0引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電力市場化改革的深入推進,燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰作用日益凸顯。然而,受國際天然氣價格波動和電力現(xiàn)貨市場競爭加劇的雙重影響,燃機電廠的經(jīng)營壓力持續(xù)加大。

在此背景下,通過精細化管理和技術(shù)創(chuàng)新提高機組運行經(jīng)濟性,已成為提升燃機電廠市場競爭力的關(guān)鍵突破口。循環(huán)水系統(tǒng)作為聯(lián)合循環(huán)機組的重要輔助系統(tǒng),其能耗約占廠用電總量的30%~40%,具有顯著的節(jié)能潛力。特別是在采用兩班制調(diào)峰運行模式的燃機電廠中,循環(huán)水系統(tǒng)的運行優(yōu)化空間更為可觀[1—2]。

1系統(tǒng)概述

1.1電廠概況

廣東某燃機電廠配置有兩套改進型的“一拖一”F級燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組,分別為三套、四套機組。每套機組均裝備了一臺三菱M701F4改進型干式低NOx燃氣輪機,一臺由東方汽輪機制造的LZCCC159型三壓、再熱、雙缸型、軸向排汽、抽凝式汽輪機。 此外,機組還配備了無補燃三壓再熱余熱鍋爐及各種輔助設(shè)備。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)

火電廠循環(huán)水系統(tǒng)分為開式和閉式兩種,其中開式循環(huán)水系統(tǒng)以江、河、海等天然水源作為冷卻水源,而閉式循環(huán)水系統(tǒng)利用冷卻塔對循環(huán)水進行冷卻[3]。該燃機電廠采用閉式循環(huán)水冷卻。循環(huán)水泵將冷卻水加壓后,送至凝汽器進行熱交換。完成換熱后的循環(huán)水通過回水管道返回機力通風冷卻塔,在塔內(nèi)經(jīng)過噴淋裝置均勻分布并與空氣充分接觸換熱,通過強制通風方式進行冷卻降溫,最終冷卻后的水重新匯集至冷卻塔底部水池,形成完整的閉式循環(huán)回路。

該廠每套機組設(shè)置兩臺50%設(shè)計循環(huán)水量的循環(huán)水泵,循泵配套電機為6 kv高、低速電機。 根據(jù)廣東氣候特點,循泵在夏季模式(4月—11月)高速運行,運行電流138 A;冬季模式(12月—次年3月)低速運行,運行電流100 A。并設(shè)置兩臺400 v輔助循泵,運行電流195 A,用于啟動注水或停機時給閉冷器提供冷卻水。 循環(huán)水系統(tǒng)單元制運行。 此外,每套機組配置6 kv機力塔各五座,風機配套電機為五臺單速電機,運行電流18 A。

循環(huán)水系統(tǒng)向凝汽器輸送冷卻水,使汽輪機低壓缸排出的蒸汽得以冷凝,從而維持凝汽器內(nèi)部所需的真空環(huán)境,并為閉冷水系統(tǒng)的閉冷器和真空泵冷卻器提供冷卻水。

2優(yōu)化方案

循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行需要建立多維度協(xié)同控制策略,在確保設(shè)備安全的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟運行。 系統(tǒng)運行時應將閉式冷卻水溫度控制在38℃以下;將循環(huán)水溫升穩(wěn)定維持在11℃的安全范圍內(nèi);水環(huán)真空泵的運行管理需重點關(guān)注工作水溫,確保其出力正常;另外,還需考慮凝汽器最佳真空。基于“安全—經(jīng)濟”雙目標約束,方案采用智能投切控制方式動態(tài)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運行臺數(shù)和輔助循泵運行,并結(jié)合冷卻塔風機群控系統(tǒng)實現(xiàn)運行優(yōu)化。為提升控制精度,方案將機組運行劃分為停運、啟動、運行和停機四種典型狀態(tài),針對每種狀態(tài)制定相應的節(jié)能控制策略,實現(xiàn)全工況覆蓋的精細化控制。四種狀態(tài)定義如下:

1)停運狀態(tài):從汽輪機投入盤車開始,至機組下次啟動真空泵前的階段。這一階段系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài),維持最低限度設(shè)備運行即可。

2)啟動狀態(tài): 自真空泵開始抽真空起,至燃氣輪機并網(wǎng)成功止,總時長約60 min。

3)運行狀態(tài):從燃氣輪機并網(wǎng)開始,至燃氣輪機解列為止。優(yōu)化重點是控制循環(huán)水溫升和維持最佳真空。

4)停機狀態(tài): 自燃氣輪機解列開始,至汽輪機投入盤車止,總時長約40 min。

2.1停運狀態(tài)優(yōu)化

在機組停運工況下,真空系統(tǒng)已停止運行,此時凝汽器僅接收來自汽輪機系統(tǒng)的殘余蒸汽和余熱,整體溫升幅度顯著降低,同時閉冷水系統(tǒng)的負荷需求也相應減少?；诖诉\行特性,建議在汽輪機投入盤車裝置后立即執(zhí)行以下操作:啟動輔助循環(huán)水泵作為主要冷卻動力源,同步停止主循環(huán)水泵運行,并保持冷卻塔風機處于全停狀態(tài)。對于凝汽器循環(huán)水系統(tǒng),應將A、B兩側(cè)的進出口調(diào)節(jié)閥開度統(tǒng)一控制在10%左右,該開度設(shè)置既能滿足系統(tǒng)最小流量需求,又可實現(xiàn)節(jié)能運行。運行監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,采用單臺輔助循環(huán)水泵運行時,閉式冷卻水最高溫度可穩(wěn)定控制在32℃以下,凝汽器最大溫升僅為8.8℃。

2.2 啟動狀態(tài)優(yōu)化

在機組啟動抽真空階段,為確保真空系統(tǒng)穩(wěn)定運行,需執(zhí)行以下標準化操作流程:首先啟動一臺循環(huán)水泵并同步停運輔助循環(huán)水泵,同時保持冷卻塔風機處于全停狀態(tài)。該運行模式下,燃機升速過程中,系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測顯示:排煙溫度峰值580℃、真空度穩(wěn)定在7.6 kpa、閉式冷卻水最高溫度31℃、循環(huán)水最大溫升8.7℃ ,所有參數(shù)均滿足要求。

2.3運行狀態(tài)優(yōu)化

機組運行工況可分為三種典型狀態(tài):首先是燃機并網(wǎng)后至升至最小穩(wěn)燃負荷258 MW的升負荷階段;其次是機組投入AGC,負荷跟隨電網(wǎng)調(diào)度曲線變化的穩(wěn)定運行階段;最后是從258 MW降至燃機解列的降負荷階段。其中第一和第三種工況具有相似的負荷波動特性,在此類不穩(wěn)定工況下,建議以循環(huán)水溫升作為主要控制參數(shù)來調(diào)節(jié)循環(huán)水泵和冷卻塔風機的啟停,確保凝汽器獲得足夠的冷卻水流量。而在AGC控制階段,除溫升控制外,還需重點考慮真空優(yōu)化,在保證凝汽器溫升不超過限值的前提下,應盡量維持汽輪機最佳真空度(設(shè)計值約6 kpa),以提升機組運行經(jīng)濟性。圖1所示為第一、三種工況下循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的啟動邏輯圖,圖中明確標注了基于循環(huán)水溫升閾值的設(shè)備啟動條件,當實測溫升達到設(shè)定值時即觸發(fā)相應設(shè)備的啟動操作。這種分級控制策略既確保了機組安全運行,又實現(xiàn)了能效優(yōu)化。

機組處于AGC模式下(第二種工況)時,其循環(huán)水系統(tǒng)控制策略應在第一、三種工況的啟停條件基礎(chǔ)上進行優(yōu)化升級。具體而言,除繼續(xù)依據(jù)循環(huán)水溫升參數(shù)控制設(shè)備外,需額外引入真空度作為關(guān)鍵控制指標:當機組真空度未能達到設(shè)計最佳值6 kpa時,系統(tǒng)將自動觸發(fā)下一級設(shè)備啟動程序。這種雙重判據(jù)的控制邏輯既保持了基礎(chǔ)工況下的安全裕度,又通過真空優(yōu)化顯著提升了機組運行經(jīng)濟性,實現(xiàn)了安全性與經(jīng)濟性的最佳平衡。

在機組處于第一、三種非穩(wěn)定工況時,循環(huán)水泵和冷卻塔風機的停運邏輯如圖2所示。當切換至第二種AGC穩(wěn)定運行工況時,其停運控制策略需在第一、三種工況的基礎(chǔ)上增加真空度約束條件:若機組真空度未能達到6 kpa的設(shè)計最佳值,系統(tǒng)將自動鎖定當前運行狀態(tài),禁止執(zhí)行后續(xù)停運節(jié)點操作。這種改進型控制策略通過引入真空保護機制,在保證基礎(chǔ)運行安全的前提下,有效提升了機組在穩(wěn)定工況下的經(jīng)濟運行水平。

2.4停機狀態(tài)優(yōu)化

在燃機解列熄火后,系統(tǒng)將執(zhí)行標準停機程序:首先停止所有冷卻塔風機運行,同時保持單臺循環(huán)水泵持續(xù)運轉(zhuǎn)。這一設(shè)計基于燃機停機過程的特性分析:隨著燃機轉(zhuǎn)速逐步降低,進入凝汽器的余熱顯著減少。運行數(shù)據(jù)表明,單泵運行模式完全能夠滿足停機冷卻需求,關(guān)鍵參數(shù)包括真空度、循環(huán)水出口溫度及溫升值均嚴格控制在規(guī)程允許范圍內(nèi),未出現(xiàn)任何參數(shù)超限情況。

3 節(jié)能效果

2025年1月—6月某燃機電廠機組運行統(tǒng)計如表1所示。

根據(jù)燃機電廠2025年實施的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運行方案,針對不同季節(jié)工況采取差異化控制策略:冬季采用循環(huán)水泵低速運行模式,夏季切換至高速運行模式。為準確評估該優(yōu)化措施的實際節(jié)能效果,需分別對2025年上半年(1月—6月)的冬季運行模式(1月—3月)和夏季運行模式(4月—6月)進行獨立的能耗分析。

3.1停運狀態(tài)節(jié)能效果

3.1.1冬季模式

一臺低速循泵每小時耗電W低為:

W低=Pt=√3U循I循低COSφ.t循低=1.732×6× 100×

0.85×1=883.32 kW.h

式中:P為功率;t為運行時間;U為運行電壓;I為運行電流;COS φ為電機功率因數(shù),本文統(tǒng)一取0.85;下標代表不同設(shè)備。

一臺輔助循泵每小時耗電W輔為:

W輔=pt=√3U輔I輔COSφ.t輔=1.732×0.4× 195×

0.85× 1≈114.83 kW.h

機組停運階段采用輔助循泵代替循環(huán)水泵,每小時可節(jié)約電能ΔW循停運冬為:

ΔW循停運冬=W低-W輔=883.32-114.83=768.49 kW.h

由表1可知2025年1月—3月三、四機組停運小時數(shù)為3 309.4 h,共可節(jié)約電能W1為:

W1=ΔW循停運冬T冬=768.49×3 309.4≈254.32萬kW.h

3.1.2夏季模式

一臺高速循泵每小時耗電W高為:

W高=pt=√3U循I循高COSφ.t循高=1.732×6× 138×

0.85× 1≈1 218.98kW.h

機組停運階段采用輔助循泵代替循環(huán)水泵,每小時可節(jié)約電能ΔW循停運夏為:

ΔW循停運夏=W高-W輔=1 218.98-114.83=1104.15 kW.h

由表1可知2025年4月—6月三、四機組停運小時數(shù)為3 002 h,即共可節(jié)約電能W2為:

W2=ΔW循停運夏T夏=1104.15×3 002≈331.47萬kW.h

3.2啟動狀態(tài)節(jié)能效果

3.2.1冬季模式

在機組啟動過程中采用單臺循環(huán)水泵運行模式,每次啟動可節(jié)約第二臺循環(huán)水泵及配套5臺冷卻塔風機的運行能耗。表1數(shù)據(jù)顯示,2025年1月—3月期間三、四機組累計啟動65次,經(jīng)測算循泵節(jié)約電能W循啟動冬為:

W循啟動冬=n冬W低=65×883.32≈5.74萬kw.h

一臺冷卻塔風機每小時耗電W風為:

W風=pt=√3U風I風C0Sφ.t風=1.732×6× 18×0.85×

1=159.00 kw.h

5臺冷卻塔風機共節(jié)約電能W風啟動為:

W風啟動=5n冬W風=5×65×159≈5.17萬kw.h

則機組啟動狀態(tài)下,冬季模式共節(jié)約電能W3為:W3=W循啟動冬十W風啟動=5.74萬十5.17萬=10.91萬kw.h3.2.2夏季模式

由表1可知2025年4月—6月三、四機組啟動次數(shù)為65次,循泵節(jié)約電能W循啟動夏為:

W循啟動夏=n夏 W高=65× 1 218.98≈7.92萬kw.h

而風機節(jié)約的電能也是5.17萬kw.h,夏季模式共節(jié)約電能W4為:

W4=W循啟動夏十W風啟動=7.92萬十5.17萬=13.09萬kw.h

3.3運行狀態(tài)節(jié)能效果

機組運行狀態(tài)下,三、四套機組循環(huán)水泵、冷卻塔風機運行小時數(shù)如表2所示。

3.3.1冬季模式

2025年1月—3月采取循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化后,由表2可知三、四套機組循泵運行時長減少了567.15 h,節(jié)約電能W循運行冬為:

W循運行冬=567.15×883.32=50.10萬kw.h

冷卻塔風機運行時長減少了1 391.31 h,節(jié)約電能W風運行冬為:

W風運行冬=1 391.31×159.00≈22.12萬kw.h

則機組運行狀態(tài)下,冬季模式節(jié)能W5為:

W5=W循運行冬十W風運行冬=50.10萬十22.12萬=

72.22萬kw.h

3.3.2夏季模式

2025年4月—6月采取循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化后,由表2可知三、四套機組循泵運行時長減少了358.32 h,節(jié)約電能W循運行夏為:

W循運行夏=358.32× 1 218.98≈43.68萬kw.h

冷卻塔風機運行時長減少了1 170.74 h,節(jié)約電能W風運行夏為:

W風運行夏=1170.74×159.00≈18.61萬kw.h

則機組運行狀態(tài)下,冬季模式節(jié)能W6為:

W6=W循運行夏十W風運行夏=43.68萬十18.61萬=

62.29萬kw.h

3.4停機狀態(tài)節(jié)能效果

機組停機階段,其運行工況與啟動狀態(tài)具有相似的節(jié)能特征:均采用單臺循環(huán)水泵運行、冷卻塔風機全停的運行模式。兩者的主要差異在于持續(xù)時間參數(shù)—停機階段的典型持續(xù)時間約為啟動階段的2/3。鑒于機組啟停操作具有嚴格的對應關(guān)系(啟動次數(shù)=停止次數(shù)),因此可直接參照3.2章節(jié)的啟動階段節(jié)能計算方法。

3.4.1冬季模式

機組處于停機狀態(tài)時,冬季節(jié)約電能W7為:

3.4.2夏季模式

機組處于停機狀態(tài)時,夏季節(jié)約電能W8為:

3.5 整體節(jié)能效果

通過對循環(huán)水系統(tǒng)運行模式的優(yōu)化控制,2025年上半年累計節(jié)約電能760.3萬kw.h。具體數(shù)據(jù):冬季平均每月節(jié)能114.91萬kw.h,夏季平均每月節(jié)能138.53萬kw.h。經(jīng)全年運行數(shù)據(jù)折算,預計2025年可實現(xiàn)總節(jié)能量1 567.88萬kw.h,節(jié)能效益顯著。

4 結(jié)束語

本研究提出的閉式循環(huán)水系統(tǒng)運行優(yōu)化方案具有以下突出優(yōu)勢:首先,該方案無須額外設(shè)備投資,僅通過運行策略優(yōu)化即可實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果;其次,優(yōu)化措施操作簡便、實施性強,在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下,已在實際運行中驗證了其節(jié)能效益;最后,該方案的成功實踐為行業(yè)內(nèi)閉式循環(huán)水系統(tǒng)的運行優(yōu)化提供了可復制的參考案例,其方法論和運行經(jīng)驗可直接指導同類機組的節(jié)能優(yōu)化工作,為提升電廠經(jīng)濟運行水平開辟了新的技術(shù)路徑。

[參考文獻]

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《機電信息》2025年第19期第15篇