王 林

（國家能源集團(tuán) 安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246000）

0 引言

國家能源集團(tuán)某電廠#3、#4 機(jī)組為容量為2×1000MW燃煤機(jī)組，采用自然通風(fēng)高位收水冷卻塔的二次循環(huán)冷卻水系統(tǒng)[2]。循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)主要通過整臺泵的切入，1 臺機(jī)組配置3 臺循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)手段單一。目前循環(huán)水泵運(yùn)行方式為春、秋、冬季二運(yùn)一備，夏季及機(jī)組真空度較差時(shí)3 臺循泵運(yùn)行，在冬季或低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，冷卻塔出塔水溫和凝汽器背壓過低，廠用電耗高，經(jīng)濟(jì)性較差[3]。

為了提高電廠經(jīng)濟(jì)效益，減少廠用電耗，要求循環(huán)水系統(tǒng)根據(jù)汽輪機(jī)負(fù)荷和冷卻水溫度及時(shí)調(diào)整循環(huán)水流量，最終實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。在不同環(huán)境溫度和負(fù)荷下滿足凝汽器真空值要求，同時(shí)減少循環(huán)水系統(tǒng)廠用電負(fù)荷，提高電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，擬通過對#3、#4 機(jī)組循環(huán)水水泵電機(jī)極對數(shù)改造，增加循環(huán)水泵低速功能，實(shí)現(xiàn)根據(jù)季節(jié)、循環(huán)水進(jìn)水溫度和凝汽器真空度情況調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運(yùn)行方式[4]，通過調(diào)速減少循環(huán)水泵電耗，降低廠用電負(fù)荷，提高電廠經(jīng)濟(jì)性。

表1 AFT Fathom計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果比較Table 1 Comparisons between the calculated results of AFT fathom and those of design

圖1 國家能源集團(tuán)某電廠#3、#4機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算模型Fig.1 Calculating model of circulating water system of #3 and #4 units in Anqing Power Plant

1 AFT建模計(jì)算分析

為提高計(jì)算精度，減少人工工作量，本工程循環(huán)水系統(tǒng)水力計(jì)算采用AFT 軟件Fathom 模塊建模計(jì)算[5]。管道水力計(jì)算采用達(dá)西-維斯巴赫公式[6]，水力摩阻系數(shù)按照柯列布魯克-懷特公式進(jìn)行計(jì)算。參考清洗后腐蝕不嚴(yán)重的舊鋼管，當(dāng)量粗糙度取0.15mm。循環(huán)水系統(tǒng)出口定為液位邊界條件，輸入中央豎井液位值，循環(huán)水系統(tǒng)入口定為液位邊界條件，輸入回水槽水位值。計(jì)算采用基于AFT 水力模型的穩(wěn)態(tài)分析。

本文計(jì)算模型如圖1 所示，AFT Fathom 軟件計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表1。

模型計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)工況符合度較高，計(jì)算是可靠的[7]。

AFT Fathom 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)比較見表2。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)基于Fathom 的計(jì)算水泵總揚(yáng)程與供水高度呈線性關(guān)系，與理論分析一致，存在監(jiān)測誤差。誤差的主要來源有3 點(diǎn)：①儀表精度的問題；②由于泵本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成的波動(dòng)誤差；③現(xiàn)場的數(shù)據(jù)收集時(shí)存在一定的誤差[8]。

通過AFT Fathom 軟件建模進(jìn)行水力計(jì)算，輸入設(shè)計(jì)工況邊界條件，計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)工況保持較高一致性。因此，認(rèn)為本工程模型和邊界條件設(shè)置是可靠的。考慮到現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)精度低，且無流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和規(guī)律性較差，無法根據(jù)已收集數(shù)據(jù)確定現(xiàn)場循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)際工況點(diǎn)。因此，無法對比理論計(jì)算值和實(shí)際情況的偏差[9]。為避免人為調(diào)整系統(tǒng)阻力曲線帶來更大的計(jì)算偏差，本文根據(jù)設(shè)計(jì)值，按理論計(jì)算進(jìn)行循環(huán)水系統(tǒng)高低速分析。

表2 #3機(jī)組AFT Fathom計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)比較Table 2 #3 Unit AFT Fathom comparisons with field instrument monitoring data

表3 #4機(jī)組AFT Fathom計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場儀表監(jiān)測數(shù)據(jù)比較Table 3 #4 Comparisons of AFT Fathom calculations and field instrument monitoring data for units

2 循環(huán)水泵增加低速功能改造可行性分析

2.1 循環(huán)水泵高低速并聯(lián)運(yùn)行基本要求

每臺機(jī)組2 臺循環(huán)水泵增加低速功能，改造后循環(huán)水系統(tǒng)各種運(yùn)行方式應(yīng)滿足3 個(gè)基本要求：①不同環(huán)境溫度及機(jī)組負(fù)荷條件下，滿足凝汽器真空值要求；②循環(huán)水泵在水泵廠家推薦的高效區(qū)運(yùn)行，避免循環(huán)水泵運(yùn)行出現(xiàn)異常振動(dòng)、噪音等現(xiàn)象；③滿足凝汽器最小流速要求，避免凝汽器冷凝管流量分配不均勻性[10]。

循環(huán)水泵增加低速功能改造后，高速轉(zhuǎn)速為370RPM，低速轉(zhuǎn)速為330RPM，改造后循環(huán)水泵高低速特性曲線如圖2 所示。

2.2 三泵并聯(lián)運(yùn)行工況計(jì)算

三泵并聯(lián)運(yùn)行工況有3 種：3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速。三泵并聯(lián)工況循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算模型如圖3 所示。

圖2 改造后循環(huán)水泵高低速特性曲線Fig.2 High and low speed characteristic curve of circulatingwater pump after transformation

三泵并聯(lián)運(yùn)行工況下，冷卻塔全塔配水運(yùn)行，參考設(shè)計(jì)工況[11]，冷卻塔供水高度取值7.4m。輸入循環(huán)水泵特性曲線，計(jì)算循環(huán)水系統(tǒng)三泵工況（3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速）復(fù)合泵特性曲線及系統(tǒng)阻力曲線如圖4 所示（以#3 機(jī)組3 泵高速工況為例），3 泵并聯(lián)工況（3 高速、2 高速1 低速和1 高速2 低速）循環(huán)水系統(tǒng)工作點(diǎn)見表4。

圖3 三泵并聯(lián)工況循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of three-pump parallel working condition circulating water system

表4 #3機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)3泵并聯(lián)工況各運(yùn)行方式工況點(diǎn)Table 4 #3 Unit circulating water system 3 pumps parallel operating mode operating points

由表4 中可以看出2 泵高速1 泵低速和1 泵高速2 泵低速并聯(lián)運(yùn)行工況，低速循環(huán)水泵運(yùn)行效率點(diǎn)較低[12]。低速泵偏離廠家推薦工作點(diǎn)較小，根據(jù)廠家的確認(rèn)，認(rèn)為在可接受范圍內(nèi)。

2.3 兩泵并聯(lián)運(yùn)行工況分析

兩泵并聯(lián)運(yùn)行工況有3 種：2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速，兩泵并聯(lián)工況循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算模型如圖5所示。

兩泵并聯(lián)運(yùn)行工況，參考設(shè)計(jì)工況，冷卻塔供水高度取值8.1m[13]。輸入循環(huán)水泵特性曲線，計(jì)算循環(huán)水系統(tǒng)兩泵工況（2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速）復(fù)合的泵特性曲線及系統(tǒng)阻力曲線如圖6 所示（以#3 機(jī)組2 泵高速工況為例）。

兩泵并聯(lián)工況（2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速）循環(huán)水系統(tǒng)工況點(diǎn)見表5。

從表5 中可以看出，2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2泵低速并聯(lián)運(yùn)行工況，循環(huán)水泵均在較高效率區(qū)運(yùn)行，在可接受范圍內(nèi)。

2.4 不同運(yùn)行工況比較及運(yùn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總流量和輔機(jī)流量，計(jì)算得到凝汽器冷卻水管流速。3 泵并聯(lián)工況和2 泵并聯(lián)工況，凝汽器冷卻水管冷卻水最小流速為1.4m/s ＞0.9m/s,最大流速為2.18m/s＜2.5m/s，滿足相關(guān)規(guī)范要求[14]。

3 泵并聯(lián)工況包括：3 泵高速、2 泵高速1 泵低速和1泵高速2 泵低速并聯(lián)運(yùn)行工況。以#3 機(jī)組為例，2 泵高速1 泵低速循環(huán)水泵運(yùn)行效率點(diǎn)84.58%，偏離廠家推薦工況點(diǎn)較多，不建議該工況運(yùn)行；1 泵高速2 泵低速并聯(lián)運(yùn)行低速泵效率在86.27%，在可接受范圍內(nèi)。2 泵并聯(lián)工況：2 泵高速、1 泵高速1 泵低速和2 泵低速并聯(lián)運(yùn)行工況，循環(huán)水泵均在較高效率區(qū)運(yùn)行，單泵效率均在88%以上。

單泵運(yùn)行工況，循環(huán)水泵工作點(diǎn)效率在84%/86%（高速/低速），單泵高速工況點(diǎn)已處在廠家提供特性曲線之外，單泵低速運(yùn)行循環(huán)水流量較小，凝汽器流速過小。因此，不推薦采用單泵運(yùn)行工況。

圖5 兩泵并聯(lián)工況循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of circulating water system for two pumps in parallel operation

圖4 #3機(jī)組3泵高速工況復(fù)合的泵特性曲線和系統(tǒng)阻力曲線Fig.4 Compound pump characteristic curve and system resistance curve of #3 unit under high speed condition

根據(jù)以上分析，優(yōu)化運(yùn)行方案如下：5 ～10 月多年月平均氣象條件下，環(huán)境溫度較高，3 臺循環(huán)水泵全部高速運(yùn)行，11 月份2 臺循環(huán)水泵高速運(yùn)行。即循環(huán)水泵增加低速功能改造后，5 ～11 月份循環(huán)水泵運(yùn)行方式與原設(shè)計(jì)工況相同。12 月～3 月采用2 泵低速運(yùn)行替代原設(shè)計(jì)兩泵高速運(yùn)行工況，4 月份采用1 泵高速2 泵低速運(yùn)行替換原設(shè)計(jì)3 泵高速運(yùn)行工況，以減少廠用電耗[15]。

圖6 #3機(jī)組2泵高速工況復(fù)合的泵特性曲線和系統(tǒng)阻力曲線Fig.6 Pump characteristic curve and system resistance curve of #3 unit two-pump high-speed working condition

3 循環(huán)水泵增加低速功能改造經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 改造后廠用電節(jié)省量分析

12 月～3 月冬季原先需要2 臺高速泵運(yùn)行滿足凝汽器真空度要求，改造后2 泵低速運(yùn)行即可滿足運(yùn)行要求；4 月份原系統(tǒng)需要3 泵高速并聯(lián)運(yùn)行，改造后1 泵高速2 泵低速運(yùn)行即可；其他月份省電空間較小，不考慮。以#3 機(jī)組為例，單臺機(jī)組高低速改造后12 ～3 月和4 月節(jié)省電量見表6 和表7。

表5 #3機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)兩泵并聯(lián)工況各運(yùn)行方式工況點(diǎn)Table 5 #3 unit circulating water system two pump parallel working conditions operating mode point

表7 循環(huán)水泵增加低速功能改造后單臺機(jī)組4月份節(jié)省電量Table 7 Electricity savings of single unit in April after low speed functional improvement of circulating pump

表6 高低速改造后單臺機(jī)組12月～3月份節(jié)省電量Table 6 Power savings of single unit in 12-march after high and low speed revamping

表9 改造后12月～4月份增加煤耗量Table 9 Increasing coal consumption in december-April after reformation

表8 不同背壓機(jī)組熱耗變化Table 8 Changes in heat consumption of different back pressure units

3.2 改造后增加煤耗量分析

循環(huán)水泵增加低速功能改造后，12 月～3 月采用2 泵低速運(yùn)行替代原設(shè)計(jì)2 泵高速運(yùn)行，4 月份采用1 泵高速2泵低速替代原設(shè)計(jì)3 泵高速運(yùn)行工況。由于循環(huán)水流量減少，凝汽器背壓相應(yīng)升高，電廠的煤耗會(huì)相應(yīng)增加。

根據(jù)安慶電廠熱機(jī)工藝設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)煤種單臺鍋爐小時(shí)燃煤量為373.76t/h（BMCR），改造后12 月～4 月份增加煤耗量估算見表9。

3.3 改造后綜合經(jīng)濟(jì)性分析

電價(jià)取0.35 元/KW·h，標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)取750 元/t，計(jì)算循環(huán)水泵增加低速功能改造后，1×1000MW 機(jī)組年收益見表10。

表10 循環(huán)水泵增加低速功能改造后單臺機(jī)組年收益Table 10 Annual revenue of single unit after low speed functional improvement of circulating pump

擬對每臺機(jī)組3 臺定速循環(huán)水泵中2 臺增加低速運(yùn)行功能，改造后冬季12 月～3 月份采用2 泵低速運(yùn)行，4 月份1 泵高速2 泵低速運(yùn)行。

通過測算可得，單臺1×1000MW 機(jī)組年節(jié)約廠用電3223.14MW·h，電價(jià)取0.35 元/KW·h，年增加煤耗986.09t，煤價(jià)取750 元/t，測算改造后電廠單臺機(jī)組年效益68.77 萬元，2 臺機(jī)組年增加效益137.54 萬元，經(jīng)濟(jì)性十分可觀。

4 結(jié)論

本文對國家能源集團(tuán)某電廠每臺機(jī)組3 臺循環(huán)水泵中的2 臺循環(huán)水泵進(jìn)行改造分析，通過改造電機(jī)的極對數(shù)增加低速運(yùn)行功能，高速轉(zhuǎn)速為370RPM，低速轉(zhuǎn)速為330RPM。改造后循環(huán)水泵運(yùn)行可根據(jù)環(huán)境溫度和機(jī)組負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)手段豐富，在保證機(jī)組真空值前提下，通過調(diào)速減少循環(huán)水泵電耗，降低廠用電負(fù)荷[16]，具有較大節(jié)能空間，節(jié)能效果十分明顯。