電廠循環(huán)水泵變頻改造

陳正建

(深圳能源集團股份有限公司東部電廠， 廣東深圳 518120)

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電廠循環(huán)水泵變頻改造

陳正建

(深圳能源集團股份有限公司東部電廠， 廣東深圳 518120)

摘要：針對變頻改造后出現(xiàn)的泵的最小流量限制和循環(huán)水母管充水要求，通過理論分析和試驗，確定了運行的邊界，保證設(shè)備和系統(tǒng)的安全。為了使得機組在最佳真空下運行，通過試驗和估算找出變頻泵的最佳運行工況,提高了循環(huán)水泵運行的靈活性，降低了廠用電率。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水; 變頻; 最佳真空; 廠用電率

循環(huán)水泵是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠最大的耗能設(shè)備，某電廠3臺聯(lián)合循環(huán)機組配置了3臺循環(huán)水泵，設(shè)計的循環(huán)水泵系統(tǒng)在運行方式上缺乏靈活性，不能在電廠兩班制運行方式下經(jīng)濟運行，浪費大量廠用電。筆者重點分析了變頻改造后，為了保證滿足循環(huán)水泵最小流量要求和循環(huán)水爬坡母管充水等邊界條件，對循環(huán)水泵變頻后的運行頻率進行了限制，保證設(shè)備和系統(tǒng)安全。在安全邊界范圍內(nèi)，通過凝汽器真空變化對汽輪機功率微增影響的試驗方法，得出了最佳真空對應(yīng)的循環(huán)水泵運行方式和頻率定值，保證機組運行在最經(jīng)濟工況點。循環(huán)水泵變頻改造后的經(jīng)濟效益顯著，靈活性明顯增強，達到了預(yù)期的改造效果。

1循環(huán)水系統(tǒng)概況

某電廠安裝3臺350 MW聯(lián)合循環(huán)機組，電廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用海水直流供水，取排水口均設(shè)在海邊。

冷卻水工藝流程為：海水→前池→凈水間→循環(huán)水泵房→壓力管→凝汽器及輔機冷卻器→排水孔→虹吸井→排水溝→排水口→海水。循環(huán)水系統(tǒng)采用雙母管制供水，3套聯(lián)合循環(huán)機組配套3臺循環(huán)水泵，2條循環(huán)水母管，3套虹吸井，以及1條鋼筋混凝土自流排水溝。循環(huán)水母管間設(shè)有聯(lián)絡(luò)管，排水溝間也設(shè)有聯(lián)絡(luò)溝[1]。

圖1為該電廠循環(huán)水系統(tǒng)圖。

循環(huán)水泵額定流量為7.05 m3/s，揚程為23 m，泵出口均安裝有液控式緩閉蝶閥，減小水錘風(fēng)險。單臺循環(huán)水泵電動機功率為2 200 kW，電壓為6 kV。

2循環(huán)水系統(tǒng)改造前狀況

按照設(shè)計，電廠3臺機組配備3臺循環(huán)水泵，為滿足夏季海水溫度最高時的循環(huán)冷卻需要，3臺泵同時運行；冬季工況下可以按照三機二泵運行，在滿足冷卻需要的情況下冬季運行可節(jié)約廠用電。實際運行中，這樣的配置相對于兩班制運行的機組缺乏靈活性，經(jīng)濟性差。根據(jù)2012年統(tǒng)計，1—4月和12月的冬季工況，幾乎沒有出現(xiàn)3臺機的運行工況。冬季典型的兩班制運行情況見圖2。

冬季每天06：00左右開機，運行到22：30左右停機，一周除了周日可能開1臺機或不開機，其余時間基本都開2臺機。這種情況下，開2臺機時需要2臺泵，開1臺機時需要1臺泵，和設(shè)計的二泵三機運行方式背離，循環(huán)水明顯過剩，造成嚴重浪費。夜間停機后也需要維持1臺泵運行，由于沒有大的熱負荷，所需循環(huán)水量很小，浪費嚴重。在春秋季，開2臺機需要2臺循環(huán)水泵，此時的循環(huán)水流量還是過剩。另外，對于不同的機組負荷，循環(huán)水的需求量也不同，定速泵此時缺乏明顯的靈活性。筆者主要分析機組全停工況和冬季工況的情況。

2.1 機組全停工況

機組主要是兩班制運行，夜間機組調(diào)停后，仍需要少量的循環(huán)水冷卻軸封蒸汽和部分疏水泄漏到凝汽器的蒸汽維持真空及輔機部分冷卻用水，這時需要的循環(huán)水量很小。根據(jù)實際運行參數(shù)，機組在停機后凝汽器循環(huán)水進出口的溫升只有0.3 K，此時1臺工頻泵的循環(huán)水流量基本都被浪費。

2.2 一泵一機工況和二機二泵工況

冬季工況，由于海水溫度在17 ℃左右，而夏季工況的海水溫度在27 ℃，冬季工況的溫度明顯低很多，循環(huán)水的冷卻經(jīng)常過量，導(dǎo)致凝汽器真空度太高，凝汽器壓力超過極限真空，達到2 kPa左右，超過了機組設(shè)計的最佳真空值4.2 kPa，使得聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽循環(huán)部分偏離最佳真空運行工況點。在過低的真空下低壓缸末幾級的濕度會偏大，對低壓缸最后幾級葉片造成水蝕。此時凝結(jié)水過冷度達到6 K左右，較合理的過冷度2 K偏大很多，這說明海水將凝結(jié)水過度冷卻，被海水帶走的額外熱量較多，在汽水循環(huán)時，這部分熱量還要通過鍋爐補充，經(jīng)濟性較差；且過冷度越大，凝結(jié)水的溶解氧就越高，將加速鍋爐換熱面和管道的腐蝕。

通過上述分析，無論機組全停工況，還是冬季一泵一機運行工況、二機二泵運行工況，均能減少循環(huán)水流量的潛力，有較大的節(jié)能降耗潛力，且針對過渡季和不同的機組負荷等情況，通過調(diào)整循環(huán)水流量也有一定的節(jié)能空間。

3變速方案選擇

3.1 變速泵的特性

由泵和風(fēng)機的工作原理可知：水泵和風(fēng)機的流量與其轉(zhuǎn)速成正比；水泵和風(fēng)機的壓力(揚程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，而水泵和風(fēng)機的軸功率等于流量與壓力的乘積，故水泵和風(fēng)機的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比[2]。

水泵和風(fēng)機屬于典型的平方轉(zhuǎn)矩負載類型，所以其功率(軸功率)、轉(zhuǎn)矩(壓力)、轉(zhuǎn)速滿足以下關(guān)系(相似定理)：

(1)

式中：N′、Q′、H′、P′表示變頻后的泵的轉(zhuǎn)速、流量、壓頭和軸功率；N′、Q、H、P表示工頻泵的轉(zhuǎn)速、流量、壓頭和軸功率。

3.2 變頻和雙速改造的選擇

循環(huán)水泵的變速改造一般有變頻和高低雙速改造兩種方案。變頻方案可以實現(xiàn)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，但是變頻裝置的可靠性相對較低，且變頻裝置初期投資較大。高低雙速改造的流量調(diào)節(jié)是通過不同的泵的運行組合實現(xiàn)的，不具有連續(xù)可調(diào)性能，尤其在單泵容量較大情況下，節(jié)能不徹底，且大部分的高低速切換需要停泵，操作不靈活。考慮該電廠3臺機組只配備了3臺循環(huán)水泵，單泵功率大，且目前大功率的變頻器價格大幅下降，可靠性也有明顯上升，最后決定采用變頻改造。

采用變頻方案后，考慮實際運行方式的靈活性、節(jié)能效果以及投資回報，按照3臺循環(huán)水泵中取2臺循環(huán)水泵按一拖一變頻改造來實施，綜合考慮系統(tǒng)循環(huán)水系統(tǒng)配置方式和運行方式，最終選取1號、3號循環(huán)水泵進行變頻改造。變頻裝置帶工頻旁路，提供了變頻和工頻兩種運行方式。為了保證備用的可靠性和快速性，備用只采用工頻備用方式(不設(shè)變頻備用方式)。

4變頻后系統(tǒng)運行邊界問題

4.1 循環(huán)水泵最小流量保護

泵的最小流量旨在保護泵葉輪，防止在小流量工況下，葉輪邊緣的摩擦熱量無法被帶走，導(dǎo)致汽化出現(xiàn)汽蝕，損壞葉輪。同樣，為了防止由于循環(huán)水泵的頻率下降，導(dǎo)致流量下降，進而導(dǎo)致小于泵的最小流量，長期這種工況運行，導(dǎo)致泵的葉輪汽蝕。制造廠給出的最小運行流量是4.2 m3/s，最低運行頻率是33 Hz。所以循環(huán)水泵的頻率也需要一個最低值限制，以保護循環(huán)水泵，防止葉輪汽蝕。

根據(jù)循環(huán)水泵的性能曲線，保證變頻后循環(huán)水泵在任何時刻都能運行在最小流量之上，在控制系統(tǒng)中特別設(shè)定了閉鎖功能。圖3為根據(jù)泵的特性曲線繪制的閉鎖函數(shù)，表1為根據(jù)實際試驗測量數(shù)據(jù)得到的最低頻率閉鎖設(shè)定(通過試驗測量不同工況下最小流量對應(yīng)的頻率)。圖3中定值設(shè)置的依據(jù)主要是泵的變頻后的性能曲線，當(dāng)一臺變頻泵運行時，按照泵在一定頻率下的性能曲線查得泵出口壓力對應(yīng)的流量，保證大于最小流量，實際循環(huán)水泵出口壓力只有壓力表，通過實際觀察和修正，采用循環(huán)水泵出口母管壓力變送器來實現(xiàn)閉鎖功能。在變頻泵和工頻泵并列運行時，變頻泵和工頻泵的出口壓頭基本相同，流量不同，同時也考慮了最大循環(huán)水母管壓力、最低潮位等因素來決定變頻泵的最低頻率，保證變頻泵的流量在任何工況下均大于最小流量值。

4.2 循環(huán)水母管坡頂充水

由于該電廠的循環(huán)水母管先爬坡后下坡，最高點和最低點相差9 m，所以循環(huán)水泵的壓頭一方面要滿足爬過坡頂，同時也要充滿母管頂部，防止由于母管頂部的空氣進入管道，引起凝汽器進空氣，破壞凝汽器虹吸作用，另一方面還要克服循環(huán)水的沿程阻力。這就決定了循環(huán)水泵變頻后的頻率不能一味降低，且各機組的凝汽器循環(huán)水的回水閥開度可以調(diào)節(jié)，來配合維持循環(huán)水母管頂部充水。

表2為不同運行方式下坡頂充水設(shè)定報警值。

表2　不同運行方式下坡頂充水設(shè)定報警值

注：3臺泵的運行方式在3臺機組凝汽器全開回水閥的情況下均能滿足母管坡頂充水。

5變頻后的啟停

為了限制循環(huán)水系統(tǒng)水錘影響，一般在循環(huán)水泵出口安裝液控蝶閥，通過程控配合減少水錘對管道和設(shè)備的影響。循環(huán)水泵變頻后，由于變頻裝置變壓器的容量限制等原因，啟動過程不能在短時間內(nèi)完成，所以和液控蝶閥的配合也將變化。改造之前的工頻啟動邏輯：DCS上發(fā)出啟泵程控指令后，先快開泵出口液控蝶閥到15°時(約5 s)，發(fā)啟動循環(huán)水泵指令，同時液控蝶閥繼續(xù)慢開至全開(約20 s)。改造后的變頻啟動邏輯：DCS上發(fā)出變頻啟泵程控指令后，先變頻啟動循環(huán)水泵，待循環(huán)水泵頻率至35 Hz時，液控蝶閥前后壓力平衡，開始打開循環(huán)水泵出口液控蝶閥至全開。液控蝶閥打開過程和工頻方式一致，只是開到15°位置開關(guān)沒有作用。實際過程中，相較工頻啟動的硬啟動特性，變頻啟動過程循環(huán)水系統(tǒng)壓力基本沒有沖擊現(xiàn)象。對于變頻啟動先啟泵后開閥方式，主要是避免開閥后在變頻器升頻率過程中長時間對循環(huán)水母管泄壓；同時也可能造成變頻器啟動負載大，啟動不成功風(fēng)險。

改造前的工頻停泵邏輯：DCS上發(fā)出停泵程控指令后，液控蝶閥開始快關(guān)到15°位置(約3 s)，此時發(fā)出停循環(huán)水泵指令，同時繼續(xù)慢關(guān)液控蝶閥至全關(guān)。改造后的變頻停泵邏輯：DCS上發(fā)出變頻停泵指令，此時控制系統(tǒng)先將變頻泵的頻率降低到35 Hz，然后液控蝶閥開始快關(guān)到15°，此時發(fā)出斷循環(huán)水泵變頻器上游6 kV開關(guān)指令，同時繼續(xù)慢關(guān)液控蝶閥至全關(guān)。實際上改造后變頻停泵的邏輯和工頻保持了一致，保證在停泵過程中不出現(xiàn)短時憋泵的現(xiàn)象。

6變頻后系統(tǒng)運行最佳工況

增加循環(huán)水量會使汽輪機的真空提高，使機組的發(fā)電量增加，但增加循環(huán)水量也會使循環(huán)水泵的耗電量增加。因此要找出一個最佳值，使系統(tǒng)的凈功率最大，即對應(yīng)于一定的內(nèi)、外部條件，在某種循環(huán)水系統(tǒng)運行方式下，機組出力與循環(huán)水系統(tǒng)耗電量之差最大，則該方式為循環(huán)水系統(tǒng)的最佳運行方式，此時電廠運行的經(jīng)濟性最高。

(2)

式中：Nt為機組的發(fā)電量；Npi為第i臺水泵的耗電量，i=1,2,3,…，n。

功率凈增益ΔN為：

ΔN=ΔNt-ΔNp

(3)

式中：ΔNt為按某一基準計算的汽輪機的增發(fā)功率，kW；ΔNp為按某一基準計算的循環(huán)水泵的功率增量，kW。

對于循環(huán)水量可連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，在某一循環(huán)水進口溫度tw1和機組負荷Nt，以循環(huán)水量Dw為決策變量，不斷變動Dw，依次計算循環(huán)水溫升、凝汽器端差、凝汽器飽和溫度、凝汽器真空、汽輪機功率、循環(huán)水泵的功耗、汽輪機增發(fā)功率ΔNt與循環(huán)水泵的功耗增量ΔNt之差ΔN，相應(yīng)循環(huán)水流量Dw即為最佳循環(huán)水流量，對應(yīng)的汽輪機真空即為最佳真空(見圖4)[2]。

圖5是試驗測得的冬季工況一機一泵方式下380 MW負荷的最佳真空曲線，通過對不同的運行方式的試驗得出最佳真空和最佳頻率(見表3)。

盡管能通過試驗的方法找到一定海水溫度下不同負荷點的最佳真空值，但是由于海水溫度隨季節(jié)變化，而機組負荷受電網(wǎng)的調(diào)度，所以最佳真空值是變化的。為了便于控制，同時也根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對冬季工況下不同負荷的最佳頻率進行插值計算，得到全負荷工況下的最佳頻率。

對于海水溫度的變化，可以根據(jù)凝汽器變工況計算來確定最佳頻率運行點，但是該計算量較大，且準確性也不高，所以按照簡單的熱平衡方法，對不同海水溫度下的最佳頻率進行了估算，得到了循環(huán)水泵的不同組合運行方式(圖6)和全工況下的最佳頻率值(表4)。

Hz

注：循環(huán)水泵主要組合運行方式為一變、二變、二變一工。

7結(jié)語

(1) 由于循環(huán)水泵變頻改造針對冬季工況進行，得到的是冬季工況下的最佳真空情況。

(2) 根據(jù)試驗得到了相關(guān)工況的最佳真空，給出了不同海水溫度和不同機組負荷情況下的循環(huán)水泵運行方式和最佳頻率；但是在DCS上組態(tài)相關(guān)運行比較復(fù)雜，暫時還是采用手動調(diào)整。

(3) 根據(jù)循環(huán)水泵變頻改造后的調(diào)試數(shù)據(jù)及運行情況，若以上一年度機組的負荷率及運行方式估算，2臺循環(huán)水泵變頻改造后預(yù)計全年可節(jié)電約6.34×106kW·h，按0.53元/(kW·h)計算，節(jié)省費用約336萬元，節(jié)電率約為22.1%，使廠用電率降至2.19%，節(jié)能效果明顯，按照投資250萬元計算，投資回收期在10個月左右，經(jīng)濟效益顯著。

參考文獻：

[1] 孫蘭英. 東部電廠循環(huán)水泵變頻改造報告[R]. 北京：華北電力設(shè)計院工程有限公司，2014.

[2] 陳鵬程. 東部電廠循環(huán)水泵變頻改造試驗方案[R]. 廣州：廣東粵能電力科技開發(fā)有限公司，2015.

Frequency Conversion Retrofit of a Circulating Water Pump for Power Plants

Chen Zhengjian

(Dongbu Power Plant, Shenzhen Energy Corporation, Shenzhen 518120, China)

Abstract：To guarantee that the flow rate of relevant circulating water pumps is higher than the minimum requirement and the top of the main pipeline can be filled with seawater after frequency conversion retrofit, operation limits are set through analysis and commissioning tests to secure the safety of related equipment and systems. Meanwhile, optimal operation conditions are found by tests and calculations after frequency conversion retrofit, so that the circulating water system can be operated under the best vacuum condition and become more flexible to the DSS operation mode, thus bringing remarkable economic benefit to the power plant.

Keywords：circulating water; frequency conversion; optimal vacuum; auxiliary power ratio

收稿日期：2015-10-20

作者簡介：陳正建(1981—)，男，工程師，主要從事燃氣輪機運行管理工作。E-mail: chenzhengjian@sec.com.cn

中圖分類號：TK477

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0183-05