電廠循環(huán)水泵變頻調控的優(yōu)化與應用

杜艷秋孫毅劉學亭高巖王強

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.中國電建集團核電工程有限公司，山東 濟南250100；3.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州310027)

0 引言

隨著大數據、人工智能的發(fā)展，火力電廠既要做到節(jié)能降耗，又要逐步實現(xiàn)智能自動化。電廠各設備保持良好的性能，才能保證機組運行更加經濟安全。循環(huán)水泵是電廠的重要輔機之一，其用電量約占廠用電量的10%～17%，約占總發(fā)電量的1%～1.5%[1-2]，循環(huán)水泵的運行工況直接影響到電廠整體機組的性能。循環(huán)水晝夜溫差大，機組對循環(huán)水的需求量變化也較大。機組運行負荷率和運行環(huán)境溫度實時變化，理論上要求循環(huán)冷卻水也要連續(xù)調節(jié)。但循環(huán)水系統(tǒng)存在不能連續(xù)調節(jié)的問題，常見的雙速調節(jié)和部分泵啟停方式會導致凝汽器的真空度不穩(wěn)定，無法保證電廠機組經濟、安全運行。為了降低耗電量，部分電廠將循環(huán)水泵的電機改為雙速電機，但依然無法根據實際需求連續(xù)調節(jié)水量。采用定速或雙速配置的循環(huán)水泵只能依靠調節(jié)水泵數量實現(xiàn)，在一定程度上降低了耗電量，但這種調節(jié)方式依賴人為經驗操作從而增加了機組運行的不確定性，難以適應日益嚴峻的節(jié)能減排要求。因此，優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)，使其能夠根據需求自動調整水量，將對整個電廠發(fā)電經濟性的提升具有重要意義。

針對以上問題，諸多學者開展了相關的研究。王渡等[3]基于EBSLION仿真平臺搭建了2×660 MW超超臨界機組和4臺循環(huán)水泵的仿真模型，分析了循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵不同配置方案的技術經濟性，結果表明運行兩臺變頻循環(huán)水泵為最佳配置方案。路培林[4]對某發(fā)電公司3臺循環(huán)水泵(兩運一備)進行節(jié)能改造，完成了兩臺循環(huán)水泵的雙速改造，實現(xiàn)了改造簡單、功耗較低的循環(huán)水泵組合運行方式。杜虹曄[5]從水力部件方面簡要分析和闡述了電廠循環(huán)水泵節(jié)能改造的方式方法，優(yōu)化了循環(huán)水泵水利部件的，提升了電廠循環(huán)水泵運行效率，避免了大量電力能源的消耗，達到了節(jié)能的目的。趙愛軍等[6]基于永磁調速器的工作原理，分析了循環(huán)水泵永磁調速改造后的實際效果，即經改造后永磁調速器能夠有效地降低循環(huán)水泵的能耗，并提高系統(tǒng)的運行可靠性，同時指出該技術具有廣闊的應用前景。王勇[7]結合我國現(xiàn)役百萬千瓦級核電機組一期工程的循環(huán)水泵優(yōu)化運行實例和數據，分析其循環(huán)水泵的運行方式，并提出在實踐過程中依據最佳真空調整循泵的轉速或者運行臺數[8]，在不降低電站安全性的情況下，尋找循環(huán)水泵高低速切換的最佳時機。張瑩[9]針對綏中發(fā)電廠二期工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機組循環(huán)水系統(tǒng)的運行特點，系統(tǒng)地分析了水泵運行特性及變頻調速水泵的運行經濟性，在理論上對變速泵的節(jié)能效果給出量化的分析，但并未運用在實際中[10]。黃鄭等[11]針對燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組循環(huán)水泵運行管理較為缺乏的現(xiàn)狀，設計并開發(fā)了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組循環(huán)水泵運行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于循環(huán)水泵優(yōu)化模型，對循環(huán)水泵低速泵運行、高速泵運行、雙泵運行的運行方式進行及時調整，實現(xiàn)循環(huán)水泵優(yōu)化運行指導。

綜上所述，目前對于火電廠循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化，或側重于循環(huán)水泵結構上的優(yōu)化，或側重于增加循環(huán)水泵的搭配方式，但也只是在一定程度上降低了用電量，增加了運行的經濟穩(wěn)定性，而工程上較少實現(xiàn)依據循環(huán)水系統(tǒng)特性而連續(xù)調節(jié)循環(huán)冷卻水量。特別地，有些學者利用商業(yè)軟件對循環(huán)水泵的最優(yōu)搭配進行模擬分析，但大多只存在模擬預測，還未運用于實踐過程中。基于此，文章根據凝汽器最佳真空度原理及電廠循環(huán)水系統(tǒng)特性，針對某電廠的雙速水泵循環(huán)水系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，通過增設電動機高壓變頻器以及優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)水泵運行方式的優(yōu)化。該優(yōu)化控制系統(tǒng)取代了人工手動操作啟停泵調節(jié)方式，實現(xiàn)了依據實際需求對連續(xù)循環(huán)水量的自動控制調節(jié)，使得機組節(jié)能安全穩(wěn)定運行，從而取得了明顯的經濟效益。

1 電廠循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)存問題分析

1.1 研究對象

以某火力發(fā)電廠中300 MW發(fā)電機組循環(huán)水系統(tǒng)為研究對象，如圖1所示。循環(huán)水系統(tǒng)主要作用是將冷卻水通過循環(huán)水泵送至凝汽器，冷卻凝結汽輪機低壓缸的排汽，維持凝汽器真空度，使汽水循環(huán)得以繼續(xù)。經凝汽器升溫后的循環(huán)水通過冷卻塔降溫后再次經循環(huán)水泵進入凝汽器。

該機組汽輪機是上海汽輪機廠生產的N300-170/537/537型亞臨界、一次中間再熱、反動式兩缸兩排汽凝汽式汽輪機；配置上海電站輔機廠生產的N-17650-6型單背壓單殼體、對分雙流程、表面式凝汽器。其中，凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用單元制循環(huán)供水冷卻方式，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)配套兩臺沈陽水泵廠生產的容量為50%的1400HB型可抽葉輪及導葉濕井立式混流循環(huán)水泵(記為X泵和Y泵)，最初兩臺循環(huán)水泵均為定速泵，具體參數見表1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)簡圖

表1 循環(huán)水泵主要參數表

1.2 電廠循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)存技術問題

根據不同季節(jié)的晝夜溫差特性，改造前的雙速循環(huán)水泵運行方式為冬季單泵運行、夏季雙泵運行。特別地，晝夜溫差會導致循環(huán)水量需求變化，循環(huán)水系統(tǒng)時常出現(xiàn)運行一臺循環(huán)水泵流量不夠而運行兩臺循環(huán)水泵流量過大的情況。隨著技術的進步，三相異步電機可通過改變繞組接線方式來獲得兩種轉速，其改造費用、維護保養(yǎng)運行及可靠程度均具有很大優(yōu)越性[12]。因此，該廠首先對循環(huán)水泵進行高低雙速改造。

根據循環(huán)水泵性能參數，X泵不做改造(水泵轉速依然為495 r/min，電流為185 A)，而Y泵改為雙速運行(高速時水泵轉速為495 r/min，低速時則為425 r/min，且高速、低速運行電流分別為165、142 A)。盡管如此，由于晝夜負荷和循環(huán)水溫的變化，運行人員仍需要頻繁地對水泵進行手動調速。然而，這種人工手動調節(jié)存在諸多不可控性，組合條件也相互制約，運行參數不斷變化還存在較大的水量過渡區(qū)間，使得凝汽器的真空度偏高且不穩(wěn)定。此外，頻繁啟停循環(huán)水泵不僅降低水泵使用壽命也并未完全解決循環(huán)水實時連續(xù)調節(jié)的問題，還會給其他相關設備帶來安全隱患。

基于此，根據機組需求實時、連續(xù)調節(jié)循環(huán)水量將成為一個較新的研究課題。文章在循環(huán)水系統(tǒng)X泵增設了1臺自動一拖一變頻器、1套優(yōu)化控制柜、流量計等相關設備及儀表，結合機組現(xiàn)有的溫度壓力測點，與集控室集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)實現(xiàn)通訊，實時采集機組運行參數，經優(yōu)化計算后得到變頻器最佳運行頻率，從而實現(xiàn)及時調整循環(huán)冷卻水泵的運行轉速，進而實現(xiàn)循環(huán)水量自動調節(jié)。

2 循環(huán)水系統(tǒng)變頻調控優(yōu)化及其數學建模

2.1 循環(huán)水泵變頻調控優(yōu)化理論依據

機組負荷和環(huán)境因素存在連續(xù)變化的特點，理論上冷卻水量也應該能夠連續(xù)調節(jié)。鑒于雙速循環(huán)水泵不能很好地完成電廠循環(huán)水量的調整，文章在原循環(huán)水系統(tǒng)基礎上變頻改造循環(huán)水泵，增設水量連續(xù)調節(jié)手段和優(yōu)化控制系統(tǒng)，實時采集機組及環(huán)境數據，通過分析計算后，自動跟蹤調節(jié)循環(huán)水量，實現(xiàn)循環(huán)水泵自動運行方式，從而消除人為因素操作造成的不確定性，實現(xiàn)機組冷端設備節(jié)能降耗。

火力發(fā)電機組冷端系統(tǒng)運行的經濟性與其設備組成及系統(tǒng)特性有關，涉及汽輪機低壓缸末端、冷卻塔、凝汽器以及循環(huán)水泵等多種設備。同時，機組負荷、環(huán)境溫度等也是制約機組冷端系統(tǒng)運行經濟性的重要因素。為實現(xiàn)機組冷端系統(tǒng)的優(yōu)化運行，先對循環(huán)水系統(tǒng)凝汽器、循環(huán)水泵等運行特性建立數學模型，并選取適當的優(yōu)化算法，進而優(yōu)化循環(huán)水泵的運行方式。機組性能隨循環(huán)水量的變化如圖2所示。

圖2 機組性能隨循環(huán)水量變化示意圖

在一定范圍內，增加水量有利于真空度降低、機組發(fā)電功率增加ΔN2，同時伴隨著循環(huán)水泵耗功增加ΔN1，故凈增功率為ΔN＝ΔN2-ΔN1。由于機組多發(fā)電和循環(huán)水泵耗功隨水量增加的趨勢不同，存在凈增功率最大ΔNmax時的運行極值點(圖2中a點)。通常該點水量稱為最經濟水量(或稱最佳水量)Deco，對應的真空度(圖2中b點)為最經濟真空度(或最佳真空度)peco，即增加循環(huán)水量使汽輪機電功率的增加值與循環(huán)水流量增加多耗功的差值達到最大時所對應的真空度[13]。同時，機組運行過程中負荷不斷變化，凝汽器真空隨之變化。

2.2 循環(huán)水泵數學模型

凝汽器中的循環(huán)水將汽輪機乏汽凝結成水，從而使得汽輪機進汽和排汽之間形成壓差，使得高壓蒸汽在汽輪機缸體內迅速流動，推動汽輪機葉片旋轉做功。冷卻蒸汽后的循環(huán)水吸熱升溫，經循環(huán)水泵又回到冷卻塔內冷卻，再次循環(huán)。根據相似定律[14]可獲得轉速變化前后泵的揚程H、流量Q及軸功率N與轉速n之間的關系，由式(1)～(3)表示為

式中n1和n2分別為水泵的兩個不同轉速，r/min；Q1和Q2分別為水泵在轉速n1和n2時對應的體積流量，m3/s；H1和H2分別為水泵在轉速n1和n2時對應的揚程，m。根據上述關系，功率N與轉速n的三次方成正比，降低轉速可以大幅度地降低功率[15]，使循環(huán)水泵運行更省電。

根據伯努利方程以及電廠循環(huán)水泵設計數據，則循環(huán)水泵管路特性方程、揚程—流量及效率—流量之間的可由式(4)～(7)表示為

式中H為揚程，m；p1和p2分別為泵進、出口處液體的壓力，Pa；v1和v2分別為流體在泵進、出口處的流速，m/s；z1和z2分別為進、出口高度，m；ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為流量，m3/s；η為循泵效率。

2.3 汽輪機—凝汽器耦合運行特性

凝汽器作為汽輪機發(fā)電機組的重要輔機之一，具有凝結汽輪機排出的乏汽、在汽輪機排汽口建立真空度以及增大機組有效焓降的作用[16]，一般通過改善其傳熱性能來達到提高汽輪機系統(tǒng)效率的目的[17]。凝汽器壓力直接影響汽輪機的經濟運行，且真空度的升高使得汽輪機的有效焓降低少，會影響汽輪機的出力和機組設備的安全性。

凝汽器傳熱方程及熱平衡方程由式(8)表示為

式中W為凝汽器的熱負荷，kW；Dzp為凝汽器蒸汽負荷，即凝汽器入口蒸汽量，kg/s；hs為汽輪機的排汽焓值，kJ/kg；hc為凝結水的焓值，kJ/kg；K為總傳熱系數，kW/(m2·℃)；Δtm為對數平均溫差，℃；A為換熱面積，m2；cp為冷卻水定壓比容，kJ/(kg·℃)；t1、t2分別為冷卻水進、出口溫度，℃。

無過熱及無過冷情況下，對數平均溫差Δtm可由式(9)表示為

式中ts為凝汽器蒸汽溫度，℃。

總傳熱系數計算由式(10)表示為

式中ξc為清潔系數；βt為冷卻水入口水溫t1修正系數；βm為冷卻管材料和壁厚的修正系數；K0＝C·vw為凝汽器基本傳熱系數，kW/(m2·℃)，其中vw為冷卻管內流速，C為取決于冷卻管外徑的計算系數。

2.4 汽輪機背壓—功率特性模型

根據汽輪機背壓功率特性，汽輪機背壓引起功率的變化主要取決于末級功率變化。在其他條件不變時，背壓越高，汽輪機功率越小；背壓越低，汽輪機功率越高。汽輪機微增出力是指末級葉片在背壓微小變化條件下功率的變化，以曲線的形式表示出來就是汽輪機微增出力曲線，即汽輪機背壓—功率曲線。根據凝汽器背壓對功率的修正曲線，可擬合出功率P1與背壓Ps關系式，由式(11)表示為

P1與循泵耗電量N差值為有效利用功率P，由式(12)表示為

通過采集循環(huán)水流量、循環(huán)水進出口溫度和壓力、大氣壓力、機組當前功率等參數，對凝汽器換熱計算以及水泵性能分析，獲得發(fā)電負荷與水泵耗功差值的最大值，即獲得對應輸入數據下應有的凝汽器最佳真空度、循環(huán)水最佳水量以及變頻器最佳頻率。因此，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)水量的實時連續(xù)控制，同時獲得運行優(yōu)化的機組的實時變化數據。

3 結果與分析

在秋季機組負荷基本維持在滿負荷運行或約在260 MW運行。由于測試時間較長，這里截取較為典型的24 h數據進行分析，循環(huán)水泵運行方式為Y泵高速運行和X泵變頻并聯(lián)運行，實時記錄循環(huán)水泵運行頻率、耗電量、機組負荷以及真空度變化的關系。

3.1 凝汽器真空度波動規(guī)律

凝汽器真空度是影響機組經濟性及其安全運行的重要指標，然而實際電廠運行過程凝汽器真空度在大多時候無法達到設計工況，嚴重影響機組的經濟性和安全性[18]。凝汽器真空度的升高會使得排氣缸溫度升高，引起汽輪機軸承中心偏移，嚴重時會引起汽輪機振動。電廠凝汽器一般運行經驗表明，凝汽器真空度每增加1 kPa，汽輪機汽耗會增加1.5%～2.5%[19]。

利用電廠機組真空度測點獲得凝汽器真空度數值，則增設水量連續(xù)調節(jié)手段和優(yōu)化控制系統(tǒng)后，機組負荷與凝汽器真空度隨時間的變化趨勢如圖3所示。機組發(fā)電負荷由295 MW降到260 MW，再由260 MW逐漸升到295 MW的過程中，由于增加了變頻優(yōu)化控制系統(tǒng)，改善了水泵運行方式，使循環(huán)水系統(tǒng)水量調節(jié)按照實際需求連續(xù)調節(jié)，凝汽器壓力維持在-96.58～-95.9 kPa，且平均真空度維持在-96.28 kPa，真空度波動范圍小且穩(wěn)定，凝汽器運行穩(wěn)定。根據往年同期的負荷變化數據可知，未加變頻控制系統(tǒng)前凝汽器真空度表壓力值為-92.8～-96.95 kPa，凝汽器壓力最低可到-92.8 kPa，且平均真空度維持約-94.92 kPa，凝汽器真空度高，跨度大且不穩(wěn)定。因此，較優(yōu)化前真空度降低了1.36 kPa，真空度得到明顯降低，即研究采用的變頻調控策略有效，將會促使機組的安全性、經濟性也進一步提高。

圖3 凝汽器真空度、機組負荷隨時間的變化圖

3.2 變頻器頻率及循環(huán)水泵電流變化規(guī)律

變頻調速控制能夠實現(xiàn)對水泵電動機轉速的線性調節(jié)。通過水泵進出口水溫實現(xiàn)對水泵電動機轉速的線性調節(jié)，水量大小由變頻控制系統(tǒng)中電動機的轉速改變來控制[20]。通過最佳真空度原理，可計算出最佳水量需求，對應的變頻器運行頻率則為最佳頻率。變頻器最佳運行頻率與機組發(fā)電負荷、環(huán)境溫度、循環(huán)水進出口溫度和大氣壓力等因素密切關系，然而機組負荷是影響循環(huán)水量的最重要因素。

變頻器運行最佳頻率隨時間的變化趨勢如圖4所示。前11 h機組負荷基本穩(wěn)定在295 MW，經優(yōu)化調控，X泵變頻器最佳頻率也基本穩(wěn)定在約42 Hz運行，機組負荷下降至260 MW時，變頻器最佳頻率開始下降，變頻器運行頻率較機組負荷下降速度緩慢，為了避免水泵頻率變化過快影響機組穩(wěn)定性，最后下降至36 Hz穩(wěn)定運行。在測試的22 h后，機組負荷開始上升，慢慢上升至約295 MW，電動機高壓變頻器運行頻率也上升至最佳41 Hz。運行過程中最佳頻率與機組負荷變化趨勢保持一致。隨機組負荷降低，變頻器最佳運行頻率降低；機組負荷增加，變頻器最佳運行頻率則增大。根據往年同期負荷變化數據可知，未加變頻控制系統(tǒng)前，水泵搭配方式為滿負荷時定速泵與高速泵并聯(lián)運行；負荷為260 MW時，循環(huán)水泵運行方式時而定速泵和低速泵并聯(lián)運行，時而定速泵與高速泵并聯(lián)運行，并沒有嚴格的運行規(guī)程指導。這種循環(huán)水泵運行方式調整變化大，啟停泵次數多，耗電量大，最大運行電流為定速泵和高速泵并聯(lián)運行時，電流為350 A(其中X泵電流為185 A、Y泵電流為165 A)。最小運行電流也為定速泵與低速泵并聯(lián)運行時，電流為327 A(其中X泵電流為185 A、Y泵電流為142 A)。

圖4 變頻器運行最佳頻率、發(fā)電負荷隨時間的變化圖

循環(huán)水泵轉速與變頻器頻率成正比，變頻器通過調整頻率來調整循環(huán)水泵的轉速。循環(huán)水泵總電流隨時間變化如圖5所示，可以看出，循環(huán)水泵變頻調節(jié)后兩泵并聯(lián)最大、最小電流分別為299.3和259.5 A，較優(yōu)化前電流最大能降低90.5 A；測試過程中X泵最大、最小電流分別為134.3和94.5 A，Y泵電流維持在約165 A。變頻器頻率變化和水泵耗電量趨勢一致。變頻器頻率增加，循環(huán)水泵轉速增大，水泵耗電量增大；變頻器頻率減小，循環(huán)水泵轉速減小，水泵耗電量減小。在測試的前11 h中，電動機高壓變頻器頻率基本穩(wěn)定在42 Hz運行，兩泵電流基本穩(wěn)定在299.3 A運行，后面機組負荷下降使得變頻器頻率降低，兩泵電流由299.3 A開始下降，水泵電流與變頻器頻率下降趨勢一致，最后下降在259.5 A運行；在測試的22 h后，機組負荷開始上升后變頻器運行頻率上升，循環(huán)水泵電流上升，慢慢上升至285 A運行。

圖5 循環(huán)水泵總電流、發(fā)電負荷隨時間變化圖

與往年同期類似機組負荷對比，循環(huán)水泵或是定速泵搭配高速泵運行，或是定速泵搭配低速泵運行，不僅運行耗電量大(最大電流可為X泵、Y泵并聯(lián)運行電流350 A)，循環(huán)水量可調節(jié)范圍有限，不利于循環(huán)水系統(tǒng)經濟運行。同時也可以看出，循環(huán)水泵電動機加上變頻器后耗電量減少，但依然保持了機組穩(wěn)定運行，故循環(huán)水泵的運行優(yōu)化方式成功。

以此類推，在冬季環(huán)境氣溫低時，以往機組循環(huán)水系統(tǒng)運行單臺水泵或高速運行或低速運行。經現(xiàn)有水泵變頻優(yōu)化控制后，只需運行X泵加變頻控制系統(tǒng)，最低電流為運行頻率為35 Hz時，電流為93 A，降低了72 A。該優(yōu)化控制系統(tǒng)冬季根據各參數需求連續(xù)調整循環(huán)水量，保持凝汽器高真空度穩(wěn)定運行，減少人工操作，降低廠用電率，提高電廠整體的自動化水平。

4 結論

文章依據最佳真空度原理，以某火力發(fā)電廠中300MW火力發(fā)電機組循環(huán)水系統(tǒng)為研究對象，在定速循環(huán)水泵上采用變頻控制系統(tǒng)裝置，根據系統(tǒng)各設備特有的數學模型，進行系統(tǒng)分析優(yōu)化計算，探討了春秋兩季對循環(huán)水泵變頻控制的可行性。主要結論如下:

(1)經變頻優(yōu)化控制后的系統(tǒng)相關設備運行安全穩(wěn)定。測試的24 h中，機組負荷維持在260～300 MW之間時，凝汽器壓力基本保持在-96.58～-95.9 kPa，真空度降低了1.36 kPa且保持穩(wěn)定，使得汽機組運行更加高效穩(wěn)定安全。

(2)循環(huán)水變頻控制系統(tǒng)能很好地根據負荷變化調整變頻器最佳運行頻率，循環(huán)水泵運行最佳頻率受機組負荷變化影響較大，機組負荷降低時，變頻器運行頻率降低；機組負荷上升時，變頻器運行頻率升高。同時，測試的24 h中，循環(huán)水泵耗電量較之前最大下降了90.5 A，提高了電廠機組的經濟性。

(3)機組循環(huán)水系統(tǒng)經變頻優(yōu)化控制后，實現(xiàn)了循環(huán)水量的自動優(yōu)化調節(jié)，提高了電廠的自動化水平，也避免了水泵以往頻繁的啟停操作，提高了循環(huán)水泵的使用壽命，使得冷端系統(tǒng)接近最經濟運行狀態(tài)。對電廠循環(huán)水系統(tǒng)變頻優(yōu)化控制后，真正將變頻技術應用于實際工程中，解決了長期以來火電機組普遍存在的循環(huán)水不能連續(xù)調節(jié)的共性問題。