循環(huán)水泵采用變頻泵及雙速泵的調(diào)節(jié)研究

朱艷梅，李士超

(1 中國電力建設工程咨詢中南有限公司，湖北 武漢 430071；2 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司華中院，湖北 武漢 430077)

0 引言

在火力發(fā)電廠工程中純凝機組的循環(huán)水量變化較小，一般按照夏季、春秋季、冬季三種運行方式即可。對于2×350 MW等級機組來說，一般配置4臺循環(huán)水泵，運行循環(huán)水量占總循環(huán)水量的百分數(shù)可按表1選用[1]。

表1 運行循環(huán)水量百分數(shù)

由表1可知，配置4臺工頻泵時，改變水泵臺數(shù)調(diào)節(jié)總循環(huán)水量，只有4種水量可變即100%，85%、60%、30%。同理配置3臺水泵只有3種水量可變，配置2臺水泵只有2種水量可變。在火力發(fā)電廠工程中，供熱機組抽汽量變化不同，循環(huán)水量變化較大。即使同樣的裝機容量，在不同的工程中抽汽量、循環(huán)水量的變化也都不一樣。因此供熱機組中循環(huán)水泵的配置是比較復雜的問題。

在國內(nèi)已運行的熱電聯(lián)產(chǎn)中，循環(huán)水泵采用工頻泵+雙速泵配置較多，此配置下熱負荷的變化一般只能滿足有限的幾種工況，一般只在季節(jié)變化時改變水泵的轉(zhuǎn)速。已運行的熱電聯(lián)產(chǎn)中循環(huán)水泵也有采用變頻泵的工程，但使用并不廣泛。尤其當熱電聯(lián)產(chǎn)熱負荷變化大時，循環(huán)水泵采用工頻泵、雙速泵還是變頻泵的調(diào)節(jié)研究顯得尤為迫切。

本文研究2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程，工業(yè)抽汽量變化工況多，熱負荷變化大，對于循環(huán)水泵水量調(diào)節(jié)要求較多。因此循環(huán)水泵的采用工頻泵、雙速泵還是變頻泵以及何種組合配置的研究很有必要。本文主要從循環(huán)水泵的技術、經(jīng)濟及運行管理等方面做出了比較研究，并給出了結論和建議。

1 工程概況

河南省某2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程，循環(huán)水系統(tǒng)采用帶自然通風冷卻塔的擴大單元制循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)水泵的配置為1機2泵，共配置4臺循環(huán)水泵。

該電廠為熱電聯(lián)產(chǎn)工程，工業(yè)抽汽量變化大，熱負荷變化較大，凝汽量變化也大，因此循環(huán)水量變化范圍大，水量調(diào)節(jié)范圍較寬。為滿足循環(huán)水流量調(diào)節(jié)的需求，并起到節(jié)能、降耗的作用，提高循環(huán)水泵運行的經(jīng)濟性，在一定條件下論證工頻泵、雙速泵與變頻泵的運行工況，結合循環(huán)水泵的流量、揚程要求，找出變頻泵的變頻范圍。

2 供熱運行工況需求及循環(huán)水泵初步方案

2.1 供熱運行工況需求

業(yè)主提供的各種供熱運行工況的抽汽量的需求見表2。由于抽汽量變化，導致凝汽量及循環(huán)水量變化，理論上循環(huán)水量夏季冷卻倍率按55倍，冬季冷卻倍率按33倍計算。各典型工況下抽汽量—排汽量—循環(huán)水量見表2。

從表2可知，由于工業(yè)抽汽量的變化，需求的循環(huán)水量占總循環(huán)水量變化范圍為27.6%～100%，變化幅度較寬泛，大部分工況集中在50%循環(huán)水量以上。以下將根據(jù)循環(huán)水泵的水量變化范圍及供水揚程的要求，初步擬定循環(huán)水泵的型號及循環(huán)水泵的配置方案。

2.2 循環(huán)水泵初步方案

2.2.1 循環(huán)水泵初步配置方案

根據(jù)表2凝汽量變化及循環(huán)水量的變化，結合電廠循環(huán)水泵配置的工程經(jīng)驗，擬采用以下三種配置方案：

方案一：2臺工頻泵+2臺變頻泵；

方案二：4臺雙速泵；

方案三：4臺變頻泵。

2.2.2 循環(huán)水管路性能曲線

循環(huán)水母管管徑DN2400，支管管徑DN1800。冷卻塔豎井水位12.0 m，考慮0.6 m的裕量，管路靜揚程按照12.6 m計算。經(jīng)計算，擬合的單臺機組循環(huán)水管路性能曲線方程為：

式中：H為水泵揚程(m)；Q為水泵流量(m3/s)。

2.2.3 循環(huán)水泵初步選型

循環(huán)水泵的設計參數(shù)如下：

水泵類型：立式斜流泵

額定工況設計流量：4.73 m3/s；

額定工況設計揚程：22 m；

額定工況轉(zhuǎn)速：425 r/min。

以下章節(jié)將根據(jù)循環(huán)水泵初步方案對三種循環(huán)水泵的配置方案，匹配不同供熱工況的抽汽量運行需求，從流量調(diào)節(jié)范圍的寬度、連續(xù)性、變頻泵的變頻范圍、系統(tǒng)最低流量、水泵最低頻率、運行方式、運行管理及初始投資進行分析比較，推薦較優(yōu)的循環(huán)水泵配置方案。

表2 單臺機組不同工況下凝汽量及循環(huán)水量表

3 三種循環(huán)水泵配置方案的研究

3.1 方案一：2臺工頻泵+2臺變頻泵的配置研究

每臺機組配置1臺工頻泵和1臺變頻泵，2臺機組共配置2臺工頻泵和2臺變頻泵。循環(huán)水泵在此方案配置下可以組合多種運行工況，根據(jù)季節(jié)的變化4種典型運行方式為：每臺機組運行1臺工頻+1臺變頻； 2臺機組擴大單元制運行1臺工頻+1臺變頻或1臺工頻+ 1臺變頻；每臺機組運行1臺變頻泵；2臺機組運行1臺變頻泵。

3.1.1 循環(huán)水泵曲線

循環(huán)水泵的選型為66LKXA-22立式斜流泵。設計工況點Q= 4.73 m3/s，H= 22 m。循環(huán)水泵參數(shù)見表3，不同轉(zhuǎn)速及頻率下的Q-H曲線、Q-η曲線見圖1。

3.1.2 運行工況

采用變頻電機的水泵，理論上可以在25～50 Hz間，任意一點運行。實際上水泵能最低運行到哪個轉(zhuǎn)速、頻率，還要看水泵最低揚程要求。

表3 66LKXA-22型循環(huán)水泵參數(shù)表

從數(shù)據(jù)看，該項目水泵揚程至少有12.6 m，變頻運行后，泵的揚程不能低于該值，結合性能曲線，此時泵的頻率約為35.42 Hz。在35.42 Hz時，泵的最小流量運行參數(shù)為Q= 2.72 m3/s，H= 12.6 m。計算最小揚程時，采用靜揚程12.6 m，因此，實際最低運行頻率大于35.42 Hz。根據(jù)提供的曲線，最低頻率在36 Hz可以運行。此方案下三種運行方式、最低運行頻率及水泵流量揚程見表4，變頻泵與工頻泵并聯(lián)曲線及管路特性曲線見圖2。

3.1.3 分析及結論

此配置方案下，水泵運行方式、頻率變化、流量變化見表5。

表4 工頻泵與變頻泵并聯(lián)時各工況下變頻泵最低頻率

表5 工頻泵與變頻泵并聯(lián)時2臺機組運行方式及流量變化、頻率范圍

根據(jù)表4得出以下結論：

1)單臺機組運行1臺變頻泵時，理論上變頻泵的頻率在36 ～50 Hz之間是可以連續(xù)變化的，即單臺機組的水量變化范圍為3.0～5.8 m3/s，在此范圍內(nèi)變頻泵的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。

2)單臺機組1臺工頻+ 1臺變頻運行時，變頻泵到頻率為39 Hz與50 Hz并聯(lián)曲線很短，與水泵管路阻力特性曲線不能相交；變頻泵頻率42.87 Hz與50 Hz可并聯(lián)，但與水泵管路阻力特性曲線也不能相交；變頻泵頻率43.5 Hz可以與水泵管路阻力特性曲線相交，即變頻泵可在約43.5～50 Hz之間與工頻泵并聯(lián)。水量調(diào)節(jié)范圍也是連續(xù)的，單臺機組流量變化約8.0 ～ 9.46 m3/s。

3)同理分析流量變化在5.8～8.0 m3/s之間時，運行2機3泵，即2臺工頻+1臺變頻或者1臺工頻+ 1臺變頻。

3.2 方案二：4臺雙速泵配置研究

采用雙速泵時，低速泵轉(zhuǎn)速約370 r/min，相當于頻率約43.5 Hz變頻泵，2臺機組采用4臺雙速泵。雙速泵在高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速下的Q-H曲線、Q-η曲線見圖3。

4臺雙速泵配置可以組成以下14種運行方式，這14種運行方式下各水泵的流量、揚程以及并聯(lián)后的流量見表6。

可知理論上采用雙速泵有14種運行工況，2臺機組流量變化范圍為4.80～18.92 m3/s，流量范圍為25%～100%，不能連續(xù)調(diào)節(jié)流量，每次檔位跳檔精度約8%～10%。從表6看出2臺機組最低流量是2臺機組運行1臺低速泵(即工況9)Q= 4.80 m3/s，系統(tǒng)最低流量為17 280 m3/h。低速水泵流量變化范圍為2.56～4.80 m3/s，高速水泵流量變化范圍為4.73 ～ 5.8 m3/s。

3.3 方案一與方案二比較研究

方案一2臺工頻泵 + 2臺變頻泵并聯(lián)與方案二4臺雙速泵并聯(lián)綜合比較結果見表7。

兩種方案分析可得以下結論：

1)兩種配置的流量調(diào)節(jié)范圍：變頻泵比雙速泵的調(diào)節(jié)范圍要寬約10%，但流量在16%～25%之間的變化范圍內(nèi)基本無運行需求，因此從調(diào)節(jié)的范圍來說兩種配置均滿足要求。

2)采用工頻泵 + 變頻泵流量調(diào)節(jié)方式運行的工況有無數(shù)種，且流量調(diào)節(jié)范圍是連續(xù)的；雙速泵的流量調(diào)節(jié)不能連續(xù)，跳檔跨度約8%～10%。如果電廠在運行中要求流量調(diào)節(jié)要求精度在8%以內(nèi)仍能連續(xù)調(diào)節(jié)，則可選用變頻泵。

3)采用工頻泵 + 變頻泵設備造價比4臺雙速泵要高約80萬，另外增加一間房間的土建投資及空調(diào)配置，運行經(jīng)驗沒有雙速泵多。

3.4 方案三研究以及方案三與方案一比較研究

考慮方案一的配置在電廠中運行經(jīng)驗不是特別豐富，最好由調(diào)試所出具專門的運行報告，指導變頻泵如何進行調(diào)節(jié)。如果運行時操作不當，可能會造成跳閘故障，影響汽機機組運行安全。例如2臺機組運行2機4泵和2機3泵的變頻頻率是受限制的，并且變頻頻率范圍也不一樣，操作失誤則會導致循環(huán)水泵故障跳閘。

如果4臺泵全部采用變頻泵，運行時無論開幾臺泵，每臺泵的頻率都調(diào)節(jié)至相同頻率，且保證4臺泵的頻率均在36 Hz以上，則不會出現(xiàn)工頻泵與變頻泵并聯(lián)受約束導致故障。全部采用變頻泵2機4泵的流量調(diào)節(jié)范圍即可達到第2節(jié)抽汽量的變化需求。4臺變頻泵單泵流量及并聯(lián)總流量變化見表8。

從表8可知，該方案運行時不需運行2機3泵，即可實現(xiàn)流量變化范圍的連續(xù)調(diào)節(jié)。當頻率調(diào)至很低時，減少開啟循環(huán)水泵的臺數(shù)顯然功率更低、更經(jīng)濟。全部采用變頻泵相比較變頻與工頻的配置方式調(diào)節(jié)上更靈活，不受限制。

另方案一與方案三在流量調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)連續(xù)性等其它方面相同。方案三比方案一(2臺變頻泵 + 2臺工頻泵)投資增加2臺變頻器及電機的費用約200萬元。

表7 工頻泵與變頻泵并聯(lián)與4臺雙速泵并聯(lián)的比較

表8 4臺變頻泵運行頻率及流量變化范圍

3.5 三種方案的初始投資比較

本文不計算循環(huán)水泵設備及泵房的土建總投資，只計算與配置4臺工頻泵相比較，三種方案分別增加的設備費用及土建費用。

1)設備投資

三種方案由于電機及變頻器導致增加的設備投資分別為：

方案一：2臺工頻泵 + 2臺變頻泵增加約200萬；

方案二：4臺雙速泵增加約120萬；

方案三：4臺變頻泵增加400萬。

2)土建投資

方案一、方案三：需增加一座恒溫房間布置變頻器，增加的土建投資及空調(diào)配置另計；

方案二：不另增加土建投資。

4 結論

1)三種方案流量調(diào)節(jié)范圍均滿足抽汽量變化大、循環(huán)水量變化范圍的需求。不同的方案在流量調(diào)節(jié)連續(xù)性、運行管理以及初始投資有差別。

2) 4臺泵的最低流量工況均為2臺機組運行1臺水泵，因此流量調(diào)節(jié)寬度變頻泵配置為16%～100%，雙速泵為25%～100%，但流量調(diào)節(jié)25%～100%之間已滿足了抽汽量變化需求。變頻方案雖比雙速方案調(diào)節(jié)范圍寬，但16%～25%的范圍基本不運行，屬無效調(diào)節(jié)。

3)采用4臺雙速泵運行經(jīng)驗比較豐富，但不能連續(xù)調(diào)節(jié)，運行工況值比較固定，約14種組合工況，流量調(diào)節(jié)寬度25%～100%，跳檔跨度約8%～10%。

4)采用2臺工頻泵 + 2臺變頻泵

每臺機組工頻與變頻并聯(lián)時最低頻率43.5 Hz，流量變化范圍84%～100%。每臺機組運行1臺變頻泵時最低頻率可低至36 Hz，流量調(diào)節(jié)范圍 29%～61%，61%～84%范圍內(nèi)需通過2機3泵方式實現(xiàn)。流量可以連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍比較寬，工頻泵與變頻泵并聯(lián)運行有一定風險，調(diào)節(jié)不當可能導致循環(huán)水泵跳閘，建議由調(diào)試所出具專門的調(diào)節(jié)運行指導報告。

5)采用4臺變頻泵運行，變頻泵運行最低頻率可低36 Hz。2臺泵并聯(lián)調(diào)節(jié)范圍可達31%～100%，運行工況有無數(shù)種。可以連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍比較寬，變頻泵運行均調(diào)節(jié)至同一頻率，基本無風險。運行時不需2機3泵的方式即可實現(xiàn)流量變化范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

6)配置變頻泵時，變頻器需要設置單獨的房間以保持室內(nèi)恒溫，方案一和方案三需增加土建投資。

5 建議

1) 雙速泵運行經(jīng)驗豐富，滿足熱負荷調(diào)節(jié)范圍的流量變化，投資最低。對流量調(diào)節(jié)精度無特別要求時，推薦4臺雙速泵方案。

2) 2臺變頻泵 + 2臺工頻泵，滿足熱負荷調(diào)節(jié)范圍的流量變化，并能連續(xù)調(diào)節(jié)，循環(huán)水泵切換時無須停泵，運行方便，相比雙速泵投資增加較少。調(diào)節(jié)精度要求高及考慮切換水泵運行方便時，推薦2臺變頻泵 + 2臺工頻泵方案。

3)工頻泵和變頻泵并聯(lián)匹配時，應有調(diào)試所出具的研究報告指導運行調(diào)節(jié)，如運行管理調(diào)節(jié)不當，會造成跳檔停機，有一定風險。

4)選擇采用變頻泵方案后，采用4臺變頻泵可大大降低運行管理難度及風險。

值得一提的是，根據(jù)筆者本文的循環(huán)水泵采用雙速泵及變頻泵的調(diào)節(jié)研究，該工程業(yè)主循環(huán)水泵最終采用了4臺變頻泵，目前循環(huán)水泵已完成安裝施工。