循環水泵變頻改造收益分析

李中堯，池慧勇，李聚濤

(內蒙古京能康巴什熱電有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

某廠每臺機組配備3 臺循環水泵，均為工頻泵，每臺循環水泵設計流量14 040 m3/h，電機功率1 000 kW；凝汽器背壓通過改變間接空冷百葉窗開度調節，冬季時環境溫度較低，百葉窗開度較小，主機循環水流量冗余，造成廠用電不必要的損失。為降低廠用電率，提高機組經濟性，將其中兩臺循環水泵改造為變頻循環水泵，并驗證改造后的實際效果。

1 循環水泵改造前后介紹

目前該廠已完成2 號機組循環水泵改造，將原先三臺工頻循環水泵中的兩臺改造為“一拖一”變頻循環水泵。改造前兩臺工頻泵運行，一臺工頻泵備用，主機循環水流量一定，不隨機組負荷改變而改變，主機循環水溫度僅通過調整百葉窗開度進行調整，調整手法單一；改造后，兩臺變頻泵運行，一臺工頻泵備用，主機循環水溫度可通過循環水流量和百葉窗開度共同調整。

2 改造后收益分析

以該廠2 號機組THA 工況為例，不同環境溫度下循環水泵年耗電量統計如表1 所示。

表1 不同環境溫度下循環水泵年耗電量統計

(1) 350 MW 工況，日平均氣溫在0 ～4.2 ℃范圍內，雙泵運行頻率為38 Hz，運行總小時數796.8 h，則循環水泵耗電量為：

(2) 350 MW 工況，日平均氣溫在4.2～10.2 ℃范圍內，雙泵運行頻率為44 Hz，運行總小時數1 180.8 h，則循環水泵耗電量為：

(3) 在上述環境溫度范圍內，雙泵工頻運行總小時數1 977.6 h，總耗電量為：

綜上，以350 MW 工況為例估算，循環水泵變頻改造后每年春秋季可節省電量：

1 kW·h 電量按0.28 元電價計算，則每年春秋季節可節省電費：

上述經濟效益分析僅考慮春秋季節，350 MW工況循環水泵節電情況。另外考慮到該地每年至少有100 天以上日平均氣溫低于0 ℃，在這部分溫度區間，為滿足機組背壓及防凍要求，循環水泵可以根據環境溫度在38 ～50 Hz 進行調節，按照平均44 Hz 運行計算，這部分節約電費應不少于春秋季節約電費，則循環水泵變頻運行每年總共節約電費在70 萬元以上。

1 號機組循環水系統未進行改造，目前仍保持工頻運行。將2018 年1 號機組與2 號機組主機循環水泵耗能情況進行對比，結果如下：1 號機組2018 年全年發電量2 089 701.4 MW·h，三臺主機循環水泵共耗電14 836.88 MW·h，耗電率0.71 %，機組發1 MW·h 電量的同時循環水泵耗電7.12 kW·h；2 號機組2018 年全年發電量2 080 813.0 MW·h，三臺循環水泵共耗電11 456.31 MW·h，耗 電 率0.55 %，機 組 發1 MW·h 電量的同時循環水泵耗電量5.51 kW·h。

如果2 號機組循環水泵電機未進行變頻改造，兩臺機循泵運行方式一致，則按照1 號機組工頻主機循環水泵耗電率計算，2018 年2 號機工頻運行耗電量：

2018 年2 號機變頻運行節能電量：

按照發電成本每度電0.28 元計算2018 年2 號機變頻運行節約成本：

增加變頻器后，每臺變頻器柜頂風機3 臺，單價18 764.46 元，共56 293.38 元；變頻間備用空調兩臺，單價26 091.00 元，共52 182.00 元。兩臺變頻器共90 萬元，變頻間土建費用30 萬元，電科院調試費用25 萬元。控制電纜共用4×1.5 電纜、4×2.5 電纜、7×1.5 電纜各102 m，控制電纜成本：(12.5+16.6+18.3)×102=4 834.80 元。

變頻器一次性濾網單臺機換一次18 片，一片21 元。每月換一次，工時約半小時，工時費80.00元/h，每年480.00 元。每年一次檢修，材料費用約2.1 萬元，工時費約7 680.00 元。

投資費用共155.847 萬元，折合每年維護費用約3.823 萬元，每年節能效益94 萬元，不到兩年便可收回成本，成本回收較快，節能效果明顯。

3 改造后運行控制分析

3.1 汽輪機空冷系統熱交換原理

該廠汽輪機冷端系統采用表面式間接空冷系統。整個系統流程由二次表面式換熱構成，熱交換平衡方程如式(1)所示：

式中：Dc為汽輪機排汽流量；hc為汽輪機排汽焓值；hc＇為凝結水焓值；DW為循環水流量；tR為循環水系統熱水溫度，即間冷進塔水溫度；tL為循環水系統間冷出塔水溫，即間冷出塔水溫度；CW為循環水比容；DF為冷卻風流量；TOUT為冷卻三角出風溫度；TIN為冷卻三角進風溫度；CF為冷卻風比容。

在機組負荷一定，間冷系統全出力(扇段全投、百葉窗全開、循環水流量100 %)且保持恒定的前提下，間冷進塔熱水溫度tR與出塔冷水溫度tL隨環境溫度同步變化，是環境溫度的單一函數，凝汽器進出水溫差tR-tL基本保持不變。在春秋季節環境溫度下降時，如果保持熱水溫度穩定在某一水平，隨著tL的下降，凝汽器進出水溫差tR-tL增大；又因為凝汽器熱負荷一定，凝汽器進出水溫差的增大可以換取循環水流量DW的減少。環境溫度點th1，th2是間接空冷系統運行的兩個臨界溫度點，根據不同的環境溫度范圍可以進行冷卻風流量與冷卻水流量的優化匹配。在環境溫度大于等于th2、小于等于th1的溫度范圍內，百葉窗全開，保持冷卻風流量最大，是循環水流量可以優化調整的區間，環境溫度大于th1，需要冷卻系統全出力運行，以滿足不同環境溫度機組最小背壓的要求；環境溫度大于等于0 ℃、小于等于th2，需要維持循環水流量不變，并關小百葉窗，以保持tL為20 ℃；環境溫度小于等于0 ℃，在關小百葉窗的同時，隨環境溫度下降需要提高循環水流量，以滿足防凍要求。環境溫度點th1，th2確定以后，對間冷系統進行進一步現場實驗可以確定不同負荷工況，不同環境溫度對應的進塔水溫、出塔水溫、循環水流量，從而確定不同負荷工況下的間冷特性曲線。

按照上述調整思路，通過現場試驗、參數記錄、歷史運行參數整理等手段，繪制不同負荷下間冷系統特性曲線，并確定環境溫度點th1與th2。在環境溫度0 ～30 ℃的溫度區間內，針對100 %，75 %，50 %額定負荷等3 個負荷工況條件，分別進行調整，并記錄相關參數。

3.2 環境溫度限值th1 的確定

在上述某一確定負荷下，保持間冷系統全出力運行，選取環境溫度逐步下降的時間區段，同步記錄環境溫度、熱水溫度、冷水溫度、機組背壓(見表2 ～4)，直到熱水溫度下降到39 ℃，此時對應的環境溫度即為極限值th1(循環水流量：37 020 m3/h)。

表2 350 MW 機組負荷下環境溫度限值th1 的確定

表3 262.5 MW 機組負荷下環境溫度限值th1 的確定

表4 175 MW 機組負荷下環境溫度限值th1 的確定

以熱水溫度為縱坐標，環境溫度為橫坐標，間冷特性曲線如圖1 所示。圖1 分別描繪出100 %，75 %和50 %THA 工況下的環境溫度和與之對應的間冷進塔水溫的關系。通過曲線可以確定間冷進塔水溫為39 ℃時不同工況下極限環境溫度值th1，也是汽輪機最小背壓運行模式下的極限值。

圖1 不同負荷工況下的間冷系統特性曲線

3.3 環境溫度限值th2 的確定

在上述機組3 個負荷工況條件下，隨著環境溫度降低，分別試著調整降低循環水流量，目的是維持熱水溫度39 ℃。同步記錄環境溫度、循環水流量、熱水溫度、冷水溫度、機組背壓(見表5 ～7)，直到冷水溫度下降到20 ℃，此時對應的環境溫度即為限值th2，對應的循環水流量即為流量調整的下限值。

表5 350 MW 機組負荷下環境溫度限值th2 的確定

表6 262.5 MW 機組負荷下環境溫度限值th2 的確定

表7 175 MW 機組負荷下環境溫度限值th2 的確定

在100 %THA 工況下，當環境溫度等于10.2 ℃時，全出力運行的冷卻系統能夠提供39 ℃ 的間冷進塔水溫。低于這個環境溫度，就要降低冷卻能力保持間冷進塔水溫在39 ℃。此時循環水泵配置變頻器，可以降低冷卻水流量。如果環境溫度低于4.2 ℃，此時需要調整百葉窗來控制空氣流量，保證冷卻水最低冷卻水溫度(扇段出水溫度)。在75 %THA 工況下，如果環境溫度大于等于16.5 ℃時，主機循環水泵變頻器需全出力運行，提供最大冷卻負荷，保證系統最小背壓，使機組經濟運行。在低于16.5 ℃環境溫度時，通過循環水泵變頻器調節，可以降低冷卻水流量，維持系統最小背壓，使機組經濟運行。如果環境溫度低于8.5 ℃，此時，循環水流量最小，達到變頻器頻率調節下限，需要調整百葉窗來控制空氣流量，保證冷卻水最低冷卻水溫度。

3.4 間接空冷系統優化調整策略

通過多次試驗，以及出于冬季防凍考慮，確定間接空冷系統優化調整策略如下。

(1) 100 %THA 工況，th1=10.2 ℃，th2=4.2 ℃。環境溫度大于等于10.2 ℃，為了保證系統最小背壓，間冷系統需要全出力運行。環境溫度大于等于4.2 ℃、小于等于10.2 ℃的溫度范圍內，百葉窗全開，循環水流量可以在20 000～37 000 t/h 的范圍內隨環境溫度進行調整。環境溫度大于等于0 ℃、小于等于4.2 ℃的溫度范圍內，維持循環水流量20 000 t/h 不變，百葉窗開度隨環境溫度進行調整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。

(2) 75 %THA 工況，th1=16.5 ℃，th2=8.5℃。環境溫度大于等于16.5 ℃，為了保證系統最小背壓，間冷系統需要全出力運行。環境溫度大于等于8.5 ℃、小于等于16.5 ℃的溫度范圍內，百葉窗全開，循環水流量可以在20 000 t/h～37 000 t/h 的范圍內隨環境溫度進行調整。環境溫度大于等于0 ℃、小于等于8.5 ℃的溫度范圍內，維持循環水流量20 000 t/h不變，百葉窗開度隨環境溫度進行調整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。

(3) 50 %THA 工況，th1=22 ℃，th2=12 ℃。環境溫度大于等于22 ℃，為了保證系統最小背壓，間冷系統需要全出力運行。環境溫度大于等于12 ℃、小于等于22 ℃的溫度范圍內，百葉窗全開，循環水流量可以在20 000 t/h～37 000 t/h 的范圍內隨環境溫度進行調整。環境溫度大于等于0 ℃、小于等于12 ℃的溫度范圍內，維持循環水流量20 000 t/h 不變，百葉窗開度隨環境溫度進行調整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。當環境溫度低于0 ℃，可以考慮逐步提升循環水流量，以提高冷水溫度，滿足系統防凍要求。

根據以上數據建立合適的自動調整曲線，實現循環水泵頻率自動化控制，自動控制效果良好。循環水泵變頻自動化的投入大大降低了監盤人員的操作量，降低了人員誤操作的風險，同時可使循環水泵頻率的調節更加精確。

4 結束語

循環水泵由工頻泵改為變頻泵后，使運行調整更加的靈活，調整手段也由單一的百葉窗調整增加了頻率調整。工頻泵改造為變頻泵后，循環水泵的全年的耗電率降低了約22.5 % (由0.71 %降至0.55 %)，對于1 000 kW 的大電機來說，節能效果是可觀的。實現循環水泵頻率的自動調整，進一步提高了機組的自動化水平。