联合循环蒸汽轮机循环水系统优化调度

钱小军

摘要：冷端系统是火电机组极为重要的辅助系统之一。本文主要以需求分析为出发点，首先分析了优化思路，其次建立了模型，最后深度分析了寻优计算的主要过程。

关键词：联合循环冷端系统循环水系统

0引言

冷端系统是火电机组极为重要的辅助系统，一般由凝汽器、循环水泵、冷却塔、循环水管路系统及抽真空系统等组成，其任务就是将汽轮机排汽在凝汽器中凝结成水，并向环境中放出余热，进而维持整体的热力循环。冷端系统运行性能的好坏将直接关系到热力循环整体的经济性和安全性。而循环水系统(主要包括循环水泵和冷却塔)作为冷端系统的重要组成部分，对其进行优化调度，是机组运行优化的重要内容，对于机组经济性的提高具有重要作用。

1需求分析

本系统面临的实际对象为1套“二拖一”和1套“一拖一”燃气—蒸汽联合循环发电供热机组。“二拖一”联合循环机组包含2台9F级燃气轮机机组、每台燃机机组配备的三压再热、无补燃、立式、自然循环余热锅炉及1台三缸蒸汽轮机。“一拖一”联合循环机组包含1台9F级燃气轮机机组及其配备的三压再热、无补燃、立式、自然循环余热锅炉和1台三缸蒸汽轮机。每台燃气轮机与蒸汽轮机各配有1台发电机。

两套机组的循环水系统为母管制分配方式，共设4台循环水泵，循环水大泵2台，循环水小泵2台。循环大泵采用定速电机，循环小泵采用双速电机。两台机组共配置12格机力通风冷却塔，机力通风冷却塔布置在厂区内，12格塔分为2排，按一字布置，循环水泵房布置在中间。

循环水流程为：循环冷却水经循环水泵升压，由各自的供水母管分别到“二拖一”与“一拖一”机组凝汽器和开式循环水供水管，加热后的循环水从凝汽器出来后经过胶球清洗装置的收球网连接至循环水回水母管，并与开式冷却水回水管中回水混合后，由各自的循环水回水母管（之间有联络门）分别回至2排机力通风塔，冷却后再汇集于前池，到达循环冷却水泵入口

循泵的运行调度方式：非采暖季两台机组正常运行时，4台循环水泵同时运行；机组降负荷运行时，可调整循环水泵的运行数量。采暖季正常供热工况下（抽凝），2台循环水小泵低速同时运行，如果出现任意1台小泵故障停泵，则马上启动1台大泵，然后停运另外1台小泵。

在非采暖季，一般根据两台机组的实际运行状态和环境条件，调整循环水泵的运行数量与运行状态。最大冷却能力为同时开启循环水大泵2台、小泵高速2台和12台机力通风塔，一般出现在机组负荷较高且环境温度较高的情况下，此时进入凝汽器的蒸汽流量较大，自然冷却能力较弱，如夏季的白天。

在采暖季正常供热工况下（汽机为抽凝或背压运行方式），进入凝汽器的蒸汽较少，且冬季的环境温度较低，自然冷却能力强，一般设置2台循环水小泵低速同时运行，如果出现任意1台小泵故障停泵，则马上启动1台大泵，然后停运另外1台小泵。机力通风塔侧为防止循环水在设备或管网中冷冻结冰，一般会安排错列运行，维持循环水的流动状态。

循环水定速大泵2台，双速小泵2台，可以组合出17种运行方式，配合12台机力通风塔，可以十分灵活地调整机组冷端运行状态。循泵优化系统的功能即为，根据机组当前实际运行状态和环境条件，选择最经济的循泵、机力塔运行搭配组合。优化模型中不仅考虑了机组当前状态与环境因素，还将运行人员的历史操作经验、极限真空限制考虑在内。

蒸汽轮机为双缸双排汽，汽轮机组可以带基本负荷运行，也可调峰运行，可在纯凝、抽凝供热、背压供热、汽轮机全切等方式下运行。

2优化思路

根据目前运行方式可知，在采暖季供热工况下，大部分蒸汽均用于供热，只有很少的蒸汽进入低压缸和凝汽器，所以此时正常为2台循环水小泵低速同时运行。在非采暖级工况下，所有蒸汽最终均进入低压缸和凝汽器，此时为多台泵组合运行，随着AGC指令的频繁变化，机组功率和运行方式也变化频繁。因此系统的优化方案应针对非采暖工况。

优化目标是通过改变循环水泵的运行组合和机力通风冷却塔的开启台数，使“二拖一”汽轮机和“一拖一”汽轮机的微增功率之和与循环水泵和机力塔的耗功增加值之差达到最大，此时所对应的机力通风冷却塔运行台数即为最优台数，所对应的循泵组合即为最优组合。整体优化思路如下：

1）在当前工况数据条件下，维持循泵组合不变，改变风机运行台数并确定最优台数X；

2）在最优风机台数的条件下，改变循泵组合并确定最优组合Y。若最优组合即为当前循泵组合，则输出指令为“建议开X台风机”；若最优组合不是当前循泵组合，则输出指令仅针对循泵，而不对风机作优化指导，“建议循泵组合Y”。

3模型搭建

如图1所示，优化的核心和前提条件是建立汽轮机的凝汽器压力模型、汽轮机功率变化模型和机力塔特性模型。

图1冷端整体模型示意图

4寻优计算

整体优化思路如下：

1）在当前工况数据条件下，维持循泵组合不变，改变风机运行台数并确定最优台数X；

2）在最优风机台数X的条件下，改变循泵组合并确定最优组合Y。若最优组合即为当前循泵组合，则输出指令为“建议开X台风机”；若最优组合不是当前循泵组合，则输出指令仅针对循泵，而不对风机做指导，“建议循泵组合Y”。

4.1初始化计算

计算当前运行状态对应的循环水回水温度Tw2_Now、环境温度Ta、凝汽器蒸汽流量Dc

4.2改变风机台数

锁定当前循泵组合，即得到了循环水总流量，计算单台机力塔流量；并根据环境温度计算机力塔循环水温降；结合当前循环水回水温度Tw2_Now计算新的循环水供水温度Tw1_Cal；调用凝汽器模型得到新的凝汽器压力P_Cal和循环水回水温度Tw2_Cal；最终调用汽轮机功率变化模型，根据新的凝汽器压力P_Cal和低压缸当前参数，计算得到变工况对应的汽轮机功率变化量。

4.3改变循泵组合

改变循泵运行方式后，确定循环水总流量；计算当前循环水供水平均温度Tw1_Cal，调用凝汽器模型得到凝汽器压力P_Cal和循环水回水温度Tw2_Cal；锁定风机运行台数TS等于之前计算出来的最优风机台数X，计算单台机力塔流量DwPer_Cal；并根据环境温度计算机力塔循环水温降；结合循环水回水温度Tw2_Cal计算新的循环水供水温度Tw1_Cal’；再次调用凝汽器模型得到新的凝汽器压力P_Cal’和循环水回水温度Tw2_Cal’；最终调用汽轮机功率变化模型，根据新的凝汽器压力P_Cal和低压缸当前参数，计算得到变工况对应的汽轮机功率变化量。

4.4判断最优循泵组合是否为当前循泵组合

若上面计算出来的最优循泵组合不等于当前循泵组合，则将推荐循泵组合锁定为最优循泵组合，推荐风机台数锁定为当前风机实际运行台数，按照改变循泵组合的计算思路和计算过程，将推荐运行方式计算一遍得到对应的凝汽器参数和总功率变化量，并对计算结果进行检查，检查凝汽器压力是否超限或总功率变化量是否小于0，若有问题则将推荐运行方式设置为当前运行方式再输出。

5小结

循环水调度优化提供全厂冷端的实时运行与优化建议信息。该系统实时运行信息包含两台汽机、循环水泵和机力塔的当前运行状态，以及冷端参数的实时值；优化建议信息包含循环水泵和机力塔的优化建议运行状态，与优化后的冷端参数值，并对比显示优化前后参数的变化。从而实现可实现节能、降耗的目标。

参考文献：

[1]北京京西燃气热电有限公司.SGT5-4000F（+）型燃气-蒸汽联合循环机组运行规程[R]北京：北京京西燃气热电有限公司.2016

[2]上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂.汽轮机运行维护手册[R]上海：上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，2012.

作者简介：钱小军，1980年10月，男，本科，从事发电技术及发电管理工作。