0引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和電力市場(chǎng)化改革的深入推進(jìn),燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰作用日益凸顯。然而,受國(guó)際天然氣價(jià)格波動(dòng)和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇的雙重影響,燃機(jī)電廠的經(jīng)營(yíng)壓力持續(xù)加大。

在此背景下,通過精細(xì)化管理和技術(shù)創(chuàng)新提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,已成為提升燃機(jī)電廠市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵突破口。循環(huán)水系統(tǒng)作為聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(yùn)行模式的燃機(jī)電廠中,循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)電廠配置有兩套改進(jìn)型的“一拖一”F級(jí)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,分別為三套、四套機(jī)組。每套機(jī)組均裝備了一臺(tái)三菱M701F4改進(jìn)型干式低NOx燃?xì)廨啓C(jī),一臺(tái)由東方汽輪機(jī)制造的LZCCC159型三壓、再熱、雙缸型、軸向排汽、抽凝式汽輪機(jī)。 此外,機(jī)組還配備了無補(bǔ)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(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻[3]。該燃機(jī)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(jìn)行熱交換。完成換熱后的循環(huán)水通過回水管道返回機(jī)力通風(fēng)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(qiáng)制通風(fēng)方式進(jìn)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(jī)組設(shè)置兩臺(tái)50%設(shè)計(jì)循環(huán)水量的循環(huán)水泵,循泵配套電機(jī)為6 kv高、低速電機(jī)。 根據(jù)廣東氣候特點(diǎn),循泵在夏季模式(4月—11月)高速運(yùn)行,運(yùn)行電流138 A;冬季模式(12月—次年3月)低速運(yùn)行,運(yùn)行電流100 A。并設(shè)置兩臺(tái)400 v輔助循泵,運(yùn)行電流195 A,用于啟動(dòng)注水或停機(jī)時(shí)給閉冷器提供冷卻水。 循環(huán)水系統(tǒng)單元制運(yùn)行。 此外,每套機(jī)組配置6 kv機(jī)力塔各五座,風(fēng)機(jī)配套電機(jī)為五臺(tái)單速電機(jī),運(yùn)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(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)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(yùn)行管理需重點(diǎn)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?；凇鞍踩?jīng)濟(jì)”雙目標(biāo)約束,方案采用智能投切控制方式動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)和輔助循泵運(yùn)行,并結(jié)合冷卻塔風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化。為提升控制精度,方案將機(jī)組運(yùn)行劃分為停運(yùn)、啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)四種典型狀態(tài),針對(duì)每種狀態(tài)制定相應(yīng)的節(jié)能控制策略,實(shí)現(xiàn)全工況覆蓋的精細(xì)化控制。四種狀態(tài)定義如下:

1)停運(yùn)狀態(tài):從汽輪機(jī)投入盤車開始,至機(jī)組下次啟動(dòng)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(yùn)行即可。

2)啟動(dòng)狀態(tài): 自真空泵開始抽真空起,至燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)成功止,總時(shí)長(zhǎng)約60 min。

3)運(yùn)行狀態(tài):從燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)開始,至燃?xì)廨啓C(jī)解列為止。優(yōu)化重點(diǎn)是控制循環(huán)水溫升和維持最佳真空。

4)停機(jī)狀態(tài): 自燃?xì)廨啓C(jī)解列開始,至汽輪機(jī)投入盤車止,總時(shí)長(zhǎng)約40 min。

2.1停運(yùn)狀態(tài)優(yōu)化

在機(jī)組停運(yùn)工況下,真空系統(tǒng)已停止運(yùn)行,此時(shí)凝汽器僅接收來自汽輪機(jī)系統(tǒng)的殘余蒸汽和余熱,整體溫升幅度顯著降低,同時(shí)閉冷水系統(tǒng)的負(fù)荷需求也相應(yīng)減少?；诖诉\(yùn)行特性,建議在汽輪機(jī)投入盤車裝置后立即執(zhí)行以下操作:啟動(dòng)輔助循環(huán)水泵作為主要冷卻動(dòng)力源,同步停止主循環(huán)水泵運(yùn)行,并保持冷卻塔風(fēng)機(jī)處于全停狀態(tài)。對(duì)于凝汽器循環(huán)水系統(tǒng),應(yīng)將A、B兩側(cè)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,采用單臺(tái)輔助循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí),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(dòng)狀態(tài)優(yōu)化

在機(jī)組啟動(dòng)抽真空階段,為確保真空系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,需執(zhí)行以下標(biāo)準(zhǔn)化操作流程:首先啟動(dòng)一臺(tái)循環(huán)水泵并同步停運(yùn)輔助循環(huán)水泵,同時(shí)保持冷卻塔風(fēng)機(jī)處于全停狀態(tài)。該運(yùn)行模式下,燃機(jī)升速過程中,系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)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(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化

機(jī)組運(yùn)行工況可分為三種典型狀態(tài):首先是燃機(jī)并網(wǎng)后至升至最小穩(wěn)燃負(fù)荷258 MW的升負(fù)荷階段;其次是機(jī)組投入AGC,負(fù)荷跟隨電網(wǎng)調(diào)度曲線變化的穩(wěn)定運(yùn)行階段;最后是從258 MW降至燃機(jī)解列的降負(fù)荷階段。其中第一和第三種工況具有相似的負(fù)荷波動(dòng)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(fēng)機(jī)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(diǎn)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(yīng)盡量維持汽輪機(jī)最佳真空度(設(shè)計(jì)值約6 kpa),以提升機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(dòng)邏輯圖,圖中明確標(biāo)注了基于循環(huán)水溫升閾值的設(shè)備啟動(dòng)條件,當(dāng)實(shí)測(cè)溫升達(dá)到設(shè)定值時(shí)即觸發(fā)相應(yīng)設(shè)備的啟動(dòng)操作。這種分級(jí)控制策略既確保了機(jī)組安全運(yùn)行,又實(shí)現(xiàn)了能效優(yōu)化。

機(jī)組處于AGC模式下(第二種工況)時(shí),其循環(huán)水系統(tǒng)控制策略應(yīng)在第一、三種工況的啟停條件基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。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(biāo):當(dāng)機(jī)組真空度未能達(dá)到設(shè)計(jì)最佳值6 kpa時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)下一級(jí)設(shè)備啟動(dòng)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(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)了安全性與經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡。

在機(jī)組處于第一、三種非穩(wěn)定工況時(shí),循環(huán)水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的停運(yùn)邏輯如圖2所示。當(dāng)切換至第二種AGC穩(wěn)定運(yùn)行工況時(shí),其停運(yùn)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(jī)組真空度未能達(dá)到6 kpa的設(shè)計(jì)最佳值,系統(tǒng)將自動(dòng)鎖定當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),禁止執(zhí)行后續(xù)停運(yùn)節(jié)點(diǎn)操作。這種改進(jìn)型控制策略通過引入真空保護(hù)機(jī)制,在保證基礎(chǔ)運(yùn)行安全的前提下,有效提升了機(jī)組在穩(wěn)定工況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

2.4停機(jī)狀態(tài)優(yōu)化

在燃機(jī)解列熄火后,系統(tǒng)將執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)停機(jī)程序:首先停止所有冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行,同時(shí)保持單臺(tái)循環(huán)水泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這一設(shè)計(jì)基于燃機(jī)停機(jī)過程的特性分析:隨著燃機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低,進(jìn)入凝汽器的余熱顯著減少。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,單泵運(yùn)行模式完全能夠滿足停機(jī)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(yán)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(jī)電廠機(jī)組運(yùn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示。

根據(jù)燃機(jī)電廠2025年實(shí)施的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方案,針對(duì)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(yùn)行模式,夏季切換至高速運(yùn)行模式。為準(zhǔn)確評(píng)估該優(yōu)化措施的實(shí)際節(jié)能效果,需分別對(duì)2025年上半年(1月—6月)的冬季運(yùn)行模式(1月—3月)和夏季運(yùn)行模式(4月—6月)進(jìn)行獨(dú)立的能耗分析。

3.1停運(yùn)狀態(tài)節(jié)能效果

3.1.1冬季模式

一臺(tái)低速循泵每小時(shí)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(yùn)行時(shí)間;U為運(yùn)行電壓;I為運(yùn)行電流;COS φ為電機(jī)功率因數(shù),本文統(tǒng)一取0.85;下標(biāo)代表不同設(shè)備。

一臺(tái)輔助循泵每小時(shí)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(jī)組停運(yùn)階段采用輔助循泵代替循環(huán)水泵,每小時(shí)可節(jié)約電能ΔW循停運(yùn)冬為:

ΔW循停運(yùn)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(jī)組停運(yùn)小時(shí)數(shù)為3 309.4 h,共可節(jié)約電能W1為:

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

3.1.2夏季模式

一臺(tái)高速循泵每小時(shí)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(jī)組停運(yùn)階段采用輔助循泵代替循環(huán)水泵,每小時(shí)可節(jié)約電能ΔW循停運(yùn)夏為:

ΔW循停運(yùn)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(jī)組停運(yùn)小時(shí)數(shù)為3 002 h,即共可節(jié)約電能W2為:

W2=ΔW循停運(yùn)夏T夏=1104.15×3 002≈331.47萬kW.h

3.2啟動(dòng)狀態(tài)節(jié)能效果

3.2.1冬季模式

在機(jī)組啟動(dòng)過程中采用單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行模式,每次啟動(dòng)可節(jié)約第二臺(tái)循環(huán)水泵及配套5臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。表1數(shù)據(jù)顯示,2025年1月—3月期間三、四機(jī)組累計(jì)啟動(dòng)65次,經(jīng)測(cè)算循泵節(jié)約電能W循啟動(dòng)冬為:

W循啟動(dòng)冬=n冬W低=65×883.32≈5.74萬kw.h

一臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)每小時(shí)耗電W風(fēng)為:

W風(fēng)=pt=√3U風(fēng)I風(fēng)C0Sφ.t風(fēng)=1.732×6× 18×0.85×

1=159.00 kw.h

5臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)共節(jié)約電能W風(fēng)啟動(dòng)為:

W風(fēng)啟動(dòng)=5n冬W風(fēng)=5×65×159≈5.17萬kw.h

則機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)下,冬季模式共節(jié)約電能W3為:W3=W循啟動(dòng)冬十W風(fēng)啟動(dòng)=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(jī)組啟動(dòng)次數(shù)為65次,循泵節(jié)約電能W循啟動(dòng)夏為:

W循啟動(dòng)夏=n夏 W高=65× 1 218.98≈7.92萬kw.h

而風(fēng)機(jī)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(dòng)夏十W風(fēng)啟動(dòng)=7.92萬十5.17萬=13.09萬kw.h

3.3運(yùn)行狀態(tài)節(jié)能效果

機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下,三、四套機(jī)組循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行小時(shí)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(jī)組循泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少了567.15 h,節(jié)約電能W循運(yùn)行冬為:

W循運(yùn)行冬=567.15×883.32=50.10萬kw.h

冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少了1 391.31 h,節(jié)約電能W風(fēng)運(yùn)行冬為:

W風(fēng)運(yùn)行冬=1 391.31×159.00≈22.12萬kw.h

則機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下,冬季模式節(jié)能W5為:

W5=W循運(yùn)行冬十W風(fēng)運(yùn)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(jī)組循泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少了358.32 h,節(jié)約電能W循運(yùn)行夏為:

W循運(yùn)行夏=358.32× 1 218.98≈43.68萬kw.h

冷卻塔風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)減少了1 170.74 h,節(jié)約電能W風(fēng)運(yùn)行夏為:

W風(fēng)運(yùn)行夏=1170.74×159.00≈18.61萬kw.h

則機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下,冬季模式節(jié)能W6為:

W6=W循運(yùn)行夏十W風(fēng)運(yùn)行夏=43.68萬十18.61萬=

62.29萬kw.h

3.4停機(jī)狀態(tài)節(jié)能效果

機(jī)組停機(jī)階段,其運(yùn)行工況與啟動(dòng)狀態(tài)具有相似的節(jié)能特征:均采用單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行、冷卻塔風(fēng)機(jī)全停的運(yùn)行模式。兩者的主要差異在于持續(xù)時(shí)間參數(shù)—停機(jī)階段的典型持續(xù)時(shí)間約為啟動(dòng)階段的2/3。鑒于機(jī)組啟停操作具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系(啟動(dòng)次數(shù)=停止次數(shù)),因此可直接參照3.2章節(jié)的啟動(dòng)階段節(jié)能計(jì)算方法。

3.4.1冬季模式

機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時(shí),冬季節(jié)約電能W7為:

3.4.2夏季模式

機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時(shí),夏季節(jié)約電能W8為:

3.5 整體節(jié)能效果

通過對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行模式的優(yōu)化控制,2025年上半年累計(jì)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(yùn)行數(shù)據(jù)折算,預(yù)計(jì)2025年可實(shí)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(yùn)行優(yōu)化方案具有以下突出優(yōu)勢(shì):首先,該方案無須額外設(shè)備投資,僅通過運(yùn)行策略優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果;其次,優(yōu)化措施操作簡(jiǎn)便、實(shí)施性強(qiáng),在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,已在實(shí)際運(yùn)行中驗(yàn)證了其節(jié)能效益;最后,該方案的成功實(shí)踐為行業(yè)內(nèi)閉式循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提供了可復(fù)制的參考案例,其方法論和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可直接指導(dǎo)同類機(jī)組的節(jié)能優(yōu)化工作,為提升電廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平開辟了新的技術(shù)路徑。

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《機(jī)電信息》2025年第19期第15篇