張國(guó)興

摘 要：汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)是火電機(jī)組熱力系統(tǒng)的重要組成部分，主要作用是維持汽輪機(jī)出口背壓，并使熱力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)，其表征參數(shù)是排汽背壓，系統(tǒng)的效率直接影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。由于在單位能耗、排放量等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)大容量高參數(shù)機(jī)組在我國(guó)得到了快速發(fā)展。目前，我國(guó)已投運(yùn)的空冷機(jī)組（不論容量大小）在運(yùn)行過(guò)程中普遍存在著汽輪機(jī)排汽參數(shù)與空冷島運(yùn)行參數(shù)匹配不能達(dá)到最優(yōu)問(wèn)題，因此，探索空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)其經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：660 MW空冷機(jī)組 冷端系統(tǒng) 優(yōu)化方法分析

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（a）-0035-03

1 一期660 MW空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介及冷端參數(shù)影響因素分析

1.1 一期660 MW空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介

一期工程2×660 MW汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的超臨界空冷汽輪機(jī)，型號(hào)： NZK660-24.2/566/566；型式為：超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)；額定出力660 MW；最大連續(xù)出力為711.9 MW。采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式；汽輪機(jī)具有七級(jí)非調(diào)整回?zé)岢槠?。高中壓缸合缸、兩個(gè)低壓缸均為雙層缸結(jié)構(gòu)，兩個(gè)低壓缸均為雙流反向布置。高壓缸共有8級(jí)，中壓缸共有6級(jí)，低壓缸共有4×6級(jí)，共有壓力級(jí)20級(jí)，結(jié)構(gòu)級(jí)38級(jí)。

直接空冷系統(tǒng)平行于主廠房布置在汽機(jī)房A列外場(chǎng)地上，每臺(tái)機(jī)設(shè)置獨(dú)立的單元冷卻系統(tǒng)，配置56個(gè)冷卻單元，共分8組，每組有7個(gè)空冷置冷卻單元，其中5個(gè)為順流單元，2個(gè)逆流單元，逆流單元布置在順流單元的中間。所有冷卻單元安裝在空冷平臺(tái)上，平臺(tái)標(biāo)高約45 m。每個(gè)冷卻單元下部安裝1臺(tái)φ9 754 mm的軸流風(fēng)機(jī)，同驅(qū)動(dòng)裝置一起懸掛在空冷平臺(tái)的防振橋上，防振橋上裝有減振節(jié)的鋼彈簧。風(fēng)機(jī)與電機(jī)是通過(guò)正齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)，所有風(fēng)機(jī)均采用變頻調(diào)速，可以分組或獨(dú)立地控制其轉(zhuǎn)數(shù)，從而根據(jù)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷和環(huán)境空氣溫度的變化進(jìn)行最佳調(diào)節(jié)。為了防止熱風(fēng)再回流，在空冷平臺(tái)的周圍設(shè)有擋風(fēng)板，高度從平臺(tái)到蒸汽分配管頂部。

在直接空冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配置FQN（Z）-15500型高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)（見(jiàn)圖1高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)外觀圖，圖2改造后汽輪機(jī)乏汽出力原則性系統(tǒng)圖），以直接空冷系統(tǒng)為主要運(yùn)行方式，高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)為降低背壓的優(yōu)化措施。由原直接空冷系統(tǒng)主排汽管道上引接出蒸汽分配管，汽輪機(jī)部分排汽經(jīng)蒸汽分配管道送至高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷凝，凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水管道送回至排汽裝置熱井，高效空蒸復(fù)合冷卻系統(tǒng)設(shè)置有抽真空管線，并入原直接空冷系統(tǒng)真空泵入口母管。

1.2 一期660 MW空冷機(jī)組冷端參數(shù)影響因素分析

DL/T 5339—2006《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》列舉了濕冷機(jī)組冷端優(yōu)化需要考慮的可變參數(shù)，將其推廣到一期660 MW空冷機(jī)組直接空冷系統(tǒng)運(yùn)行冷端優(yōu)化需要考慮的參數(shù)有：排汽背壓、溫度；直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)起始溫差I(lǐng)DT；直接空冷系統(tǒng)換熱面積、管子材質(zhì)、管徑、壁厚、根數(shù)和長(zhǎng)度；風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、直徑、迎風(fēng)面風(fēng)速、冷卻風(fēng)量等。將其推廣到一期660 MW空冷機(jī)組高效復(fù)合空蒸冷卻系統(tǒng)運(yùn)行冷端優(yōu)化需要考慮的參數(shù)有：排汽背壓、溫度；高效復(fù)合空蒸冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)起始溫差I(lǐng)DT；高效復(fù)合空蒸冷卻系統(tǒng)換熱面積、管子材質(zhì)、管徑、壁厚、根數(shù)和長(zhǎng)度；風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、直徑、迎風(fēng)面風(fēng)速、噴淋水量等。這些參數(shù)之間相互耦合、交叉影響，如果全部組合在一起，可變量太多，致使冷端優(yōu)化異常復(fù)雜，計(jì)算工作量非常龐大。因此，借鑒（但不拘泥于）《冷端系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性診斷方法的理論研究》中提出的空冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)劃階數(shù)指標(biāo)體系的思想，針對(duì)一期660 MW空冷機(jī)組列出冷端優(yōu)化時(shí)各變量?jī)?nèi)部間的層次關(guān)系圖（見(jiàn)圖3空冷機(jī)組冷端系統(tǒng)影響參數(shù)分析），根據(jù)對(duì)各個(gè)可變參數(shù)的分析，最終確定出所采用的優(yōu)化參數(shù)。

經(jīng)過(guò)層層分析剝離，可清晰地看出：排汽背壓和環(huán)境因素（溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、污垢熱阻等）為冷端優(yōu)化時(shí)的核心參數(shù)?？紤]到環(huán)境因素的季節(jié)變動(dòng)性和人力不可為（盡管在夏季可以采用霧化噴水降低風(fēng)溫的措施，但調(diào)節(jié)范圍畢竟有限）的特性，關(guān)于一期660 MW空冷機(jī)組冷端優(yōu)化技術(shù)的探討研究最終簡(jiǎn)化為探討排汽裝置最佳背壓的問(wèn)題。

2 冷端優(yōu)化模型（利用空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量建立數(shù)學(xué)模型）

排汽背壓是運(yùn)行中的任何容量級(jí)別機(jī)組的一個(gè)重要參數(shù)。尤其對(duì)660 MW空冷機(jī)組而言，由于其具有進(jìn)口參數(shù)高、排汽流量大、以及其排汽背壓隨環(huán)境溫度變化幅度大特點(diǎn)，不論是在冷端系統(tǒng)的熱力設(shè)計(jì)還是在機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行中，都要求排汽背壓達(dá)到最佳值，以實(shí)現(xiàn)大容量機(jī)組經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對(duì)于一期660 MW機(jī)組直接空冷和高效復(fù)合空蒸冷卻系統(tǒng)，其最佳背壓與機(jī)組功率、風(fēng)機(jī)耗功（含耗水量，通過(guò)折標(biāo)系數(shù)核算）和排汽流量之間的關(guān)系可以用如圖4表示出來(lái)。

運(yùn)行中，保持汽輪機(jī)的主蒸汽溫度、流量為常數(shù)不變，當(dāng)選取一個(gè)初始的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和噴淋水量時(shí)，有一個(gè)初始的排汽背壓，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量和噴淋水量的增加，同樣條件下排汽背壓降低，機(jī)組發(fā)電功率增加了△Pe，同時(shí)風(fēng)機(jī)群耗功卻增加△Pu，則機(jī)組發(fā)電功率凈增加量為△Pnet=△Pe-△Pu。如圖所示，△Pnet到a點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大，與其對(duì)應(yīng)的b點(diǎn)即為最佳凝汽器背壓，以及與此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳風(fēng)機(jī)風(fēng)量和最佳噴淋水量。

3 冷端優(yōu)化模型（利用背壓和廠用電率耗差建立數(shù)學(xué)模型）

3.1 背壓和廠用電率耗差確定

3.1.1 背壓耗差確定

根據(jù)汽機(jī)背壓變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響曲線“背壓變化28 kPa，熱耗變化12%”得出：背壓每上升（下降）1 kPa，影響汽機(jī)熱耗率變化33.2 kJ/kWh，影響供電煤耗升高（降低）1 g/kWh（見(jiàn)圖5）。

3.1.2 廠用電率耗差確定

廠用電率耗差即為輔機(jī)耗電率總耗差（bgcyd ）。

基準(zhǔn)廠用電率Eb計(jì)算公式：

由上述公式和供電煤耗計(jì)算公式此得出一期2×660 MW機(jī)組廠用電率耗差為：廠用電率每升高（降低）1%，影響供電煤耗升高（降低）3.55 g/kWh。

3.2 冷端優(yōu)化計(jì)算模型

3.2.1 按對(duì)供電煤耗的影響分析

根據(jù)背壓和廠用電率耗差對(duì)供電煤耗的影響，改變運(yùn)行方式前后供電煤耗變化可由下式計(jì)算：

式中△P 為背壓變化值；

△η為廠用電率變化值；

k1為背壓變化對(duì)供電煤耗影響耗差系數(shù)（背壓影響單位耗差）；

k2為廠用電率變化對(duì)供電煤耗影響耗差系數(shù)（廠用電率影響單位耗差）。

3.2.2 按對(duì)經(jīng)濟(jì)收益的影響分析

改變運(yùn)行方式前后經(jīng)濟(jì)收益變化可由下式計(jì)算：

2

式中Pf為發(fā)電量。

標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按430元/t計(jì)算，上網(wǎng)電價(jià)按0.315 2元/kWh計(jì)算。

3.3 計(jì)算案例

2015年1月30日進(jìn)行了空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式變更試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

試驗(yàn)結(jié)論：在試驗(yàn)環(huán)境溫度和11.4 kPa背壓下，改變運(yùn)行方式后供電煤耗較原運(yùn)行方式升高，經(jīng)濟(jì)效益較原運(yùn)行方式下降。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于給定汽輪機(jī)負(fù)荷，影響排汽背壓的因素很多，有影響空冷系統(tǒng)的環(huán)境溫度、空冷系統(tǒng)周圍環(huán)境空氣動(dòng)力場(chǎng)、空冷風(fēng)機(jī)出力和空冷系統(tǒng)換熱器表面潔凈程度等。汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)不但直接影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，在節(jié)能降耗方面也發(fā)揮了不可小覷的作用。通過(guò)該文中的冷端優(yōu)化模型，得出空冷機(jī)組最佳冷端背壓，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在火力發(fā)電機(jī)組中具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 繆國(guó)鈞.600 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化[J].電站輔機(jī)，2009（4）：1-3，30.

[2] 付文鋒，黃海東.空氣濃度對(duì)凝汽器壓力影響的計(jì)算模型[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2009（6）：404-406.