方式下冷端系统净收益功率保持相等的点.在环境温度设计工况，Nru效设计工况，Nru一定的前提下,负荷越低,维持最佳真空所需的循环p K:F水流量越小;反之越大.在机组负荷-定的前提下，当前工况，KF当前工况, KoFo循环水人口温度越低,维持最佳真空所需的循环水量越小,反之越大,此即凝汽器真空的单调特性.例K.F-K.Fo变工况计算如,某机组在环境温度为5 °C、机组满负荷运行时，循环水泵最优运行方式为2机3泵;而当负荷变为8基于换热的凝汽器压力变工况算法流程框图Fig. 8 Condenser pressure algorithm under varying work70%时,循环水泵最优运行方式为2机2泵.即当机conditions based on heat transfer theory组为满负荷运行时,2机2泵与2机3泵运行方式下的冷端系统净收益功率之差为负，而当机组在2.5冷 却塔特性冷却塔运行性能的优劣直接体现在冷却塔出塔70%负荷下运行时此值为正.因此,在70%至100%水温上.由于在不考虑循环水补水及泵功的情况下，负荷区间之间必存在一个负荷点使得上述两种运行循环水人口温度为冷却塔出塔水温.因此,冷却塔的方式下的冷端系统净收益功率恰好相等,此点即2机2泵与2机3泵间的等效益点.当环境温度连续热力计算主要集中在出塔水温的计算上.变化时,会存在- .系列的等效益负荷点,将这些等效冷却塔内的热力特性可描述为:f(p,φ,q,t2,t,Vm) =0(13)益点连接起来即是2机2泵与2机3泵运行工况的式中:p、P、、2、Vm分别为大气压力、相对湿度、人等效益曲线.等效益负荷点可采用二分法求解。二分法是一种非线性方程求根的方法.其基本塔水温、出塔水温、人塔风速.冷却塔出塔水温[]的计算流程见图9.原理是若f(x)在[a, 6]连续,且f(a)●f(b)<0,则由连续函数的性质可知f(x)=0在(a,b)内至少有出塔水温初值 12=0一个根.若f(x)在[a,b]上单调，则f(x)=0在(a，7↓b)上有且仅有一个根.在求解相邻两种循环水泵运| 12=2-0.001计算特性数2、冷却数2行方式的等效益曲线过程中,选取目标函数f(x)为2机3泵与2机2泵运行方式下的净收益功率之判断是否02<2]TYe差,即f(x)=Pas- P2,则f(x)在70%负荷时为| 输出当前出塔水温负,在满负荷时为正，且由凝汽器真空的单调特性可图9冷却塔出塔 水温计算流程图知f(x)在负荷区间[70%,100%]单调递增.因此，Fig.9 Temperature calculation for outlet water在[70%，100%]内必存在唯一的负荷点使得from cooling towerf(x)=0,此负荷点即为环境温度5 C时,2机2泵3在定 速泵全工况优化中应用二分法与2机3泵的等效益点.其中P2s为循环水泵在2机3泵运行工况时的冷端系统净收益功率，P22为循环目前国内大多数电厂采用定速循环水泵,循环水泵在2机2泵运行工况时的冷端系统净收益功水流量采用改变循环水泵组合方式进行调节,例如率.图10为用二分法求解等效益曲线的程序框图.国产的2X600 MW机组,循环水泵一般有2机24实例验证泵、2机3泵和2机4泵3种组合方式,其循环水泵的优化运行多采用枚举法,即列举部分典型工况下某2X 600 MW机组:凝汽器为N-36000-1型凝的循环水泵最优运行方式,但对于其他任意工况则汽器,双背压,设计循环水进口温度为21 C ,设计循无法直接获得循环水泵最优运行方式.黄新元等D]环水量为18. 5 m'/s,额定工况下,低压凝汽器设计提出利用等效益点的方法来取代简单的枚举法,进真空为4. 7 kPa,高压凝汽器设计真空为5. 736而确定最佳循环水流量与机组负荷、循环水温的函kPa;汽轮机广义排汽量为1 145. 06 t/h; 循环水泵第9期刘吉臻,等:火电机组定速循环水泵的全工况运行优化，687单泵运行时流量为39569m3/h,两泵并联运行时流y=9.178 3x10-5x2-0.003 1x+0.999 s量为65 948 m'/h;冷却塔为8000 m2双曲线自然0.95R-0.998 1通风冷却塔,填料采用的是某公司塑料S波淋水填0.902机4泵最优料, ,热力特性方程为:Q'=1.6420.78. 对该机组用二0.85分法计算等效益点,计算结果见表1.0.80-2机3泵最优选取初始负荷区收0.75--1.0748x0-x-*+6.325 9x10-*