基于热力系统静态建模方法对机组循环水系统的优化研究

第54卷第4期2012年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO154NO4AUG2012基于热力系统静态建模方法对机组循环水系统的优化研究张炜光，叶学民，吴瑞涛，杨海生1华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定071003；2河北省电力研究院，石家庄050021摘要火电机组循环水系统的优化运行对提高机组的经济性具有重要的影响。基于静态建模软件GATECYCLE，通过对某300MW火电机组进行模型构建，分析了不同负荷、不同循环水温下最优的循环水泵组合方式及其对煤耗的影响，在此基础上编制了该循环水系统优化运行的工况表与经济调度图，保证了机组在最佳状态下运行。关键词热力系统；态建模方法；循环水系统；优化运行分类号TK267文献标识码A文章编号10015884201204027904OPTIMIZATIONONOPERATIONSCHEMEOFCIRCULATINGWATERSYSTEMINAUNITBASEDONSTEADYSTATEMODELINGMETHODOFTHERMALSYSTEMZHANGWEIGUANG，YEXUEMIN，WURUITAP，YANGHAISHENG1SCHOOLOFENERGYPOWERANDMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINA；2HEBEIELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，SHIJIAZHUANG050021，CHINAABSTRACTTHEOPTIMIZEDOPERATIONOFCIRCULATINGWATERSYSTEMISOFGREATSIGNIFICANCEFORIMPROVINGTHEEFFICIENCYOFTHERMALPOWERUNITSBASEDONTHESTEADYSTATEMODELINGSOFTWAREGATECYCLE，THECONFIGURATIONOFCIRCULATINGWATERSYSTEMOFA300MWUNITISESTABLISHEDINPRESENTPAPERTHEOPTIMALCOMBINATIONMODEOFCIRCULATINGWATERPUMPSISINVESTIGATEDUNDERDIFFERENTLOADANDWATERTEMPERATURE，ANDTHEINFLUENCEOFCOALCONSUMPTIONISDISCUSSEDTHEOPTIMIZEDOPERINGTABLEANDREGULATIONSCHEMEFORTHECIRCULATINGWATERSYSTEMARESUGGESTED，WHICHPROVIDEANEFFECTIVEWAYFOROPTIMIZEDOPERATIONKEYWORDSTHERMALSYSTEM；STEADYSTATEMODEFING；CIRCULATINGWATERSYSTEM；OPTIMALOPERATION0前言汽轮机机组背压直接影响汽轮发电机组运行的经济性与安全性，而循环水流量、温度都会对机组背压产生直接的影响，与此同时，循环水泵作为火电厂中耗电量较大的辅机之一，其耗电量约占厂总发电量的115TLL。因此，研究机组循环水系统的最优运行方式是保证机组在最佳真空下运行，提高机组节能水平的重要措施。1循环水系统优化方法目前，循环水泵采用的双速运行模式为大量发电企业所采用，其常用的优化分析方法有通过改变循环水泵组合的运行方式来调节循环水流量，并采用理论计算与实验分析的方法研究该运行方式下的冷端系统优化方案。理论方法是针对冷端系统各设备建立相应的耗差计算分析模型，如将循环水泵性能特性拟合成公式，根据凝汽器变工况计算得到循环水流量、温度等参数对机组背压的影响。但理论计算中可能会遇到一些难以准确处理的问题，如泵和汽轮机的设计曲线运行曲线在在偏差，凝汽器污垢热阻难以确定等，这收稿日期2011_02_O7些都可能导致冷端耗差理论计算结果与实际值出现偏差。实验分析则是对不同季节、不同负荷下所有冷端设备的实际运行性能进行测定，以汽轮机净增功率最大为目标来确定循环水系统的最优运行方式。而循环水温度受自然环境条件的影响，只能选取不同的季节进行试验，机组负荷也不可随意调整，因此试验数据量偏少，而且试验所需的成本较大。在机组FT常运行过程时，各参数如出现机组负荷、循环水温度偏离实验工况时，也会导致优化方式失真。本文采用传统的循环水系统优化原理即基于最佳真空的优化原理进行分析，结合了实验测定方法与静态建模方法进行研究。其中，采用实验测定方法确定循环水泵不同运行方式下循环水流量，采用静态建模方法分析不同循环水泵运行方式下循环水入口温度，循环水流量等对热力系统中机组背压，机组出力等热力参数的影响。2热力系统建模分析21静态建模方法静态建模方法是近年来应用较多的研究方法。该方法根据热力系统设备的实际数学物理模型进行计算，输入运行参数后，通过质量、能量守恒及变工况计算等方法迭代直到作者简介张炜光1987一，女，河北邢台人，硕士研究生，主要从事汽轮机冷端系统优化方面的研究。280汽轮机技术第54卷满足设备运行参数与性能参数耦合关系后，结果收敛，得到热力系统中各设备的性能参数。使用静态建模工具软件GATECYCLE进行分析，其优点有搭建模型灵活，可分析任意热力系统下，不同运行方式的预期性能。同一热力系统中，不同设备的变工况计算包括在模型计算中，因此可以实现设计工况与非设计工况的计算和数据的共享，同时可将某一设备的模型集成在一个模型图标中，便于修改和继承J。因此，该方法可避免上述理论计算与实验分析产生的一些问题。GATECYCLE软件基于设备模型建立相应的热力系统模型，根据机组热力计算书输入设计工况下的运行参数，通过与设计参数比较进而修正系统模型，直至与设计数据吻合，然后对非设计工况验证与调整，待各工况调试完成后，便可使用该模型分析热力系统的预期性能。该软件可对较大范围内运行参数、设备性能参数、运行负荷变化进行分析，能较全面地反映出系统内各设备之间的相互影响及作用。22设计工况模型的建立本文以某电厂300MW机组为例，该机组额定背压581KPA，回热抽汽级数有8段抽汽，分别为3高4低1除氧，低压末级叶片长度为905MM，凝汽器换热面积为35000M，保证净热耗为80015KJKWH，各部分损失分别为主汽门、调门及进汽管道压损为207，中低压连通管为45，小汽机进汽管为3，再热器及管道为10，各段加热器抽汽管道5，低压加热器上端差与疏水端差分别为28、56T，1号高压加热器上端差与疏水端差分别为一17、56，2号、3号高压加热器上端差与疏水端差分别为一17、56，额定工况下的电机效率为99，给水泵效率83，给水泵汽轮机效率81。针对该机组，以阀门全开工况VWO为设计工况模型。以原热力系统中各设备及连接方式为基础搭建模型，选择各设备的计算方法及相应参数以保证热力系统正常运行，然后调试模型直至各设备参数与设计参数高度吻合，与设计值误差基本为0。图1为设计工况模型图。23非设计工况模型验证以设计工况下的各主要设备如汽轮机，凝汽器等设备为基础建立新的工况模型，并使用变工况计算法对100THA、75THA与50THA等工况进行验证，各段抽汽流量及发电量与热力计算书所给数据的相对误差如表1所示。由表1可知，在3种非设计工况下，其相对误差均在允许范围内，表明搭建的模型准确可靠，可用于分析该热力系统在其它工况下的预期性能。3循环水系统优化分析31当前的运行模式该300MW机组采用单元制循环水系统，两台循环水泵并联运行，共4种运行模式。即A单台泵低速运行；B单台泵高速运行；C双泵运行，一台泵高速、一台泵低速运行；D双泵高速运行。表2为实测的不同运行模式下循环水量与功耗关系。32循环水系统优化分析，321原理分析降低凝汽器压力机组背压，使汽轮机的理想焓降增大，发电功率增大。同时降低凝汽器压力，须以增加循环水图1设计工况模型图表1非设计工况下计算结果的相对误差M1第4期张炜光等基于热力系统静态建模方法对机组循环水系统的优化研究281表2不同运行模式下循环水量与功耗关系泵的功耗为代价，因此机组运行时，需要确定凝汽器最佳背压以保证机组运行的经济性。在稳定的情况下，背压的变化会对汽轮机功率造成直接的影响，通过GATECYCLE软件计算，机组在不同工况下背压对功率的修正曲线如图2所示，不同运行负荷、不同循环水泵运行模式下凝汽器入口温度与机组背压间的关系如图3图5所示。循环水泵在不同模式下汽轮机功率的增量为与AP，如下式所示APRPKPR1APPR一尸2式中，却是不同运行模式下同一温度对应的背压变化，KPA；K为汽机功率相对变化率，如图2中曲线斜率，KPA；P为汽轮机的额定功率，KW；P为循环水泵耗功增量，KW；AP为汽轮机功率增量P，与循环水泵耗功增量P之差，即净增功率，KW。对于不可连续调节的机组，只能通过改变循环水泵的组合方式来改变循环水量。因此，所得循环水量并不一定是最、堂R羽骞生、出粑喜一LHA一R5THA，、鳖0246810L2背压KPA图2背压对功率的修正曲线图3100THA工况循环水温度与背压关系、出毫生、出靶皋141210A中，|上，丰，一一一一黼F一D一T謇51015202530凝汽器入口温度C图475THA工况循环水温度与背压关系图550THA工况循环水温度与背压关系佳值，而只能是接近最佳值，因此只能通过比较净增功率的相对大小来判断循环水泵的运行方式是否属于最佳经济工况。例如，若由模式A切换为B时，净增功率P0，即汽轮机发电功率增加值大于循环水泵耗功的增加值，则采用模式B运行，否则采用模式A运行。322100THA工况优化分析由图2可知，在100THA工况下，当背压大于极限背压4KPA后，曲线斜率K基本为一定值；此时由式1可知，任意两种运行模式下AP主要取决于P的变化。由图3知，任意两种运行模式下，随循环水入13温升高，背压变化却的绝对值逐渐增大，因此，功率增量随水温升高逐渐增大。由式2可知，任意两种运行模式下净增功率P也随水温升高而增大。计算表明模式A下，水温为5时背压为47KPA，该模式运行下净功率达到最大，即切换到其它3种运行模式下AP0，即在8C时B为最优运行模式；切换后，背压约为3KPA小于极限背压，此时即使提高循环水流量降低背压，机组功率也不会升高，反而可能会下降，导致净功率降低；温度升高至17，背压高于极限背压并升至47KPA时，运行模式由B切换为C后，AP0，可切换为组合模式C运行；切换为模式C运行后背压为39KPA，随温度升高至24时，背压升至58KPA时，运行模式由C切换为D后，P0，可切换为组合模式D运行，切换后背压为52KPA。以上为100THA工况下循环水8642O5432L012345282汽轮机技术第54卷系统的优化模式。将循环水泵优化结果用煤耗率来表示，则煤耗率日M_式中，日为汽轮机热耗率，KJKWH；Q。为标准收到基发热量，29270KJKG；P为汽轮机的额定功率，KW；P为实际功率，即汽轮机的额定功率减去循环水泵耗电功率，KW。在100THA工况下，4种组合模式对煤耗影响如图6所示。由图6可知，在不同温度区间，煤耗最小值对应的循环水泵运行模式是最经济的，例如，温度区间在8C17时，运行方式B对应的煤耗值最小，以模式B运行就是最经济的。最优的循环水系统组合模式与相邻组合模式下的标295290薹285蜒蝼280275270台_B。十一AR一C，D丰中。L口1517202425温度C准煤耗最大可相差LGKWH，平均可相差0451GKWH，因此对循环水系统进行优化是保证机组经济性运行的重要措施。323机组优化结果以100THA工况为例，计算出不同负荷下的净增功率AP，得到循环水系统最优运行模式如表3，循环水泵优化组合模式的关系如图7。在机组的实际运行过程中，操作人员可根据当前的机组负荷和循环水入口温度确定循环水泵组合的运行模式。机组负荷P纵坐标与循环水人口温度T，横坐标组成交点T，P，该点落入的区域就是循环水泵最优运行模式区域。例如，当循环水温为加、负荷为250MW时，在图7中确定该点E，它在运行模式C的区域，此时投用一台高速泵与一台低速泵并联运行是最经济的。富善糌图6THA工况下循环水系统优化对煤耗的影响图7不同负荷下循环水泵优化运行模式表3不同负荷下循环水系统最优运行模式、4结论采用静态建模软件GATECYCLE对某300MW热力系统进行建模计算，分析了循环人口温度，机组背压，机组功率等之间的关系，通过分析各负荷下不同循环水泵组合模式所对应的净功率值，确定了不同负荷下循环水系统的优化组合模式，给出了循环水泵经济调度图。研究表明机组负荷在300MW250MW之间时，循环水温度超过24后，采用两台高速泵并联运行模式，当温度在817之间时，采用一台高速泵运行模式；机组负荷在250MW225MW之间时，当循环水温度低于9，一般采取一台泵低速运行模式，当温度在1725时，采用一台高速泵与一台低速泵并联运行模式；机组负荷在150MW左右时，循环水温度在1018C之间时，采用一台高速泵运行模式，高于18C后采用一台高速泵一台低速泵并联运行模式。参考文献1黄新元，赵丽，安越里，等火电厂单元制循环水系统离散优化模型及其应用J热能动力工程，2004，1933023062李保