浅谈电厂循环水泵变频技术的应用

倪兴娟

摘 要： 本文主要结合实际工作经验，详细介绍了变频调速技术的主要原理、汽轮机最佳真空的计算方法，指出在电厂循环水系统中应用变频调速技术是有较大的节能的效果。

关键词： 电厂循环水泵；变频调速；节能 ；经济性

中图分类号：TE08文献标识码： A

1主要问题的提出

随着电力市场“厂网分离、竞价上网”的逐步实行,降低煤耗,节约厂用电成为电厂挖潜节能增效的着力点。其中汽轮机的经济运行是火电厂节能技术改造的重点之一,循环水泵所提供的冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素,因而通过合理控制循环水泵,调节冷却水流量,使汽轮机经济运行有着十分重要的意义。

2循环水优化的工作原理分析

由于凝汽器压力是机组运行中的一个重要参数,不论在凝汽器的热力设计中还是在汽轮机冷端设备运行时,都要求凝汽器压力达到最佳值。凝汽器压力减小,机组功率增加;凝汽器压力增加,机组功率下降。因此,在机组负荷和运行参数一定的条件下,凝汽器运行压力与机组功率、微增功率有着密切的关系,而机组运行背压是由机组负荷、冷却水温度和循环水流量决定的。在机组负荷和冷却水温一定的条件下,机组凝汽器压力随循环水流量的改变而改变,而循环水流量的变化直接影响到循环水泵的耗功。增大循环水泵的叶角度能增加循环水泵的流量,机组背压减小,机组出力增加,但循环水泵的耗功也同时增加,当循环水流量增加太多时,因循环水泵的耗功增加而将机组出力的增加值抵消。因此,在一定的叶片角度下,如果汽轮机功率的增量与循环水量增加所引起的耗功量之差有极大值,那么,这时的凝汽器真空称为最有利真空,相应循环水量也为最佳值。

2.1最佳真空度的确定

蒸汽在凝汽器压力下的饱和温度用下式计算:

（1）

式中， tw1为循环水入口温度，℃;△t 为循环水温升，℃；为凝汽器端差，℃。

由热平衡方程得到循环水在凝汽器内的温升为:

（2）

式中，,为凝汽器蒸汽负荷，单位：为1 kg蒸汽在凝汽器中凝结放出的热量，单位:kJ。当排汽压力变化不大时，值的变化范围很小，对于大型机组一般可以近似将其取为2250 kJ/kg;Cp为水的质量定压热容，取 =4.186 8 kJ/(kg。K)，。为循环水质量流量，单位:kJ/s。

凝汽器端差用式（3）计算:

（3）

式中，K为凝汽器总体传热系数为凝汽器的冷却面积，单位: ，凝汽器总体传热系数K可用别尔曼公式计算。

凝汽器压力可根据,由式(4)求得:

（4）

循环水泵电动机功率用式(5)计算:

（5）

式中，为体积流量，单位: 为循环水密度，为重力加速度，单位为泵的效率，为传动效率，为原动机效率。

真空变化所对应的汽轮机功率变化△P可由制造厂提供的汽轮机真空修正曲线(即汽轮机背压变化对其功率影响的修正曲线)查得。当蒸汽负荷与冷却水入口温度一定时，对不同的冷却水质量流量，计算汽轮机功率变化△P见式:（6）

（6）

式中，为压力变化所对应的循环泵功率变化，当△P达到最大时的冷却水流量即为最佳流量，对应的真空值便是最佳真空; 真空变化所对应的汽轮机功率变化。

2.2工频运行的缺点

由于多数发电企业循环水泵采用工频调节，其出口门采用蝶阀，只有全开和全关两个位置，冷却水量的调节采用开循环台数进行控制，由于季节及昼夜温度的差异，时常出现 1 台循环水泵流量不足，开两台循环水泵流量过大的情况，这种调节方式，汽轮机凝器的真空不稳定，不能保证在经济运行的方式下运行，而且浪费了大量的电能，致使厂用电率高，供电煤耗高，发电成本高。

3变频水泵在电厂中的实际应用分析

随着大功率开关元件的成本降低，变频调节在工业控制上得到了普遍应用，特别是对风机、水泵类电动设备，由于其所需功率是与转速的三次方成正比的，因此，采用变频调速取代阀门或挡板调节流量成为电厂节能新的方向。使用变频调节的方式，可以节约能源 30%～60%。变频调速具有调速性能好、可靠性高、不断下降的成本、明显的节能效果以及易于实现过程自动化的特点，使其成为电厂节能改造的主要方法。

3.1 变频调速技术的主要原理分析

由于变频器主要由整流器、中间滤波环节、逆变器和控制电路几部分组成。供给电机的三相交流工频电经整流器变为直流,再经逆变器变为频率可调的三相交流电供给水泵的电机使用。控制回路的作用是控制可调频率的变化.

由电机学知识可知，异步电动机的转速公式为，因此，在极对数p一定且转差率S又变化很小的情况下，转速n基本上与电源频率f.成正比，即改变电源频率就可以改变转速。虽然在上式中f、 s、 p三者均可调节转速，但改变电机的极数相当困难，会使电机的结构变复杂，特别是在已投产的电厂中，改变电机的转差率也会带来较大的转差损耗，使效率降低。改变电源频率的方法，相对来说简单易行，且水泵从高速到低速调节时均可保持高效的性能。根据相似定律可得泵转速变化前后泵的扬程H、流量Q及轴功率N与转速n之问的关系为：

（7）

式中为工况1和工况2下的流量，为工况1和工况2下的转速，为工况1和工况2下的扬程，为工况1和工况2下的功率，W。

由上式知,功率与转速的三次方成正比,降低转速可以大幅度地降低功率。

3.2 变频水泵扬程流量特征曲线性能分析

图 1 为水泵变频特征曲线，在未采用变频措施时，当流量由减到时，需减少管路上阀门的开度，使泵工作在点，此时的水龙头将浪费，泵的轴功率为。当采用变频水泵时，可降低转速变为，水泵工作点将变为，轴功率为;

从图1中可看到，采用变频可减少轴功率.

3.3循环变频控制主要难点分析

电厂循环水系统采用变频调节时，需确定最佳的循环水量，采用的变倍率运行，是基于以季节为单位的气候条件下做出的，如果采用变频器对水量进行调节的，理论上可以使机组达到最佳运行方式，但在实施上会遇到控制上的问题：

1流量应依据什么信号来控制：一般来说，汽轮机背压是由凝器量、循环水量、循环水温等多因素决定的，采用何种数字模型来计算最佳流量还需要进一步研究；

2 地区多年的月均气温分析得出，相应的冷却水有温差，循环水量在有波动范围。如果日温差也在这个范围内，因此即使能构建数学模型，循环水量会随时变化，循环水泵可能出现频繁启停，这对于系统的安全有较大影响；

3 如果利用汽轮机背压做为主控制信号，控制上的滞后性也是一个棘手的问题，流量的变化反映到汽轮机背压上变化需要 一个时间过程，如处理不好，滞后问题可能导致最后优化控制的失败；循环水泵变频调节在投入和推出时，如何保证安全性和可靠性，也有一系列问题需要解决。

3.4 变频水泵的优点特性

1、提高了设备的使用寿命。电机的谐波损耗大大的减少，消除了由此引起的机械振动，减少了轴承和叶片的机械应力。

2、提高了系统的可靠性。在变频器上加装工频旁路装置，变频器异常时，变频器停止工作，电机可以直接手动切换至工频下运行。

3、减少了启、停时对系统的冲击。启、停时通过控制循环水泵的转速能够使水压平缓的变化。

4、节约了能源。能够使循环水泵在经济的状况下运行，减少了不必要的浪费。