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機(jī)組循環(huán)水變頻節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行剖析，結(jié)合高壓變頻調(diào)速技術(shù)在循環(huán)泵變工況運(yùn)行方式中的應(yīng)用，從另外角度分析實(shí)現(xiàn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化運(yùn)行的方式方法。闡述循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能優(yōu)化的可行性，為循環(huán)水變頻系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供可借鑒的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：循環(huán)水系統(tǒng) 變頻優(yōu)化運(yùn)行

一、概況
　　以閉式循環(huán)冷卻機(jī)組為例，循環(huán)水系統(tǒng)的主要作用是冷卻汽機(jī)低壓缸排氣溫度，降低低壓缸排氣壓力，使得主蒸汽在通過(guò)汽輪機(jī)時(shí)最大限度的釋放能量做功轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。循環(huán)水泵的作用是將冷卻水壓入凝汽器中與作過(guò)功的過(guò)熱蒸汽進(jìn)行熱交換，降低汽輪機(jī)末端排壓。吸收熱量的循環(huán)水被輸送至冷卻塔后噴淋，經(jīng)逆流自然通風(fēng)冷卻后循環(huán)使用。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1

　　長(zhǎng)期以來(lái)，大多數(shù)機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)采用開(kāi)停泵方式運(yùn)行。根據(jù)季節(jié)不同，氣溫差異開(kāi)啟一臺(tái)或兩臺(tái)循環(huán)水泵。由于機(jī)組凝汽器密封、機(jī)組效率、季節(jié)性溫差等原因，往往是為了保證機(jī)組安全運(yùn)行，通常存在循環(huán)水系統(tǒng)開(kāi)一臺(tái)流量不夠，開(kāi)兩臺(tái)流量過(guò)大的情況，夏季運(yùn)行流量卻不足等現(xiàn)象。這就無(wú)法保證機(jī)組的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)定運(yùn)行，而且一直以來(lái)沒(méi)有合理的控制和調(diào)節(jié)手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)泵的功耗跟隨機(jī)組負(fù)荷調(diào)整，循環(huán)泵能耗居高不下。
　　如何實(shí)現(xiàn)對(duì)凝汽器真空的控制，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行，降低循環(huán)水系統(tǒng)在機(jī)組低負(fù)荷下的能耗水平，成為一個(gè)重要的研究課題。隨著機(jī)組密封技術(shù)和運(yùn)行效率評(píng)價(jià)體系的完善，高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，使得采用自動(dòng)運(yùn)行方式控制凝汽器真空實(shí)現(xiàn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成為可能。
　　在循環(huán)水系統(tǒng)中采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷大小、不同季節(jié)的環(huán)境溫度變化等因素，合理控制循環(huán)水流量維持凝汽器排汽壓力的最佳真空度，主要可以在以下幾個(gè)方面取到良好的效果：
　　① 提高機(jī)組運(yùn)行效率，降低煤耗水平。
　　② 降低循環(huán)水泵單耗，節(jié)約大量電能。
　　③ 降低冷卻塔循環(huán)水蒸發(fā)量損失。
　　④ 避免冬季冷卻塔回水溫度過(guò)低，結(jié)冰等問(wèn)題。

二、系統(tǒng)分析
　　通過(guò)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)備及運(yùn)行工藝分析，結(jié)合高壓變頻技術(shù)在循環(huán)水系統(tǒng)中應(yīng)用可能預(yù)見(jiàn)和產(chǎn)生的影響，進(jìn)行針對(duì)性的分析論證。
1．循環(huán)水泵調(diào)速
　　在循環(huán)水泵上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，主要是用于機(jī)組在額定負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵運(yùn)行參數(shù)向下調(diào)整的需要。即：運(yùn)行頻率在≤50Hz范圍內(nèi)調(diào)整。從圖2可以看出：只要管網(wǎng)工作壓力H高于管網(wǎng)靜壓值HST，在保證最低流量的情況下即可安全運(yùn)行。當(dāng)流量需求降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速隨之降低，根據(jù)流體力學(xué)相似定律，壓力也會(huì)下降。從而，帶來(lái)冷卻水管網(wǎng)及其輔助工業(yè)冷卻水等子系統(tǒng)的運(yùn)行變化。
　　通過(guò)對(duì)循環(huán)泵、管網(wǎng)特性曲線和機(jī)組流量需求情況分析可知：在機(jī)組180～300MW負(fù)荷調(diào)整區(qū)間，循環(huán)泵的流量調(diào)整空間有限；且轉(zhuǎn)速下降時(shí)流量降低，壓力降低幅值不大，不會(huì)產(chǎn)生較大影響。系統(tǒng)能夠接受循環(huán)泵在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)速方式運(yùn)行。

圖2

2．凝汽器真空度及最有利真空的實(shí)現(xiàn)
　　真空度是指凝汽器的真空值與當(dāng)?shù)卮髿鈮旱谋戎档陌俜謹(jǐn)?shù)，也就是我們控制循環(huán)水系統(tǒng)的直接影響變量，是影響發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的重要參數(shù)。由于二次蒸汽在凝汽器中與冷卻水進(jìn)行熱交換凝結(jié)成水時(shí)，由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，體積迅速變化，這就在凝汽器內(nèi)形成高度真空，同時(shí)在汽輪機(jī)的排汽口建立并保持高度真空，使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽能膨脹到盡可能低的壓力，提高了蒸汽對(duì)汽輪機(jī)的做功能力。即：增大了機(jī)組的理想比焓降，提高汽輪機(jī)的工作效率。目前，凝汽器真空主要依靠調(diào)節(jié)冷卻水流量來(lái)控制。其熱交換過(guò)程如圖3所示。

圖3

　　由汽輪機(jī)的工作原理可知，運(yùn)行中的凝汽器壓力Pz主要取決于汽機(jī)負(fù)荷Dz、冷卻水入口溫度ts2和冷卻水量Ds，冷卻水溫能夠降低的最低溫度主要取決于自然環(huán)境溫度t0。在汽機(jī)負(fù)荷一定的情況下，只有通過(guò)增加冷卻水的流量來(lái)提高凝汽器的真空度，但真空度并不是越高越好，在提高真空度使汽輪機(jī)效率（ΔΝ1）提高的同時(shí)，循環(huán)水泵的運(yùn)行電耗（ΔΝ2）也將大幅提高。所以汽輪機(jī)正常工作時(shí)存在一個(gè)與機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行壓力，使ΔΝ1與ΔΝ2的差值最大，即最佳真空度，如圖4所示。

圖4

　　在實(shí)際的工程應(yīng)用中，采用汽輪機(jī)效率（ΔΝ1）和循環(huán)水泵的運(yùn)行電耗（ΔΝ2）達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方法上，很難通過(guò)函數(shù)運(yùn)算和過(guò)程控制的方式來(lái)達(dá)到機(jī)組最佳經(jīng)濟(jì)效果。通常采用汽輪機(jī)在出廠時(shí)確定的最佳背壓范圍來(lái)作為控制的目標(biāo)，從而改善機(jī)組運(yùn)行工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)凝汽器壓力隨機(jī)組負(fù)荷變化，經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。因此，在循環(huán)泵中采用變頻調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳控制，就需要提出更新的控制策略，而采用熱力動(dòng)態(tài)平衡理論，則有助于系統(tǒng)優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)。
3．凝結(jié)水的過(guò)冷卻度問(wèn)題
　　凝結(jié)水過(guò)冷會(huì)產(chǎn)生不可逆的汽源損失，是一項(xiàng)影響經(jīng)濟(jì)性的小指標(biāo)。正常運(yùn)行時(shí)，凝汽器過(guò)冷度一般為0.5～2℃。凝汽器過(guò)冷卻度每升高1℃，熱耗增加0.014%，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致煤耗水平增加。導(dǎo)致凝結(jié)水過(guò)冷的因素也很多，其中循環(huán)水的流量及入口溫度對(duì)凝結(jié)水的過(guò)冷具有明顯影響。需要在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程中考慮此問(wèn)題，使得機(jī)組綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)取得最佳。
4．冷卻塔蒸發(fā)水量損失與冬季結(jié)冰問(wèn)題
　　火電廠是主要的用水大戶(hù)，其中冷卻塔中的冷卻水損失是電廠水資源損失的主要源頭之一。它包括蒸發(fā)損失，風(fēng)吹損失和排污損失；而占75％以上的蒸發(fā)損失主要與循環(huán)水的流量及冷卻塔出入口溫度端差密切相關(guān)。在北方由于夏冬兩季的溫差較大，所以夏冬季冷卻塔中蒸發(fā)熱量所占的比值也有很大變化；夏季約為100%，而冬季約為50%。蒸發(fā)損失水量及風(fēng)吹損失水量的計(jì)算公式如下：

　　由上式③可以看出：在一定的環(huán)境溫度下，冷卻塔的主要水量損失主要取決于循環(huán)水流量Ds及冷卻水出入口溫度端差ΔTL。也就是說(shuō)，合理控制冷卻塔循環(huán)水流量Ds及冷卻水出入口溫度端差ΔTL能夠有效降低冷卻塔水量損失。在循環(huán)水變頻控制系統(tǒng)滿(mǎn)足凝汽器真空的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)水運(yùn)行。
　　另外，在北方冬季由于氣候寒冷，環(huán)境溫度接近0℃時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)冷卻塔局部結(jié)冰現(xiàn)象。在冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口結(jié)成冰簾從而減小進(jìn)風(fēng)面積，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)量下降，影響冷卻塔的運(yùn)行效果。在冷卻塔內(nèi)部甚至?xí)斐商盍纤洌w內(nèi)混凝土由于多次凍融而影響使用壽命。為了避免在冬季氣溫較低時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，在循環(huán)水系統(tǒng)的控制中增加防凍控制子系統(tǒng)；控制凝汽器的回水溫度，可有效避免在冷卻塔蒸發(fā)降溫后出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。

三、系統(tǒng)控制方案
　　該控制策略采用多參量計(jì)算、單一量平衡算法，通過(guò)改變循環(huán)泵流量控制凝汽器真空，同時(shí)將能量守恒定律和熱力學(xué)傳導(dǎo)理論引入到循環(huán)水系統(tǒng)的控制策略當(dāng)中。從而，使得循環(huán)泵的流量控制不再以單純的凝汽器真空作為控制目標(biāo)。將機(jī)組負(fù)荷變化對(duì)凝汽器真空的不同要求，冷卻循環(huán)水的運(yùn)行端差，環(huán)境溫度等參數(shù)作為主調(diào)節(jié)回路的綜合調(diào)節(jié)指標(biāo)。在滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行對(duì)凝汽器真空要求的同時(shí)，降低凝結(jié)水過(guò)冷度，把冷卻循環(huán)水的運(yùn)行端差控制在合理范圍內(nèi)。從而，起到降低機(jī)組煤耗和冷卻塔蒸發(fā)水量損失的系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性。
　　為了保證機(jī)組在不同負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行，機(jī)組在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中有一條負(fù)荷與排氣壓力的關(guān)系曲線。在原有的運(yùn)行模式下，循環(huán)水系統(tǒng)依靠開(kāi)停方式調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性無(wú)法保證，只能通過(guò)循環(huán)水維持凝汽器真空盡可能低值運(yùn)行，該曲線主要用于機(jī)組保護(hù)。在循環(huán)水控制應(yīng)用中，將該曲線作為調(diào)節(jié)的參考量，進(jìn)行保守值控制。

圖5

　　通過(guò)熱力學(xué)傳導(dǎo)理論可知：進(jìn)行熱交換過(guò)程并非是溫度差值越大越好，也不是流量越多越好，而是將溫度端差控制在4.5～6.5℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)5℃左右的出入口端差調(diào)節(jié)對(duì)于熱交換系統(tǒng)才是最經(jīng)濟(jì)的。溫度差值大，系統(tǒng)熱交換效能下降，交換介質(zhì)流量過(guò)高，運(yùn)行成本增加，但是并不能帶來(lái)更好的效果。在保證凝汽器真空的同時(shí)，根據(jù)季節(jié)差異調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，將出入口端差控制在4.5～6.5℃范圍。
　　考慮到夏天氣溫高，機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)需求量大，可以通過(guò)變頻技術(shù)發(fā)揮循環(huán)泵的潛在空間充分提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；冬季氣溫低，容易導(dǎo)致凝結(jié)水過(guò)冷、冷卻塔結(jié)冰等因素，可以充分利用變頻的調(diào)節(jié)范圍寬、響應(yīng)速度快等特性滿(mǎn)足低負(fù)荷運(yùn)行需要。在控制策略的設(shè)計(jì)中，取接近算法，以真空指標(biāo)為主，兼顧輔助控制指標(biāo)，從而使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中具備了多樣性和靈活性，避免調(diào)節(jié)過(guò)程波動(dòng)大，真空指標(biāo)不穩(wěn)，影響機(jī)組運(yùn)行安全和機(jī)組效率。

四、結(jié)束語(yǔ)
　　將循環(huán)水泵改為變頻運(yùn)行，與工頻運(yùn)行狀態(tài)相比工作揚(yáng)程有一定的下降，所以可能會(huì)有部分膠球停留在凝汽器毛細(xì)管中，使膠球回收率有所下降影響運(yùn)行效率。為此，將膠球清洗裝置的狀態(tài)引入循環(huán)水控制系統(tǒng)，自動(dòng)根據(jù)膠球回收情況提升循環(huán)水管網(wǎng)壓力，避免流速下降帶來(lái)的不利影響，從而保證膠球清洗的回收率。
　　該系統(tǒng)的使用解決了循環(huán)泵長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有調(diào)節(jié)手段和控制理論基礎(chǔ)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能高效運(yùn)行的現(xiàn)狀。在目前的循環(huán)水系統(tǒng)中采用變頻節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，能夠優(yōu)化機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，體現(xiàn)良好的機(jī)組節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)效益，充分發(fā)揮了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在電廠主輔機(jī)設(shè)備中節(jié)能降耗的主導(dǎo)作用。

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