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

摘要：通過對循環(huán)水系統(tǒng)的運行方式進行剖析，結(jié)合高壓變頻調(diào)速技術(shù)在循環(huán)泵變工況運行方式中的應(yīng)用，從另外角度分析實現(xiàn)機組經(jīng)濟性優(yōu)化運行的方式方法。闡述循環(huán)水系統(tǒng)進行變頻節(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)化運行

一、概況
　　以閉式循環(huán)冷卻機組為例，循環(huán)水系統(tǒng)的主要作用是冷卻汽機低壓缸排氣溫度，降低低壓缸排氣壓力，使得主蒸汽在通過汽輪機時最大限度的釋放能量做功轉(zhuǎn)化為汽輪機旋轉(zhuǎn)的機械能用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。循環(huán)水泵的作用是將冷卻水壓入凝汽器中與作過功的過熱蒸汽進行熱交換，降低汽輪機末端排壓。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

　　長期以來，大多數(shù)機組的循環(huán)水系統(tǒng)采用開停泵方式運行。根據(jù)季節(jié)不同，氣溫差異開啟一臺或兩臺循環(huán)水泵。由于機組凝汽器密封、機組效率、季節(jié)性溫差等原因，往往是為了保證機組安全運行，通常存在循環(huán)水系統(tǒng)開一臺流量不夠，開兩臺流量過大的情況，夏季運行流量卻不足等現(xiàn)象。這就無法保證機組的長期經(jīng)濟性穩(wěn)定運行，而且一直以來沒有合理的控制和調(diào)節(jié)手段，無法實現(xiàn)循環(huán)泵的功耗跟隨機組負荷調(diào)整，循環(huán)泵能耗居高不下。
　　如何實現(xiàn)對凝汽器真空的控制，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟、可靠運行，降低循環(huán)水系統(tǒng)在機組低負荷下的能耗水平，成為一個重要的研究課題。隨著機組密封技術(shù)和運行效率評價體系的完善，高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，使得采用自動運行方式控制凝汽器真空實現(xiàn)機組的經(jīng)濟運行成為可能。
　　在循環(huán)水系統(tǒng)中采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)機組負荷大小、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方面取到良好的效果：
　　① 提高機組運行效率，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低，結(jié)冰等問題。

二、系統(tǒng)分析
　　通過對循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)備及運行工藝分析，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)見和產(chǎn)生的影響，進行針對性的分析論證。
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)，主要是用于機組在額定負荷以下運行時，循環(huán)泵運行參數(shù)向下調(diào)整的需要。即：運行頻率在≤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行。當流量需求降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速隨之降低，根據(jù)流體力學相似定律，壓力也會下降。從而，帶來冷卻水管網(wǎng)及其輔助工業(yè)冷卻水等子系統(tǒng)的運行變化。
　　通過對循環(huán)泵、管網(wǎng)特性曲線和機組流量需求情況分析可知：在機組180～300MW負荷調(diào)整區(qū)間，循環(huán)泵的流量調(diào)整空間有限；且轉(zhuǎn)速下降時流量降低，壓力降低幅值不大，不會產(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)實現(xiàn)調(diào)速方式運行。

圖2

2．凝汽器真空度及最有利真空的實現(xiàn)
　　真空度是指凝汽器的真空值與當?shù)卮髿鈮旱谋戎档陌俜謹?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)電機組經(jīng)濟效益的重要參數(shù)。由于二次蒸汽在凝汽器中與冷卻水進行熱交換凝結(jié)成水時，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，同時在汽輪機的排汽口建立并保持高度真空，使進入汽輪機的蒸汽能膨脹到盡可能低的壓力，提高了蒸汽對汽輪機的做功能力。即：增大了機組的理想比焓降，提高汽輪機的工作效率。目前，凝汽器真空主要依靠調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制。其熱交換過程如圖3所示。

圖3

　　由汽輪機的工作原理可知，運行中的凝汽器壓力Pz主要取決于汽機負荷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。在汽機負荷一定的情況下，只有通過增加冷卻水的流量來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效率（ΔΝ1）提高的同時，循環(huán)水泵的運行電耗（ΔΝ2）也將大幅提高。所以汽輪機正常工作時存在一個與機組負荷對應(yīng)的最佳運行壓力，使ΔΝ1與ΔΝ2的差值最大，即最佳真空度，如圖4所示。

圖4

　　在實際的工程應(yīng)用中，采用汽輪機效率（ΔΝ1）和循環(huán)水泵的運行電耗（ΔΝ2）達到最佳經(jīng)濟性運行的實現(xiàn)方法上，很難通過函數(shù)運算和過程控制的方式來達到機組最佳經(jīng)濟效果。通常采用汽輪機在出廠時確定的最佳背壓范圍來作為控制的目標，從而改善機組運行工藝參數(shù)，實現(xiàn)凝汽器壓力隨機組負荷變化，經(jīng)濟性運行。因此，在循環(huán)泵中采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)最佳控制，就需要提出更新的控制策略，而采用熱力動態(tài)平衡理論，則有助于系統(tǒng)優(yōu)化控制的實現(xiàn)。
3．凝結(jié)水的過冷卻度問題
　　凝結(jié)水過冷會產(chǎn)生不可逆的汽源損失，是一項影響經(jīng)濟性的小指標。正常運行時，凝汽器過冷度一般為0.5～2℃。凝汽器過冷卻度每升高1℃，熱耗增加0.014%，過高會導(dǎo)致煤耗水平增加。導(dǎo)致凝結(jié)水過冷的因素也很多，其中循環(huán)水的流量及入口溫度對凝結(jié)水的過冷具有明顯影響。需要在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程中考慮此問題，使得機組綜合經(jīng)濟指標取得最佳。
4．冷卻塔蒸發(fā)水量損失與冬季結(jié)冰問題
　　火電廠是主要的用水大戶，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)損失水量及風吹損失水量的計算公式如下：

　　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，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)滿足凝汽器真空的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)水運行。
　　另外，在北方冬季由于氣候寒冷，環(huán)境溫度接近0℃時，常常會出現(xiàn)冷卻塔局部結(jié)冰現(xiàn)象。在冷卻塔的進風口結(jié)成冰簾從而減小進風面積，導(dǎo)致進風量下降，影響冷卻塔的運行效果。在冷卻塔內(nèi)部甚至會造成填料塌落，塔體內(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算、單一量平衡算法，通過改變循環(huán)泵流量控制凝汽器真空，同時將能量守恒定律和熱力學傳導(dǎo)理論引入到循環(huán)水系統(tǒng)的控制策略當中。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。將機組負荷變化對凝汽器真空的不同要求，冷卻循環(huán)水的運行端差，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。在滿足機組運行對凝汽器真空要求的同時，降低凝結(jié)水過冷度，把冷卻循環(huán)水的運行端差控制在合理范圍內(nèi)。從而，起到降低機組煤耗和冷卻塔蒸發(fā)水量損失的系統(tǒng)綜合經(jīng)濟性。
　　為了保證機組在不同負荷下經(jīng)濟、安全運行，機組在設(shè)計和運行中有一條負荷與排氣壓力的關(guān)系曲線。在原有的運行模式下，循環(huán)水系統(tǒng)依靠開停方式調(diào)節(jié)，經(jīng)濟性無法保證，只能通過循環(huán)水維持凝汽器真空盡可能低值運行，該曲線主要用于機組保護。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，進行保守值控制。

圖5

　　通過熱力學傳導(dǎo)理論可知：進行熱交換過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)，實現(xiàn)5℃左右的出入口端差調(diào)節(jié)對于熱交換系統(tǒng)才是最經(jīng)濟的。溫度差值大，系統(tǒng)熱交換效能下降，交換介質(zhì)流量過高，運行成本增加，但是并不能帶來更好的效果。在保證凝汽器真空的同時，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，機組滿負荷時需求量大，可以通過變頻技術(shù)發(fā)揮循環(huán)泵的潛在空間充分提高系統(tǒng)經(jīng)濟性指標；冬季氣溫低，容易導(dǎo)致凝結(jié)水過冷、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)速度快等特性滿足低負荷運行需要。在控制策略的設(shè)計中，取接近算法，以真空指標為主，兼顧輔助控制指標，從而使系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中具備了多樣性和靈活性，避免調(diào)節(jié)過程波動大，真空指標不穩(wěn)，影響機組運行安全和機組效率。

四、結(jié)束語
　　將循環(huán)水泵改為變頻運行，與工頻運行狀態(tài)相比工作揚程有一定的下降，所以可能會有部分膠球停留在凝汽器毛細管中，使膠球回收率有所下降影響運行效率。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)泵長期以來沒有調(diào)節(jié)手段和控制理論基礎(chǔ)，無法實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能高效運行的現(xiàn)狀。在目前的循環(huán)水系統(tǒng)中采用變頻節(jié)能優(yōu)化運行系統(tǒng)，能夠優(yōu)化機組經(jīng)濟運行，體現(xiàn)良好的機組節(jié)能降耗經(jīng)濟效益，充分發(fā)揮了高壓變頻調(diào)速技術(shù)在電廠主輔機設(shè)備中節(jié)能降耗的主導(dǎo)作用。

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