火力發電廠水循環控制系統的應用研究

滑嬌琴

（山西省霍州煤電集團公司煤矸石熱電廠，山西 霍州 031412）

引言

循環水系統是火力發電廠的關鍵性輔助系統，為火力發電的工藝過程提供循環冷卻水。循環過程中的工作效率決定著發電機組的發電效率，其中循環水泵是系統的核心。循環水泵與其他設施相互構建的整體運行設備對循環水系統是否能發揮出最優性能有著較大的關系。通過對現場調研得知[1-2]，目前循環水泵在設計時的冗余量較大，導致設計量與實際工作量的偏差較大，沒有充分發揮出循環水泵的工作效率。因此。通過對循環水泵與其他配套設施相互配合的優化設計問題進行研究，從而達到提升循環水控制系統優化的目的，在實際應用過程中更能確保機組運行的經濟性、安全性、高效性。

1 循環水系統運行需求分析

1.1 循環水泵調速原理

通常火電廠采用的循環水泵的調速方式為大型立式異步電機進行驅動，主要對泵的輸出壓力和水流量進行無極調節。在工程應用中，通常采用4種異步電機的調速方式，分別為：定頻調速、變頻調速、定子電壓變化調速、轉子電動勢能調速[3]。

在調速過程中，異步電機的轉速主要與轉差率、電流頻率以及磁極對數有關，其中與磁極對數是成反比例關系。例如某火電廠的300 MW機組就應用了異步電機驅動的雙速循環水泵設備，通過改變循環水泵內部的接線方式，使得變頻調速在定頻調度之間自由切換。結合磁極對數的變化，實現了高、低轉速之間的變化。

1.2 循環水控制系統的運行要求

對于發電機組的設計優化，應從建設投資和節能方面考慮，并且還應該滿足循環水泵的水流量要求。從上述角度出發，應該配置定頻和變頻的雙速泵。由于循環水泵是由蝶閥的開閉進行流量控制，但是蝶閥只能全開或者全關的兩個工作狀態，無法按照一定的開閉角度實現流量的精準調控[4]。

因此，根據火力發電機組的優化設計應滿足系統方面的安全性、可靠性符合要求；節能設計方面能夠降低運行功耗；適應性強，能夠針對不同的季節工況保持經濟高效的運行。

1.3 工藝配置

火電廠的發電機組通常都由冷卻塔、循環水管道、回水管道、循環水泵等組成，如圖1所示。

圖1 循環水控制系統的工藝示意圖

以某電廠為研究對象，循環水控制系統周圍均會配備自然通風的冷卻塔。同時，安裝常用的68LKXA-22.5型立式循環水泵，要求轉速不得小于450 r/min，揚程的高度應大于22.5 m[5]。循環水泵一般采用單級單吸，呈垂直方向與其他冷卻塔相連接，形成混流狀態，使得電機與水泵能夠在靠近機組附近實現通風冷卻。

2 循環水泵運行控制方案設計

由于目前的循環水泵都屬于逆勢混流泵對水流推力以及轉子速度都有較高的要求，必須確保傳動軸與水泵軸的同心度較高。控制循環水泵的關鍵點在于對各個回路上的開關進行啟閉控制，完成上述動作就需要結合電磁閥、繼電器等元器件。

當循環水泵需要啟動時，必須先滿足以下條件，包括控制蝶閥處于正常狀態、凝水器的閥門未關閉、冷卻水流量滿足要求等條件。當循環水泵在啟動過程中，各線路的熱敏電阻就會將模擬信號轉化為數字信號，通過輸入模塊對于相關閥門處的開關信號進行分析[6]。循環水泵的電流值在預定范圍之內，此時水泵的電機啟動、蝶閥聯動打開、完成了整個水泵啟動的過程，具體過程如圖2所示。

圖2 循環水泵啟動邏輯圖

通過分析得出，要實現循環水泵與其他輔助性裝置的優化組合，應實現水泵的高、低速自由切換。尤其是對于雙速泵與定速泵的控制邏輯進行優化設計。將原有的兩段路控制模式變化為三段路控制模式，同時采用雙電源的進線方式，改變雙速水泵接線端子的連接方式實現異步電機的定頻或變頻調速。實現上述的控制方法，應對循環水泵的控制電路接線圖進行程序設計，如圖3所示。

圖3 循環水泵優化后控制電路接線示意圖

3 循環水泵運行優化結果分析

完成控制水泵的電路設計后，將對循環水泵的發電量和水流量的關系進行重新組合設計。結合實際火電廠的發電工況，循環水泵的水流量應根據循環水泵的工作特性進行調整，使得增加的功耗與提高水量的參數能夠達到平衡狀態，才能滿足最優的運行結果。根據理論技術，對凝汽器的最佳真空和循環水流量的最佳流量的關系曲線進行設計，如圖4所示。

圖4中，循環水流量為Gw0時，對應凈增發電量ΔN最大，此時的ΔN是曲線上的極大值點，也是最大值點；循環水流量增加至Gw1時，凈增發電量剛好為零，再增加循環水量，則發電機組凈增發電量為負值。因此，通過對兩者曲線圖重新設計后，使得發電量與水流量的關系比例更加的合理，能夠充分發揮出水循環控制系統對機組的綜合效益。

圖4 凈增發電量與循環水流量的關系示意圖

試驗數據分析可知，機組100%負荷下，排氣壓力從5.23 kPa提高到8.53 kPa時，機組發電功率降低6 289 kW，微增出力相對變化率為-2.09%，與修正值的偏差為0.044 8，與功率修正曲線的數值相差不大，表明獲取的機組微增出力隨排氣壓力波動的實際運行數值與曲線法理論計算獲得數值相吻合。

泵組切換的等效益線——循環水系統最佳運行泵組切換工況曲線，這條曲線是兩種泵組切換的臨界線。研究對象的火力發電廠兩臺循環水泵共有四種組合方式，按此步驟可得出三條等效益曲線，對應循環水泵四種組合之間的切換關系，如下頁圖5所示。其中系列1為單泵低速-高速、系列2為單泵高速-雙泵、系列3為低速-雙泵高速。

圖5 最佳循環水泵組合運行工況圖

圖中Ⅰ區域為低速泵單泵運行區域，Ⅱ區域為高速泵或定速泵單泵運行區域，Ⅲ區域為定速泵與低速泵并聯運行區域，Ⅳ區域為定速泵與高速泵并聯運行區域。主控室操作人員可根據監控界面中反饋的實時數據，方便快捷地確定循環水泵的運行組合方案，并通過后臺快速完成泵組運行切換。

4 結論

以某火力電廠300 WM的發電機組為對象進行研究，對其循環水控制系統的循環水泵的調速方式進行優化設計，并與其他輔助性設備的組合進行再次調整，提高循環水控制系統的經濟效益。將設計優化后的循環水控制系統應用于火力發電廠的實際生產中，數據分析顯示優化后的循環式控制系統在實際應用中能夠提高機組運行的高效性、經濟性和平穩性。