燃气电厂机力通风冷却塔的运行方式及优化

2013-12-11周长喜

电站辅机 2013年2期

周长喜

（华北电力大学，北京 102206）

0 概述

承担电网调峰任务的燃气发电厂多建于水资源缺乏的城市周边，这在我国北方城市尤其明显。因为远离江河湖海，发电厂循环冷却水只好采用中水补给。采用机力通风冷却塔对循环水进行冷却。与传统的双曲线自然通风冷却塔相比，机力通风冷却塔具有建设周期短、占地少、效率高、耗水量少等诸多优点。机力通风冷却塔依靠电机拖动的大型风机对循环水冷却降温，运行冷却塔风机所增加的厂用电量是电厂增加的额外的发电成本。现依据某燃气－蒸汽联合循环电厂的生产实际，在总负荷不变的纯凝工况下，试验得出汽机负荷随凝汽器真空度的变化关系，优化机力通风冷却塔的运行方式。

1 工程概况

该发电厂为大型燃气－蒸汽联合循环机组，配置2台PG9351FA型燃气轮机、2台NG－S209FA－R型余热锅炉和1台LN275／CC154型抽汽凝气式供热汽轮机，总装机容量780MW，以“二拖一”的方式运行，电厂的生产工艺流程，如图1所示。该套机组共设3台循环水泵，夏季最大工况时，并列运行2台循环水泵，其他工况下均运行1台循环水泵。该套机组共设9格机力通风冷却塔，每格冷却塔的循环水量为5 000m3／h，单塔平面尺寸为17.8m×17.8m；每格冷却塔设1台380V电机拖动的风机，低速运行额定功率60kW，高速运行额定功率185 kW。

图1 该燃气－蒸汽联合循环电厂生产工艺流程图

2 机力通风冷却塔的初期使用情况

与许多新建电厂一样，电厂在投产初期把主要精力投入到熟悉设备特性及摸索运行经验之上，考虑的是机组的安全运行。在机力通风冷却塔的运行调整上，基本思路是在确保设备能得到充分冷却的基础上追求凝汽器真空度的最大化。所以，无论春、夏、秋季，当环境温度偏高时，9台机力冷却塔风机全部为高速运行，在寒冷的冬季，用汽机抽汽进行供热时，凝汽器真空度高达－98kPa以上，这是十分常见的。

该燃气发电厂投产初期的一系列技术经济指标，如气耗率、补水率、厂用电率等指标，不是未能达标，就是明显偏高。如年均综合厂用电率（综合厂用电率＝综合厂用电量／全厂发电量。综合厂用电包括生活用电、发电用电和供热用电）达3.68%，年均发电厂用电率（发电厂用电率＝发电厂用电量／全厂发电量）达2.87%，而同时期同类型电厂年均综合厂用电率一般低于3.3%，年均发电厂用电率低于2.5%，相比之下差距很明显。

3 最佳真空度与极限真空度的比较

3.1 最佳真空度的不确定性

当汽轮机功率增加量与循环冷却水系统设备多耗功率的差数为最大时的真空值称为凝汽器的最经济有利真空，即最佳真空度。显然，对于任何追求效益最大化的发电企业而言，循环冷却水系统相关设备运行方式的优化，应当以追求最佳真空度为目标。结合该燃气发电厂的情况，循环冷却水流量不变，则需通过启动机力冷却塔风机，降低循环水温度来提高凝汽器真空度，从而找出汽轮机功率增加量与机力冷却塔风机多耗功率的差数为最大时的真空值。但问题是，机力通风塔借助空气对流来达到冷却循环水的目的，而空气的温度、湿度、压力等均会对机力通风塔的冷却效果产生影响，也就是说，机力冷却塔风机的功耗与凝汽器真空并无确定的对应关系，这些对应关系的相关曲线，如图2所示。Tn（n＝1、2、3……数字代表不同的大气条件）曲线反映的是在不同大气条件下，机力冷却塔风机功耗与凝汽器真空度变化的关系，大气条件为T1时最佳真空是V1，则大气条件为Tn时，与之对应的最佳真空Vn，凝汽器的最佳真空度是随大气条件的变化而变化的。所以，只在特定大气条件下得出的最佳真空度，对电厂的参考意义并不大。

图2 汽机功率增加量、机力塔风机功耗与真空度的关系曲线

3.2 极限真空度的参考价值

鉴于在使用机力通风塔的电厂其最佳真空度具有不确定性的特点，此处引入极限真空度的概念。凝汽器的真空度不是越高越好，而是有个极限值，这个真空的极限值由汽轮机末级叶片出口截面的膨胀极限所决定。当通过汽轮机末级叶片的蒸汽已达到膨胀极限时，继续提高真空度时，汽机负荷不再增大，此时的真空度称为极限真空度。极限真空度主要通过试验获得，即在机组满负荷或联合循环电厂总负荷不变、汽机进汽参数稳定的情况下，设法提高凝汽器真空度直到汽机负荷不再增大时，记录下此时的真空值。极限真空相比汽机在最佳真空下运行时的经济性略差，但对于难以确定最佳真空度的发电厂仍有重要的参考价值。

结合该燃气发电厂的情况，循环冷却水流量不变，凝汽器真空度的提高几乎完全依赖机力通风冷却塔，而每台机力冷却塔风机的最大功耗是185 kW，9台风机全部高速运行总功耗不过1.665 MW，提高真空度的成本不算很高。如图2所示，汽机负荷增加量随凝汽器真空的变化关系曲线由函数ΔP汽＝f（V）表示，V0表示汽机运行的极限真空值，机力塔风机功耗随凝汽器真空的变化关系曲线Tn由函数ΔP塔＝fn（V）（n＝1、2、3……数字代表不同的大气条件）表示，V0＞V1，V0＞V2……V0＞Vn，不难发现，汽机运行的极限真空值大于任何大气条件下的最佳真空值，这意味着获得汽机的极限真空值往往需要投运更多的机力塔风机和更多的厂用电消耗。但由于提高真空度的成本较低，在追求极限真空的过程中，不仅确保了汽机负荷增加量始终高于机力塔风机的功耗，还确保了汽轮机出力的最大化，对于燃气－蒸汽联合循环电厂，这意味着在总负荷不变的情况下，燃机负荷以及天然气消耗量减少了，同样能够收到可观的经济效益。更重要的是，汽机运行的极限真空值一经试验获得，便可作为衡量汽轮机出力性能的标准参数，为机力通风冷却塔运行方式的优化提供重要依据。

4 试验过程与实施效果

4.1 试验条件

（1）对于燃气－蒸汽联合循环电厂，若不具备满负荷试验条件，则在机组带较大总负荷且维持不变的条件下进行试验，可以收到同样效果。

（2）因抽汽供热工况下汽机负荷会受到热负荷波动的明显影响，该试验最好在汽轮机纯凝工况下进行。

（3）鉴于大气条件对燃气轮机排烟温度以及汽轮机进汽参数的影响，该试验需要在大气条件稳定即空气温度、湿度基本维持不变的时段进行，大气条件稳定，则燃机进气温度和排烟温度不变，可确保余热锅炉产出蒸汽的参数及汽轮机进汽参数的稳定。

（4）鉴于该试验在机组满负荷或较大负荷纯凝工况下进行，对循环冷却水系统有着较高的散热要求，所以最好选择在气温较低、湿度较小利于散热的大气条件下进行，通过机力塔风机的启停和高、低速运行配置，可获得试验所需要的较大的真空变化范围。

（5）确保凝汽器管壁清洁换热性能良好，端差、过冷度、真空严密性等指标合格，抽真空设备工作正常，试验过程中确保燃气轮机、余热锅炉、汽轮机均能稳定运行，无影响机组性能和出力的异常情况。

（6）确保试验过程中各仪表仪器计量精确且工作正常，在试验过程中的每个稳定的真空条件下，均需对运行数据进行大量密集的采集，这对后续的数据处理以及减小误差十分必要。采集了某机组的运行数据，如表1所示。

表1 总负荷500MW纯凝工况下汽机负荷随凝汽器真空的变化过程

4.2 试验获得极限真空

极限真空是反映汽轮机出力的性能参数，汽轮机自进入发电厂并经过安装调试后，其出力往往会发生一些变化，所以，通过试验获得的极限真空值更有参考价值。

表1反映的是该燃气发电厂某日的夜间温度约3℃、湿度约40%的相对稳定的大气条件下，在全厂总负荷维持500MW不变，汽轮机在纯凝工况运行的情况下，经试验、采数和统计计算后得出的一组数据。不难发现，汽机负荷增加量随凝汽器真空的变化关系与图2中函数曲线ΔP汽＝f（V）基本吻合，极限真空度V0≈－97kPa，此时，汽机负荷相比机力塔风机全停、凝汽器真空－90.3kPa时的增加量为6.5MW，为此机力塔风机仅需消耗约1MW的厂用电功率。在实际运行中，该燃气发电厂机力塔风机的运行调整便以此为方向，无论大气条件如何、机组负荷多少，只需考虑通过调整机力塔风机高、低速运行配置使凝汽器真空接近－97kPa这个极限真空度即可，而无需额外浪费机力塔风机的功耗去追求无用甚至会降低机组整体经济性的更高真空度。如果遇上气温高、湿度大的天气条件，9台机力塔风机全部高速运行仍远低于极限真空，则维持9台风机高速运行即可；在寒冷冬季里，当汽机在抽汽供热工况下运行，即使9台机力塔风机全部停运，凝汽器也能达到甚至超过极限真空，此时，则可让风机停运。

4.3 优化运行方式的效果

该燃气热电厂在冬季大负荷供热期间，由于大部分蒸汽直接从汽轮机中压缸抽出供热而不进入凝汽器冷却，所以凝汽器较易达到高真空度。据统计，该电厂每年约有65天，不运行机力塔风机即可获得极限真空度。运行方式优化前，这段时间一般仍维持4～5台机力塔风机的低速运行；而运行方式优化后，这段时间机力塔风机将全部停运。据粗略计算，优化后，每年冬季供热期就能节省近40万度厂用电。随着电厂系统设备运行方式的优化及各项节能降耗办法的实施，该燃气发电厂的各项技术经济指标已明显提高。目前年均综合厂用电率为3.06%，比投产初期下降0.62%，以年均35亿度的全厂发电量代入公式（综合厂用电率＝综合厂用电量／全厂发电量）计算，则年均综合厂用电量比投产初期减少2170万度。