變負荷下電站鍋爐并聯給水泵運行方式優選

胡思科，邢姣嬌，王麗萍

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.國網遼寧省電力有限責任公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

變負荷下電站鍋爐并聯給水泵運行方式優選

胡思科1，邢姣嬌1，王麗萍2

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.國網遼寧省電力有限責任公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

針對大中型電站常采用2臺水泵并聯組成鍋爐給水系統的特點，在管路特性不變的情況下，在以單臺泵所能提供的最大流量為分界點的兩側流量變化范圍內，介紹了“雙泵恒速”、“雙泵同步調速”、“雙泵非同步調速”、“單泵調速”、“單泵恒速”幾種運行方案;利用最小二乘法和水泵相似原理分別得出系統中水泵、電機、調速器在不同流量下的特性方程及相關轉速、效率、能耗的計算公式;通過解析方法對各種運行方案進行經濟性分析與評價，并給出在不同變流量范圍內的最優運行方式，為相關技術、管理人員提供必要的理論依據。

電站鍋爐;給水系統;經濟性分析;特性曲線擬合

鍋爐給水泵是現代發電廠中能耗最大的輔機設備，占廠用電的30%以上，降低其能耗是提高發電廠熱經濟性的重要措施之一。

水泵的并聯在中大中型電站鍋爐給水系統中是最為常見的連接形式，不但滿足了大流量的需求，也給變流量調節提供了更加靈活多變的運行方式。本文從實際出發，在鍋爐給水系統的不同流量變化范圍內對給水泵可能具有的多種運行方案進行理論計算與綜合分析 (見圖1)，驗證“當系統中有多臺水泵并聯運行時，改變運行臺數來調節流量是極為方便和經濟的”和“給水負荷波動，從節能的角度出發，最適合采用1臺泵變頻調速運行，其它水泵工頻并聯運行”兩種觀點的正確性［1-2］，以此得到最為經濟、合理的運行方式。

圖1 鍋爐給水連接系統示意圖

1 變流量下給水泵多方案運行的擬定

圖2為同型號水泵并聯組合而成的鍋爐給水系統的相關特性曲線示意圖［3］。其中，0為額定工況下并泵組運行時的工況點;0'和0″分別為管路特性不變時并聯泵中每臺泵均攤的負荷點及由1臺泵所能承擔的最大負荷點。為了充分反映在不同名荷下給水系統可能采用的多方案運行的經濟性，以0″為界限，分為Qi＞Q0″和 Qi＜Q0″兩個范圍進行分析。

在圖2(a)所示的Qi＞Q0″的變化范圍內，可采用3種運行方式:管路節流方法 (僅靠調整閥門開度來改變管路特性曲線g0至gi，使其交于并聯泵同為工頻轉速n0下p+p曲線上i0點的運行方式)、雙泵同步調速方法 (通過并聯泵同步調速到ni并使pi線橫向疊加得的pi+pi后，再與g0線之交于i點的運行方式)、雙泵非同步調速方法 (由1臺泵變頻為n'i后所得p'曲線后與另1臺泵工頻泵的p曲線橫向疊加得到的曲線p'+p，并與管路曲線g0之交點i的運行方式)。

圖2 不同運行方式下水泵及管路的特性曲線

在圖2(b)所示的Qi＜Q0″的變化工況內，可采用另外3種運行方式:單泵調速方法 (原管路特性g0不變，僅靠單泵改變其轉速為n'i時使其p曲線變為p'后再與g0交于i'點的運行方式)、管路節流方法 (僅靠調整閥門開度來改變g0曲線至gi，使其交于1臺工頻泵曲線p上i點的運行方式)、雙汞同步調速的方法 (在原管路g0曲線不變的條件下，將并聯泵同步調速至ni而合成的pi+pi曲線后，再與曲線g0交于i'點的運行方式)［3］。

2 管路及水泵特性方程的表達形式

一般水泵額定轉速n0下Hp-Q和ηp-Q的特性是以特定曲線或若干個離散參數來表示的;而對于管路的特性，除了包含與其自身的幾何尺寸、內表面粗糙度有關的阻力特性數外，還與流經該管路的流量及給水系統出、入口靜壓差有關［4-5］。對此，這3種特性曲線的擬定方程可分別表示為

式中:Hp為水泵揚程，mH2O;Hg為系統阻力，mH2O;水泵進出靜壓差Hst=(pb-pc)+(Hy-Hj)，mH2O;Q為水泵負荷，m3/h;Hp為水泵效率，%;φ 為系統阻力數，h2/m5;A0、A1、A2、B1、B2、B3為水泵的 Hp-Q、ηp-Q曲線擬合系數。

3 單臺泵的特性曲線擬合

對于式 (1)、(2)中的A0、A1、A2、B1、B2、B3的系數，可采用“最小二乘法”原理確定，關于單泵變速時pi曲線的擬合可根據水泵相似理論:

關于該式中的 (ni/n0)的確定，可將式 (5)按滿足于Hp=Hg的條件，聯立求得:

4 并聯泵運行的特性曲線擬合

4.1 雙工頻泵并聯運行的特性曲線擬合

對于圖2中p+p曲線，可根據并聯泵疊加原理［5］并結合式 (1)和式 (4)得到:

4.2 雙汞同步調速ni時并聯合成特性曲線的擬合

同理，關于曲線pi+pi的擬合方程和對應的轉速比 (n1/n0)可參照式 (7)和式 (6)的導出過程分別得到:

4.3 雙泵非同步調速并聯特性曲線的擬合

關于圖2(a)中雙泵非同步調速運行曲線p'+p方程的確定，可依據水泵并聯時各泵揚程相等的原理得知工況點i處Hi=Hi1+Hi3，并根據式(1)和式 (5)可得:

5 包括調速裝置下的給水泵系功率的確定

為了能更充分反映出整套系統的能耗，對給水系統中包括電動機及調速器效率各環報的能耗進行全面考核，可得:式中:Pin為系統輸入總能耗，kW;ρ為水的密度，kg/m3;ηm，v為含電動機在內的液力耦合調速器效率，%。

關于給水泵變速下的效率的確定，可根據水泵的相似原理求得:

對于含電動機在內的典型液力耦合調速器效率可根據圖3所示曲線擬合為

對于式 (16)中 (ni/n0)的確定，應與式(7)、(10)、(13)所對應工況求出的結果相同。由式 (14)可知，一旦求得調速系統各環節中對應工況點的效率值，便可應用該式計算出其系統總能耗 Pin。

圖3 CO-46型液力耦合調速器 (含電機)效率曲線

6 算例與運行工況分析

現以某電站1臺670 t/h鍋爐給水系統為例，進行在不同運行方式下水泵的工況分析:已知該系統由2臺DG450-180型水泵 (由于前置泵為工頻且功率很小，僅占給水能耗的5%以下，為了使計算簡化，故這里未予考慮，且不會影響對問題的分析)和所配套的CO-46型液力耦合器組成，泵的額定轉速n0=4 600 r/min，所配電機功率 N=3 200 kW，泵的入口水溫為t=158℃，其密度ρ=900kg/m3。通過對該泵特性曲線的擬合和對管路

表1 變流量時泵系統不同運行方式下的參量計算結果

系統阻力特性數的求取可得各方程:

經計算，以鍋爐額定負荷610 m3/h下所確定的分界點0″的流量為 Q0″=497.49 m3/h。為了充分說明變流量 Qi在 Qi＞ Q0″或 Qi＜ Q0″范圍內采用多種運行方式的經濟性，現假定變流量分別為Qi=520 m3/h和Qi=360 m3/h時對前面所提出的各種運行方式下的工況計算結果見表1。

可見，在Qi＞Q0″的范圍內，如為滿足變流量Qi=520 m3/h的情況下，在所擬定的3種運行方案中，以“雙汞同步調速”運行時的總能耗最小。為4 126 kW，即每臺水泵承擔的能耗約為2 063 kW;以“雙泵恒速”并通過閥門節流調節運行時的總能耗則為4 516 kW，即每臺水泵承擔的能耗均為2 258 kW;而在相同流量下， “雙泵非同步調速”運行時的總能耗最大，為4 912 kW，其中1號水泵所承擔的能耗為2 906 kW，2號水泵系統所承擔的能耗為1 733 kW，可得“給水負荷波動，從節能的角度出發，最適合采用1臺泵變頻調速運行，其它水泵工頻并聯運行”是錯誤結論，還可難會因兩泵分擔流量差異過大而出現“搶水現象”，最后導致鍋爐缺水事故［6-7］。

此外，在Qi＜Q0″范圍內，如為滿足變流量Qi=360 m3/h的情況下，在所擬定的另外3種運行方式中，采用“單泵調速”運行時其能耗最低，為2 202 kW;“單泵恒速”運行時其總能耗次之，為2 550 kW;而采用“雙泵同步調速”運行時其總能耗會大大提高至3 418 kW，與Qi＜Q0″時所采用的“雙泵同步調速”運行方式相比反而能耗是最高的，盡管這2臺給水泵所承擔的總流量雖然為360 m3/h，但由于每臺泵均攤的流量卻很小，故使其系統綜合效率大大降低從而導致能耗最高?？梢姴⒉皇窃谌魏吻闆r下同步調速運行方式都是最節能的。

7 結束語

當雙泵并聯的鍋爐給水系統的管路特性不變時，以單泵可供最大流量為分界點，指出當變流量大于該分界點時所采用的“雙泵同步調速”、“雙泵恒速”、 “雙泵非同步調速”3種運行方式中，以“雙泵同步調速”運行最為經濟;而當變流量小于分界點流量時所采用的“單泵調速”、“單泵恒速”、 “雙泵同步調速”3種運行方式中，以“單泵調速”的運行方式最為經濟。若機組在低負荷狀態下采用滑壓運行，其給水泵的最佳運行方式也相同，若此時給水泵出、入口靜壓差減小，其對應的能耗亦變小。

對于并聯連接方式下的鍋爐給水系統，在不同的變流量范圍內，其經濟狀態下的運行方式也不同。實踐證明，鍋爐給水泵即使選用運行經濟性較高的液力耦合器或其它變速裝置，在實現變速調節時，也只有在合理的運行方式下才能最大限度地提高其運行的經濟性。

［1］ 蔡兆麟.能源與動力裝置基礎［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］ 李先瑞.供熱空調系統運行管理、節能、診斷技術指南［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］ 胡思科，呂 太，陳 鑫.供水系統變流量下泵的多方案運行經濟性與安全性分析［J］.流體機械，2007，46(5):42-46.

［4］ 薛永峰，楊尚文.國產600 MW超臨界機組滑壓運行方式試驗研究［J］.東北電力技術，2010，31(10):11-14.

［5］ 楊詩成，王喜魁.泵與風機 (第二版)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［6］ 劉文忠，符 剛，閆 虹.1 000 MW機組凝結水泵變頻改造可行性分析 ［J］.東北電力技術，2012，33(5):50-52.

［7］ 趙偉光，顧炎生.華能大連電廠循環水泵最佳運行方式的確定與分析［J］.東北電力技術，1992，13(3):6-8.

Operation Optimizing of Power Station Boiler Feed-water Pump Under Variable Load

HU Si-ke1，XING Jiao-jiao1，WANG Li-ping2
(1.Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

In view of the power station boilers used by the two pumps connected in parallel feedwater system，first，under the condition of the same pipeline characteristics，there are multi-plans in the flow range on both sides of the maximum flow point provided by a single pump，which is“double pump constant speed”，“double pumps synchronous governing speed”，“double pump non-synchronous governing speed”，“single pump governing speed”or“single pump constat speed”;second，the theory of least squares method and the similar theory of pump are used to deduce the characteristic equation for the pump，motors，governor of the system under different flow，and the formulas about rotational speed，efficiency and energy consumption;finally the economy of each operating plan is analyzed and estimated by the analytical method，and the optimum operating mode in the scope of different flow is given，which may provide the necessary theory basis for project designers and operation managers.

Power plant boiler;Feedwater system;Econmoic analysis;Fitting of characteristic curve

TM621.2

A

1004-7913(2014)03-0034-04

胡思科 (1958—)，男，學士，教授，從事電站系統及供熱工程的教學、科研與設計工作。

2013-12-08)