不同容量循環水泵配置的節能研究

張震偉，謝尉揚，王艦

(浙江浙能能源技術有限公司，杭州市，310052)

0 引言

火力發電廠循環冷卻水量取決于機組負荷、冷卻水進水溫度和溫升，在一定水溫條件下，根據低壓缸排汽負荷變化及時提供合適的循環冷卻水量，保證合適的凝汽器真空，是火力發電廠循環水運行優化的一項重要內容。通過選擇不同容量的循環水泵，進行合理配置，可以獲得比較靈活的運行方式，滿足不同季節機組變工況運行的需要，取得更好的節能效果。

1 循環水系統傳統節能調節方法

火力發電廠傳統的循環水系統節能調節方法主要有:管路節流調節、循環水泵動葉調節、單機增減循環水泵臺數和擴大單元制方式下增減循環水泵數量調節［1-2］。目前使用最多的是擴大單元制方式下增減循環水泵數量調節和循環水泵動葉調節。

擴大單元制運行方式就是利用2臺機組配置的多臺循環水泵擴大成母管制供水，可根據季節變化實現靈活的循環水泵組合運行方式，但循環水管路布置較為復雜，單機循環水系統的故障可能會擴大到同母管的機組上，安全風險增大;同時，由于管路布置不對稱，會造成運行時機組間流量分配不均衡。由于擴大單元制方式節能效果明顯，目前國內大多數機組的循環水系統設計采用擴大單元制布置方式，如浙能紹興濱海熱電廠(2×300 MW)，單機配置2×50%等容量循環水泵，其運行參數如表1所示［3］。

表1 濱海熱電廠循環水泵運行參數Tab.1 Operation parameters of CWP for Binhai cogeneration plant

循環水泵動葉調節采用特殊的調節機構，在一定范圍內調整葉片角度，達到調整循環水泵出力的目的。雖然有許多機組采用動葉調節方式，如浙能嘉興發電廠一期(2×300 MW)和二期(4×600 MW)，但由于葉片調節裝置結構復雜，故障率高，實際運行中基本上也是按季節進行調節，無法達到完全按冷卻水溫度進行調節的目的，同時其初投資也較大，這種調節方式在已投產機組中并不占主流。

2 交流電機變速調節方法

由于火力發電廠循環水系統普遍按等容量循環水泵配置方案進行設計，限制了循環水泵組合的靈活性。所以，目前開展的循環水泵節能改造，通常是在維持現有系統設計，保留現有水泵設備的基礎之上，進行變流量技術改造。較為通行的方法是采用交流電機調速技術，主要有雙速電機調節和高壓變頻調節2 種方法［2，4］。

雙速電機調速技術是通過改變定子繞組的極對數，改變旋轉磁場同步轉速來進行調速［5-6］。改造時可以不更換原有的電機，費用低、設備簡單、可靠性高，適合冬季和春秋季調節，切換操作簡便。缺點是有級調速級差較大，低速時循環水泵效率有所降低［7-8］。

高壓變頻技術在理論上可以獲得高效率、大范圍的無級調速，但要達到完全的無級調速，仍需克服許多困難。首先是轉速太低會對推力瓦潤滑造成危害，其次是循環水溫和凝汽器真空調節存在著較大慣性遲緩，其無級變速功能很難獲得令人滿意的效果。如何根據不同水溫、不同汽輪機負荷，自動調節循環水泵頻率，實現循環水系統的智能運行調度，還有待于進一步探索。目前，只有少數電廠在技改時采用高壓變頻技術，如大唐七臺河電廠(2×350 MW)在2006年進行了循環水泵電機高壓變頻改造。

3 不同容量循環水泵配置

水泵軸功率正比于水泵的揚程、流量，而反比于效率。為說明問題，循環水泵以單元制的2×50%(方案1)和20%+30%+50%(方案2)配置為例，對不同容量循環水泵配置的節能機理進行分析。圖1為不同容量循環水泵運行特性曲線，曲線A為水泵特性曲線，曲線B為系統阻力特性曲線。

如圖1所示，設計工況下，額定流量時循環水泵工作點位置為點1，循泵揚程、流量分別為H1、Q1，軸功率大小可用點1、Q1、0、H1所封閉面積來表示。

圖1 不同容量循環水泵運行特性曲線Fig.1 characteristic curves of CWP with unequal capacity in parallel operation

當系統需水量降為75%額定流量時，方案1仍需2泵并聯，運行工作點由點1節流至點2，軸功率大小可用點2、Q2、0、H3所封閉面積來表示;而方案2則在30%+50%并聯方式下運行，工作點由點1移至點3，軸功率大小可用點3、Q3、0、H2所封閉面積來表示。圖1陰影部分面積ΔP就是方案2較方案1獲得的節能效果。

以濱海熱電廠為例，假設按上述2個方案配置，當系統需水量為75%額定流量時，分析不同容量循環水泵配置方式可獲得的節能效果，如圖2所示。

圖2中，2×50%配置方式下，2臺泵并聯經管路節流后，水泵揚程為24.2 m，總功率為額定負荷功率的91%;50%+30%配置方式下，2臺泵并聯經節流后，水泵揚程為20 m，水泵總功率為額定負荷功率的78%，節能顯著。

所以，不同容量循環水泵配置方案，就是在有限的循環水泵臺數下，通過運行方式的組合，盡可能滿足機組水量需求，從而減少由管路系統調整引起的壓頭裕量損失，保證水泵在最佳效率區運行，獲得較好的節能效果。如果在設計階段實施，還可以避免節能改造所增加的額外費用。

目前，國內300、600 MW機組大多采用2×50%容量循環水泵母管制設計方案，僅能提供50%、75%、100%共3種有效供水模式。如果同樣考慮每臺機組配2臺循環水泵，在采用40%+60%不同容量循環水泵配置時，可以獲得 40%、50%、60%、70%、80%、100%共6種有效循環水量組合，節能效果也將顯著提高。

4 不同容量循環水泵配置在1 000 MW機組上的應用

4.1 工程應用

對于1 000 MW超超臨界燃煤機組，現有循環水系統設計普遍采用2×50%或3×33%容量母管制配置，如果采用20%+30%+50%容量循環水泵優化配置，則可組合18種不同的運行方式，自10%至90%容量之間每級5%的梯度變化，基本能夠滿足機組在變工況運行時循環水系統全程調節的需要。

圖2 濱海熱電廠循環水泵運行特性曲線Fig.2 Characteristic curves of CWP in parallel operation in Binhai cogeneration plant

根據凝汽器內傳熱的熱平衡方程可知，若機組負荷、真空維持不變，即排汽量、排汽溫度恒定，當季節變化導致冷卻水溫上升，必須使冷卻水溫下降才能維持排汽溫度不變，也就是要增加循環冷卻水量。所以，根據機組設計背壓和凝汽器運行端差，由冷卻水溫升、流量和凝汽量之間的關系，就可以算出機組額定負荷下不同循環水溫對應的流量變化。

2×1 000 MW機組，每臺采用3×33%容量循環水泵和20%+30%+50%容量循環水泵配置在額定負荷下循環水流量隨水溫變化曲線如圖3所示。

圖3 2×1 000 MW機組循環水流量曲線Fig.3 Circulating water flow curves for 2×1 000 MW units

比較顯示，20%+30%+50%容量配置方案能更好地滿足機組循環水量需求，2條曲線之間形成的A、B、C共3個區域(25.7～27.2℃，18.2～23.5℃，15.6℃以下部分)為可節能區域。3×33%方案的供水量大大超過20%+30%+50%方案的供水量，最大時可達到17 000 m3/h。這3個區域相對應的時間工況為部分夏季時間、大部分春秋季時間和全部冬季時間，正是全年循環水泵節能調節運行最長的時段，這對于1 000 MW燃煤機組來說具有更加現實的節能意義。

4.2 節能效益分析

2×1 000 MW機組采用3×33%容量循環水泵母管制運行參數如表2所示。由于設計方案僅提供了3種運行方式，其余運行方式下的參數確定由流量內插值近似計算獲得。

從表2可以看出，由于不同運行方式下循環水泵設計揚程差異較流量差異更大，所以合理選擇循環水泵配置方式，可以有效降低運行壓頭裕量，由此獲得的節能效果也將相當顯著。

表2 2×1 000 MW機組3×33%容量循環水泵運行參數Tab.2 Operation parameters of 3 CWPs with 33%capacity in 2×1 000 MW units

該泵的揚程擬合方程式為

式中:H為揚程;Q為流量。

假設各循環水泵性能相似，如果不考慮管路系統的節流影響，則不同容量配置方案的節能效果比較如表3所示。本計算在循環水泵運行方式的匹配上，按照供水量大于需水量選取最接近供水模式，如夏季50%汽輪機熱耗保證(turbine heat acceptance，THA)工況，機組需水量約為設計總量的52%，3×33%設計方案最優供水模式為單機兩泵66%容量，而20%+30%+50%配置方案則按55%容量(雙機2×30%+50%)進行配置。20%+30%+50%配置方案各參數可由相同運行方式下的33%循泵參數確定。

表3 2×1 000 MW機組不同容量循環水泵配置節能效果比較Tab.3 Comparison of Energy saving effect for CWP with unequal capacity in 2×1 000 MW units

表3計算結果表明:變工況運行方式下，優化配置方案在春秋季THA、冬季50%THA運行工況下單機循泵軸功率比設計方案略有增加，其余變工況運行都能比設計方案有更好的節能效果。

5 結論

(1)不同容量循環水泵配置可通過運行方式的組合，盡可能滿足機組不同的循環水量需求，從而減少由管路系統調整引起的水泵壓頭裕量損失，保證水泵在最佳效率區運行，減少輔機功耗。

(2)20%+30%+50%容量配置方案組合基本能夠滿足機組在變工況運行時循環水系統全程調節的需要。

(3)不同容量循環水泵配置可以有多種選擇方式，具體應用中可以根據實際情況，綜合各種因素進行合理選擇，以獲得最佳的節能效果。

(4)不同容量循環水泵配置可以改變現有火力發電廠在生產投運后開展循環水泵改造的被動局面，將循環水系統的節能措施落實在循環水系統設計和循環水泵選型階段，更加符合循環水系統設計的初衷。但不同容量循環水泵配置同時也會給電廠的運行、檢修和備件帶來一定的不便。

［1］DL 5000—2000火力發電廠設計技術規程［S］.北京:中國電力出版社，2001.

［2］DL/T 1111—2009火力發電廠廠用高壓電動機調速節能導則［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］張震偉，王艦.浙江浙能紹興濱海熱電廠閉式冷卻系統循環水泵節能研究［R］.杭州:浙能技術中心，2010.

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