火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)變頻節(jié)能優(yōu)化分析

王剛

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，為了能夠滿足社會電力能源的供應(yīng)，火力發(fā)電廠的建設(shè)規(guī)模不斷增加，而這也使得其正常運轉(zhuǎn)時耗費大量的能源，而循環(huán)水系統(tǒng)則是其中一個重要的耗能設(shè)備。循環(huán)水系統(tǒng)工作時會消耗大量的電力能源，因此必須要將其進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計，使其能夠在工作時發(fā)揮自身的作用，在閑置時，降低自身能耗的消耗，從而幫助火力發(fā)電廠提高經(jīng)濟效益，并且降低環(huán)境污染問題。因此，文章通過對循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式進(jìn)行分析，然后找出其需要進(jìn)行優(yōu)化的位置，并進(jìn)行相應(yīng)的解決，希望為火力發(fā)電廠的運行降低成本。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；循環(huán)水系統(tǒng)；變頻節(jié)能；優(yōu)化

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0162-03

Abstract： With the continuous development of social economy， in order to meet the supply of social electric energy， the scale of thermal power plant construction is increasing， which makes it consume a lot of energy when it is running normally. The circulating water system is one of the important energy consumption equipment. The circulating water system will consume a lot of electric energy when it is working， so it must be optimized reasonably， so that it can play its own role in the work， and reduce the consumption of its own energy consumption when it is idle. Thus， it can help thermal power plants to improve economic efficiency and reduce environmental pollution. Therefore， this paper analyzes the operation mode of circulating water system， and then finds out the location that needs to be optimized， and carries on the corresponding solution， hoping to reduce the cost for the operation of thermal power plant.

Keywords： thermal power plant； circulating water system； frequency conversion and energy saving； optimization

隨著我國對于環(huán)境保護(hù)政策標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，對于經(jīng)濟增長與環(huán)境污染之間的矛盾需要進(jìn)行有效改善，隨著能源資源的不斷緊缺，如何進(jìn)行節(jié)能減排是目前企業(yè)生產(chǎn)的一個重要問題和發(fā)展方向。因為火力發(fā)電廠屬于能源消耗的重點企業(yè)，并且火力發(fā)電廠也是污染排放最為嚴(yán)重的企業(yè)之一。因此如何對火力發(fā)電廠進(jìn)行節(jié)能環(huán)?？刂?，具有非常重要的經(jīng)濟效益和社會效益。而作為火力發(fā)電廠中能源消耗較大的水循環(huán)泵組，如何在不同的工作條件下選擇一個合理的配置，對整個火力發(fā)電廠發(fā)展來說非常重要。因此，下面通過對循環(huán)的方式進(jìn)行研究，來降低各種能源的消耗問題。

1 循環(huán)水系統(tǒng)運行方式概述

1.1 母管制循環(huán)水系統(tǒng)運行方式

目前，火力發(fā)電廠中應(yīng)用最早的一種水循環(huán)系統(tǒng)就是母管制循環(huán)水系統(tǒng)，這種方式目前只有一小部分的傳統(tǒng)火力發(fā)電廠才會使用，因為其只有在鍋爐與汽輪機臺數(shù)不相等的情況下使用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基本上已將將這種只建立一個管道的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。雖然這種母管制的循環(huán)水系統(tǒng)使用過程中非常穩(wěn)定可靠，并且能夠?qū)⒇?fù)荷最合理的進(jìn)行應(yīng)用，可是這種方式需要使用大量的元件，從而造成了成本投入的增加，并且控制的難度也在增大，不符合社會發(fā)展的需要。

1.2 單元制循環(huán)水系統(tǒng)運行方式

而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單元制循環(huán)水系統(tǒng)成為應(yīng)用最為廣泛的水循環(huán)系統(tǒng)之一。通過將汽輪機與鍋爐組成一個整體，然后將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接傳遞給汽輪機，這種循環(huán)系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)沒有任何的聯(lián)系。這種循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，不僅有利于進(jìn)行后期的維修，還能夠大大降低元件使用的數(shù)量。但是這樣兩個任意子系統(tǒng)間沒有聯(lián)系，導(dǎo)致其不能較為靈活的轉(zhuǎn)換，其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，將會影響整個循環(huán)系統(tǒng)的工作。因此，這種循環(huán)方式主要被應(yīng)用在再熱機組中。

1.3 擴大單元制循環(huán)水系統(tǒng)運行方式

而另一種常見的水循環(huán)系統(tǒng)則是擴大單元制循環(huán)水系統(tǒng)，其主要是介于單元制與母管制之間的一種方法。在單元制的基礎(chǔ)上，通過利用一個相應(yīng)的管道，將各子系統(tǒng)連接到一起。并且在對子系統(tǒng)間管道進(jìn)行設(shè)計時，需要將管道的直徑設(shè)計的小于鍋爐與汽輪機之間的管道。這種方式因為大量的管道連接，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在實際的使用過程中需要主要很多的問題。

2 循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟運行方式

對于火電廠來說，循環(huán)水泵越多，就越經(jīng)濟。這主要是因為當(dāng)循環(huán)水量足夠帶走汽化潛熱時，這是最好的經(jīng)濟循環(huán)，使汽輪機具有最佳的真空度。為了控制汽輪機的真空，必須對冷卻水進(jìn)行調(diào)解，冷卻水的溫度通常取決于自然條件，所以當(dāng)蒸汽負(fù)荷達(dá)到一定的條件時，凝汽器的真空度只有通過增加冷卻水的流量才能增加。所以，我們?yōu)榱四軌蛱岣哐h(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟性，這時就需要汽輪機的真空度進(jìn)行提高，此時的汽輪機功率ΔΝ1應(yīng)大于為增加循環(huán)水量所多消耗的功率ΔΝ2?？墒瞧啓C工作的最佳經(jīng)濟運行方式則為ΔΝ=ΔΝ1-ΔΝ2的最大值處。

當(dāng)ΔΝ在冷卻水量比較小的時候，其隨冷卻水量的增大而增加，因此當(dāng)達(dá)到經(jīng)濟運行方式時其值應(yīng)該為最大值。如果我們進(jìn)一步增加冷卻水的流量，所以應(yīng)該降低δυ直到最后的結(jié)果是零。因此，為了有效地確定汽輪機的最佳真空度，必須在此基礎(chǔ)上控制冷卻水的流量，使汽輪機的排氣壓力保持在最佳真空狀態(tài)。這樣，循環(huán)機組就可以長期保持經(jīng)濟運行的工作方式。

目前，火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)大多采用閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)。循環(huán)水的增加會增加循環(huán)水的循環(huán)倍率，循環(huán)水的損失也會增加。因此，循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水損失，必須增加補水量，增加火電廠水資源消耗，增加水資源成本，增加相關(guān)加工成本。此外，這一循環(huán)也會增加循環(huán)水的濃度，造成一系列問題，如增加化學(xué)污水處理成本等。

此外，由于冷卻塔的冷卻面積，冷卻方式也不變。循環(huán)水的增加導(dǎo)致了冷卻塔水密度的增加，使水的反向輻射變厚，水和空氣的換熱能力減弱。當(dāng)發(fā)生這種情況時，冷卻塔的水溫將高于1臺循環(huán)水泵運行時的水溫。因此，在循環(huán)水泵的調(diào)度中，需要通過綜合分析，選擇科學(xué)的循環(huán)水泵數(shù)量。例如，在下面的組合中，實際循環(huán)泵工作。夏季遇熱季節(jié)，為了達(dá)到相應(yīng)的冷卻水處理措施，可采用循環(huán)泵和雙泵加輔助循環(huán)泵運行。夏季負(fù)荷運行時，可采用循環(huán)泵、雙泵加開式循環(huán)冷卻水泵運行。循環(huán)泵和輔助泵的運行可用于夏季低負(fù)荷運行。另外，對于冬季滿載，可采用循環(huán)泵和開式循環(huán)冷卻泵。由于冬季比較冷，可以采用單循環(huán)泵，可以停止開式循環(huán)冷卻泵。此時，設(shè)計輔助循環(huán)水泵時，需要設(shè)置獨立的開式系統(tǒng)，不與循環(huán)水系統(tǒng)相連接，以保證啟動水系統(tǒng)的冷卻水流動的穩(wěn)定性。此外，由于循環(huán)泵通常不使用調(diào)速裝置，循環(huán)水量只能按階梯變化。對于一些有條件的火力發(fā)電廠，循環(huán)水泵可以改造成變頻水泵或液力偶合器泵，使運行更加靈活，但改造成本相對較高。

3 目前循環(huán)水泵運行中存在的問題

3.1 運行效率低

在火力發(fā)電廠的實際工作過程中，循環(huán)水泵的實際工程狀態(tài)是由水泵本身的性能曲線，以及整個循環(huán)系統(tǒng)的實際阻力曲線決定。因此在進(jìn)行設(shè)計時，為了整個循環(huán)系統(tǒng)的安全考慮，或是減少在阻力計算時的理想值與實際的誤差，這時設(shè)置者通常都會往往選擇一個比會實際所需要的揚程高的情況，而在這種情況下運行時，循環(huán)水系統(tǒng)必然導(dǎo)致水泵的運行效率低下，而水泵的實際運行功率增加，甚至?xí)^正常的配套電機的額定功率。

3.2 汽蝕

當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)中出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，那么將會使一些液體以氣泡的形式進(jìn)入泵內(nèi)的高壓區(qū)，當(dāng)這些氣泡進(jìn)入到循環(huán)泵的高壓區(qū)內(nèi)后，導(dǎo)致其局部產(chǎn)生高頻率、高沖擊力的水擊不斷打擊泵內(nèi)部件，特別是循環(huán)水泵的葉輪，從而使這些葉輪的表面產(chǎn)生蜂窩狀或海綿狀的損壞情況。并且，在凝結(jié)熱的促進(jìn)下，使得活性氣體對一些金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕效果，最終造成金屬表面出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象。因此，若水泵在循環(huán)水系統(tǒng)中的運行狀態(tài)偏離了高效率區(qū)，那么將會有可能造成循環(huán)水泵的汽蝕現(xiàn)象。而當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)的實際所需揚程低于水泵的設(shè)計揚程，那么水泵在大流量、低揚程、低效率的運行情況下就會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。而對于汽蝕現(xiàn)象造成的循環(huán)水泵振動大的特點，會使水泵受到嚴(yán)重影響最終影響裝置的壽命及系統(tǒng)的正常使用，當(dāng)然還有可能是系統(tǒng)安裝時出現(xiàn)的問題造成的水泵震動和噪音。

3.3 閥門開度小

正如上面提到的，在實際運行過程中，循環(huán)水系統(tǒng)中大部分實際揚程的揚程低于水泵，造成泵運行時流量大、效率低、能耗高的長期性，實際運行功率和水泵可能超過水泵電機功率等。因此，安裝和調(diào)試過程中需要安裝人員，手動泵出口閥關(guān)小，這樣實際操作會使泵揚程增加，實際水流量減少，有效地降低循環(huán)泵的運行功率，從而達(dá)到超流，最好不要燒壞電機。然而，這種操作可以降低泵的實際工作功率。但是，由于部分泵的能量消耗需要克服未全開的閥門，導(dǎo)致泵的部分能量損失，造成了相關(guān)能源消耗的嚴(yán)重浪費。

4 循環(huán)水系統(tǒng)變頻節(jié)能的優(yōu)化

4.1 汽輪機最有利真空度的確定

在火電廠循環(huán)水系統(tǒng)運行過程中，凝汽器是判斷真空度的重要指標(biāo)，采用該標(biāo)準(zhǔn)可有效地控制水流量。從理論上講，它可以有效地提高使用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。但就目前的設(shè)計和實際應(yīng)用效果而言，循環(huán)水系統(tǒng)中凝汽器的使用不夠合理。在循環(huán)水系統(tǒng)中，采用增加水量的方式，提高了真空度，但實際能耗仍然很高，導(dǎo)致凝汽器真空水的增加。因此，在確定真空度時，必須根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)的凈揚程和汽輪機的工作條件制定一個公式。

4.2 循環(huán)水泵流量-功能特性的確定

對循環(huán)水系統(tǒng)的性能和管理進(jìn)行了分析。在繪制相應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線時，這兩條曲線的交點是整個循環(huán)水系統(tǒng)的活動點。分析了系統(tǒng)的循環(huán)水流量和有效能量，得到了相應(yīng)的系統(tǒng)功耗。然而，在實際應(yīng)用的影響下，制造商需要提供流量和功耗曲線來完成這項工作。只有利用曲線才能準(zhǔn)確地設(shè)計流量和功耗公式，以獲得準(zhǔn)確的功耗。

4.3 單泵運行工況點的確定

在整個循環(huán)水系統(tǒng)的供需平衡點是需要確保在整個循環(huán)水系統(tǒng)的供給和需求的平衡點，使曲線可根據(jù)設(shè)計要求繪制相應(yīng)的比例，以及兩者之間的交叉點是整個工作曲線的平衡點。

4.4 雙泵并聯(lián)運行工況點的確定

循環(huán)水泵并聯(lián)運行主要是指在整個循環(huán)系統(tǒng)中對水循環(huán)的水流量要求很高，在單泵循環(huán)中不能達(dá)到這種情況，因此可以采用多泵循環(huán)來改善水流量。通過使用此循環(huán)，還可以有效地提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因為當(dāng)循環(huán)水泵出現(xiàn)問題時，其他泵不會受到影響，仍能繼續(xù)正常工作。針對上述問題，我們發(fā)現(xiàn)該方法對整個循環(huán)水系統(tǒng)具有重要意義，可廣泛應(yīng)用于火電廠實際循環(huán)水系統(tǒng)中。通過對上述并聯(lián)運行的介紹，可以得出總流量是多臺泵并聯(lián)運行后所有泵流量之和，但有效能量基本相同。但與單泵運行相比，并聯(lián)運行時的流量更高，使管理具有較高的阻力。為了有效地減小這種阻力對流量的嚴(yán)重影響，整個系統(tǒng)可以發(fā)揮最大的容量，并且必須具有更高的有效能量。因此，在實際控制過程中，整個循環(huán)水系統(tǒng)的有效能量會更高。

5 循環(huán)水系統(tǒng)備用期間的節(jié)能措施

目前，根據(jù)某公司對單軸機組的軸封供汽壓力和溫度的嚴(yán)格要求，為了保證汽輪機缸體不產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，所以在冷態(tài)啟動時，進(jìn)行軸封操作應(yīng)該提前4h進(jìn)行。而在備用期間必須確保軸封在機組啟動前1-2h正常運行。如果停機時間較短時，那么我們則可以考慮軸封不撤。因為這樣較為頻繁地進(jìn)行軸封的拆卸極易造成潤滑油系統(tǒng)帶水，而嚴(yán)重的影響機組運行。

首先，當(dāng)1h關(guān)閉時，進(jìn)行軸封，但真空不會被移除。此時可更換輔助循環(huán)水泵，關(guān)閉循環(huán)泵和開式循環(huán)泵，并可手動開啟開式循環(huán)水電動總閥和循環(huán)水旁通閥。在單元啟動之前，可以恢復(fù)原來的操作模式。其次，在冷、熱開啟準(zhǔn)備階段，軸封執(zhí)行時不能打開循環(huán)水泵，只開輔助循環(huán)水泵。啟動前恢復(fù)正常工作模式。最后，在冬季采用這種節(jié)能方法時，氣缸在低壓缸內(nèi)膨脹是必要的。因此，軸封和真空施工后，周圍環(huán)境對水溫的影響很小，真空度很高，但低壓缸的膨脹是不開放的。所以在冬季啟動前投軸封的階段，需要先采用此節(jié)能措施，并且根據(jù)實際的機組情況需要，進(jìn)行合理的控制真空值，從而確保機組缸體膨脹正常。通過對將該方案進(jìn)行優(yōu)化的效果進(jìn)行檢驗可以清楚的發(fā)現(xiàn)，這一種節(jié)能控制方式與以往的循環(huán)水系統(tǒng)控制方式相比，每年能夠減少大量的水資源使用，及成本投入。因此，該方案在實際當(dāng)中具有較高的應(yīng)用價值。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對于社會中環(huán)境保護(hù)的要求也在不斷提高。火力發(fā)電廠因為其能源消耗十分嚴(yán)重，并對自然環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響，從而使得人們的生活受到影響。所以，要想徹底的改變這些問題，必須要從火力發(fā)電廠中的各個設(shè)備方面進(jìn)行優(yōu)化，從而減少設(shè)備的能耗浪費問題，而針對火力發(fā)電廠中循環(huán)水系統(tǒng)來說，其耗能十分嚴(yán)重，所以必須要通過不斷地改進(jìn)對其進(jìn)行完善，從而幫助火力發(fā)電廠降低能源的消耗，使其能夠符合社會可持續(xù)發(fā)展的需要。

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