电厂循环水泵变频改造

陈正建

(深圳能源集团股份有限公司东部电厂， 广东深圳 518120)



电厂循环水泵变频改造

陈正建

(深圳能源集团股份有限公司东部电厂， 广东深圳 518120)

摘要：针对变频改造后出现的泵的最小流量限制和循环水母管充水要求，通过理论分析和试验，确定了运行的边界，保证设备和系统的安全。为了使得机组在最佳真空下运行，通过试验和估算找出变频泵的最佳运行工况,提高了循环水泵运行的灵活性，降低了厂用电率。

关键词：循环水; 变频; 最佳真空; 厂用电率

循环水泵是燃气-蒸汽联合循环电厂最大的耗能设备，某电厂3台联合循环机组配置了3台循环水泵，设计的循环水泵系统在运行方式上缺乏灵活性，不能在电厂两班制运行方式下经济运行，浪费大量厂用电。笔者重点分析了变频改造后，为了保证满足循环水泵最小流量要求和循环水爬坡母管充水等边界条件，对循环水泵变频后的运行频率进行了限制，保证设备和系统安全。在安全边界范围内，通过凝汽器真空变化对汽轮机功率微增影响的试验方法，得出了最佳真空对应的循环水泵运行方式和频率定值，保证机组运行在最经济工况点。循环水泵变频改造后的经济效益显著，灵活性明显增强，达到了预期的改造效果。

1循环水系统概况

某电厂安装3台350 MW联合循环机组，电厂的循环冷却水系统采用海水直流供水，取排水口均设在海边。

冷却水工艺流程为：海水→前池→净水间→循环水泵房→压力管→凝汽器及辅机冷却器→排水孔→虹吸井→排水沟→排水口→海水。循环水系统采用双母管制供水，3套联合循环机组配套3台循环水泵，2条循环水母管，3套虹吸井，以及1条钢筋混凝土自流排水沟。循环水母管间设有联络管，排水沟间也设有联络沟[1]。

图1为该电厂循环水系统图。

循环水泵额定流量为7.05 m3/s，扬程为23 m，泵出口均安装有液控式缓闭蝶阀，减小水锤风险。单台循环水泵电动机功率为2 200 kW，电压为6 kV。

2循环水系统改造前状况

按照设计，电厂3台机组配备3台循环水泵，为满足夏季海水温度最高时的循环冷却需要，3台泵同时运行；冬季工况下可以按照三机二泵运行，在满足冷却需要的情况下冬季运行可节约厂用电。实际运行中，这样的配置相对于两班制运行的机组缺乏灵活性，经济性差。根据2012年统计，1—4月和12月的冬季工况，几乎没有出现3台机的运行工况。冬季典型的两班制运行情况见图2。

冬季每天06：00左右开机，运行到22：30左右停机，一周除了周日可能开1台机或不开机，其余时间基本都开2台机。这种情况下，开2台机时需要2台泵，开1台机时需要1台泵，和设计的二泵三机运行方式背离，循环水明显过剩，造成严重浪费。夜间停机后也需要维持1台泵运行，由于没有大的热负荷，所需循环水量很小，浪费严重。在春秋季，开2台机需要2台循环水泵，此时的循环水流量还是过剩。另外，对于不同的机组负荷，循环水的需求量也不同，定速泵此时缺乏明显的灵活性。笔者主要分析机组全停工况和冬季工况的情况。

2.1 机组全停工况

机组主要是两班制运行，夜间机组调停后，仍需要少量的循环水冷却轴封蒸汽和部分疏水泄漏到凝汽器的蒸汽维持真空及辅机部分冷却用水，这时需要的循环水量很小。根据实际运行参数，机组在停机后凝汽器循环水进出口的温升只有0.3 K，此时1台工频泵的循环水流量基本都被浪费。

2.2 一泵一机工况和二机二泵工况

冬季工况，由于海水温度在17 ℃左右，而夏季工况的海水温度在27 ℃，冬季工况的温度明显低很多，循环水的冷却经常过量，导致凝汽器真空度太高，凝汽器压力超过极限真空，达到2 kPa左右，超过了机组设计的最佳真空值4.2 kPa，使得联合循环中的蒸汽循环部分偏离最佳真空运行工况点。在过低的真空下低压缸末几级的湿度会偏大，对低压缸最后几级叶片造成水蚀。此时凝结水过冷度达到6 K左右，较合理的过冷度2 K偏大很多，这说明海水将凝结水过度冷却，被海水带走的额外热量较多，在汽水循环时，这部分热量还要通过锅炉补充，经济性较差；且过冷度越大，凝结水的溶解氧就越高，将加速锅炉换热面和管道的腐蚀。

通过上述分析，无论机组全停工况，还是冬季一泵一机运行工况、二机二泵运行工况，均能减少循环水流量的潜力，有较大的节能降耗潜力，且针对过渡季和不同的机组负荷等情况，通过调整循环水流量也有一定的节能空间。

3变速方案选择

3.1 变速泵的特性

由泵和风机的工作原理可知：水泵和风机的流量与其转速成正比；水泵和风机的压力(扬程)与其转速的平方成正比，而水泵和风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵和风机的轴功率与其转速的三次方成正比[2]。

水泵和风机属于典型的平方转矩负载类型，所以其功率(轴功率)、转矩(压力)、转速满足以下关系(相似定理)：

(1)

式中：N′、Q′、H′、P′表示变频后的泵的转速、流量、压头和轴功率；N′、Q、H、P表示工频泵的转速、流量、压头和轴功率。

3.2 变频和双速改造的选择

循环水泵的变速改造一般有变频和高低双速改造两种方案。变频方案可以实现循环水泵转速和流量的连续调节，但是变频装置的可靠性相对较低，且变频装置初期投资较大。高低双速改造的流量调节是通过不同的泵的运行组合实现的，不具有连续可调性能，尤其在单泵容量较大情况下，节能不彻底，且大部分的高低速切换需要停泵，操作不灵活。考虑该电厂3台机组只配备了3台循环水泵，单泵功率大，且目前大功率的变频器价格大幅下降，可靠性也有明显上升，最后决定采用变频改造。

采用变频方案后，考虑实际运行方式的灵活性、节能效果以及投资回报，按照3台循环水泵中取2台循环水泵按一拖一变频改造来实施，综合考虑系统循环水系统配置方式和运行方式，最终选取1号、3号循环水泵进行变频改造。变频装置带工频旁路，提供了变频和工频两种运行方式。为了保证备用的可靠性和快速性，备用只采用工频备用方式(不设变频备用方式)。

4变频后系统运行边界问题

4.1 循环水泵最小流量保护

泵的最小流量旨在保护泵叶轮，防止在小流量工况下，叶轮边缘的摩擦热量无法被带走，导致汽化出现汽蚀，损坏叶轮。同样，为了防止由于循环水泵的频率下降，导致流量下降，进而导致小于泵的最小流量，长期这种工况运行，导致泵的叶轮汽蚀。制造厂给出的最小运行流量是4.2 m3/s，最低运行频率是33 Hz。所以循环水泵的频率也需要一个最低值限制，以保护循环水泵，防止叶轮汽蚀。

根据循环水泵的性能曲线，保证变频后循环水泵在任何时刻都能运行在最小流量之上，在控制系统中特别设定了闭锁功能。图3为根据泵的特性曲线绘制的闭锁函数，表1为根据实际试验测量数据得到的最低频率闭锁设定(通过试验测量不同工况下最小流量对应的频率)。图3中定值设置的依据主要是泵的变频后的性能曲线，当一台变频泵运行时，按照泵在一定频率下的性能曲线查得泵出口压力对应的流量，保证大于最小流量，实际循环水泵出口压力只有压力表，通过实际观察和修正，采用循环水泵出口母管压力变送器来实现闭锁功能。在变频泵和工频泵并列运行时，变频泵和工频泵的出口压头基本相同，流量不同，同时也考虑了最大循环水母管压力、最低潮位等因素来决定变频泵的最低频率，保证变频泵的流量在任何工况下均大于最小流量值。

4.2 循环水母管坡顶充水

由于该电厂的循环水母管先爬坡后下坡，最高点和最低点相差9 m，所以循环水泵的压头一方面要满足爬过坡顶，同时也要充满母管顶部，防止由于母管顶部的空气进入管道，引起凝汽器进空气，破坏凝汽器虹吸作用，另一方面还要克服循环水的沿程阻力。这就决定了循环水泵变频后的频率不能一味降低，且各机组的凝汽器循环水的回水阀开度可以调节，来配合维持循环水母管顶部充水。

表2为不同运行方式下坡顶充水设定报警值。

表2　不同运行方式下坡顶充水设定报警值

注：3台泵的运行方式在3台机组凝汽器全开回水阀的情况下均能满足母管坡顶充水。

5变频后的启停

为了限制循环水系统水锤影响，一般在循环水泵出口安装液控蝶阀，通过程控配合减少水锤对管道和设备的影响。循环水泵变频后，由于变频装置变压器的容量限制等原因，启动过程不能在短时间内完成，所以和液控蝶阀的配合也将变化。改造之前的工频启动逻辑：DCS上发出启泵程控指令后，先快开泵出口液控蝶阀到15°时(约5 s)，发启动循环水泵指令，同时液控蝶阀继续慢开至全开(约20 s)。改造后的变频启动逻辑：DCS上发出变频启泵程控指令后，先变频启动循环水泵，待循环水泵频率至35 Hz时，液控蝶阀前后压力平衡，开始打开循环水泵出口液控蝶阀至全开。液控蝶阀打开过程和工频方式一致，只是开到15°位置开关没有作用。实际过程中，相较工频启动的硬启动特性，变频启动过程循环水系统压力基本没有冲击现象。对于变频启动先启泵后开阀方式，主要是避免开阀后在变频器升频率过程中长时间对循环水母管泄压；同时也可能造成变频器启动负载大，启动不成功风险。

改造前的工频停泵逻辑：DCS上发出停泵程控指令后，液控蝶阀开始快关到15°位置(约3 s)，此时发出停循环水泵指令，同时继续慢关液控蝶阀至全关。改造后的变频停泵逻辑：DCS上发出变频停泵指令，此时控制系统先将变频泵的频率降低到35 Hz，然后液控蝶阀开始快关到15°，此时发出断循环水泵变频器上游6 kV开关指令，同时继续慢关液控蝶阀至全关。实际上改造后变频停泵的逻辑和工频保持了一致，保证在停泵过程中不出现短时憋泵的现象。

6变频后系统运行最佳工况

增加循环水量会使汽轮机的真空提高，使机组的发电量增加，但增加循环水量也会使循环水泵的耗电量增加。因此要找出一个最佳值，使系统的净功率最大，即对应于一定的内、外部条件，在某种循环水系统运行方式下，机组出力与循环水系统耗电量之差最大，则该方式为循环水系统的最佳运行方式，此时电厂运行的经济性最高。

(2)

式中：Nt为机组的发电量；Npi为第i台水泵的耗电量，i=1,2,3,…，n。

功率净增益ΔN为：

ΔN=ΔNt-ΔNp

(3)

式中：ΔNt为按某一基准计算的汽轮机的增发功率，kW；ΔNp为按某一基准计算的循环水泵的功率增量，kW。

对于循环水量可连续调节的系统，在某一循环水进口温度tw1和机组负荷Nt，以循环水量Dw为决策变量，不断变动Dw，依次计算循环水温升、凝汽器端差、凝汽器饱和温度、凝汽器真空、汽轮机功率、循环水泵的功耗、汽轮机增发功率ΔNt与循环水泵的功耗增量ΔNt之差ΔN，相应循环水流量Dw即为最佳循环水流量，对应的汽轮机真空即为最佳真空(见图4)[2]。

图5是试验测得的冬季工况一机一泵方式下380 MW负荷的最佳真空曲线，通过对不同的运行方式的试验得出最佳真空和最佳频率(见表3)。

尽管能通过试验的方法找到一定海水温度下不同负荷点的最佳真空值，但是由于海水温度随季节变化，而机组负荷受电网的调度，所以最佳真空值是变化的。为了便于控制，同时也根据试验数据，对冬季工况下不同负荷的最佳频率进行插值计算，得到全负荷工况下的最佳频率。

对于海水温度的变化，可以根据凝汽器变工况计算来确定最佳频率运行点，但是该计算量较大，且准确性也不高，所以按照简单的热平衡方法，对不同海水温度下的最佳频率进行了估算，得到了循环水泵的不同组合运行方式(图6)和全工况下的最佳频率值(表4)。

Hz

注：循环水泵主要组合运行方式为一变、二变、二变一工。

7结语

(1) 由于循环水泵变频改造针对冬季工况进行，得到的是冬季工况下的最佳真空情况。

(2) 根据试验得到了相关工况的最佳真空，给出了不同海水温度和不同机组负荷情况下的循环水泵运行方式和最佳频率；但是在DCS上组态相关运行比较复杂，暂时还是采用手动调整。

(3) 根据循环水泵变频改造后的调试数据及运行情况，若以上一年度机组的负荷率及运行方式估算，2台循环水泵变频改造后预计全年可节电约6.34×106kW·h，按0.53元/(kW·h)计算，节省费用约336万元，节电率约为22.1%，使厂用电率降至2.19%，节能效果明显，按照投资250万元计算，投资回收期在10个月左右，经济效益显著。

参考文献：

[1] 孙兰英. 东部电厂循环水泵变频改造报告[R]. 北京：华北电力设计院工程有限公司，2014.

[2] 陈鹏程. 东部电厂循环水泵变频改造试验方案[R]. 广州：广东粤能电力科技开发有限公司，2015.

Frequency Conversion Retrofit of a Circulating Water Pump for Power Plants

Chen Zhengjian

(Dongbu Power Plant, Shenzhen Energy Corporation, Shenzhen 518120, China)

Abstract：To guarantee that the flow rate of relevant circulating water pumps is higher than the minimum requirement and the top of the main pipeline can be filled with seawater after frequency conversion retrofit, operation limits are set through analysis and commissioning tests to secure the safety of related equipment and systems. Meanwhile, optimal operation conditions are found by tests and calculations after frequency conversion retrofit, so that the circulating water system can be operated under the best vacuum condition and become more flexible to the DSS operation mode, thus bringing remarkable economic benefit to the power plant.

Keywords：circulating water; frequency conversion; optimal vacuum; auxiliary power ratio

收稿日期：2015-10-20

作者简介：陈正建(1981—)，男，工程师，主要从事燃气轮机运行管理工作。E-mail: chenzhengjian@sec.com.cn

中图分类号：TK477

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0183-05