電廠循環水泵變頻調控的優化與應用

杜艷秋孫毅劉學亭高巖王強

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.中國電建集團核電工程有限公司，山東 濟南250100；3.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州310027)

0 引言

隨著大數據、人工智能的發展，火力電廠既要做到節能降耗，又要逐步實現智能自動化。電廠各設備保持良好的性能，才能保證機組運行更加經濟安全。循環水泵是電廠的重要輔機之一，其用電量約占廠用電量的10%～17%，約占總發電量的1%～1.5%[1-2]，循環水泵的運行工況直接影響到電廠整體機組的性能。循環水晝夜溫差大，機組對循環水的需求量變化也較大。機組運行負荷率和運行環境溫度實時變化，理論上要求循環冷卻水也要連續調節。但循環水系統存在不能連續調節的問題，常見的雙速調節和部分泵啟停方式會導致凝汽器的真空度不穩定，無法保證電廠機組經濟、安全運行。為了降低耗電量，部分電廠將循環水泵的電機改為雙速電機，但依然無法根據實際需求連續調節水量。采用定速或雙速配置的循環水泵只能依靠調節水泵數量實現，在一定程度上降低了耗電量，但這種調節方式依賴人為經驗操作從而增加了機組運行的不確定性，難以適應日益嚴峻的節能減排要求。因此，優化循環水系統，使其能夠根據需求自動調整水量，將對整個電廠發電經濟性的提升具有重要意義。

針對以上問題，諸多學者開展了相關的研究。王渡等[3]基于EBSLION仿真平臺搭建了2×660 MW超超臨界機組和4臺循環水泵的仿真模型，分析了循環水系統中循環水泵不同配置方案的技術經濟性，結果表明運行兩臺變頻循環水泵為最佳配置方案。路培林[4]對某發電公司3臺循環水泵(兩運一備)進行節能改造，完成了兩臺循環水泵的雙速改造，實現了改造簡單、功耗較低的循環水泵組合運行方式。杜虹曄[5]從水力部件方面簡要分析和闡述了電廠循環水泵節能改造的方式方法，優化了循環水泵水利部件的，提升了電廠循環水泵運行效率，避免了大量電力能源的消耗，達到了節能的目的。趙愛軍等[6]基于永磁調速器的工作原理，分析了循環水泵永磁調速改造后的實際效果，即經改造后永磁調速器能夠有效地降低循環水泵的能耗，并提高系統的運行可靠性，同時指出該技術具有廣闊的應用前景。王勇[7]結合我國現役百萬千瓦級核電機組一期工程的循環水泵優化運行實例和數據，分析其循環水泵的運行方式，并提出在實踐過程中依據最佳真空調整循泵的轉速或者運行臺數[8]，在不降低電站安全性的情況下，尋找循環水泵高低速切換的最佳時機。張瑩[9]針對綏中發電廠二期工程2×1 000 MW超超臨界燃煤機組循環水系統的運行特點，系統地分析了水泵運行特性及變頻調速水泵的運行經濟性，在理論上對變速泵的節能效果給出量化的分析，但并未運用在實際中[10]。黃鄭等[11]針對燃氣—蒸汽聯合循環機組循環水泵運行管理較為缺乏的現狀，設計并開發了燃氣—蒸汽聯合循環機組循環水泵運行管理系統。該系統基于循環水泵優化模型，對循環水泵低速泵運行、高速泵運行、雙泵運行的運行方式進行及時調整，實現循環水泵優化運行指導。

綜上所述，目前對于火電廠循環水系統優化，或側重于循環水泵結構上的優化，或側重于增加循環水泵的搭配方式，但也只是在一定程度上降低了用電量，增加了運行的經濟穩定性，而工程上較少實現依據循環水系統特性而連續調節循環冷卻水量。特別地，有些學者利用商業軟件對循環水泵的最優搭配進行模擬分析，但大多只存在模擬預測，還未運用于實踐過程中。基于此，文章根據凝汽器最佳真空度原理及電廠循環水系統特性，針對某電廠的雙速水泵循環水系統進行優化改造，通過增設電動機高壓變頻器以及優化控制系統，實現循環水泵運行方式的優化。該優化控制系統取代了人工手動操作啟停泵調節方式，實現了依據實際需求對連續循環水量的自動控制調節，使得機組節能安全穩定運行，從而取得了明顯的經濟效益。

1 電廠循環水系統現存問題分析

1.1 研究對象

以某火力發電廠中300 MW發電機組循環水系統為研究對象，如圖1所示。循環水系統主要作用是將冷卻水通過循環水泵送至凝汽器，冷卻凝結汽輪機低壓缸的排汽，維持凝汽器真空度，使汽水循環得以繼續。經凝汽器升溫后的循環水通過冷卻塔降溫后再次經循環水泵進入凝汽器。

該機組汽輪機是上海汽輪機廠生產的N300-170/537/537型亞臨界、一次中間再熱、反動式兩缸兩排汽凝汽式汽輪機；配置上海電站輔機廠生產的N-17650-6型單背壓單殼體、對分雙流程、表面式凝汽器。其中，凝汽器冷卻水系統采用單元制循環供水冷卻方式，循環冷卻水系統配套兩臺沈陽水泵廠生產的容量為50%的1400HB型可抽葉輪及導葉濕井立式混流循環水泵(記為X泵和Y泵)，最初兩臺循環水泵均為定速泵，具體參數見表1。

圖1 循環水系統簡圖

表1 循環水泵主要參數表

1.2 電廠循環水系統現存技術問題

根據不同季節的晝夜溫差特性，改造前的雙速循環水泵運行方式為冬季單泵運行、夏季雙泵運行。特別地，晝夜溫差會導致循環水量需求變化，循環水系統時常出現運行一臺循環水泵流量不夠而運行兩臺循環水泵流量過大的情況。隨著技術的進步，三相異步電機可通過改變繞組接線方式來獲得兩種轉速，其改造費用、維護保養運行及可靠程度均具有很大優越性[12]。因此，該廠首先對循環水泵進行高低雙速改造。

根據循環水泵性能參數，X泵不做改造(水泵轉速依然為495 r/min，電流為185 A)，而Y泵改為雙速運行(高速時水泵轉速為495 r/min，低速時則為425 r/min，且高速、低速運行電流分別為165、142 A)。盡管如此，由于晝夜負荷和循環水溫的變化，運行人員仍需要頻繁地對水泵進行手動調速。然而，這種人工手動調節存在諸多不可控性，組合條件也相互制約，運行參數不斷變化還存在較大的水量過渡區間，使得凝汽器的真空度偏高且不穩定。此外，頻繁啟停循環水泵不僅降低水泵使用壽命也并未完全解決循環水實時連續調節的問題，還會給其他相關設備帶來安全隱患。

基于此，根據機組需求實時、連續調節循環水量將成為一個較新的研究課題。文章在循環水系統X泵增設了1臺自動一拖一變頻器、1套優化控制柜、流量計等相關設備及儀表，結合機組現有的溫度壓力測點，與集控室集散控制系統DCS(Distributed Control System)實現通訊，實時采集機組運行參數，經優化計算后得到變頻器最佳運行頻率，從而實現及時調整循環冷卻水泵的運行轉速，進而實現循環水量自動調節。

2 循環水系統變頻調控優化及其數學建模

2.1 循環水泵變頻調控優化理論依據

機組負荷和環境因素存在連續變化的特點，理論上冷卻水量也應該能夠連續調節。鑒于雙速循環水泵不能很好地完成電廠循環水量的調整，文章在原循環水系統基礎上變頻改造循環水泵，增設水量連續調節手段和優化控制系統，實時采集機組及環境數據，通過分析計算后，自動跟蹤調節循環水量，實現循環水泵自動運行方式，從而消除人為因素操作造成的不確定性，實現機組冷端設備節能降耗。

火力發電機組冷端系統運行的經濟性與其設備組成及系統特性有關，涉及汽輪機低壓缸末端、冷卻塔、凝汽器以及循環水泵等多種設備。同時，機組負荷、環境溫度等也是制約機組冷端系統運行經濟性的重要因素。為實現機組冷端系統的優化運行，先對循環水系統凝汽器、循環水泵等運行特性建立數學模型，并選取適當的優化算法，進而優化循環水泵的運行方式。機組性能隨循環水量的變化如圖2所示。

圖2 機組性能隨循環水量變化示意圖

在一定范圍內，增加水量有利于真空度降低、機組發電功率增加ΔN2，同時伴隨著循環水泵耗功增加ΔN1，故凈增功率為ΔN＝ΔN2-ΔN1。由于機組多發電和循環水泵耗功隨水量增加的趨勢不同，存在凈增功率最大ΔNmax時的運行極值點(圖2中a點)。通常該點水量稱為最經濟水量(或稱最佳水量)Deco，對應的真空度(圖2中b點)為最經濟真空度(或最佳真空度)peco，即增加循環水量使汽輪機電功率的增加值與循環水流量增加多耗功的差值達到最大時所對應的真空度[13]。同時，機組運行過程中負荷不斷變化，凝汽器真空隨之變化。

2.2 循環水泵數學模型

凝汽器中的循環水將汽輪機乏汽凝結成水，從而使得汽輪機進汽和排汽之間形成壓差，使得高壓蒸汽在汽輪機缸體內迅速流動，推動汽輪機葉片旋轉做功。冷卻蒸汽后的循環水吸熱升溫，經循環水泵又回到冷卻塔內冷卻，再次循環。根據相似定律[14]可獲得轉速變化前后泵的揚程H、流量Q及軸功率N與轉速n之間的關系，由式(1)～(3)表示為

式中n1和n2分別為水泵的兩個不同轉速，r/min；Q1和Q2分別為水泵在轉速n1和n2時對應的體積流量，m3/s；H1和H2分別為水泵在轉速n1和n2時對應的揚程，m。根據上述關系，功率N與轉速n的三次方成正比，降低轉速可以大幅度地降低功率[15]，使循環水泵運行更省電。

根據伯努利方程以及電廠循環水泵設計數據，則循環水泵管路特性方程、揚程—流量及效率—流量之間的可由式(4)～(7)表示為

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

凝汽器作為汽輪機發電機組的重要輔機之一，具有凝結汽輪機排出的乏汽、在汽輪機排汽口建立真空度以及增大機組有效焓降的作用[16]，一般通過改善其傳熱性能來達到提高汽輪機系統效率的目的[17]。凝汽器壓力直接影響汽輪機的經濟運行，且真空度的升高使得汽輪機的有效焓降低少，會影響汽輪機的出力和機組設備的安全性。

凝汽器傳熱方程及熱平衡方程由式(8)表示為

式中W為凝汽器的熱負荷，kW；Dzp為凝汽器蒸汽負荷，即凝汽器入口蒸汽量，kg/s；hs為汽輪機的排汽焓值，kJ/kg；hc為凝結水的焓值，kJ/kg；K為總傳熱系數，kW/(m2·℃)；Δtm為對數平均溫差，℃；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、出口溫度，℃。

無過熱及無過冷情況下，對數平均溫差Δtm可由式(9)表示為

式中ts為凝汽器蒸汽溫度，℃。

總傳熱系數計算由式(10)表示為

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

2.4 汽輪機背壓—功率特性模型

根據汽輪機背壓功率特性，汽輪機背壓引起功率的變化主要取決于末級功率變化。在其他條件不變時，背壓越高，汽輪機功率越小；背壓越低，汽輪機功率越高。汽輪機微增出力是指末級葉片在背壓微小變化條件下功率的變化，以曲線的形式表示出來就是汽輪機微增出力曲線，即汽輪機背壓—功率曲線。根據凝汽器背壓對功率的修正曲線，可擬合出功率P1與背壓Ps關系式，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

通過采集循環水流量、循環水進出口溫度和壓力、大氣壓力、機組當前功率等參數，對凝汽器換熱計算以及水泵性能分析，獲得發電負荷與水泵耗功差值的最大值，即獲得對應輸入數據下應有的凝汽器最佳真空度、循環水最佳水量以及變頻器最佳頻率。因此，實現循環水系統水量的實時連續控制，同時獲得運行優化的機組的實時變化數據。

3 結果與分析

在秋季機組負荷基本維持在滿負荷運行或約在260 MW運行。由于測試時間較長，這里截取較為典型的24 h數據進行分析，循環水泵運行方式為Y泵高速運行和X泵變頻并聯運行，實時記錄循環水泵運行頻率、耗電量、機組負荷以及真空度變化的關系。

3.1 凝汽器真空度波動規律

凝汽器真空度是影響機組經濟性及其安全運行的重要指標，然而實際電廠運行過程凝汽器真空度在大多時候無法達到設計工況，嚴重影響機組的經濟性和安全性[18]。凝汽器真空度的升高會使得排氣缸溫度升高，引起汽輪機軸承中心偏移，嚴重時會引起汽輪機振動。電廠凝汽器一般運行經驗表明，凝汽器真空度每增加1 kPa，汽輪機汽耗會增加1.5%～2.5%[19]。

利用電廠機組真空度測點獲得凝汽器真空度數值，則增設水量連續調節手段和優化控制系統后，機組負荷與凝汽器真空度隨時間的變化趨勢如圖3所示。機組發電負荷由295 MW降到260 MW，再由260 MW逐漸升到295 MW的過程中，由于增加了變頻優化控制系統，改善了水泵運行方式，使循環水系統水量調節按照實際需求連續調節，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，真空度波動范圍小且穩定，凝汽器運行穩定。根據往年同期的負荷變化數據可知，未加變頻控制系統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，跨度大且不穩定。因此，較優化前真空度降低了1.36 kPa，真空度得到明顯降低，即研究采用的變頻調控策略有效，將會促使機組的安全性、經濟性也進一步提高。

圖3 凝汽器真空度、機組負荷隨時間的變化圖

3.2 變頻器頻率及循環水泵電流變化規律

變頻調速控制能夠實現對水泵電動機轉速的線性調節。通過水泵進出口水溫實現對水泵電動機轉速的線性調節，水量大小由變頻控制系統中電動機的轉速改變來控制[20]。通過最佳真空度原理，可計算出最佳水量需求，對應的變頻器運行頻率則為最佳頻率。變頻器最佳運行頻率與機組發電負荷、環境溫度、循環水進出口溫度和大氣壓力等因素密切關系，然而機組負荷是影響循環水量的最重要因素。

變頻器運行最佳頻率隨時間的變化趨勢如圖4所示。前11 h機組負荷基本穩定在295 MW，經優化調控，X泵變頻器最佳頻率也基本穩定在約42 Hz運行，機組負荷下降至260 MW時，變頻器最佳頻率開始下降，變頻器運行頻率較機組負荷下降速度緩慢，為了避免水泵頻率變化過快影響機組穩定性，最后下降至36 Hz穩定運行。在測試的22 h后，機組負荷開始上升，慢慢上升至約295 MW，電動機高壓變頻器運行頻率也上升至最佳41 Hz。運行過程中最佳頻率與機組負荷變化趨勢保持一致。隨機組負荷降低，變頻器最佳運行頻率降低；機組負荷增加，變頻器最佳運行頻率則增大。根據往年同期負荷變化數據可知，未加變頻控制系統前，水泵搭配方式為滿負荷時定速泵與高速泵并聯運行；負荷為260 MW時，循環水泵運行方式時而定速泵和低速泵并聯運行，時而定速泵與高速泵并聯運行，并沒有嚴格的運行規程指導。這種循環水泵運行方式調整變化大，啟停泵次數多，耗電量大，最大運行電流為定速泵和高速泵并聯運行時，電流為350 A(其中X泵電流為185 A、Y泵電流為165 A)。最小運行電流也為定速泵與低速泵并聯運行時，電流為327 A(其中X泵電流為185 A、Y泵電流為142 A)。

圖4 變頻器運行最佳頻率、發電負荷隨時間的變化圖

循環水泵轉速與變頻器頻率成正比，變頻器通過調整頻率來調整循環水泵的轉速。循環水泵總電流隨時間變化如圖5所示，可以看出，循環水泵變頻調節后兩泵并聯最大、最小電流分別為299.3和259.5 A，較優化前電流最大能降低90.5 A；測試過程中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一致。變頻器頻率增加，循環水泵轉速增大，水泵耗電量增大；變頻器頻率減小，循環水泵轉速減小，水泵耗電量減小。在測試的前11 h中，電動機高壓變頻器頻率基本穩定在42 Hz運行，兩泵電流基本穩定在299.3 A運行，后面機組負荷下降使得變頻器頻率降低，兩泵電流由299.3 A開始下降，水泵電流與變頻器頻率下降趨勢一致，最后下降在259.5 A運行；在測試的22 h后，機組負荷開始上升后變頻器運行頻率上升，循環水泵電流上升，慢慢上升至285 A運行。

圖5 循環水泵總電流、發電負荷隨時間變化圖

與往年同期類似機組負荷對比，循環水泵或是定速泵搭配高速泵運行，或是定速泵搭配低速泵運行，不僅運行耗電量大(最大電流可為X泵、Y泵并聯運行電流350 A)，循環水量可調節范圍有限，不利于循環水系統經濟運行。同時也可以看出，循環水泵電動機加上變頻器后耗電量減少，但依然保持了機組穩定運行，故循環水泵的運行優化方式成功。

以此類推，在冬季環境氣溫低時，以往機組循環水系統運行單臺水泵或高速運行或低速運行。經現有水泵變頻優化控制后，只需運行X泵加變頻控制系統，最低電流為運行頻率為35 Hz時，電流為93 A，降低了72 A。該優化控制系統冬季根據各參數需求連續調整循環水量，保持凝汽器高真空度穩定運行，減少人工操作，降低廠用電率，提高電廠整體的自動化水平。

4 結論

文章依據最佳真空度原理，以某火力發電廠中300MW火力發電機組循環水系統為研究對象，在定速循環水泵上采用變頻控制系統裝置，根據系統各設備特有的數學模型，進行系統分析優化計算，探討了春秋兩季對循環水泵變頻控制的可行性。主要結論如下:

(1)經變頻優化控制后的系統相關設備運行安全穩定。測試的24 h中，機組負荷維持在260～300 MW之間時，凝汽器壓力基本保持在-96.58～-95.9 kPa，真空度降低了1.36 kPa且保持穩定，使得汽機組運行更加高效穩定安全。

(2)循環水變頻控制系統能很好地根據負荷變化調整變頻器最佳運行頻率，循環水泵運行最佳頻率受機組負荷變化影響較大，機組負荷降低時，變頻器運行頻率降低；機組負荷上升時，變頻器運行頻率升高。同時，測試的24 h中，循環水泵耗電量較之前最大下降了90.5 A，提高了電廠機組的經濟性。

(3)機組循環水系統經變頻優化控制后，實現了循環水量的自動優化調節，提高了電廠的自動化水平，也避免了水泵以往頻繁的啟停操作，提高了循環水泵的使用壽命，使得冷端系統接近最經濟運行狀態。對電廠循環水系統變頻優化控制后，真正將變頻技術應用于實際工程中，解決了長期以來火電機組普遍存在的循環水不能連續調節的共性問題。