变负荷下电站锅炉并联给水泵运行方式优选

胡思科，邢姣娇，王丽萍

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012;2.国网辽宁省电力有限责任公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

变负荷下电站锅炉并联给水泵运行方式优选

胡思科1，邢姣娇1，王丽萍2

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012;2.国网辽宁省电力有限责任公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

针对大中型电站常采用2台水泵并联组成锅炉给水系统的特点，在管路特性不变的情况下，在以单台泵所能提供的最大流量为分界点的两侧流量变化范围内，介绍了“双泵恒速”、“双泵同步调速”、“双泵非同步调速”、“单泵调速”、“单泵恒速”几种运行方案;利用最小二乘法和水泵相似原理分别得出系统中水泵、电机、调速器在不同流量下的特性方程及相关转速、效率、能耗的计算公式;通过解析方法对各种运行方案进行经济性分析与评价，并给出在不同变流量范围内的最优运行方式，为相关技术、管理人员提供必要的理论依据。

电站锅炉;给水系统;经济性分析;特性曲线拟合

锅炉给水泵是现代发电厂中能耗最大的辅机设备，占厂用电的30%以上，降低其能耗是提高发电厂热经济性的重要措施之一。

水泵的并联在中大中型电站锅炉给水系统中是最为常见的连接形式，不但满足了大流量的需求，也给变流量调节提供了更加灵活多变的运行方式。本文从实际出发，在锅炉给水系统的不同流量变化范围内对给水泵可能具有的多种运行方案进行理论计算与综合分析 (见图1)，验证“当系统中有多台水泵并联运行时，改变运行台数来调节流量是极为方便和经济的”和“给水负荷波动，从节能的角度出发，最适合采用1台泵变频调速运行，其它水泵工频并联运行”两种观点的正确性［1-2］，以此得到最为经济、合理的运行方式。

图1 锅炉给水连接系统示意图

1 变流量下给水泵多方案运行的拟定

图2为同型号水泵并联组合而成的锅炉给水系统的相关特性曲线示意图［3］。其中，0为额定工况下并泵组运行时的工况点;0'和0″分别为管路特性不变时并联泵中每台泵均摊的负荷点及由1台泵所能承担的最大负荷点。为了充分反映在不同名荷下给水系统可能采用的多方案运行的经济性，以0″为界限，分为Qi＞Q0″和 Qi＜Q0″两个范围进行分析。

在图2(a)所示的Qi＞Q0″的变化范围内，可采用3种运行方式:管路节流方法 (仅靠调整阀门开度来改变管路特性曲线g0至gi，使其交于并联泵同为工频转速n0下p+p曲线上i0点的运行方式)、双泵同步调速方法 (通过并联泵同步调速到ni并使pi线横向叠加得的pi+pi后，再与g0线之交于i点的运行方式)、双泵非同步调速方法 (由1台泵变频为n'i后所得p'曲线后与另1台泵工频泵的p曲线横向叠加得到的曲线p'+p，并与管路曲线g0之交点i的运行方式)。

图2 不同运行方式下水泵及管路的特性曲线

在图2(b)所示的Qi＜Q0″的变化工况内，可采用另外3种运行方式:单泵调速方法 (原管路特性g0不变，仅靠单泵改变其转速为n'i时使其p曲线变为p'后再与g0交于i'点的运行方式)、管路节流方法 (仅靠调整阀门开度来改变g0曲线至gi，使其交于1台工频泵曲线p上i点的运行方式)、双汞同步调速的方法 (在原管路g0曲线不变的条件下，将并联泵同步调速至ni而合成的pi+pi曲线后，再与曲线g0交于i'点的运行方式)［3］。

2 管路及水泵特性方程的表达形式

一般水泵额定转速n0下Hp-Q和ηp-Q的特性是以特定曲线或若干个离散参数来表示的;而对于管路的特性，除了包含与其自身的几何尺寸、内表面粗糙度有关的阻力特性数外，还与流经该管路的流量及给水系统出、入口静压差有关［4-5］。对此，这3种特性曲线的拟定方程可分别表示为

式中:Hp为水泵扬程，mH2O;Hg为系统阻力，mH2O;水泵进出静压差Hst=(pb-pc)+(Hy-Hj)，mH2O;Q为水泵负荷，m3/h;Hp为水泵效率，%;φ 为系统阻力数，h2/m5;A0、A1、A2、B1、B2、B3为水泵的 Hp-Q、ηp-Q曲线拟合系数。

3 单台泵的特性曲线拟合

对于式 (1)、(2)中的A0、A1、A2、B1、B2、B3的系数，可采用“最小二乘法”原理确定，关于单泵变速时pi曲线的拟合可根据水泵相似理论:

关于该式中的 (ni/n0)的确定，可将式 (5)按满足于Hp=Hg的条件，联立求得:

4 并联泵运行的特性曲线拟合

4.1 双工频泵并联运行的特性曲线拟合

对于图2中p+p曲线，可根据并联泵叠加原理［5］并结合式 (1)和式 (4)得到:

4.2 双汞同步调速ni时并联合成特性曲线的拟合

同理，关于曲线pi+pi的拟合方程和对应的转速比 (n1/n0)可参照式 (7)和式 (6)的导出过程分别得到:

4.3 双泵非同步调速并联特性曲线的拟合

关于图2(a)中双泵非同步调速运行曲线p'+p方程的确定，可依据水泵并联时各泵扬程相等的原理得知工况点i处Hi=Hi1+Hi3，并根据式(1)和式 (5)可得:

5 包括调速装置下的给水泵系功率的确定

为了能更充分反映出整套系统的能耗，对给水系统中包括电动机及调速器效率各环报的能耗进行全面考核，可得:式中:Pin为系统输入总能耗，kW;ρ为水的密度，kg/m3;ηm，v为含电动机在内的液力耦合调速器效率，%。

关于给水泵变速下的效率的确定，可根据水泵的相似原理求得:

对于含电动机在内的典型液力耦合调速器效率可根据图3所示曲线拟合为

对于式 (16)中 (ni/n0)的确定，应与式(7)、(10)、(13)所对应工况求出的结果相同。由式 (14)可知，一旦求得调速系统各环节中对应工况点的效率值，便可应用该式计算出其系统总能耗 Pin。

图3 CO-46型液力耦合调速器 (含电机)效率曲线

6 算例与运行工况分析

现以某电站1台670 t/h锅炉给水系统为例，进行在不同运行方式下水泵的工况分析:已知该系统由2台DG450-180型水泵 (由于前置泵为工频且功率很小，仅占给水能耗的5%以下，为了使计算简化，故这里未予考虑，且不会影响对问题的分析)和所配套的CO-46型液力耦合器组成，泵的额定转速n0=4 600 r/min，所配电机功率 N=3 200 kW，泵的入口水温为t=158℃，其密度ρ=900kg/m3。通过对该泵特性曲线的拟合和对管路

表1 变流量时泵系统不同运行方式下的参量计算结果

系统阻力特性数的求取可得各方程:

经计算，以锅炉额定负荷610 m3/h下所确定的分界点0″的流量为 Q0″=497.49 m3/h。为了充分说明变流量 Qi在 Qi＞ Q0″或 Qi＜ Q0″范围内采用多种运行方式的经济性，现假定变流量分别为Qi=520 m3/h和Qi=360 m3/h时对前面所提出的各种运行方式下的工况计算结果见表1。

可见，在Qi＞Q0″的范围内，如为满足变流量Qi=520 m3/h的情况下，在所拟定的3种运行方案中，以“双汞同步调速”运行时的总能耗最小。为4 126 kW，即每台水泵承担的能耗约为2 063 kW;以“双泵恒速”并通过阀门节流调节运行时的总能耗则为4 516 kW，即每台水泵承担的能耗均为2 258 kW;而在相同流量下， “双泵非同步调速”运行时的总能耗最大，为4 912 kW，其中1号水泵所承担的能耗为2 906 kW，2号水泵系统所承担的能耗为1 733 kW，可得“给水负荷波动，从节能的角度出发，最适合采用1台泵变频调速运行，其它水泵工频并联运行”是错误结论，还可难会因两泵分担流量差异过大而出现“抢水现象”，最后导致锅炉缺水事故［6-7］。

此外，在Qi＜Q0″范围内，如为满足变流量Qi=360 m3/h的情况下，在所拟定的另外3种运行方式中，采用“单泵调速”运行时其能耗最低，为2 202 kW;“单泵恒速”运行时其总能耗次之，为2 550 kW;而采用“双泵同步调速”运行时其总能耗会大大提高至3 418 kW，与Qi＜Q0″时所采用的“双泵同步调速”运行方式相比反而能耗是最高的，尽管这2台给水泵所承担的总流量虽然为360 m3/h，但由于每台泵均摊的流量却很小，故使其系统综合效率大大降低从而导致能耗最高。可见并不是在任何情况下同步调速运行方式都是最节能的。

7 结束语

当双泵并联的锅炉给水系统的管路特性不变时，以单泵可供最大流量为分界点，指出当变流量大于该分界点时所采用的“双泵同步调速”、“双泵恒速”、 “双泵非同步调速”3种运行方式中，以“双泵同步调速”运行最为经济;而当变流量小于分界点流量时所采用的“单泵调速”、“单泵恒速”、 “双泵同步调速”3种运行方式中，以“单泵调速”的运行方式最为经济。若机组在低负荷状态下采用滑压运行，其给水泵的最佳运行方式也相同，若此时给水泵出、入口静压差减小，其对应的能耗亦变小。

对于并联连接方式下的锅炉给水系统，在不同的变流量范围内，其经济状态下的运行方式也不同。实践证明，锅炉给水泵即使选用运行经济性较高的液力耦合器或其它变速装置，在实现变速调节时，也只有在合理的运行方式下才能最大限度地提高其运行的经济性。

［1］ 蔡兆麟.能源与动力装置基础［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［2］ 李先瑞.供热空调系统运行管理、节能、诊断技术指南［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］ 胡思科，吕 太，陈 鑫.供水系统变流量下泵的多方案运行经济性与安全性分析［J］.流体机械，2007，46(5):42-46.

［4］ 薛永峰，杨尚文.国产600 MW超临界机组滑压运行方式试验研究［J］.东北电力技术，2010，31(10):11-14.

［5］ 杨诗成，王喜魁.泵与风机 (第二版)［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［6］ 刘文忠，符 刚，闫 虹.1 000 MW机组凝结水泵变频改造可行性分析 ［J］.东北电力技术，2012，33(5):50-52.

［7］ 赵伟光，顾炎生.华能大连电厂循环水泵最佳运行方式的确定与分析［J］.东北电力技术，1992，13(3):6-8.

Operation Optimizing of Power Station Boiler Feed-water Pump Under Variable Load

HU Si-ke1，XING Jiao-jiao1，WANG Li-ping2
(1.Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

In view of the power station boilers used by the two pumps connected in parallel feedwater system，first，under the condition of the same pipeline characteristics，there are multi-plans in the flow range on both sides of the maximum flow point provided by a single pump，which is“double pump constant speed”，“double pumps synchronous governing speed”，“double pump non-synchronous governing speed”，“single pump governing speed”or“single pump constat speed”;second，the theory of least squares method and the similar theory of pump are used to deduce the characteristic equation for the pump，motors，governor of the system under different flow，and the formulas about rotational speed，efficiency and energy consumption;finally the economy of each operating plan is analyzed and estimated by the analytical method，and the optimum operating mode in the scope of different flow is given，which may provide the necessary theory basis for project designers and operation managers.

Power plant boiler;Feedwater system;Econmoic analysis;Fitting of characteristic curve

TM621.2

A

1004-7913(2014)03-0034-04

胡思科 (1958—)，男，学士，教授，从事电站系统及供热工程的教学、科研与设计工作。

2013-12-08)