基于循环水泵变频的1 000 MW超超临界机组冷端综合优化

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23024

基于循环水泵变频的1 000 MW超超临界机组冷端综合优化

张东青¹, 金铁铮¹, 张磊²

1.国能经济技术研究院有限责任公司，北京市昌平区 102211

2.国家能源集团新能源技术;研究院有限公司，北京市昌平区 102209

Comprehensive Optimization of the Cold End of 1 000 MW Ultra-Supercritical Unit Based on Pump Frequency Conversion

ZHANG Dongqing¹, JIN Tiezheng¹, ZHANG Lei²

1.CHN ENERGY Economic and Technological Research Institute Co. , Ltd. , Changping District, Beijing 102211, China

2.CHN Energy New Energy Technology Research Institute Co. , Ltd. , Changping District, Beijing 102209, China

收稿日期: 2023-03-02 修回日期: 2023-07-23

基金资助:

国家重点研发计划项目. 2017YFB0603904

Received: 2023-03-02 Revised: 2023-07-23

作者简介 About authors

张东青(1989)，女，博士，工程师，研究方向为系统节能及能源经济发展战略研究，16810121@ceic.com；

金铁铮(1986)，男，博士，高级工程师，研究方向为热力系统节能；

张磊(1982)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为清洁高效发电技术。

摘要

目的在碳达峰、碳中和背景下，火电机组节能提效是电力行业低碳转型的关键，通过冷端优化提高机组的运行经济性是行之有效的方法之一，因此，对冷端系统进行宽负荷优化非常必要。方法以宁海电厂1 000 MW机组的冷端系统为研究对象，建立了湿式自然通风冷却塔的计算模型，开发了对应的软件模块，可根据环境温度、湿度和大气压力数据，实现冷却塔-循环泵组-凝汽器-汽轮机组的耦合计算。以实际环境参数和运行负荷为变量，开展了冷却塔运行曲线、循环水泵泵组工频与变频运行对比、机组冷端综合优化等研究。结果循环水泵变频的最大节能率接近50%；当环境温度约低于31 ℃时，可以通过调整循环水流量降低煤耗率；环境温度越低，煤耗率收益越大，平均煤耗率可降低2.0 g/(kW⋅h)以上，但不同工况的煤耗收益差异非常大。结论研究结果可为机组冷端优化节能提供参考。

关键词： 碳达峰 ; 碳中和 ; 超超临界 ; 循环水泵 ; 变频 ; 冷端优化 ; 冷却塔 ; 凝汽器

Abstract

Objectives In the context of carbon peaking and carbon neutrality, the energy saving and efficiency improvement of thermal power units is the key to the low-carbon transformation of the power industry. Moreover, the implementation of cold end optimization to improve the operating economy of the unit is one of the effective methods, Therefore, it is necessary to optimize the cold end system with wide load. Methods This paper took the cold end system of the 1000 MW unit of Ninghai power plant as the research object, the calculation model of the wet natural ventilation cooling tower was established, and the corresponding software module was developed, which can realize the coupling calculation of the cooling tower-circulating pump group-condenser-steam turbine unit according to the ambient temperature, humidity and atmospheric pressure data. Taking the actual environmental parameters and operating load as variables, the operation curve of the cooling tower, the comparison between the constant frequency and the frequency conversion operation of the circulating water pump group, and the comprehensive optimization of the cold end of the unit were carried out. Results The maximum energy saving rate of pump frequency conversion is close to 50%. When the ambient temperature is about 31 ℃, the coal consumption rate can be reduced by adjusting the circulating water flow. The lower the ambient temperature is, the greater the coal consumption rate benefit is, the average coal consumption rate can be reduced by more than 2.0 g/(kW⋅h). However, the coal consumption income of different working conditions varies greatly. Conclusions The research results can provide reference for optimizing energy conservation at the cold end of the unit.

Keywords： carbon peaking ; carbon neutrality ; ultra supercritical ; circulating water pump ; frequency conversion ; cold end optimization ; cooling tower ; condenser

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本文引用格式

张东青, 金铁铮, 张磊. 基于循环水泵变频的1 000 MW超超临界机组冷端综合优化. 发电技术[J], 2024, 45(6): 1095-1104 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23024

ZHANG Dongqing, JIN Tiezheng, ZHANG Lei. Comprehensive Optimization of the Cold End of 1 000 MW Ultra-Supercritical Unit Based on Pump Frequency Conversion. Power Generation Technology[J], 2024, 45(6): 1095-1104 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23024

0 引言

随着“双碳”目标的提出，我国化石能源发电装机占比不断下降。截至2021年年底，全国全口径火电装机容量13.0亿 kW，其中，煤电11.1亿kW，占总发电装机容量的46.7%，非化石能源总装机达11.2亿kW，首次超过煤电^[1]。非化石能源发电在未来将成为电力系统的主体，煤电将面临清洁低碳化、深调灵活化等技术的挑战，将为电力系统发挥电力平衡和调节作用^[2-6]。随着我国用电峰谷差的增大以及电力产能的相对过剩，1 000 MW等级超超临界燃煤发电机组也必须参与调峰或深度调峰^[7-8]。在较低负荷工况下，冷端系统运行偏离设计点，长期的低负荷运行严重影响机组的经济性^[9]，因此，对冷端系统进行宽负荷优化非常必要。

汽轮机冷端优化包括汽轮机冷端设备优化热力设计和运行方式的优化^[10-15]。循环水泵耗电量占发电机组厂用电15%~20%，占比较大，降低循环水泵耗电率非常重要。尤其是机组变工况运行，凝汽器循环水流量采用凝汽器循环水出口门调节，必然存在节流损失，调节手段相对较难，调节不方便，并且不能随着机组负荷和环境温度精确化调整。循环水泵运行效率一般比设计值低8%~10%，这导致厂用电率升高。机组虽然可以采取运行优化技术措施，例如，3台循环水泵改为2台循环水泵运行，甚至改为单台循环水泵等^[16-17]，但是具有调节手段粗放、调节不灵活等弊病。循环水泵高低速改造可以增加有限个离散的流量状态，无法实现循环水流量的连续调节。因此，实施循环水泵变频节能改造是机组冷端优化节能提效的有效方法之一^[18-24]。

本文在课题组自主研发的电厂热力系统分析软件平台的基础上^[25-27]，建立冷端系统高精度数学计算模型以及变工况分析模型，耦合分析凝汽器与冷却塔、汽轮机低压缸三者的热力学影响。以宁海电厂2×1 000 MW超超临界机组的设计参数、实际运行状况为数据基础，分析论证各种冷端改进优化措施的可行性，并结合排汽流量随机组负荷的变化规律，提出低负荷工况的最优控制背压。

1 冷端系统参数

宁海电厂1 000 MW机组为超超临界、一次中间再热、四缸、四排汽、单轴、双背压凝汽式汽轮机。在设计气象条件及主机热耗率验收 (turbine heat acceptance，THA)工况下，汽轮机平均背压为6.2 kPa，在10%气象条件及主机额定负荷(turbine rating load，TRL)工况下，汽轮机平均背压为11.8 kPa。

循环冷却水采用海水二次循环，采用扩大单元制供水系统，每台机组配一座13 000 m²的海水冷却塔，海水经净化站处理后送至冷却塔。经净化处理后，海水原水悬浮物含量降低到20 mg/L以下，循环水系统浓缩倍率为2。海水冷却塔为逆流式自然通风冷却塔，塔壳体为双曲线型，壳体底部采用人字柱支撑，采用改性聚氯乙烯(PVC)材料的S波型淋水填料，硬聚氯乙烯(UPVC)管式配水。每台机组配2台循环水泵，夏季采用一机两泵方式运行，每台泵的保证点为：流量 $Q = 13.802$ m³/s，扬程 $H =$ 32 m。冬季采用一机一泵方式运行，每台泵的保证点为： $Q =$ 16.6 m³/s， $H =$ 24.5 m。双泵并联运行时效率为88%，单泵运行时效率为85%，关闭点扬程为0.49 MPa，泵转速为330 r/min。配套电机额定功率为5 800 kW。

2 凝汽器计算模型

基于赫兹的凝汽器热力计算方法和工程实践，建立凝汽器热力设计和变工况计算模型，并采用修正系数对凝汽器实际运行参数进行修正，具体计算流程如图1所示。模型可结合课题组自主研发的电厂热力系统分析软件平台其他模块，模拟不同低压缸排汽、小机排汽、补水、循环水参数条件下的凝汽器变工况性能。

图1

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图1 凝汽器变工况计算流程图

Fig. 1 Flow chart of condenser variable working condition calculation

3 冷却塔计算模型

依据湿式自然通风冷却塔模型建立冷却塔计算模型。湿式自然通风冷却塔将凝汽器流出的高温冷却水通过与空气的直接接触进行冷却，从而使凝汽器保持足够的真空。作为将乏汽废热排放至大气的关键一环，冷却塔在不同天气、不同工况下的冷却性能对机组做功能力和循环效率起到非常重要的作用，因此在机组变工况计算时，高精度的冷却塔计算模型十分必要，直接关系到机组热经济性计算的正确与否。同时，在采取循环水泵变频方案、确定合适的冷端优化策略时，循环水量的选择也直接依赖精确的冷却塔计算模型。

3.1 抽力阻力平衡

冷却塔内空气抽力和阻力计算方法如下：

Z = (ρ_{1} - ρ_{2}) g L_{0} = (ρ_{1} - ρ_{2}) g (l_{2} + 0.5 l_{1})

(1)

C = ξ (ρ_{1} + ρ_{2}) v_{m}^{2} / 4

(2)

式中：Z和C分别为抽力和阻力； $ρ_{1}$ 和 $ρ_{2}$ 分别为冷却塔进口和配水系统上部的空气密度； $L_{0}$ 为冷却塔高度；g为重力加速度； $l_{1}$ 和 $l_{2}$ 分别为淋水填料平均计算高度和淋水填料顶部至塔顶的高度； $ξ$ 为总阻力系数； $v_{m}$ 为填料断面风速。

总阻力系数公式为

ξ = ξ_{a} + ξ_{b} + ξ_{e}

(3)

式中 $ξ_{a}$ 、 $ξ_{b}$ 、 $ξ_{e}$ 分别为从塔的进风口至塔喉部的阻力系数、雨区淋水阻力系数、塔筒出口阻力系数。

从塔的进风口至塔喉部的阻力系数计算式为

ξ_{a} = (1 - 3.47 ε + 3.65 ε^{2}) (85 + 2.51 ξ_{f} - 0.206 ξ_{f}^{2} +

0.009 62 ξ_{f}^{3})

(4)

式中： $ε$ 是塔进风口面积(按进风口上缘直径计算的进风口环向面积D₁H₁，D₁为进风口上缘直径，H₁为进风口高度)与进风口上缘截面积之比，一般情况下满足0.35<ε<0.45； $ξ_{f} = ξ_{f 1} + ξ_{f 2}$ ， $ξ_{f 1}$ 是填料阻力系数， $ξ_{f 2}$ 是除水器、配水槽与配水管的阻力系数，一般情况下， $10 \leq ξ_{f} \leq 23$ ，其中淋水时填料阻力系数为

ξ_{f 1} = 2 A v_{m}^{M - 2} g

(5)

式中A、M为填料类型参数，其计算式分别为

A = A_{x} q^{2} + A_{y} q + A_{z}

(6)

M = M_{x} q^{2} + M_{y} q + M_{z}

(7)

式中：q为淋水密度； $A_{x}$ 、 $A_{y}$ 、 $A_{z}$ 、 $M_{x}$ 、 $M_{y}$ 、 $M_{z}$ 均为由填料类型确定的系数。除水器、配水槽与配水管的阻力系数 $ξ_{f 2}$ 作为总阻力修正系数，正常取值范围为2.0~6.0，默认值取3.6。

雨区淋水阻力系数计算式为

ξ_{b} = 6.72 + 0.654 D + 3.5 q + 1.43 v_{m} -

60.61 ε - 0.36 v_{m} D

(8)

式中D为淋水填料截面直径。

塔筒出口阻力系数计算式为

ξ_{e} = {(\frac{F_{m}}{F_{e}})}^{2} = {(\frac{D}{D_{2}})}^{4}

(9)

式中： $F_{m}$ 为填料区面积； $F_{e}$ 为塔筒出口面积； $D_{2}$ 为塔筒出口直径。

由Z=H可得

v_{m} = \sqrt[]{\frac{4 g L_{0} (ρ_{1} - ρ_{2})}{ξ (ρ_{1} + ρ_{2})}}

(10)

根据出塔空气的温度压力焓值求解出塔空气密度 $ρ_{2}$ 时，需已知出塔空气温度，出塔空气温度计算式为

t_{2} = t_{1} + (t_{m} - t_{1}) \frac{h_{2} - h_{1}}{h_{m}^{''} - h_{1}}

(11)

式中：t₁为入塔空气干球温度；t₂为出塔空气干球温度；t_m为出入塔水温的算术平均值；h₁、h₂分别为进出塔空气的比焓； $h_{m}^{''}$ 为空气温度为平均水温时饱和空气的比焓。

3.2 传热传质模型

传热传质模型采用焓差法计算，即用焓把传热传质统一起来，冷却塔内水、空气之间总的热交换强度与水表面层的饱和湿空气、进入到冷却塔的湿空气之间的焓差成正比，利用这一关系建立微分方程，作为冷却塔内蒸发冷却的基本方程。

该模型通过一系列计算将冷却塔的冷却能力Ω和冷却任务大小N求出，通过迭代计算，使得在给定参数下N=Ω，从而使得计算结果满足传热传质模型。Ω被称为冷却塔特性数，反映冷却塔在一定的淋水填料及塔型下所具有的冷却能力，与淋水填料的特性、构造几何尺寸、冷却水量等有关。Ω越大，表示冷却塔的冷却能力越大。

冷却塔特性数计算式为

Ω = A λ^{m}

(12)

式中：m由不同的填料类型所确定； $λ$ 为空气与水的质量流量比，表示为

λ = \frac{3 600 π D^{2} ρ_{1} ν_{m}}{4 Q}

(13)

冷却任务大小N主要与当地气象环境条件有关，被称为冷却数N。以水面饱和空气层的焓和湿空气的焓差作为水面向空气中散热的推动力分析，将得到的微分方程采用辛普逊积分公式近似计算，可得：

N = \frac{C_{w} Δ t}{6} (\frac{1}{h_{2}^{''} - h_{1}} + \frac{4}{h_{m}^{''} - h_{m}} + \frac{1}{h_{1}^{''} - h_{2}})

(14)

式中： $C_{w}$ 是水的比热； $Δ t$ 是水温差； $h_{2}^{''}$ 是空气温度为出塔水温时饱和空气的比焓； $h_{1}^{''}$ 是空气温度为进塔水温时饱和空气的比焓； $h_{m}$ 是平均状态空气的比焓。其中， $h_{1}^{''}$ 、 $h_{m}^{''}$ 、 $h_{2}^{''}$ 和 $h_{1}$ 可由对应压力、温度和相对湿度通过状态参数程序得到， $h_{2}$ 和 $h_{m}$ 表达式分别为

h_{2} = h_{1} + \frac{C_{w} Δ t}{K λ}

(15)

h_{m} = (h_{1} + h_{2}) / 2

(16)

式中散质系数K表示为

K = 1 - \frac{C_{w} t_{2}}{r_{m}}

(17)

式中 $r_{m}$ 是塔内平均汽化潜热，计算中采用出塔水温 $t_{2}$ 时的汽化潜热。

当水温差 $Δ t$ <15 ℃时，可认为

A λ^{m} = \frac{C_{w} Δ t}{6} (\frac{1}{h_{2}^{''} - h_{1}} + \frac{4}{h_{m}^{''} - h_{m}} + \frac{1}{h_{1}^{''} - h_{2}})

(18)

通过式(18)可以得到 $Δ t$ 与λ的对应关系。

3.3 计算流程

研究团队基于自然通风冷却塔的计算模型，编写了冷却塔计算程序。程序中冷却塔模型与凝汽器模型通过迭代计算确定最终的凝汽器压力、排汽焓、排汽流量等参数。对应的程序算法流程如图2所示。

图2

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图2 冷却塔出口水温计算流程

Fig. 2 Calculation process of cooling tower outlet water temperature

通过输入当地环境参数、冷却塔的几何参数和参考额定的循环水流量，选择对应的填料类型，建立不同天气和工况下的冷却塔模型。程序能够基于参考循环水流量作出循环水流量-入塔水温-出塔水温的工况图。

4 机组冷端综合优化

根据上述机组热力系统和冷端参数，结合建立的计算模型，利用课题组自主研发的包括湿式自然通风冷却塔在内的电厂热力系统模块化集成优化软件，对机组汽轮机、锅炉、回热系统、双背压凝汽器、冷却塔、循环水泵组等热力系统组件进行建模分析。

4.1 冷却塔运行曲线计算

使用冷却塔计算程序，根据宁海全年的气候变化，每隔15天模拟一组冷却塔循环水量-入口水温-出口水温性能曲线，共模拟24组。其中温度、大气压力、相对湿度取15天内的平均数据。将模拟的冷却塔冷却性能曲线数据与凝汽器循环水泵等冷端设备进行迭代，可以计算出对应气温下实际运行的工况点。同时，根据宁海全年的气候变化情况，分别模拟环境干球温度为5~30 ℃，共6组典型天气情况，大气压力设为全年平均气压100.3 kPa，相对湿度设为全年平均相对湿度60%。

根据不同温度下冷却塔的冷却性能曲线可知，冷却塔出塔水温整体随着进塔水温的升高而升高，随着循环水量的增大而升高。将20 ℃环境温度下的冷却性能曲线数据可整理成表1、2，其中：表1是固定循环水量为27 600 kg/s下，出塔水温随入塔水温的变化趋势；表2是固定入塔水温为30 ℃，出塔水温随循环水量的变化趋势。

表1 循环水量为27 600 kg/s时的冷却塔性能数据 (℃)

Tab. 1 Cooling tower performance data with circulating water flow fixed at 27 600 kg/s

入塔水温	出塔水温
26.0	22.05
26.5	22.25
27.0	22.44
27.5	22.62
28.0	22.80
28.5	22.97
29.0	23.14
29.5	23.31
30.0	23.47
30.5	23.62
31.0	23.77
31.5	23.91
32.0	24.05
32.5	24.18
33.0	24.31
33.5	24.44
34.0	24.55
34.5	24.67
35.0	24.77

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表2 入塔水温为30 ℃时的冷却塔性能数据

Tab. 2 Cooling tower performance data with water temperature entering the tower fixed at 30 ℃

循环水量/(t/h)	出塔水温/℃
18 600	21.86
19 600	22.07
20 600	22.26
21 600	22.46
22 600	22.64
23 600	22.82
24 600	22.99
25 600	23.16
26 600	23.32
27 600	23.47

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从表1可以看到，循环水量一定时，出塔水温随入塔水温呈非线性变化。其原因是：入塔水温增大会引起塔内热交换量的增大，使得塔内外密度差变大，塔内空气流速增大，导致冷却塔有更大的气水比，空气量的相对变大使得出塔水温下降更多。同理，入塔水温一定时，循环水量增加也会引起气水比的增加，最终导致出塔水温随循环水量呈非线性变化。

通过改变气压和相对湿度等参数可以发现，由于大气压力的相对变化不大，对冷却塔出口水温变化影响很小。相对湿度的改变对出口水温变化影响非常剧烈，当大气温度不变，相对湿度变大时，出口水温升高，冷却塔的冷却性能降低，但由于大气湿度的增大和大气温度的降低往往是同时发生的，故冷却塔的冷却性能变化并不剧烈。

4.2 变频及运行优化对循环水泵耗功的影响

根据水泵的工作性能曲线，其轴功率与转速的三次方近似成正比。为了进一步降低厂用电率，机组可考虑进行循环水泵变频改造，除了节约厂用电外，还可以实现循环水量的连续调节，为凝汽器最佳背压运行提供了条件。通过对不同工况及不同运行方式的泵组耗功进行计算，得到2机2泵、2机3泵和2机4泵运行时循环水泵变频和运行方式对循环水泵耗功的影响，计算结果详见表3—5。

需要说明的是，表中的循环水流量与耗功量均指单台汽轮机组对应的参数。另外，对于全定频泵，假定可采用节流阀来满足循环水流量的要求，实际机组中目前还没有采用节流方式运行。可以看出，循环水流量越小，变频的节能效果越明显，最大节能率接近40%。特别是对2机4泵工况，耗电量最多降低约3.8 MW，具有显著的节能效果。与定频循环水泵和变频循环水泵混合运行相比，全变频循环水泵的高效运行工况范围更宽，灵活性更高，但节电量与前者差异较小，在2机4泵运行时耗电量最多降低约1.1 MW。

表3 2机2泵运行时循环水泵变频和运行方式对耗功的影响

Tab. 3 Influence of frequency conversion and operation mode on water pump power consumption when 2 units and 2 pumps are running

循环水流量/(t/h)	2机2定频泵	2机1变频泵 1定频泵		2机2变频泵
循环水流量/(t/h)	功耗/kW	功耗/kW	变频比	功耗/kW	变频比
42 000	—	—	—	2 640	0.800
44 000	—	—	—	2 810	0.815
46 000	—	—	—	2 992	0.833
48 000	4 988	3 256	0.758	3 183	0.851
50 000	5 005	3 404	0.782	3 385	0.870
52 000	5 017	3 575	0.809	3 598	0.890
54 000	5 023	3 769	0.839	3 821	0.909
56 000	5 009	3 895	0.871	4 053	0.930
58 000	4 966	4 218	0.906	4 293	0.950
60 000	4 903	4 463	0.942	4 541	0.970
62 000	4 828	4 722	0.979	4 798	0.989
64 000	4 862	4 998	1.000	5 068	1.000

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表4 2机3泵运行时循环水泵变频和运行方式对耗功的影响

Tab. 4 Influence of frequency conversion and operation mode on water pump power consumption when 2 units and 3 pumps are running

循环水流量/(t/h)	2机3定频泵	2机1变频泵2定频泵		2机2变频泵1定频泵		2机3变频泵
循环水流量/(t/h)	功耗/kW	功耗/kW	变频比	功耗/kW	变频比	功耗/kW	变频比
56 000	—	—	—	—	—	3 936	0.800
58 000	—	—	—	—	—	4 121	0.811
60 000	—	—	—	—	—	4 314	0.823
62 000	—	—	—	—	—	4 519	0.835
64 000	—	—	—	4 954	0.800	4 737	0.848
66 000	7 434	5 760	0.736	5 121	0.812	4 963	0.861
68 000	7 449	5 867	0.763	5 302	0.828	5 198	0.874
70 000	7 466	5 992	0.788	5 498	0.845	5 442	0.888
72 000	7 483	6 124	0.805	5 718	0.863	5 705	0.902
74 000	7 502	6 259	0.817	5 956	0.881	5 979	0.916
76 000	7 514	6 410	0.834	6 207	0.90	6 260	0.930
78 000	7 525	6 597	0.861	6 477	0.920	6 556	0.944
80 000	7 532	6 820	0.893	6 763	0.941	6 860	0.959
82 000	7 538	7 083	0.930	7 066	0.962	7 174	0.974
84 000	7 513	7 392	0.971	7 391	0.985	7 507	0.990
86 000	7 475	7 736	1.000	7 733	1.000	7 851	1.000

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表5 2机4泵运行时循环水泵变频和运行方式对耗功的影响

Tab. 5 Influence of frequency conversion and operation mode on water pump power consumption when 2 units and 4 pumps are running

循环水流量/(t/h)	2机4定频泵	2机2变频泵2定频泵		2机4变频泵
循环水流量/(t/h)	功耗/kW	功耗/kW	变频比	功耗/kW	变频比
66 000	—	—	—	5 301	0.805
68 000	—	—	—	5 501	0.814
70 000	9 552	6 813	0.754	5 708	0.824
72 000	9 611	6 958	0.771	5 934	0.834
74 000	9 670	7 117	0.788	6 170	0.845
76 000	9 723	7 279	0.803	6 411	0.856
78 000	9 773	7 447	0.818	6 665	0.866
80 000	9 804	7 615	0.831	6 927	0.877
82 000	9 836	7 781	0.842	7 198	0.888
84 000	9 865	7 960	0.853	7 488	0.900
86 000	9 897	8 145	0.863	7 788	0.911
88 000	9 911	8 339	0.874	8 092	0.923
90 000	9 928	8 557	0.888	9 412	0.934
92 000	9 942	8 796	0.905	8 745	0.946
94 000	9 959	9 062	0.924	9 092	0.958
96 000	9 977	9 361	0.946	9 454	0.971
98 000	10 000	9 688	0.968	9 823	0.983
100 000	10 009	10 049	0.992	10 205	0.996

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4.3 冷端综合优化收益分析

基于按日期模拟的24组不同环境参数条件下的冷却塔循环水量-入口水温-出口水温性能曲线，结合宁海超超临界1 000 MW机组的其他冷端数据，包括凝汽器冷却水流量、循环水泵组功耗、汽轮机出力和排汽压力的关系，并考虑机组的极限循环水量和凝汽器变工况特性，以供电煤耗为目标函数进行冷端综合优化分析，计算结果详见表6—8。

表6 宁海1 000 MW机组最佳运行背压和循环水量

Tab. 6 Optimal operating back pressure and circulating water flow of Ninghai 1 000 MW unit

日期	环境温度/℃	环境湿度/%	100%负荷		75%负荷		50%负荷
日期	环境温度/℃	环境湿度/%	最佳背压/kPa	循环水量/(t/h)	最佳背压/kPa	循环水量/(t/h)	最佳背压/kPa	循环水量/(t/h)
01.01—01.15	7.8	55.5	4.7/8.3	36 000	3.5/5.4	36 000	2.7/3.9	35 000
01.16—01.31	7.0	67.5	4.5/7.8	38 000	3.5/5.5	38 000	2.6/3.7	37 000
02.01—02.14	5.5	49.3	4.2/7.4	38 000	3.4/5.6	34 000	2.5/3.7	33 000
02.15—02.28	9.8	68.6	4.7/7.8	42 000	3.7/5.6	42 000	2.8/3.9	42 000
03.01—03.15	14.5	59.3	4.8/7.5	50 000	4.0/5.7	50 000	3.2/4.1	50 000
03.16—03.31	14.9	62.6	4.8/7.4	55 000	4.0/5.5	55 000	3.2/4.1	53 000
04.01—04.15	19.2	56.0	5.2/7.4	65 000	4.4/5.9	62 000	3.6/4.5	60 000
04.16—04.30	21.4	54.2	5.4/7.4	73 000	4.6/5.9	70 000	3.9/4.7	68 000
05.01—05.15	24.3	56.9	5.9/7.8	83 000	5.1/6.4	80 000	4.3/5.1	78 000
05.16—05.31	25.4	66.6	6.3/8.2	90 000	5.4/6.7	88 000	4.7/5.5	87 000
06.01—06.15	25.1	62.2	6.0/7.7	93 000	5.2/6.4	92 000	4.5/5.2	92 000
06.16—06.30	28.7	63.1	6.9/8.8	94 000	6.0/7.3	93 000	5.3/6.1	93 000
07.01—07.15	30.9	60.5	7.3/9.2	97 000	6.4/7.7	97 000	5.6/6.4	97 000
07.16—07.31	31.4	59.4	7.4/9.2	100 000	6.5/7.8	100 000	5.7/6.5	100 000
08.01—08.15	31.4	60.1	7.4/9.3	100 000	6.5/7.8	100 000	5.7/6.5	100 000
08.16—08.31	30.9	59.5	9.0/7.2	100 000	6.4/7.6	100 000	5.6/6.4	100 000
09.01—09.15	28.2	61.5	6.7/8.6	95 000	5.9/7.1	95 000	5.1/5.9	95 000
09.16—09.30	26.5	61.9	6.4/8.2	92 000	5.5/6.7	92 000	4.8/5.5	91 000
10.01—10.15	21.1	54.5	5.2/7.0	83 000	4.5/5.6	83 000	3.8/4.5	81 000
10.16—10.31	19.1	58.0	5.1/6.9	70 000	4.3/5.6	70 000	3.6/4.3	69 000
11.01—11.15	17.0	69.9	5.1/7.4	63 000	4.3/5.8	60 000	3.5/4.4	58 000
11.16—11.30	14.4	71.1	5.0/7.6	53 000	4.0/5.7	53 000	3.3/4.2	51 000
12.01—12.15	11.4	70.3	4.6/7.2	50 000	3.8/5.7	45 000	3.0/4.0	45 000
12.16—12.31	10.3	62.0	4.6/7.4	45 000	3.7/5.5	43 000	2.8/3.8	43 000

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表7 宁海1 000 MW机组循环水泵工频运行与变频优化煤耗率对比

Tab. 7 Comparison of coal consumption rate of Ninghai 1 000 MW unit with constant frequency operation and frequency conversion optimization of circulating water pump

日期	环境温度/℃	环境湿度/%	煤耗率/[g/(kW∙h)]
			100%负荷		75%负荷		50%负荷
			变频优化	工频运行	变频优化	工频运行	变频优化	工频运行
01.01—01.15	7.8	55.5	294.2	301.2^*	289.0	298.3^*	295.9	303.4^*
01.16—01.31	7.0	67.5	293.9	301.5^*	289.0	298.5^*	295.9	303.4^*
02.01—02.14	5.5	49.3	294.5	308.5^*	289.7	308.5^*	296.1	311.4^*
02.15—02.28	9.8	68.6	293.7	296.9	288.8	292.8	296.0	298.6
03.01—03.15	14.5	59.3	293.4	293.8	288.9	292.2	297.0	299.1
03.16—03.31	14.9	62.6	293.4	296.2	289.0	291.6	297.3	299.0
04.01—04.15	19.2	56.0	293.5	294.1	289.7	290.2	299.5	300.1
04.16—04.30	21.4	54.2	293.8	293.9	290.4	290.5	301.2	301.5
05.01—05.15	24.3	56.9	294.8	295.0	292.0	292.5	304.4	305.6
05.16—05.31	25.4	66.6	295.7	295.8	293.6	293.9	307.1	307.9
06.01—06.15	25.1	62.2	295.3	295.4	293.1	293.3	306.5	307.0
06.16—06.30	28.7	63.1	297.6	297.5	296.2	296.2	311.0	311.4
07.01—07.15	30.9	60.5	298.9	298.8	298.0	298.0	313.5	313.6
07.16—07.31	31.4	59.4	299.1	299.0	298.4	298.3	314.2	314.1
08.01—08.15	31.4	60.1	299.2	299.2	298.5	298.4	314.3	314.2
08.16—08.31	30.9	59.5	298.7	298.6	297.9	297.8	313.5	313.4
09.01—09.15	28.2	61.5	297.1	297.2	295.5	295.4	310.0	309.6
09.16—09.30	26.5	61.9	296.0	296.1	294.0	294.0	307.9	307.5
10.01—10.15	21.1	54.5	293.9	293.9	290.4	290.5	301.2	301.3
10.16—10.31	19.1	58.0	293.6	294.1	289.7	290.2	299.7	300.1
11.01—11.15	17.0	69.9	293.5	294.4	289.5	290.3	298.9	299.6
11.16—11.30	14.4	71.1	293.4	296.0	289.0	291.5	297.5	299.0
12.01—12.15	11.4	70.3	293.5	300.8^*	288.8	295.5^*	296.4	300.5^*
12.16—12.31	10.3	62.0	293.5	304.1^*	288.8	299.7^*	296.0	303.0^*

注：上标“*”表示排汽体积流量超过厂家提供的数据范围，通过曲线外插得到的结果。

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表8 宁海1 000 MW机组循环水泵变频及冷端优化节煤率

Tab. 8 Circulating water pump frequency conversion and cold end optimization coal saving rate of Ninghai 1 000 MW unit

日期	环境温度/℃	环境湿度/%	节煤率/[g/(kW∙h)]
日期	环境温度/℃	环境湿度/%	100%负荷	75%负荷	50%负荷
01.01—01.15	7.8	55.5	7.0	9.3	7.5
01.16—01.31	7.0	67.5	7.6	9.5	7.5
02.01—02.14	5.5	49.3	14.0	18.8	15.3
02.15—02.28	9.8	68.6	3.2	4.0	2.6
03.01—03.15	14.5	59.3	0.4	3.3	2.1
03.16—03.31	14.9	62.6	2.8	2.6	1.7
04.01—04.15	19.2	56.0	0.6	0.5	0.6
04.16—04.30	21.4	54.2	0.1	0.1	0.3
05.01—05.15	24.3	56.9	0.2	0.5	1.2
05.16—05.31	25.4	66.6	0.1	0.3	0.8
06.01—06.15	25.1	62.2	0.1	0.2	0.5
06.16—06.30	28.7	63.1	-0.1	0	0.4
07.01—07.15	30.9	60.5	-0.1	0	0.1
07.16—07.31	31.4	59.4	-0.1	-0.1	-0.1
08.01—08.15	31.4	60.1	0	-0.1	-0.1
08.16—08.31	30.9	59.5	-0.1	-0.1	-0.1
09.01—09.15	28.2	61.5	0.1	-0.1	-0.4
09.16—09.30	26.5	61.9	0.1	0	-0.4
10.01—10.15	21.1	54.5	0	0.1	0.1
10.16—10.31	19.1	58.0	0.5	0.5	0.4
11.01—11.15	17.0	69.9	0.9	0.8	0.7
11.16—11.30	14.4	71.1	2.6	2.5	1.5
12.01—12.15	11.4	70.3	7.3	6.7	4.1
12.16—12.31	10.3	62.0	10.6	10.9	7.0

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可以看到，当环境温度约低于31 ℃时，可以通过调整循环水流量降低煤耗率。环境温度越低，煤耗率收益越大，平均煤耗率可降低2.0 g/(kW⋅h)以上。另外，不同工况的煤耗收益差异非常大，其主要原因是：循环水泵工频运行时，若不改变运行方式，其流量是固定值；流量偏离最佳流量越远，循环水泵变频的收益就越大。7—9月份的循环水泵变频收益为负值，其主要原因有2点：1）7—9月份的最佳循环水量已超过循环水泵的极限值，不管是否变频都无法进一步提高流量，而变频循环水泵需增加变频器功耗；2）循环水泵的设计扬程都留有足够的裕量，高于循环水系统阻力，使得工频运行的循环水泵流量高于凝汽器设计值。而在变频循环水泵计算时，考虑泵的安全性，最大流量限定值低于工频循环水泵。需要说明的是，由于受汽轮机厂提供的低压缸排汽体积流量范围所限，环境温度8 ℃以下的工况煤耗率采用曲线外插法得到，可靠性较低。

5 结论

1）循环水流量越小，变频的节能效果越明显，2机4泵工况节能效果最显著。

2）全变频循泵的高效运行工况比定频循泵与变频循泵混合运行范围更宽，灵活性更高，但节电量与前者差异不大。

3）环境温度越低，煤耗率收益越大，不同工况的煤耗收益差异非常大。

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循环水泵双速改造并联运行经济性分析

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350 MW 机组中循环水泵电机高低速改造研究

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600 MW机组循环水泵变频改造后运行方式优化

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瞿伟明

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600 MW机组循环水泵高压变频调速系统的工程应用及效果分析

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循环水泵计算模型及节能分析

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朱艳梅，李士超．

循环水泵采用变频泵及双速泵的调节研究

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张磊，张俊杰，王顺森，等．

煤基分布式能源技术研究与经济性分析

[J]．节能技术，2021，39(5)：403-406．

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梁占伟，张磊，徐亚涛，等．

高背压供热机组供热温度特性与㶲分析

[J]．热力发电，2020，49(1)：17-25．

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Heating temperature characteristics and exergy analysis for high back pressure heating unit

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梁占伟，杨承刚，张磊，等．

基于单耗理论的抽汽耦合高背压供热优化

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Optimization of steam extraction combined high back pressure heating based on specific consumption theory

[J]．Electric Power，2019，52(12)：171-178．

[本文引用: 1]

中国能源大数据报告(2022)

2022

... 随着“双碳”目标的提出，我国化石能源发电装机占比不断下降.截至2021年年底，全国全口径火电装机容量13.0亿 kW，其中，煤电11.1亿kW，占总发电装机容量的46.7%，非化石能源总装机达11.2亿kW，首次超过煤电^[1].非化石能源发电在未来将成为电力系统的主体，煤电将面临清洁低碳化、深调灵活化等技术的挑战，将为电力系统发挥电力平衡和调节作用^[2-6].随着我国用电峰谷差的增大以及电力产能的相对过剩，1 000 MW等级超超临界燃煤发电机组也必须参与调峰或深度调峰^[7-8].在较低负荷工况下，冷端系统运行偏离设计点，长期的低负荷运行严重影响机组的经济性^[9]，因此，对冷端系统进行宽负荷优化非常必要. ...

China energy big data report (2022)

2022

“双碳”目标下煤电机组低碳、零碳和负碳化转型发展路径研究与实践

2022

Research and practice on development path of low-carbon， zero-carbon and negative carbon transformation of coal-fired power units under “double carbon” targets

2022

煤电在碳中和目标实现中的机遇与挑战

2022

Opportunities and challenges of coal power industry in the achievement of car-bon neutrality goal

2022

双碳目标下基于分解-集成的月度煤电需求预测研究

2022

Monthly coal power demand forecasting based on decomposition-integration under carbon peak & carbon neutrality goals

2022

不同新能源渗透率下燃煤机组行为策略分析

2022

Behavior strategy of coal-fired units under different new energy penetration rate

2022

碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究

2021

Low carbon transition pathway of power sector under carbon emission constraints

2021

含储热型热电联产机组的电力系统源荷联合优化调峰方法

2023

A source-load joint optimization peak regulation method of power system with heat storage combined heat and power units

2023

大规模新能源并网下火电机组深度调峰优化调度

2023

Optimal scheduling of deep peak regulation for thermal power units in power grid with large-scale new energy

2023

火电厂冷端系统评价指标及诊断方法的研究

2001

Study on thermo-economics diagnosis method and index evaluation system for the cold-end system in steam power unit

2001

300 MW机组循环水系统优化运行的研究

2002

... 汽轮机冷端优化包括汽轮机冷端设备优化热力设计和运行方式的优化^[10-15].循环水泵耗电量占发电机组厂用电15%~20%，占比较大，降低循环水泵耗电率非常重要.尤其是机组变工况运行，凝汽器循环水流量采用凝汽器循环水出口门调节，必然存在节流损失，调节手段相对较难，调节不方便，并且不能随着机组负荷和环境温度精确化调整.循环水泵运行效率一般比设计值低8%~10%，这导致厂用电率升高.机组虽然可以采取运行优化技术措施，例如，3台循环水泵改为2台循环水泵运行，甚至改为单台循环水泵等^[16-17]，但是具有调节手段粗放、调节不灵活等弊病.循环水泵高低速改造可以增加有限个离散的流量状态，无法实现循环水流量的连续调节.因此，实施循环水泵变频节能改造是机组冷端优化节能提效的有效方法之一^[18-24]. ...

Research on optimal operation of circulating water system of 300 MW unit

2002

汽轮机冷端优化的研究

2007

Optimization for steam turbine cold end system

2007

火电厂凝汽式汽轮机冷端运行优化研究

2010

Study on the running optimization for condensing steam turbine cold end in thermal power plant

2010

基于凝汽器压力估计算法的循环水泵最优运行

2010

The optimum running of circulating water pumps based on estimated condenser pressure

2010

国产超临界600 MW汽轮机冷端优化运行方式的确定

2015

Determination of cold-end optimization operation for domestic supercritical 600 MW steam turbine

2015

火电机组定速循环水泵的全工况运行优化

2011

Operation optimization of constant-speed circulating water pumps in a thermal power plant under full conditions

2011

火电厂单元制循环水系统离散优化模型及其应用

2004

A discrete optimized model for the monobloc configured circulating water system of a thermal power plant and its applications

2004

基于凝汽器负挖的电厂直流式冷端系统优化研究

2022

Optimization study of power plant direct flow cold-end subsystem based on negative digging

2022

循环水泵电动机双速改造

2008

Retrofitting electric motor of circulating water pump into a double-speed one

2008

循环水泵双速改造并联运行经济性分析

2009

Economical analysis of two-speed reformation and parallel operation of water circulating pumps

2009

350 MW 机组中循环水泵电机高低速改造研究

2016

Research on high-low speed transformation of middle circulation water pump motor in 350 MW unit

2016

600 MW机组循环水泵变频改造后运行方式优化

2012

Operation optimization of the circulating pump for a 600 MW power unit after its frequency conversion retrofit

2012

600 MW机组循环水泵高压变频调速系统的工程应用及效果分析

2012

Engineering application and effect analysis of high-pressure frequency conversion speed regulation system for circulating water pump of 600 MW unit

2012

循环水泵计算模型及节能分析

2018

Calculation model and energy saving analysis of circulating water pump

2018

循环水泵采用变频泵及双速泵的调节研究

2020

Study of circulating water pump with variable frequency pump and dual rate pump

2020

煤基分布式能源技术研究与经济性分析

2021

... 本文在课题组自主研发的电厂热力系统分析软件平台的基础上^[25-27]，建立冷端系统高精度数学计算模型以及变工况分析模型，耦合分析凝汽器与冷却塔、汽轮机低压缸三者的热力学影响.以宁海电厂2×1 000 MW超超临界机组的设计参数、实际运行状况为数据基础，分析论证各种冷端改进优化措施的可行性，并结合排汽流量随机组负荷的变化规律，提出低负荷工况的最优控制背压. ...

Coal-based distributed energy technology research and economic analysis

2021

高背压供热机组供热温度特性与?分析

2020

Heating temperature characteristics and exergy analysis for high back pressure heating unit

2020

基于单耗理论的抽汽耦合高背压供热优化

2019

Optimization of steam extraction combined high back pressure heating based on specific consumption theory

2019

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