淺談電廠循環水泵變頻技術的應用

倪興娟

摘 要： 本文主要結合實際工作經驗，詳細介紹了變頻調速技術的主要原理、汽輪機最佳真空的計算方法，指出在電廠循環水系統中應用變頻調速技術是有較大的節能的效果。

關鍵詞： 電廠循環水泵；變頻調速；節能 ；經濟性

中圖分類號：TE08文獻標識碼： A

1主要問題的提出

隨著電力市場“廠網分離、競價上網”的逐步實行,降低煤耗,節約廠用電成為電廠挖潛節能增效的著力點。其中汽輪機的經濟運行是火電廠節能技術改造的重點之一,循環水泵所提供的冷卻水流量是影響汽輪機真空度的主要因素,因而通過合理控制循環水泵,調節冷卻水流量,使汽輪機經濟運行有著十分重要的意義。

2循環水優化的工作原理分析

由于凝汽器壓力是機組運行中的一個重要參數,不論在凝汽器的熱力設計中還是在汽輪機冷端設備運行時,都要求凝汽器壓力達到最佳值。凝汽器壓力減小,機組功率增加;凝汽器壓力增加,機組功率下降。因此,在機組負荷和運行參數一定的條件下,凝汽器運行壓力與機組功率、微增功率有著密切的關系,而機組運行背壓是由機組負荷、冷卻水溫度和循環水流量決定的。在機組負荷和冷卻水溫一定的條件下,機組凝汽器壓力隨循環水流量的改變而改變,而循環水流量的變化直接影響到循環水泵的耗功。增大循環水泵的葉角度能增加循環水泵的流量,機組背壓減小,機組出力增加,但循環水泵的耗功也同時增加,當循環水流量增加太多時,因循環水泵的耗功增加而將機組出力的增加值抵消。因此,在一定的葉片角度下,如果汽輪機功率的增量與循環水量增加所引起的耗功量之差有極大值,那么,這時的凝汽器真空稱為最有利真空,相應循環水量也為最佳值。

2.1最佳真空度的確定

蒸汽在凝汽器壓力下的飽和溫度用下式計算:

（1）

式中， tw1為循環水入口溫度，℃;△t 為循環水溫升，℃；為凝汽器端差，℃。

由熱平衡方程得到循環水在凝汽器內的溫升為:

（2）

式中，,為凝汽器蒸汽負荷，單位：為1 kg蒸汽在凝汽器中凝結放出的熱量，單位:kJ。當排汽壓力變化不大時，值的變化范圍很小，對于大型機組一般可以近似將其取為2250 kJ/kg;Cp為水的質量定壓熱容，取 =4.186 8 kJ/(kg。K)，。為循環水質量流量，單位:kJ/s。

凝汽器端差用式（3）計算:

（3）

式中，K為凝汽器總體傳熱系數為凝汽器的冷卻面積，單位: ，凝汽器總體傳熱系數K可用別爾曼公式計算。

凝汽器壓力可根據,由式(4)求得:

（4）

循環水泵電動機功率用式(5)計算:

（5）

式中，為體積流量，單位: 為循環水密度，為重力加速度，單位為泵的效率，為傳動效率，為原動機效率。

真空變化所對應的汽輪機功率變化△P可由制造廠提供的汽輪機真空修正曲線(即汽輪機背壓變化對其功率影響的修正曲線)查得。當蒸汽負荷與冷卻水入口溫度一定時，對不同的冷卻水質量流量，計算汽輪機功率變化△P見式:（6）

（6）

式中，為壓力變化所對應的循環泵功率變化，當△P達到最大時的冷卻水流量即為最佳流量，對應的真空值便是最佳真空; 真空變化所對應的汽輪機功率變化。

2.2工頻運行的缺點

由于多數發電企業循環水泵采用工頻調節，其出口門采用蝶閥，只有全開和全關兩個位置，冷卻水量的調節采用開循環臺數進行控制，由于季節及晝夜溫度的差異，時常出現 1 臺循環水泵流量不足，開兩臺循環水泵流量過大的情況，這種調節方式，汽輪機凝器的真空不穩定，不能保證在經濟運行的方式下運行，而且浪費了大量的電能，致使廠用電率高，供電煤耗高，發電成本高。

3變頻水泵在電廠中的實際應用分析

隨著大功率開關元件的成本降低，變頻調節在工業控制上得到了普遍應用，特別是對風機、水泵類電動設備，由于其所需功率是與轉速的三次方成正比的，因此，采用變頻調速取代閥門或擋板調節流量成為電廠節能新的方向。使用變頻調節的方式，可以節約能源 30%～60%。變頻調速具有調速性能好、可靠性高、不斷下降的成本、明顯的節能效果以及易于實現過程自動化的特點，使其成為電廠節能改造的主要方法。

3.1 變頻調速技術的主要原理分析

由于變頻器主要由整流器、中間濾波環節、逆變器和控制電路幾部分組成。供給電機的三相交流工頻電經整流器變為直流,再經逆變器變為頻率可調的三相交流電供給水泵的電機使用?？刂苹芈返淖饔檬强刂瓶烧{頻率的變化.

由電機學知識可知，異步電動機的轉速公式為，因此，在極對數p一定且轉差率S又變化很小的情況下，轉速n基本上與電源頻率f.成正比，即改變電源頻率就可以改變轉速。雖然在上式中f、 s、 p三者均可調節轉速，但改變電機的極數相當困難，會使電機的結構變復雜，特別是在已投產的電廠中，改變電機的轉差率也會帶來較大的轉差損耗，使效率降低。改變電源頻率的方法，相對來說簡單易行，且水泵從高速到低速調節時均可保持高效的性能。根據相似定律可得泵轉速變化前后泵的揚程H、流量Q及軸功率N與轉速n之問的關系為：

（7）

式中為工況1和工況2下的流量，為工況1和工況2下的轉速，為工況1和工況2下的揚程，為工況1和工況2下的功率，W。

由上式知,功率與轉速的三次方成正比,降低轉速可以大幅度地降低功率。

3.2 變頻水泵揚程流量特征曲線性能分析

圖 1 為水泵變頻特征曲線，在未采用變頻措施時，當流量由減到時，需減少管路上閥門的開度，使泵工作在點，此時的水龍頭將浪費，泵的軸功率為。當采用變頻水泵時，可降低轉速變為，水泵工作點將變為，軸功率為;

從圖1中可看到，采用變頻可減少軸功率.

3.3循環變頻控制主要難點分析

電廠循環水系統采用變頻調節時，需確定最佳的循環水量，采用的變倍率運行，是基于以季節為單位的氣候條件下做出的，如果采用變頻器對水量進行調節的，理論上可以使機組達到最佳運行方式，但在實施上會遇到控制上的問題：

1流量應依據什么信號來控制：一般來說，汽輪機背壓是由凝器量、循環水量、循環水溫等多因素決定的，采用何種數字模型來計算最佳流量還需要進一步研究；

2 地區多年的月均氣溫分析得出，相應的冷卻水有溫差，循環水量在有波動范圍。如果日溫差也在這個范圍內，因此即使能構建數學模型，循環水量會隨時變化，循環水泵可能出現頻繁啟停，這對于系統的安全有較大影響；

3 如果利用汽輪機背壓做為主控制信號，控制上的滯后性也是一個棘手的問題，流量的變化反映到汽輪機背壓上變化需要 一個時間過程，如處理不好，滯后問題可能導致最后優化控制的失??；循環水泵變頻調節在投入和推出時，如何保證安全性和可靠性，也有一系列問題需要解決。

3.4 變頻水泵的優點特性

1、提高了設備的使用壽命。電機的諧波損耗大大的減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機械應力。

2、提高了系統的可靠性。在變頻器上加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止工作，電機可以直接手動切換至工頻下運行。

3、減少了啟、停時對系統的沖擊。啟、停時通過控制循環水泵的轉速能夠使水壓平緩的變化。

4、節約了能源。能夠使循環水泵在經濟的狀況下運行，減少了不必要的浪費。