联合循环机组蒸汽轮机冷端系统运行优化研究

摘  要：

随着我国对大型火力发电机组节能降耗要求的不断提升，机组运行节能调整成为亟待解决的重点问题。冷端系统的运行调整具有可操作性强、调整安全风险小的特点，因而成为火力发电厂提升节能运行能力的重要方向。现基于某电厂“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组运行数据，通过数据分析与理论计算，得到在不同机组发电负荷与环境温度下的最佳背压值，可为指导联合循环机组的背压运行优化提供借鉴和参考。

0引言

目前，针对冷端系统的运行优化主要有理论计算和性能试验两种方式。高校一般采用理论计算方法，根据机力通风冷却塔性能、循环水泵性能和凝汽器性能等计算得到最佳循环冷却水流量和凝汽器压力。但由于冷端系统的复杂性以及冷端辅助设备运行多年对实际性能造成的影响，其理论计算结果往往与实际运行情况存在一定偏差。为了能够反映机组实际运行情况，电厂和电科院大多采用性能试验的方法进行运行优化，通过性能试验确定凝汽器的最佳背压与循环水系统的最佳运行方式，通过运行调整获得最大的节能收益。

机力通风冷却塔和循环水泵是电厂冷端系统的重要组成部分，这不仅是因为其运行效率影响着凝汽器背压，同时其也是冷端系统中厂用电使用率较高的辅助机械设备[1]。

提高风机的转速和循环水泵电流可以加强循环水的换热能力，有利于降低凝汽器背压，增加机组发电功率，但同时会引起循环水泵和机力通风塔风机耗功的增加[2-3]。因此，寻找使得机组发电功率增量与循泵、风机功率增量之差取得最大值时的工况点成为提升机组运行经济性的有效措施[4]，此时的凝汽器背压被称为最佳背压。

本文通过对机组运行数据进行提取整理与分析计算，得到机组在不同蒸汽轮机负荷与环境温度下的最佳背压，同时根据机组的参数修正曲线数据，提出了简化的机组背压节能运行调整原则，可为机组节能运行调整提供参考。

1机组概况

北京高井热电分公司“二拖一”机组包括2台9FB型燃机组成的燃气轮机发电机组、2台余热锅炉和1台蒸汽轮机发电供热机组，“二拖一”整机功率921 MW，汽机功率320 MW。汽轮机组是哈汽自主研发的首台NCB型式热电联供机组，型号为LNCB320/155-13.02/0.500/565/565，该机型为三压、再热、双缸、向下排汽、燃气蒸汽联合循环用凝汽式汽轮机，通流部分由高、中、低压三部分组成，高压由9级组成，中压部分由10级组成，低压部分由2×4级压力级组成，机组共计27级。蒸汽轮机高中压缸和低压缸之间通过SSS离合器连接，冬季供热工况热负荷需求较大时，汽机低压缸解列，高中压缸按照背压方式运行，其排汽及余热锅炉低压主汽全部用于热网加热器供热。非供热工况或热负荷需求较低时，高中压缸和低压缸通过SSS离合器连成一个轴实现纯凝、抽凝运行。

冷却塔本体型号为NH-6500型机械通风冷却塔，整套塔处理流量大于51 414 m3/h，单格设计流量6 500 m3/h，进塔水温42 ℃，出塔水温32 ℃，进塔设计干球温度27.5 ℃，湿球温度24.7 ℃，大气压力100.0 kPa，相对湿度0.80，空气密度1.15 kg/m3，冷却幅高7.3 ℃。冷却塔顶端布置有8台风机以强化换热，风机型号为L10360，风机叶轮直径10 360 mm，设计风量3 100 000 m3/h，每台风机额定功率220 kW。循环水泵为定速泵，额定功率2 300 kW，额定流量25 950 t/h。

2计算方法

一般而言，提升机力通风冷却水塔风机电流可以降低机组背压，进而提升机组的发电负荷，但会增加发电厂的厂用电率。

理论上需要分别建立机组发电功率—背压模型、机力通风塔风机功率—背压模型和循环水泵功率—背压模型，然后划分离散工况点，做出机组净功率增量—背压函数曲线以求得机组的最佳背压[5-6]。但由于上述方法需要建立3个模型，计算方式复杂且容易增大累积误差，所以考虑直接建立机组净功率—背压模型来寻找最佳背压。

利用电厂SIS系统调取了“二拖一”联合循环机组2019年1月至2020年12月的发电负荷、背压、环境温度、风机电流等测点的数据。

对8台风机的功率进行累加求和，得到了风机的总功率数据：

式中：P1为8台风机总耗功（kW）；Un为第n台风机的电压（V）；In为第n台风机的电流（A）；cosφ为风机相位角余弦值，取0.858。

在算出风机耗功之后，计算同一时刻下蒸汽轮机机组负荷与风机耗功及循环水泵耗功的差值作为机组净功率。

式中：P为蒸汽轮机机组净功率（kW）；Q为蒸汽轮机机组发电负荷（kW）；P2为蒸汽轮机循环水泵功率（kW）。

选取2019—2020年两年数据进行筛选，即可计算机组在不同环境温度与蒸汽轮机负荷情况下的最佳背压。选取原则如下：

（1）选取典型负荷数据，每个负荷附近±1 MW都作为该负荷的数据；

（2）在每一负荷下，每个环境温度附近±0.5 ℃都作为该温度的数据。

3计算结果

图1是机组负荷120 MW、环境温度30 ℃时机组净功率与背压的关系图。

图2是机组负荷180 MW、环境温度10 ℃时机组净功率与背压的关系图。

可以看出，随着机组背压的升高，机组发电净功率均呈下降趋势，所以在这两个工况下，在机组运行的实际过程中，还应继续降低机组背压以获得节能收益。  

4节能效果评估

根据图1与图2所述计算结果，可以得到在当前运行周期内某一机组负荷及环境温度下的最佳背压及在该背压下的机组发电净功率，将该最佳背压下机组发电净功率与运行周期内所有其他发电净功率点进行对比，可以得到采用最佳背压时发电净功率的增加值，即采用最佳背压时可获得的节能收益。

图3所示为汽机功率180 MW、环境温度在30 ℃附近时汽机运行净功率与按照推荐背压运行可实现的净功率对比，在该工况下，若按照推荐背压运行，平均可多发电量0.23 MW·h，经济效益提升约0.13%。

图4所示为汽机功率180 MW、环境温度在20 ℃附近时汽机运行净功率与按照推荐背压运行可实现的净功率对比，在该工况下，若按照推荐背压运行，平均可多发电量0.88 MW·h，经济效益提升约0.48%。

经过统计，按照推荐背压运行，全工况下可实现节能量约0.22%。  

5调整策略

基于最佳节能背压曲线和历史数据计算得出，若进行冷端优化改造，机组运行情况将会发生改变。另外，受机组运行实际情况影响，机组背压可能无法调整至最佳节能背压或有不准确因素产生误差，比如增开风机后机组背压却无法降低，故提出简化的机组背压节能运行调整原则。

根据“二拖一”联合循环机组的背压—功率修正曲线，当运行背压在5.0～5.9 kPa时，背压每降低1 kPa，机组可多发电3 MW·h，每台机力通风塔风机耗电量0.22 MW·h，每台循环水泵耗电量2.3 MW·h，所以在气候环境条件及机组负荷保持稳定的工况下，每开启两台风机若能降低背压0.15 kPa及以上，或每开启一台循环水泵可以降低背压0.77 kPa及以上，那么就会产生节能收益。

当运行背压为4.0～4.9 kPa时，背压每降低1 kPa，机组可多发电2 MW·h，则每开启两台风机若能降低背压0.22 kPa及以上，或每开启一台循环水泵可以降低背压1.15 kPa及以上，那么就会产生节能收益；当运行背压为6.0～6.9 kPa时，背压每降低1 kPa，机组可多发电3.2 MW·h，则每开启两台风机若能降低背压0.14 kPa及以上，或每开启一台循环水泵可以降低背压0.72 kPa及以上，那么就会产生节能收益。

6结语

本文采用数据分析与理论计算的方式，对联合循环机组冷端运行背压数值给出优化建议，并评估计算了采用最佳背压可产生的节能收益，同时，根据汽轮机制造厂家提供的机组发电功率—背压修正曲线，对机组运行调整策略给出了理论描述，可为联合循环机组的节能优化运行提供参考。

审核编辑：汤梓红