電廠(chǎng)循環(huán)水泵變頻調(diào)控的優(yōu)化與應(yīng)用

杜艷秋孫毅劉學(xué)亭高巖王強(qiáng)

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.中國(guó)電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東 濟(jì)南250100；3.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310027)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展，火力電廠(chǎng)既要做到節(jié)能降耗，又要逐步實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化。電廠(chǎng)各設(shè)備保持良好的性能，才能保證機(jī)組運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)安全。循環(huán)水泵是電廠(chǎng)的重要輔機(jī)之一，其用電量約占廠(chǎng)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(yùn)行工況直接影響到電廠(chǎng)整體機(jī)組的性能。循環(huán)水晝夜溫差大，機(jī)組對(duì)循環(huán)水的需求量變化也較大。機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率和運(yùn)行環(huán)境溫度實(shí)時(shí)變化，理論上要求循環(huán)冷卻水也要連續(xù)調(diào)節(jié)。但循環(huán)水系統(tǒng)存在不能連續(xù)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，常見(jiàn)的雙速調(diào)節(jié)和部分泵啟停方式會(huì)導(dǎo)致凝汽器的真空度不穩(wěn)定，無(wú)法保證電廠(chǎng)機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。為了降低耗電量，部分電廠(chǎng)將循環(huán)水泵的電機(jī)改為雙速電機(jī)，但依然無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求連續(xù)調(diào)節(jié)水量。采用定速或雙速配置的循環(huán)水泵只能依靠調(diào)節(jié)水泵數(shù)量實(shí)現(xiàn)，在一定程度上降低了耗電量，但這種調(diào)節(jié)方式依賴(lài)人為經(jīng)驗(yàn)操作從而增加了機(jī)組運(yùn)行的不確定性，難以適應(yīng)日益嚴(yán)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(jù)需求自動(dòng)調(diào)整水量，將對(duì)整個(gè)電廠(chǎng)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的提升具有重要意義。

針對(duì)以上問(wèn)題，諸多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究。王渡等[3]基于EBSLION仿真平臺(tái)搭建了2×660 MW超超臨界機(jī)組和4臺(tái)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(shù)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明運(yùn)行兩臺(tái)變頻循環(huán)水泵為最佳配置方案。路培林[4]對(duì)某發(fā)電公司3臺(tái)循環(huán)水泵(兩運(yùn)一備)進(jìn)行節(jié)能改造，完成了兩臺(tái)循環(huán)水泵的雙速改造，實(shí)現(xiàn)了改造簡(jiǎn)單、功耗較低的循環(huán)水泵組合運(yùn)行方式。杜虹曄[5]從水力部件方面簡(jiǎn)要分析和闡述了電廠(chǎng)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(chǎng)循環(huán)水泵運(yùn)行效率，避免了大量電力能源的消耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。趙愛(ài)軍等[6]基于永磁調(diào)速器的工作原理，分析了循環(huán)水泵永磁調(diào)速改造后的實(shí)際效果，即經(jīng)改造后永磁調(diào)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(yùn)行可靠性，同時(shí)指出該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。王勇[7]結(jié)合我國(guó)現(xiàn)役百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組一期工程的循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行實(shí)例和數(shù)據(jù)，分析其循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，并提出在實(shí)踐過(guò)程中依據(jù)最佳真空調(diào)整循泵的轉(zhuǎn)速或者運(yùn)行臺(tái)數(shù)[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(shí)機(jī)。張瑩[9]針對(duì)綏中發(fā)電廠(chǎng)二期工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，系統(tǒng)地分析了水泵運(yùn)行特性及變頻調(diào)速水泵的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在理論上對(duì)變速泵的節(jié)能效果給出量化的分析，但并未運(yùn)用在實(shí)際中[10]。黃鄭等[11]針對(duì)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行管理較為缺乏的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)水泵運(yùn)行管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于循環(huán)水泵優(yōu)化模型，對(duì)循環(huán)水泵低速泵運(yùn)行、高速泵運(yùn)行、雙泵運(yùn)行的運(yùn)行方式進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)。

綜上所述，目前對(duì)于火電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化，或側(cè)重于循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，或側(cè)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性，而工程上較少實(shí)現(xiàn)依據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)特性而連續(xù)調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水量。特別地，有些學(xué)者利用商業(yè)軟件對(duì)循環(huán)水泵的最優(yōu)搭配進(jìn)行模擬分析，但大多只存在模擬預(yù)測(cè)，還未運(yùn)用于實(shí)踐過(guò)程中?；诖?，文章根據(jù)凝汽器最佳真空度原理及電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)特性，針對(duì)某電廠(chǎng)的雙速水泵循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，通過(guò)增設(shè)電動(dòng)機(jī)高壓變頻器以及優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵運(yùn)行方式的優(yōu)化。該優(yōu)化控制系統(tǒng)取代了人工手動(dòng)操作啟停泵調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了依據(jù)實(shí)際需求對(duì)連續(xù)循環(huán)水量的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，使得機(jī)組節(jié)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1 電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)存問(wèn)題分析

1.1 研究對(duì)象

以某火力發(fā)電廠(chǎng)中300 MW發(fā)電機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，如圖1所示。循環(huán)水系統(tǒng)主要作用是將冷卻水通過(guò)循環(huán)水泵送至凝汽器，冷卻凝結(jié)汽輪機(jī)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(jīng)凝汽器升溫后的循環(huán)水通過(guò)冷卻塔降溫后再次經(jīng)循環(huán)水泵進(jìn)入凝汽器。

該機(jī)組汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的N300-170/537/537型亞臨界、一次中間再熱、反動(dòng)式兩缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)；配置上海電站輔機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的N-17650-6型單背壓?jiǎn)螝んw、對(duì)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(tái)沈陽(yáng)水泵廠(chǎng)生產(chǎn)的容量為50%的1400HB型可抽葉輪及導(dǎo)葉濕井立式混流循環(huán)水泵(記為X泵和Y泵)，最初兩臺(tái)循環(huán)水泵均為定速泵，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表1 循環(huán)水泵主要參數(shù)表

1.2 電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)現(xiàn)存技術(shù)問(wèn)題

根據(jù)不同季節(jié)的晝夜溫差特性，改造前的雙速循環(huán)水泵運(yùn)行方式為冬季單泵運(yùn)行、夏季雙泵運(yùn)行。特別地，晝夜溫差會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水量需求變化，循環(huán)水系統(tǒng)時(shí)常出現(xiàn)運(yùn)行一臺(tái)循環(huán)水泵流量不夠而運(yùn)行兩臺(tái)循環(huán)水泵流量過(guò)大的情況。隨著技術(shù)的進(jìn)步，三相異步電機(jī)可通過(guò)改變繞組接線(xiàn)方式來(lái)獲得兩種轉(zhuǎn)速，其改造費(fèi)用、維護(hù)保養(yǎng)運(yùn)行及可靠程度均具有很大優(yōu)越性[12]。因此，該廠(chǎng)首先對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行高低雙速改造。

根據(jù)循環(huán)水泵性能參數(shù)，X泵不做改造(水泵轉(zhuǎn)速依然為495 r/min，電流為185 A)，而Y泵改為雙速運(yùn)行(高速時(shí)水泵轉(zhuǎn)速為495 r/min，低速時(shí)則為425 r/min，且高速、低速運(yùn)行電流分別為165、142 A)。盡管如此，由于晝夜負(fù)荷和循環(huán)水溫的變化，運(yùn)行人員仍需要頻繁地對(duì)水泵進(jìn)行手動(dòng)調(diào)速。然而，這種人工手動(dòng)調(diào)節(jié)存在諸多不可控性，組合條件也相互制約，運(yùn)行參數(shù)不斷變化還存在較大的水量過(guò)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(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，還會(huì)給其他相關(guān)設(shè)備帶來(lái)安全隱患。

基于此，根據(jù)機(jī)組需求實(shí)時(shí)、連續(xù)調(diào)節(jié)循環(huán)水量將成為一個(gè)較新的研究課題。文章在循環(huán)水系統(tǒng)X泵增設(shè)了1臺(tái)自動(dòng)一拖一變頻器、1套優(yōu)化控制柜、流量計(jì)等相關(guān)設(shè)備及儀表，結(jié)合機(jī)組現(xiàn)有的溫度壓力測(cè)點(diǎn)，與集控室集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)實(shí)現(xiàn)通訊，實(shí)時(shí)采集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后得到變頻器最佳運(yùn)行頻率，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)調(diào)整循環(huán)冷卻水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)水量自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2 循環(huán)水系統(tǒng)變頻調(diào)控優(yōu)化及其數(shù)學(xué)建模

2.1 循環(huán)水泵變頻調(diào)控優(yōu)化理論依據(jù)

機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境因素存在連續(xù)變化的特點(diǎn)，理論上冷卻水量也應(yīng)該能夠連續(xù)調(diào)節(jié)。鑒于雙速循環(huán)水泵不能很好地完成電廠(chǎng)循環(huán)水量的調(diào)整，文章在原循環(huán)水系統(tǒng)基礎(chǔ)上變頻改造循環(huán)水泵，增設(shè)水量連續(xù)調(diào)節(jié)手段和優(yōu)化控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集機(jī)組及環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)分析計(jì)算后，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)循環(huán)水量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵自動(dòng)運(yùn)行方式，從而消除人為因素操作造成的不確定性，實(shí)現(xiàn)機(jī)組冷端設(shè)備節(jié)能降耗。

火力發(fā)電機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與其設(shè)備組成及系統(tǒng)特性有關(guān)，涉及汽輪機(jī)低壓缸末端、冷卻塔、凝汽器以及循環(huán)水泵等多種設(shè)備。同時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度等也是制約機(jī)組冷端系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要因素。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組冷端系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，先對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)凝汽器、循環(huán)水泵等運(yùn)行特性建立數(shù)學(xué)模型，并選取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，進(jìn)而優(yōu)化循環(huán)水泵的運(yùn)行方式。機(jī)組性能隨循環(huán)水量的變化如圖2所示。

圖2 機(jī)組性能隨循環(huán)水量變化示意圖

在一定范圍內(nèi)，增加水量有利于真空度降低、機(jī)組發(fā)電功率增加ΔN2，同時(shí)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(jī)組多發(fā)電和循環(huán)水泵耗功隨水量增加的趨勢(shì)不同，存在凈增功率最大ΔNmax時(shí)的運(yùn)行極值點(diǎn)(圖2中a點(diǎn))。通常該點(diǎn)水量稱(chēng)為最經(jīng)濟(jì)水量(或稱(chēng)最佳水量)Deco，對(duì)應(yīng)的真空度(圖2中b點(diǎn))為最經(jīng)濟(jì)真空度(或最佳真空度)peco，即增加循環(huán)水量使汽輪機(jī)電功率的增加值與循環(huán)水流量增加多耗功的差值達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的真空度[13]。同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷不斷變化，凝汽器真空隨之變化。

2.2 循環(huán)水泵數(shù)學(xué)模型

凝汽器中的循環(huán)水將汽輪機(jī)乏汽凝結(jié)成水，從而使得汽輪機(jī)進(jìn)汽和排汽之間形成壓差，使得高壓蒸汽在汽輪機(jī)缸體內(nèi)迅速流動(dòng)，推動(dòng)汽輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)做功。冷卻蒸汽后的循環(huán)水吸熱升溫，經(jīng)循環(huán)水泵又回到冷卻塔內(nèi)冷卻，再次循環(huán)。根據(jù)相似定律[14]可獲得轉(zhuǎn)速變化前后泵的揚(yáng)程H、流量Q及軸功率N與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，由式(1)～(3)表示為

式中n1和n2分別為水泵的兩個(gè)不同轉(zhuǎn)速，r/min；Q1和Q2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1和n2時(shí)對(duì)應(yīng)的體積流量，m3/s；H1和H2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1和n2時(shí)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，m。根據(jù)上述關(guān)系，功率N與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，降低轉(zhuǎn)速可以大幅度地降低功率[15]，使循環(huán)水泵運(yùn)行更省電。

根據(jù)伯努利方程以及電廠(chǎng)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，則循環(huán)水泵管路特性方程、揚(yáng)程—流量及效率—流量之間的可由式(4)～(7)表示為

式中H為揚(yáng)程，m；p1和p2分別為泵進(jìn)、出口處液體的壓力，Pa；v1和v2分別為流體在泵進(jìn)、出口處的流速，m/s；z1和z2分別為進(jìn)、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(jī)—凝汽器耦合運(yùn)行特性

凝汽器作為汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的重要輔機(jī)之一，具有凝結(jié)汽輪機(jī)排出的乏汽、在汽輪機(jī)排汽口建立真空度以及增大機(jī)組有效焓降的作用[16]，一般通過(guò)改善其傳熱性能來(lái)達(dá)到提高汽輪機(jī)系統(tǒng)效率的目的[17]。凝汽器壓力直接影響汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，且真空度的升高使得汽輪機(jī)的有效焓降低少，會(huì)影響汽輪機(jī)的出力和機(jī)組設(shè)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(fù)荷，kW；Dzp為凝汽器蒸汽負(fù)荷，即凝汽器入口蒸汽量，kg/s；hs為汽輪機(jī)的排汽焓值，kJ/kg；hc為凝結(jié)水的焓值，kJ/kg；K為總傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；Δtm為對(duì)數(shù)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(jìn)、出口溫度，℃。

無(wú)過(guò)熱及無(wú)過(guò)冷情況下，對(duì)數(shù)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(shù)計(jì)算由式(10)表示為

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

2.4 汽輪機(jī)背壓—功率特性模型

根據(jù)汽輪機(jī)背壓功率特性，汽輪機(jī)背壓引起功率的變化主要取決于末級(jí)功率變化。在其他條件不變時(shí)，背壓越高，汽輪機(jī)功率越小；背壓越低，汽輪機(jī)功率越高。汽輪機(jī)微增出力是指末級(jí)葉片在背壓微小變化條件下功率的變化，以曲線(xiàn)的形式表示出來(lái)就是汽輪機(jī)微增出力曲線(xiàn)，即汽輪機(jī)背壓—功率曲線(xiàn)。根據(jù)凝汽器背壓對(duì)功率的修正曲線(xiàn)，可擬合出功率P1與背壓Ps關(guān)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(guò)采集循環(huán)水流量、循環(huán)水進(jìn)出口溫度和壓力、大氣壓力、機(jī)組當(dāng)前功率等參數(shù)，對(duì)凝汽器換熱計(jì)算以及水泵性能分析，獲得發(fā)電負(fù)荷與水泵耗功差值的最大值，即獲得對(duì)應(yīng)輸入數(shù)據(jù)下應(yīng)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(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)水量的實(shí)時(shí)連續(xù)控制，同時(shí)獲得運(yùn)行優(yōu)化的機(jī)組的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

在秋季機(jī)組負(fù)荷基本維持在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行或約在260 MW運(yùn)行。由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，這里截取較為典型的24 h數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，循環(huán)水泵運(yùn)行方式為Y泵高速運(yùn)行和X泵變頻并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)時(shí)記錄循環(huán)水泵運(yùn)行頻率、耗電量、機(jī)組負(fù)荷以及真空度變化的關(guān)系。

3.1 凝汽器真空度波動(dòng)規(guī)律

凝汽器真空度是影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性及其安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，然而實(shí)際電廠(chǎng)運(yùn)行過(guò)程凝汽器真空度在大多時(shí)候無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)工況，嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性[18]。凝汽器真空度的升高會(huì)使得排氣缸溫度升高，引起汽輪機(jī)軸承中心偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起汽輪機(jī)振動(dòng)。電廠(chǎng)凝汽器一般運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，凝汽器真空度每增加1 kPa，汽輪機(jī)汽耗會(huì)增加1.5%～2.5%[19]。

利用電廠(chǎng)機(jī)組真空度測(cè)點(diǎn)獲得凝汽器真空度數(shù)值，則增設(shè)水量連續(xù)調(diào)節(jié)手段和優(yōu)化控制系統(tǒng)后，機(jī)組負(fù)荷與凝汽器真空度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示。機(jī)組發(fā)電負(fù)荷由295 MW降到260 MW，再由260 MW逐漸升到295 MW的過(guò)程中，由于增加了變頻優(yōu)化控制系統(tǒng)，改善了水泵運(yùn)行方式，使循環(huán)水系統(tǒng)水量調(diào)節(jié)按照實(shí)際需求連續(xù)調(diào)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(dòng)范圍小且穩(wěn)定，凝汽器運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)往年同期的負(fù)荷變化數(shù)據(jù)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(diào)控策略有效，將會(huì)促使機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性也進(jìn)一步提高。

圖3 凝汽器真空度、機(jī)組負(fù)荷隨時(shí)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(diào)速控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性調(diào)節(jié)。通過(guò)水泵進(jìn)出口水溫實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的線(xiàn)性調(diào)節(jié)，水量大小由變頻控制系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變來(lái)控制[20]。通過(guò)最佳真空度原理，可計(jì)算出最佳水量需求，對(duì)應(yīng)的變頻器運(yùn)行頻率則為最佳頻率。變頻器最佳運(yùn)行頻率與機(jī)組發(fā)電負(fù)荷、環(huán)境溫度、循環(huán)水進(jìn)出口溫度和大氣壓力等因素密切關(guān)系，然而機(jī)組負(fù)荷是影響循環(huán)水量的最重要因素。

變頻器運(yùn)行最佳頻率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖4所示。前11 h機(jī)組負(fù)荷基本穩(wěn)定在295 MW，經(jīng)優(yōu)化調(diào)控，X泵變頻器最佳頻率也基本穩(wěn)定在約42 Hz運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷下降至260 MW時(shí)，變頻器最佳頻率開(kāi)始下降，變頻器運(yùn)行頻率較機(jī)組負(fù)荷下降速度緩慢，為了避免水泵頻率變化過(guò)快影響機(jī)組穩(wěn)定性，最后下降至36 Hz穩(wěn)定運(yùn)行。在測(cè)試的22 h后，機(jī)組負(fù)荷開(kāi)始上升，慢慢上升至約295 MW，電動(dòng)機(jī)高壓變頻器運(yùn)行頻率也上升至最佳41 Hz。運(yùn)行過(guò)程中最佳頻率與機(jī)組負(fù)荷變化趨勢(shì)保持一致。隨機(jī)組負(fù)荷降低，變頻器最佳運(yùn)行頻率降低；機(jī)組負(fù)荷增加，變頻器最佳運(yùn)行頻率則增大。根據(jù)往年同期負(fù)荷變化數(shù)據(jù)可知，未加變頻控制系統(tǒng)前，水泵搭配方式為滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)定速泵與高速泵并聯(lián)運(yùn)行；負(fù)荷為260 MW時(shí)，循環(huán)水泵運(yùn)行方式時(shí)而定速泵和低速泵并聯(lián)運(yùn)行，時(shí)而定速泵與高速泵并聯(lián)運(yùn)行，并沒(méi)有嚴(yán)格的運(yùn)行規(guī)程指導(dǎo)。這種循環(huán)水泵運(yùn)行方式調(diào)整變化大，啟停泵次數(shù)多，耗電量大，最大運(yùn)行電流為定速泵和高速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電流為350 A(其中X泵電流為185 A、Y泵電流為165 A)。最小運(yùn)行電流也為定速泵與低速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行最佳頻率、發(fā)電負(fù)荷隨時(shí)間的變化圖

循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速與變頻器頻率成正比，變頻器通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)調(diào)整循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速。循環(huán)水泵總電流隨時(shí)間變化如圖5所示，可以看出，循環(huán)水泵變頻調(diào)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(cè)試過(guò)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(shì)一致。變頻器頻率增加，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速增大，水泵耗電量增大；變頻器頻率減小，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速減小，水泵耗電量減小。在測(cè)試的前11 h中，電動(dòng)機(jī)高壓變頻器頻率基本穩(wěn)定在42 Hz運(yùn)行，兩泵電流基本穩(wěn)定在299.3 A運(yùn)行，后面機(jī)組負(fù)荷下降使得變頻器頻率降低，兩泵電流由299.3 A開(kāi)始下降，水泵電流與變頻器頻率下降趨勢(shì)一致，最后下降在259.5 A運(yùn)行；在測(cè)試的22 h后，機(jī)組負(fù)荷開(kāi)始上升后變頻器運(yùn)行頻率上升，循環(huán)水泵電流上升，慢慢上升至285 A運(yùn)行。

圖5 循環(huán)水泵總電流、發(fā)電負(fù)荷隨時(shí)間變化圖

與往年同期類(lèi)似機(jī)組負(fù)荷對(duì)比，循環(huán)水泵或是定速泵搭配高速泵運(yùn)行，或是定速泵搭配低速泵運(yùn)行，不僅運(yùn)行耗電量大(最大電流可為X泵、Y泵并聯(lián)運(yùn)行電流350 A)，循環(huán)水量可調(diào)節(jié)范圍有限，不利于循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)也可以看出，循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)加上變頻器后耗電量減少，但依然保持了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，故循環(huán)水泵的運(yùn)行優(yōu)化方式成功。

以此類(lèi)推，在冬季環(huán)境氣溫低時(shí)，以往機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行單臺(tái)水泵或高速運(yùn)行或低速運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)有水泵變頻優(yōu)化控制后，只需運(yùn)行X泵加變頻控制系統(tǒng)，最低電流為運(yùn)行頻率為35 Hz時(shí)，電流為93 A，降低了72 A。該優(yōu)化控制系統(tǒng)冬季根據(jù)各參數(shù)需求連續(xù)調(diào)整循環(huán)水量，保持凝汽器高真空度穩(wěn)定運(yùn)行，減少人工操作，降低廠(chǎng)用電率，提高電廠(chǎng)整體的自動(dòng)化水平。

4 結(jié)論

文章依據(jù)最佳真空度原理，以某火力發(fā)電廠(chǎng)中300MW火力發(fā)電機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，在定速循環(huán)水泵上采用變頻控制系統(tǒng)裝置，根據(jù)系統(tǒng)各設(shè)備特有的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)分析優(yōu)化計(jì)算，探討了春秋兩季對(duì)循環(huán)水泵變頻控制的可行性。主要結(jié)論如下:

(1)經(jīng)變頻優(yōu)化控制后的系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定。測(cè)試的24 h中，機(jī)組負(fù)荷維持在260～300 MW之間時(shí)，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(jī)組運(yùn)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(jù)負(fù)荷變化調(diào)整變頻器最佳運(yùn)行頻率，循環(huán)水泵運(yùn)行最佳頻率受機(jī)組負(fù)荷變化影響較大，機(jī)組負(fù)荷降低時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率降低；機(jī)組負(fù)荷上升時(shí)，變頻器運(yùn)行頻率升高。同時(shí)，測(cè)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(chǎng)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

(3)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)變頻優(yōu)化控制后，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水量的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，提高了電廠(chǎng)的自動(dòng)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)電廠(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)變頻優(yōu)化控制后，真正將變頻技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，解決了長(zhǎng)期以來(lái)火電機(jī)組普遍存在的循環(huán)水不能連續(xù)調(diào)節(jié)的共性問(wèn)題。