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 92011年9月Journal of Chinese Society of Power EngineeringSep. 2011文章编号:1674-7607(2011)090682-07中图分类号:TK229.2文獻标识码: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,曾徳良,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,利用二分法求解杋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0.594g/(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, LIUYu'(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power UniversityBeijing 102206, China)Abstract: In order to overcome 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 vacuumTheific optimization process is to fit the corrective curve between turbine power and exhaust pressurel conditions, then to solve the equal efficiency points between adjacent operating modes of circulating water pumps by dichotomy method, and finally to acquire the equal efficiency curves. Verificationresults 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,消耗的电能约占厂总发电量的1%~1.5%;运行方式对厂用电率和凝汽器真空等指标有着重要另一方面,由于在汽轮机排汽量和环境条件一定的的影响.一方面,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:2011-0206修订日期:2011-0308中国煤化工基金项目:国家自然科学基金(51036002)资助项目CNMHG作者简介:刘吉臻(1951-),男,山西岚县人,教授,博土生导师,主要研究方向为大机组智能优化控制和电力企业信息化王玮(联系人),男,博士研究生电话(Tel):13581791569;Emai;ncepuwangwel@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真空降低将会明显提高热力循环的冷源温度,降汽轮机低压缸末级组低汽轮机出力,最终导致主蒸汽能源利用效率降低.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饱和蒸汽温度凝汽器冷却塔作,可以在节省能耗的基础上使电厂的净电能输出增循环水入口Doll加,从而降低供电成本,提高电厂的运行经济性.凝汽器循环水泵实现循环水泵的优化运行,是火电机组各种节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,但循环水泵循环水泵耗功率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入口温度相等的前提下进冷端系统行的,这对循环水入口温度依赖于冷却塔的闭式循净收益功环水系统来说不合理,因为当循环水泵的运行方式发生变化时(即循环水量发生变化时),其对应的循图1循环水泵优化运行原理图Fig 1 Optimized operation of circulating water pum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(△Pr-△Pp)=础进行.其次,对定速泵最优运行方式的研究,当前max[(PT.i-Pro)-(PP :-Ppo)]基本采用枚举法获得其最优运行方式,但由于机组PRi)-(Pro-Ppo)]不可能长时间保持在枚举出现的几个典型工况下运max(PPn:行.因此,实现循环水泵运行方式的全工况寻优势在式中:ΔPr为汽轮机功率增量,kW;△P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;P1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Pm为参考工况下的汽轮机功率,kW;P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Po、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1循环水泵的优化运行原理图1中,冷端系统净收益功率是指机组在当前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指出,凝汽器压力从4kPa降至3kPa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、循环水入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,循环水流中国煤化工流量与环佳的原则,当二者的差值最大时对应的循环水泵运境温度等外界条CNMHG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.循坏水泵的优化运行,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,m3/s;h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;tn为循环水人口温度,℃;to为环境温度,℃C;D。为循环水流量,t/h;t为凝汽器内状态变量凝汽器压力饱和蒸汽温度,℃;p为凝汽器压力,kPa;Pr为汽轮机功率,kW;△P为冷端系统净收益功率,kW状态变量[排汽始」[循环水入口温度」[扬程,效率自变量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循环水入口温度出口温度图2循环水泵优化运行参数体系框图Fig 2 Parameters control in optimized operation区回循环水入口温度of circulating water pump冷却塔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冷却塔运行模型,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循环水人口温度计算流程图2循环水泵的全工况优化运行流程2.1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,泵的管路特性曲线一般可表述为(2)由当前的汽轮机负荷及各级抽汽参数计算Hi= Hs+oQ(9)汽轮机低压缸排汽焓:式中:H4为管路特性能头,m;H为净扬程,m;g为(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入口温度,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2×600MW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f(a, tga,he, Dw)(4)(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:t,= f(a, twl,h)(5)1832,281)t。+1009.8×10-3(6)(10.99,216)530.25(5)根据排汽压力对汽轮机功率的修正曲线,单泵运行32泵并联双泵并联计算当前的汽轮机功率:f(a, Pr)(7)流量Q(m3·s)(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 circulating water pump△P=Pr-P中国煤化工(7)计算相邻循环水泵运行方式在各环境温度已知循环CNMHG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=QpgH/n(10)0.10源数据式中:P为循环水密度,一般取1.0g/cm3;g为重力拟合多项式加速度;H为循环水泵扬程,m;为循环水泵效率2.3汽轮机低压缸末级组-0.052.3.1排汽压力对机组功率的修正曲线-0.15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0.30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PkPa度的排入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 by力的部分叫做凝汽器真空,而凝汽器内的压力是绝exhaust pressure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=0.9953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.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.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:y=204x2-420.47x+2556R2=0.9909t=-2.367×10(2=5.25△0.00892-5.25製0.0044(11)←源数据拟合多项式因此,当前的汽轮机功率可表示为:(12)式中:△Nr为功率修正率;Nr为满负荷机组功率;负荷比图7某电厂排汽焓与机组负荷比的拟合曲线Fig. 7 The fitted 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负荷比工况算法流程框图.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0.32工况下的饱和蒸汽温度t排汽压力MPa图8中,D为中国煤化工为定压图5某电厂排汽压力对汽轮机功率的修正曲线比热容,4.1868CNMHG出口温Fig 5 Corrective curves of turbine power by度,℃;Nu为换热单元数;K·F为凝汽器的换热exhaust pressure系数;e为加热器效能;A为循环水温修正系数686·动力工程学报第31卷数关系和决定切换时机的临界工况线.笔者借鉴此D(he-ceer-dwcp(w2-fw1)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之间的等效益点,由此获得的等效益曲线可直接划立求解设计工况,t2分出泵组切换的工况区间.E=I-eNralw2wL所谓等效益点即两种相邻的循环水泵运行方式设计工况,MTU设计工况,M换热效能方程下冷端系统净收益功率保持相等的点.在环境温度定的前提下,负荷越低,维持最佳真空所需的循环NTU产水流量越小;反之越大.在机组负荷一定的前提下当前工况,KF当前循环水入口温度越低,维持最佳真空所需的循环水图量越小,反之越大,此即凝汽器真空的单调特性.例K1·F=K0·Fo变工况计算如,某机组在环境温度为5℃、机组满负荷运行时,图8基于换热的凝汽器压力变工况算法流程框图循环水泵最优运行方式为2机3泵;而当负荷变为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 theor组为满负荷运行时,2机2泵与2机3泵运行方式2.5冷却塔特性下的冷端系统净收益功率之差为负,而当机组在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入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热力计算主要集中在出塔水温的计算上机2泵与2机3泵间的等效益点.当环境温度连续冷却塔内的热力特性可描述为:变化时,会存在一系列的等效益负荷点,将这些等效f(p, ,tgg, t2,t1, 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、甲、t、t2、Vn分别为大气压力、相对湿度、入等效益曲线等效益负荷点可采用二分法求解塔水温、出塔水温、人塔风速二分法是一种非线性方程求根的方法.其基本冷却塔出塔水温的计算流程见图9.原理是若f(x)在[a,b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=t一个根.若f(x)在[a,b上单调,则f(x)=0在(b)上有且仅有一个根.在求解相邻两种循环水泵运2=t2-0001计算特性数冷却数行方式的等效益曲线过程中,选取目标函数f(x)为判断是否22机3泵与2机4泵等效益拟合曲线环境温度/℃图11某电厂循环水泵运行方式等效益线Fig, 11 Equal efficiency curves under different operatingstyles of circulating water pump()(+)0间煤耗量;W为总发电量;P为发电功率;e为厂用电率;△P为循环水泵优化后多收益的冷端系统净注:1)emg表示精度收益功率图10二分法求解等效益曲线的程序框图选取2009年该电厂SIS数据库中的负荷、环境Fig. 10 Block chart of solving equal efficiency pointby dichotomy method温度、供电煤耗以及厂用电率四个参数.原循环水泵运行方式为:11月-3月为冬季运行方式,即2机2表1某电厂相邻循泵运行方式等效益点泵运行方式;4月-12月为夏季运行方式,即2机4Tab. 1 Equal efficiency points between two adjacent泵运行方式.由于数据量庞大,故每隔半小时取一个operating modes of circulating water pumps点,以各参数值半小时内的平均值表示其样本值.首温度/℃2机2泵与2机3泵2机3泵与2机4泵先利用上述方法确定各数据点在其负荷及环境温度等效负荷点等效负荷点下的最优运行方式,并求出最优运行方式相对于原0.83200.76170.9883运行方式多收益的冷端系统净收益功率最后,利用0.70700.957式(15)计算循环水泵运行优化后的供电煤耗率,并0.9336与原煤耗率进行比较,结果见表2表2某电厂循环水泵优化运行节能分析Tab 2 Energy saving analysis after operation optimization0.58980.824of circulating water pumps0.56640.8008月B平均负环坡原媒耗/优化后煤耗/煤耗降低对表1中的数据进行曲线拟合,可得到图11荷/MW度/t(g·kW-1·(g·kw1424.64-4.26330.8613330.73240.1295节能分析2停机停机停机停机停机笔者选取供电煤耗率指标进行分析以判断循环3444.344.87322.3544322.06790水泵优化运行的节能潜力,供电煤耗率的计算公式:4451.4813.57323.0720322.468105457.2420.36326.4858326.06380.422Bb,(14)6363.7721.88336.8690335.65091.218W·(1-e)P·(1-e)循环水泵优化后的供电煤耗率b可表示为:8420.2223.57331.2879330.62580.662b9437.8519.05P·(1-e)+△P中国煤化工x·P·(1-e)11377.640.53CNMHG0.125P·(1-e)+△P12383.37-5.11332.2325332.11780.115式中:bx为供电煤耗率;B,为总耗煤量;b为单位时平均329,7544329.15980,594688动力工程学报第31卷[3]王玮,曾德良,杨婷婷,等.基于凝汽器压力估计算法的6结论循环水泵最优运行[J.中国电机工程学报,2010,30(1)提出在环境温度相等的前提下确定循环水(14):7-12.泵在全工况下的最优运行方式,最终用二分法获得WANG Wei, ZENG Deliang, YANG Tingting, et al相邻循环水泵运行方式的等效益曲线,由等效益曲The optimum running of circulating water pumps based线可直接获得任意环境温度、任意负荷下的循环水on estimated condenser pressureLJ. Proceedings of theCSEE,2010,30(14):7-12泵最优运行方式二分法在计算过程中收敛速度快,[4]葛晓霞,缪国钩,钟澎等双压凝汽器循环水系统的优并能保证精度化运行[.动力工程,2009,29(4):389-393.(2)提出了冷端系统净收益功率的概念,并将GE Xiaoxia, MIAO Guojun, ZHONG Peng,et al其作为循环水泵优化运行的目标函数,相对于之前mized operation of the circulating water system的增量目标函数,冷端系统净收益功率更适用于循dual-pressure condenser [J]. Journal of Power Engi环水量连续变化机组的计算,且物理意义明确neering,2009,29(4):389-393.(3)通过对某电厂数据的核算得出,循环水泵[5]张春发,赵宁,王惠杰一种汽轮机组排汽干度的在线运行优化后可平均降低煤耗0.594g/(kW·h),节软测量方法[J].中国电机工程学报,2008,28(26):能效果明显.因此,实现循环水量的连续调节,确保ZHANG Chunfa, ZHAO Ning, WANG Huijie. A flex凝汽器时刻工作在最优真空下对火电机组的节能优ible on-line monitoring method of the exhaust steam化运行具有重要意义dryness in steam turbine[J]. Proceedings of the CSEE参考文献:2008,28(26):1-6.[6〗曾德良,王玮,杨婷婷,等.基于换热理论的凝汽器压力[1]黄新元,赵丽,安越里,等.火电厂单元制循环水系统离应达值的确定[J].动力工程学报,2010,30(9):678散优化模型及其应用[J].热能动力工程,2004,19ZENG Deliang, WANG Wei, YANG Tingting, et alHUANG Xinyuan, ZHAO Li, AN Yueli, et al. 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