不同容量循環(huán)水泵配置的節(jié)能研究

張震偉，謝尉揚，王艦

(浙江浙能能源技術(shù)有限公司，杭州市，310052)

0 引言

火力發(fā)電廠循環(huán)冷卻水量取決于機組負(fù)荷、冷卻水進(jìn)水溫度和溫升，在一定水溫條件下，根據(jù)低壓缸排汽負(fù)荷變化及時提供合適的循環(huán)冷卻水量，保證合適的凝汽器真空，是火力發(fā)電廠循環(huán)水運行優(yōu)化的一項重要內(nèi)容。通過選擇不同容量的循環(huán)水泵，進(jìn)行合理配置，可以獲得比較靈活的運行方式，滿足不同季節(jié)機組變工況運行的需要，取得更好的節(jié)能效果。

1 循環(huán)水系統(tǒng)傳統(tǒng)節(jié)能調(diào)節(jié)方法

火力發(fā)電廠傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能調(diào)節(jié)方法主要有:管路節(jié)流調(diào)節(jié)、循環(huán)水泵動葉調(diào)節(jié)、單機增減循環(huán)水泵臺數(shù)和擴大單元制方式下增減循環(huán)水泵數(shù)量調(diào)節(jié)［1-2］。目前使用最多的是擴大單元制方式下增減循環(huán)水泵數(shù)量調(diào)節(jié)和循環(huán)水泵動葉調(diào)節(jié)。

擴大單元制運行方式就是利用2臺機組配置的多臺循環(huán)水泵擴大成母管制供水，可根據(jù)季節(jié)變化實現(xiàn)靈活的循環(huán)水泵組合運行方式，但循環(huán)水管路布置較為復(fù)雜，單機循環(huán)水系統(tǒng)的故障可能會擴大到同母管的機組上，安全風(fēng)險增大;同時，由于管路布置不對稱，會造成運行時機組間流量分配不均衡。由于擴大單元制方式節(jié)能效果明顯，目前國內(nèi)大多數(shù)機組的循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計采用擴大單元制布置方式，如浙能紹興濱海熱電廠(2×300 MW)，單機配置2×50%等容量循環(huán)水泵，其運行參數(shù)如表1所示［3］。

表1 濱海熱電廠循環(huán)水泵運行參數(shù)Tab.1 Operation parameters of CWP for Binhai cogeneration plant

循環(huán)水泵動葉調(diào)節(jié)采用特殊的調(diào)節(jié)機構(gòu)，在一定范圍內(nèi)調(diào)整葉片角度，達(dá)到調(diào)整循環(huán)水泵出力的目的。雖然有許多機組采用動葉調(diào)節(jié)方式，如浙能嘉興發(fā)電廠一期(2×300 MW)和二期(4×600 MW)，但由于葉片調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，實際運行中基本上也是按季節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法達(dá)到完全按冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的，同時其初投資也較大，這種調(diào)節(jié)方式在已投產(chǎn)機組中并不占主流。

2 交流電機變速調(diào)節(jié)方法

由于火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)普遍按等容量循環(huán)水泵配置方案進(jìn)行設(shè)計，限制了循環(huán)水泵組合的靈活性。所以，目前開展的循環(huán)水泵節(jié)能改造，通常是在維持現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計，保留現(xiàn)有水泵設(shè)備的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行變流量技術(shù)改造。較為通行的方法是采用交流電機調(diào)速技術(shù)，主要有雙速電機調(diào)節(jié)和高壓變頻調(diào)節(jié)2 種方法［2，4］。

雙速電機調(diào)速技術(shù)是通過改變定子繞組的極對數(shù)，改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速來進(jìn)行調(diào)速［5-6］。改造時可以不更換原有的電機，費用低、設(shè)備簡單、可靠性高，適合冬季和春秋季調(diào)節(jié)，切換操作簡便。缺點是有級調(diào)速級差較大，低速時循環(huán)水泵效率有所降低［7-8］。

高壓變頻技術(shù)在理論上可以獲得高效率、大范圍的無級調(diào)速，但要達(dá)到完全的無級調(diào)速，仍需克服許多困難。首先是轉(zhuǎn)速太低會對推力瓦潤滑造成危害，其次是循環(huán)水溫和凝汽器真空調(diào)節(jié)存在著較大慣性遲緩，其無級變速功能很難獲得令人滿意的效果。如何根據(jù)不同水溫、不同汽輪機負(fù)荷，自動調(diào)節(jié)循環(huán)水泵頻率，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的智能運行調(diào)度，還有待于進(jìn)一步探索。目前，只有少數(shù)電廠在技改時采用高壓變頻技術(shù)，如大唐七臺河電廠(2×350 MW)在2006年進(jìn)行了循環(huán)水泵電機高壓變頻改造。

3 不同容量循環(huán)水泵配置

水泵軸功率正比于水泵的揚程、流量，而反比于效率。為說明問題，循環(huán)水泵以單元制的2×50%(方案1)和20%+30%+50%(方案2)配置為例，對不同容量循環(huán)水泵配置的節(jié)能機理進(jìn)行分析。圖1為不同容量循環(huán)水泵運行特性曲線，曲線A為水泵特性曲線，曲線B為系統(tǒng)阻力特性曲線。

如圖1所示，設(shè)計工況下，額定流量時循環(huán)水泵工作點位置為點1，循泵揚程、流量分別為H1、Q1，軸功率大小可用點1、Q1、0、H1所封閉面積來表示。

圖1 不同容量循環(huán)水泵運行特性曲線Fig.1 characteristic curves of CWP with unequal capacity in parallel operation

當(dāng)系統(tǒng)需水量降為75%額定流量時，方案1仍需2泵并聯(lián)，運行工作點由點1節(jié)流至點2，軸功率大小可用點2、Q2、0、H3所封閉面積來表示;而方案2則在30%+50%并聯(lián)方式下運行，工作點由點1移至點3，軸功率大小可用點3、Q3、0、H2所封閉面積來表示。圖1陰影部分面積ΔP就是方案2較方案1獲得的節(jié)能效果。

以濱海熱電廠為例，假設(shè)按上述2個方案配置，當(dāng)系統(tǒng)需水量為75%額定流量時，分析不同容量循環(huán)水泵配置方式可獲得的節(jié)能效果，如圖2所示。

圖2中，2×50%配置方式下，2臺泵并聯(lián)經(jīng)管路節(jié)流后，水泵揚程為24.2 m，總功率為額定負(fù)荷功率的91%;50%+30%配置方式下，2臺泵并聯(lián)經(jīng)節(jié)流后，水泵揚程為20 m，水泵總功率為額定負(fù)荷功率的78%，節(jié)能顯著。

所以，不同容量循環(huán)水泵配置方案，就是在有限的循環(huán)水泵臺數(shù)下，通過運行方式的組合，盡可能滿足機組水量需求，從而減少由管路系統(tǒng)調(diào)整引起的壓頭裕量損失，保證水泵在最佳效率區(qū)運行，獲得較好的節(jié)能效果。如果在設(shè)計階段實施，還可以避免節(jié)能改造所增加的額外費用。

目前，國內(nèi)300、600 MW機組大多采用2×50%容量循環(huán)水泵母管制設(shè)計方案，僅能提供50%、75%、100%共3種有效供水模式。如果同樣考慮每臺機組配2臺循環(huán)水泵，在采用40%+60%不同容量循環(huán)水泵配置時，可以獲得 40%、50%、60%、70%、80%、100%共6種有效循環(huán)水量組合，節(jié)能效果也將顯著提高。

4 不同容量循環(huán)水泵配置在1 000 MW機組上的應(yīng)用

4.1 工程應(yīng)用

對于1 000 MW超超臨界燃煤機組，現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計普遍采用2×50%或3×33%容量母管制配置，如果采用20%+30%+50%容量循環(huán)水泵優(yōu)化配置，則可組合18種不同的運行方式，自10%至90%容量之間每級5%的梯度變化，基本能夠滿足機組在變工況運行時循環(huán)水系統(tǒng)全程調(diào)節(jié)的需要。

圖2 濱海熱電廠循環(huán)水泵運行特性曲線Fig.2 Characteristic curves of CWP in parallel operation in Binhai cogeneration plant

根據(jù)凝汽器內(nèi)傳熱的熱平衡方程可知，若機組負(fù)荷、真空維持不變，即排汽量、排汽溫度恒定，當(dāng)季節(jié)變化導(dǎo)致冷卻水溫上升，必須使冷卻水溫下降才能維持排汽溫度不變，也就是要增加循環(huán)冷卻水量。所以，根據(jù)機組設(shè)計背壓和凝汽器運行端差，由冷卻水溫升、流量和凝汽量之間的關(guān)系，就可以算出機組額定負(fù)荷下不同循環(huán)水溫對應(yīng)的流量變化。

2×1 000 MW機組，每臺采用3×33%容量循環(huán)水泵和20%+30%+50%容量循環(huán)水泵配置在額定負(fù)荷下循環(huán)水流量隨水溫變化曲線如圖3所示。

圖3 2×1 000 MW機組循環(huán)水流量曲線Fig.3 Circulating water flow curves for 2×1 000 MW units

比較顯示，20%+30%+50%容量配置方案能更好地滿足機組循環(huán)水量需求，2條曲線之間形成的A、B、C共3個區(qū)域(25.7～27.2℃，18.2～23.5℃，15.6℃以下部分)為可節(jié)能區(qū)域。3×33%方案的供水量大大超過20%+30%+50%方案的供水量，最大時可達(dá)到17 000 m3/h。這3個區(qū)域相對應(yīng)的時間工況為部分夏季時間、大部分春秋季時間和全部冬季時間，正是全年循環(huán)水泵節(jié)能調(diào)節(jié)運行最長的時段，這對于1 000 MW燃煤機組來說具有更加現(xiàn)實的節(jié)能意義。

4.2 節(jié)能效益分析

2×1 000 MW機組采用3×33%容量循環(huán)水泵母管制運行參數(shù)如表2所示。由于設(shè)計方案僅提供了3種運行方式，其余運行方式下的參數(shù)確定由流量內(nèi)插值近似計算獲得。

從表2可以看出，由于不同運行方式下循環(huán)水泵設(shè)計揚程差異較流量差異更大，所以合理選擇循環(huán)水泵配置方式，可以有效降低運行壓頭裕量，由此獲得的節(jié)能效果也將相當(dāng)顯著。

表2 2×1 000 MW機組3×33%容量循環(huán)水泵運行參數(shù)Tab.2 Operation parameters of 3 CWPs with 33%capacity in 2×1 000 MW units

該泵的揚程擬合方程式為

式中:H為揚程;Q為流量。

假設(shè)各循環(huán)水泵性能相似，如果不考慮管路系統(tǒng)的節(jié)流影響，則不同容量配置方案的節(jié)能效果比較如表3所示。本計算在循環(huán)水泵運行方式的匹配上，按照供水量大于需水量選取最接近供水模式，如夏季50%汽輪機熱耗保證(turbine heat acceptance，THA)工況，機組需水量約為設(shè)計總量的52%，3×33%設(shè)計方案最優(yōu)供水模式為單機兩泵66%容量，而20%+30%+50%配置方案則按55%容量(雙機2×30%+50%)進(jìn)行配置。20%+30%+50%配置方案各參數(shù)可由相同運行方式下的33%循泵參數(shù)確定。

表3 2×1 000 MW機組不同容量循環(huán)水泵配置節(jié)能效果比較Tab.3 Comparison of Energy saving effect for CWP with unequal capacity in 2×1 000 MW units

表3計算結(jié)果表明:變工況運行方式下，優(yōu)化配置方案在春秋季THA、冬季50%THA運行工況下單機循泵軸功率比設(shè)計方案略有增加，其余變工況運行都能比設(shè)計方案有更好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

(1)不同容量循環(huán)水泵配置可通過運行方式的組合，盡可能滿足機組不同的循環(huán)水量需求，從而減少由管路系統(tǒng)調(diào)整引起的水泵壓頭裕量損失，保證水泵在最佳效率區(qū)運行，減少輔機功耗。

(2)20%+30%+50%容量配置方案組合基本能夠滿足機組在變工況運行時循環(huán)水系統(tǒng)全程調(diào)節(jié)的需要。

(3)不同容量循環(huán)水泵配置可以有多種選擇方式，具體應(yīng)用中可以根據(jù)實際情況，綜合各種因素進(jìn)行合理選擇，以獲得最佳的節(jié)能效果。

(4)不同容量循環(huán)水泵配置可以改變現(xiàn)有火力發(fā)電廠在生產(chǎn)投運后開展循環(huán)水泵改造的被動局面，將循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能措施落實在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計和循環(huán)水泵選型階段，更加符合循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計的初衷。但不同容量循環(huán)水泵配置同時也會給電廠的運行、檢修和備件帶來一定的不便。

［1］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2001.

［2］DL/T 1111—2009火力發(fā)電廠廠用高壓電動機調(diào)速節(jié)能導(dǎo)則［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］張震偉，王艦.浙江浙能紹興濱海熱電廠閉式冷卻系統(tǒng)循環(huán)水泵節(jié)能研究［R］.杭州:浙能技術(shù)中心，2010.

［4］宮少全，王繼英，王慶斌，等.七臺河電廠循環(huán)水泵變頻技術(shù)改造［J］.黑龍江電力，2008，30(1):42-47.

［5］陳康強.循環(huán)水泵電機改造技術(shù)方案［R］.湘潭:湘電集團(tuán)有限公司，2010.

［6］盛煥程，劉文.循環(huán)水泵采用雙速電機可行性探討［J］.江蘇電機工程，2003，22(5):42-44.

［7］徐海新，張林，王興平，等.600 MW機組循環(huán)水和真空系統(tǒng)運行優(yōu)化［J］.發(fā)電設(shè)備，2009(3):191-193.

［8］楊少華，楊莉.吉瓦級超超臨界壓力發(fā)電機組應(yīng)用變頻技術(shù)的技術(shù)與經(jīng)濟分析［J］.廣東電力，2007，20(1):23-26.