9F燃机电厂闭式循环水系统优化方案及应用

0引言

随着我国能源结构调整和电力市场化改革的深入推进,燃气—蒸汽联合循环机组在电力系统中的调峰作用日益凸显。然而,受国际天然气价格波动和电力现货市场竞争加剧的双重影响,燃机电厂的经营压力持续加大。

在此背景下,通过精细化管理和技术创新提高机组运行经济性,已成为提升燃机电厂市场竞争力的关键突破口。循环水系统作为联合循环机组的重要辅助系统,其能耗约占厂用电总量的30%~40%,具有显著的节能潜力。特别是在采用两班制调峰运行模式的燃机电厂中,循环水系统的运行优化空间更为可观[1—2]。

1系统概述

1.1电厂概况

广东某燃机电厂配置有两套改进型的“一拖一”F级燃气—蒸汽联合循环热电联产机组,分别为三套、四套机组。每套机组均装备了一台三菱M701F4改进型干式低NOx燃气轮机,一台由东方汽轮机制造的LZCCC159型三压、再热、双缸型、轴向排汽、抽凝式汽轮机。 此外,机组还配备了无补燃三压再热余热锅炉及各种辅助设备。

1.2 循环水系统

火电厂循环水系统分为开式和闭式两种,其中开式循环水系统以江、河、海等天然水源作为冷却水源,而闭式循环水系统利用冷却塔对循环水进行冷却[3]。该燃机电厂采用闭式循环水冷却。循环水泵将冷却水加压后,送至凝汽器进行热交换。完成换热后的循环水通过回水管道返回机力通风冷却塔,在塔内经过喷淋装置均匀分布并与空气充分接触换热,通过强制通风方式进行冷却降温,最终冷却后的水重新汇集至冷却塔底部水池,形成完整的闭式循环回路。

该厂每套机组设置两台50%设计循环水量的循环水泵,循泵配套电机为6 kv高、低速电机。 根据广东气候特点,循泵在夏季模式(4月—11月)高速运行,运行电流138 A;冬季模式(12月—次年3月)低速运行,运行电流100 A。并设置两台400 v辅助循泵,运行电流195 A,用于启动注水或停机时给闭冷器提供冷却水。 循环水系统单元制运行。 此外,每套机组配置6 kv机力塔各五座,风机配套电机为五台单速电机,运行电流18 A。

循环水系统向凝汽器输送冷却水,使汽轮机低压缸排出的蒸汽得以冷凝,从而维持凝汽器内部所需的真空环境,并为闭冷水系统的闭冷器和真空泵冷却器提供冷却水。

2优化方案

循环水系统的优化运行需要建立多维度协同控制策略,在确保设备安全的前提下实现经济运行。 系统运行时应将闭式冷却水温度控制在38℃以下;将循环水温升稳定维持在11℃的安全范围内;水环真空泵的运行管理需重点关注工作水温,确保其出力正常;另外,还需考虑凝汽器最佳真空。基于“安全—经济”双目标约束,方案采用智能投切控制方式动态调节循环水泵运行台数和辅助循泵运行,并结合冷却塔风机群控系统实现运行优化。为提升控制精度,方案将机组运行划分为停运、启动、运行和停机四种典型状态,针对每种状态制定相应的节能控制策略,实现全工况覆盖的精细化控制。四种状态定义如下:

1)停运状态:从汽轮机投入盘车开始,至机组下次启动真空泵前的阶段。这一阶段系统处于热备用状态,维持最低限度设备运行即可。

2)启动状态: 自真空泵开始抽真空起,至燃气轮机并网成功止,总时长约60 min。

3)运行状态:从燃气轮机并网开始,至燃气轮机解列为止。优化重点是控制循环水温升和维持最佳真空。

4)停机状态: 自燃气轮机解列开始,至汽轮机投入盘车止,总时长约40 min。

2.1停运状态优化

在机组停运工况下,真空系统已停止运行,此时凝汽器仅接收来自汽轮机系统的残余蒸汽和余热,整体温升幅度显著降低,同时闭冷水系统的负荷需求也相应减少。基于此运行特性,建议在汽轮机投入盘车装置后立即执行以下操作:启动辅助循环水泵作为主要冷却动力源,同步停止主循环水泵运行,并保持冷却塔风机处于全停状态。对于凝汽器循环水系统,应将A、B两侧的进出口调节阀开度统一控制在10%左右,该开度设置既能满足系统最小流量需求,又可实现节能运行。运行监测数据表明,采用单台辅助循环水泵运行时,闭式冷却水最高温度可稳定控制在32℃以下,凝汽器最大温升仅为8.8℃。

2.2 启动状态优化

在机组启动抽真空阶段,为确保真空系统稳定运行,需执行以下标准化操作流程:首先启动一台循环水泵并同步停运辅助循环水泵,同时保持冷却塔风机处于全停状态。该运行模式下,燃机升速过程中,系统关键参数监测显示:排烟温度峰值580℃、真空度稳定在7.6 kpa、闭式冷却水最高温度31℃、循环水最大温升8.7℃ ,所有参数均满足要求。

2.3运行状态优化

机组运行工况可分为三种典型状态:首先是燃机并网后至升至最小稳燃负荷258 MW的升负荷阶段;其次是机组投入AGC,负荷跟随电网调度曲线变化的稳定运行阶段;最后是从258 MW降至燃机解列的降负荷阶段。其中第一和第三种工况具有相似的负荷波动特性,在此类不稳定工况下,建议以循环水温升作为主要控制参数来调节循环水泵和冷却塔风机的启停,确保凝汽器获得足够的冷却水流量。而在AGC控制阶段,除温升控制外,还需重点考虑真空优化,在保证凝汽器温升不超过限值的前提下,应尽量维持汽轮机最佳真空度(设计值约6 kpa),以提升机组运行经济性。图1所示为第一、三种工况下循环水系统设备的启动逻辑图,图中明确标注了基于循环水温升阈值的设备启动条件,当实测温升达到设定值时即触发相应设备的启动操作。这种分级控制策略既确保了机组安全运行,又实现了能效优化。

机组处于AGC模式下(第二种工况)时,其循环水系统控制策略应在第一、三种工况的启停条件基础上进行优化升级。具体而言,除继续依据循环水温升参数控制设备外,需额外引入真空度作为关键控制指标:当机组真空度未能达到设计最佳值6 kpa时,系统将自动触发下一级设备启动程序。这种双重判据的控制逻辑既保持了基础工况下的安全裕度,又通过真空优化显著提升了机组运行经济性,实现了安全性与经济性的最佳平衡。

在机组处于第一、三种非稳定工况时,循环水泵和冷却塔风机的停运逻辑如图2所示。当切换至第二种AGC稳定运行工况时,其停运控制策略需在第一、三种工况的基础上增加真空度约束条件:若机组真空度未能达到6 kpa的设计最佳值,系统将自动锁定当前运行状态,禁止执行后续停运节点操作。这种改进型控制策略通过引入真空保护机制,在保证基础运行安全的前提下,有效提升了机组在稳定工况下的经济运行水平。

2.4停机状态优化

在燃机解列熄火后,系统将执行标准停机程序:首先停止所有冷却塔风机运行,同时保持单台循环水泵持续运转。这一设计基于燃机停机过程的特性分析:随着燃机转速逐步降低,进入凝汽器的余热显著减少。运行数据表明,单泵运行模式完全能够满足停机冷却需求,关键参数包括真空度、循环水出口温度及温升值均严格控制在规程允许范围内,未出现任何参数超限情况。

3 节能效果

2025年1月—6月某燃机电厂机组运行统计如表1所示。

根据燃机电厂2025年实施的循环水系统优化运行方案,针对不同季节工况采取差异化控制策略:冬季采用循环水泵低速运行模式,夏季切换至高速运行模式。为准确评估该优化措施的实际节能效果,需分别对2025年上半年(1月—6月)的冬季运行模式(1月—3月)和夏季运行模式(4月—6月)进行独立的能耗分析。

3.1停运状态节能效果

3.1.1冬季模式

一台低速循泵每小时耗电W低为:

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为功率;t为运行时间;U为运行电压;I为运行电流;COS φ为电机功率因数,本文统一取0.85;下标代表不同设备。

一台辅助循泵每小时耗电W辅为:

W辅=pt=√3U辅I辅COSφ.t辅=1.732×0.4× 195×

0.85× 1≈114.83 kW.h

机组停运阶段采用辅助循泵代替循环水泵,每小时可节约电能ΔW循停运冬为:

ΔW循停运冬=W低-W辅=883.32-114.83=768.49 kW.h

由表1可知2025年1月—3月三、四机组停运小时数为3 309.4 h,共可节约电能W1为:

W1=ΔW循停运冬T冬=768.49×3 309.4≈254.32万kW.h

3.1.2夏季模式

一台高速循泵每小时耗电W高为:

W高=pt=√3U循I循高COSφ.t循高=1.732×6× 138×

0.85× 1≈1 218.98kW.h

机组停运阶段采用辅助循泵代替循环水泵,每小时可节约电能ΔW循停运夏为:

ΔW循停运夏=W高-W辅=1 218.98-114.83=1104.15 kW.h

由表1可知2025年4月—6月三、四机组停运小时数为3 002 h,即共可节约电能W2为:

W2=ΔW循停运夏T夏=1104.15×3 002≈331.47万kW.h

3.2启动状态节能效果

3.2.1冬季模式

在机组启动过程中采用单台循环水泵运行模式,每次启动可节约第二台循环水泵及配套5台冷却塔风机的运行能耗。表1数据显示,2025年1月—3月期间三、四机组累计启动65次,经测算循泵节约电能W循启动冬为:

W循启动冬=n冬W低=65×883.32≈5.74万kw.h

一台冷却塔风机每小时耗电W风为:

W风=pt=√3U风I风C0Sφ.t风=1.732×6× 18×0.85×

1=159.00 kw.h

5台冷却塔风机共节约电能W风启动为:

W风启动=5n冬W风=5×65×159≈5.17万kw.h

则机组启动状态下,冬季模式共节约电能W3为:W3=W循启动冬十W风启动=5.74万十5.17万=10.91万kw.h3.2.2夏季模式

由表1可知2025年4月—6月三、四机组启动次数为65次,循泵节约电能W循启动夏为:

W循启动夏=n夏 W高=65× 1 218.98≈7.92万kw.h

而风机节约的电能也是5.17万kw.h,夏季模式共节约电能W4为:

W4=W循启动夏十W风启动=7.92万十5.17万=13.09万kw.h

3.3运行状态节能效果

机组运行状态下,三、四套机组循环水泵、冷却塔风机运行小时数如表2所示。

3.3.1冬季模式

2025年1月—3月采取循环水系统优化后,由表2可知三、四套机组循泵运行时长减少了567.15 h,节约电能W循运行冬为:

W循运行冬=567.15×883.32=50.10万kw.h

冷却塔风机运行时长减少了1 391.31 h,节约电能W风运行冬为:

W风运行冬=1 391.31×159.00≈22.12万kw.h

则机组运行状态下,冬季模式节能W5为:

W5=W循运行冬十W风运行冬=50.10万十22.12万=

72.22万kw.h

3.3.2夏季模式

2025年4月—6月采取循环水系统优化后,由表2可知三、四套机组循泵运行时长减少了358.32 h,节约电能W循运行夏为:

W循运行夏=358.32× 1 218.98≈43.68万kw.h

冷却塔风机运行时长减少了1 170.74 h,节约电能W风运行夏为:

W风运行夏=1170.74×159.00≈18.61万kw.h

则机组运行状态下,冬季模式节能W6为:

W6=W循运行夏十W风运行夏=43.68万十18.61万=

62.29万kw.h

3.4停机状态节能效果

机组停机阶段,其运行工况与启动状态具有相似的节能特征:均采用单台循环水泵运行、冷却塔风机全停的运行模式。两者的主要差异在于持续时间参数—停机阶段的典型持续时间约为启动阶段的2/3。鉴于机组启停操作具有严格的对应关系(启动次数=停止次数),因此可直接参照3.2章节的启动阶段节能计算方法。

3.4.1冬季模式

机组处于停机状态时,冬季节约电能W7为:

3.4.2夏季模式

机组处于停机状态时,夏季节约电能W8为:

3.5 整体节能效果

通过对循环水系统运行模式的优化控制,2025年上半年累计节约电能760.3万kw.h。具体数据:冬季平均每月节能114.91万kw.h,夏季平均每月节能138.53万kw.h。经全年运行数据折算,预计2025年可实现总节能量1 567.88万kw.h,节能效益显著。

4 结束语

本研究提出的闭式循环水系统运行优化方案具有以下突出优势:首先,该方案无须额外设备投资,仅通过运行策略优化即可实现显著的节能效果;其次,优化措施操作简便、实施性强,在保证机组安全稳定运行的前提下,已在实际运行中验证了其节能效益;最后,该方案的成功实践为行业内闭式循环水系统的运行优化提供了可复制的参考案例,其方法论和运行经验可直接指导同类机组的节能优化工作,为提升电厂经济运行水平开辟了新的技术路径。

[参考文献]

[1]王展良.9F燃气蒸汽联合循环机组循环水系统节能优化与应用[J].技术与市场,2023,30(9):19—23.

[2]徐永宁.高效节能泵在循环水系统中的应用与优化研究[J].今日制造与升级,2025(5):154—156.

[3]徐钟宇.火电厂闭式循环水系统优化运行试验研究[J].上海节能,2023(10):1546—1552.

《机电信息》2025年第19期第15篇