安貴成

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)兆豐鋁業(yè)公司自備電廠，山西陽(yáng)泉045000)

660 MW間接空冷機(jī)組循環(huán)水泵配置方案探討

安貴成

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)兆豐鋁業(yè)公司自備電廠，山西陽(yáng)泉045000)

根據(jù)660MW間接空冷機(jī)組相關(guān)技術(shù)參數(shù)及當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，對(duì)循環(huán)水泵型式、臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，認(rèn)為采用3臺(tái)臥式雙吸離心泵，并采用變頻器調(diào)速同時(shí)改變3臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速的方案是科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的方案。

循環(huán)水泵;經(jīng)濟(jì)循環(huán)水量;變頻器調(diào)速;投資;運(yùn)行耗能

0 引言

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司西上莊2×660MW汽輪發(fā)電機(jī)組系哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CJK660－27/0.4/600/610高效超超臨界、一次中間再熱、間接空冷抽凝式汽輪機(jī)。

表凝式間接空冷系統(tǒng)由表面式凝汽器、循環(huán)水泵、空冷塔以及散熱器等構(gòu)成。其循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為:循環(huán)水進(jìn)入表面式凝汽器的水側(cè)通過(guò)表面換熱，冷卻凝汽器汽側(cè)的汽輪機(jī)排汽，受熱后的循環(huán)水由循環(huán)水泵送至空冷塔，通過(guò)空冷散熱器與空氣進(jìn)行表面換熱，循環(huán)水被空氣冷卻后再返回凝汽器去冷卻汽輪機(jī)排汽，構(gòu)成了密閉循環(huán)。由于表凝式間接空冷機(jī)組冷端為兩次換熱，所以該類型機(jī)組與常規(guī)濕冷機(jī)組相比，設(shè)計(jì)背壓較高，且背壓受氣溫影響變化幅度較大。如果循環(huán)水量不進(jìn)行調(diào)節(jié)，將導(dǎo)致冬季氣溫較低時(shí)，機(jī)組背壓降至阻塞背壓而效率降低，循環(huán)水泵耗能浪費(fèi)嚴(yán)重。

1 循環(huán)水量參數(shù)

間接空冷機(jī)組背壓的高低與循環(huán)冷卻水的進(jìn)水溫度、流量、機(jī)組排汽量、凝汽器的傳熱端差等因素有關(guān)，它由與之相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度ts來(lái)確定，溫度ts由下式?jīng)Q定:

式中:ts為與凝汽器背壓Pc相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度;tw1為冷卻水進(jìn)口溫度;Δt為冷卻水溫升;tw2為冷卻水出口溫度;δt為凝汽器端差;r為凝結(jié)水的汽化熱;Dc為汽輪機(jī)排汽量;Dw為循環(huán)冷卻水流量。根據(jù)ts即可查得蒸汽所對(duì)應(yīng)的飽和壓力Ps，由于凝汽器中不可凝結(jié)氣體所占比例很小，凝汽器內(nèi)的壓力Pc和Ps近似相等，即Pc≈Ps。

上述參數(shù)中，冷卻水進(jìn)口溫度tw1(即空冷塔散熱器組出水溫度)與空冷塔散熱器的散熱系數(shù)、進(jìn)塔空氣量、散熱量及氣溫等因素相關(guān)，但氣溫的影響更大。由空冷塔散熱器特性曲線可知:散熱量為額定值時(shí)，循環(huán)水溫度tw1與氣溫t0近似為線性關(guān)系。另外，汽輪機(jī)排汽量Dc與機(jī)組負(fù)荷有直接關(guān)系。當(dāng)氣溫t0較低，冷卻水進(jìn)口溫度tw1較低，凝汽負(fù)荷Dc較小的情況下，減少冷卻水量Dw可使機(jī)組背壓不至于低于阻塞背壓，同時(shí)可以降低循環(huán)水泵消耗功率，增加上網(wǎng)電量，使機(jī)組在最經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行。從公式(1)、(2)可導(dǎo)出循環(huán)水量的計(jì)算公式:

2 間接空冷系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)某廠表面式凝汽器參數(shù)、空冷散熱器參數(shù)，循環(huán)水管徑及布置方案，對(duì)間接空冷系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1)，得到TMCR工況下循環(huán)水系統(tǒng)阻力為23.97m。散熱器為?25六排管鋁管鋁翅片型式，塔外垂直布置，102組。

表1660 MW表凝式間接空冷系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3 循環(huán)水泵配置方案

3.1 循環(huán)水泵型式選擇

臥式雙吸離心泵與立式離心泵、斜流泵相比較，具有以下主要優(yōu)點(diǎn):設(shè)備價(jià)格低，效率高，無(wú)軸向推力問(wèn)題，無(wú)立式電機(jī)的潤(rùn)滑油供油和冷卻等輔助系統(tǒng)，安裝、檢修維護(hù)費(fèi)用低，性能更加穩(wěn)定，且泵站的深度和高度均較小，土建投資節(jié)省。因此，選用臥式雙吸離心泵是較合理的。

3.2 循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)及參數(shù)選擇

1臺(tái)汽輪機(jī)可以配置2臺(tái)或3臺(tái)循環(huán)水泵，其總出力應(yīng)大于機(jī)組的最大計(jì)算用水量。一般情況下，循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)越少，整個(gè)泵站的總投資就越小。2×50%容量方案，循環(huán)水泵流量為28885t/h，滿足此要求的國(guó)內(nèi)水泵廠家較少，且均無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用業(yè)績(jī);3×35%容量方案，循環(huán)水泵流量20220t/h，滿足此要求的國(guó)內(nèi)水泵廠家比較多。

經(jīng)比較分析，最終確定采用3×35%容量方案，確定循環(huán)水泵參數(shù)為:Q=5.70m3/s(20520t/h)，H=24m，N=1650kW。

3.3 循環(huán)水泵調(diào)節(jié)方式優(yōu)化

目前，間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水泵主要采用改變并列水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，采用雙速電機(jī)改變水泵轉(zhuǎn)速的方案進(jìn)行調(diào)節(jié)循環(huán)水流量。水泵并列運(yùn)行的原則是水泵揚(yáng)程相等(或比較接近)。否則，將導(dǎo)致?lián)P程較小的水泵流量占總流量比例較小，并列運(yùn)行的所有水泵工況均偏離其設(shè)計(jì)高效區(qū)，效率下降明顯，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致?lián)P程小的水泵被“悶死”，流量為零，水泵快速起溫的事故。因此，采用雙速電機(jī)，水泵的聯(lián)合運(yùn)行方式只能采取高速并列或低速并列的運(yùn)行方式。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行期間，當(dāng)循環(huán)水泵需高低速切換時(shí)，水泵啟停操作較多。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，大多在機(jī)組啟動(dòng)前確定循環(huán)水泵高速或低速并列方式;從安全方面考慮，機(jī)組運(yùn)行期間對(duì)循環(huán)水泵不作高低速切換。所以，雙速電機(jī)方案實(shí)際上存在部分時(shí)間段循環(huán)水泵的運(yùn)行方式偏離理想運(yùn)行方式，既不經(jīng)濟(jì)，又使得設(shè)備投資不能夠正常發(fā)揮效益。

隨著高壓變頻器設(shè)備可靠性提高及價(jià)格降低，高壓變頻技術(shù)在電廠水泵及風(fēng)機(jī)控制方面得到了廣泛推廣應(yīng)用。采用變頻調(diào)速方案，水泵啟停、水泵并列(解列)時(shí)，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的沖擊較小，無(wú)水錘隱患。同時(shí)可以根據(jù)氣溫的變化、負(fù)荷的高低實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，調(diào)節(jié)方式更加靈活、方便。

下面就采用“變頻器調(diào)速，同時(shí)改變3臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速”與常規(guī)的“改變并列水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)”進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析比較。

3.3.1 投資比較

高壓變頻器價(jià)格約為1000元/kW，變頻器調(diào)速方案較常規(guī)定速泵方案增加投資約495萬(wàn)元。

3.3.2 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

(1)定速泵方案運(yùn)行耗能分析

為了防止空冷塔散熱器凍裂，冬季循環(huán)水流量和循環(huán)水溫度不可以降低太多。根據(jù)國(guó)內(nèi)外調(diào)整試驗(yàn)資料，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，冷卻塔出水溫度應(yīng)不低于20℃。間接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣溫為14℃。從安全可靠性角度分析，由于間接空冷系統(tǒng)是閉式循環(huán)，循環(huán)水泵啟停對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的沖擊(水錘)比普通濕冷機(jī)組開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)大得多，不允許每天夜間停止1臺(tái)泵運(yùn)行，第二天上午再啟動(dòng)該泵運(yùn)行。綜合考慮上述因素，定速泵方案的運(yùn)行方式為:4至10月份循環(huán)水泵為3臺(tái)并列運(yùn)行(工況A)，其余月份為2臺(tái)并列運(yùn)行(工況B)。

通過(guò)相關(guān)水力計(jì)算，求得系統(tǒng)流量－阻力特性曲線，結(jié)合水泵的流量－揚(yáng)程、流量－效率特性曲線，計(jì)算得出各工況點(diǎn)參數(shù)，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表2所示。循環(huán)水泵運(yùn)行耗能與機(jī)組負(fù)荷率無(wú)關(guān)，全年能耗為3620.80萬(wàn)(kW·h)。

(2)調(diào)速泵方案運(yùn)行耗能分析

由水泵比例定律可知:一臺(tái)水泵只改變轉(zhuǎn)速時(shí)，流量、揚(yáng)程、軸功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方成正比，水泵的效率不變。轉(zhuǎn)速改變，工況參數(shù)改變，而效率不變是調(diào)速調(diào)節(jié)方式節(jié)能效果最好的根本原因。對(duì)于多臺(tái)水泵并列運(yùn)行的系統(tǒng)，所有水泵同時(shí)調(diào)速，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速工況下，單泵工況是相似工況，符合比例定律;并列運(yùn)行工況參數(shù)也符合比例定律，并列運(yùn)行工況的流量、揚(yáng)程、軸功率分別與轉(zhuǎn)速的一次方、二次方、三次方也是比例關(guān)系，水泵的效率不變。換言之，揚(yáng)程、軸功率分別與流量的二次方、三次方成正比。

查閱陽(yáng)泉?dú)庀笳咎峁┑牡湫湍隁鉁胤旨?jí)資料，依據(jù)前述公式(3)及表2技術(shù)參數(shù)，計(jì)算求得各種氣溫下機(jī)組帶額定負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)循環(huán)水流量，結(jié)合流量－阻力特性曲線，水泵的流量－揚(yáng)程、流量－效率特性曲線，求得各工況點(diǎn)參數(shù)，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表3。循環(huán)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速同時(shí)可按照機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，按日均負(fù)荷率80%，考慮滑參數(shù)運(yùn)行排汽量與負(fù)荷為不完全線性關(guān)系因素，綜合按排汽量平均90%進(jìn)行估算，由于循環(huán)水量與排汽量為正比關(guān)系，調(diào)速泵方案全年耗能2123.72萬(wàn)(kW·h)。

表2 定速泵方案循環(huán)水泵運(yùn)行方式及技術(shù)參數(shù)

表3 調(diào)速泵方案各種工況點(diǎn)循環(huán)水泵運(yùn)行方式及技術(shù)參數(shù)

(3)兩種方案經(jīng)濟(jì)性比較

一年按運(yùn)行6500h(運(yùn)轉(zhuǎn)率74%)進(jìn)行折算，上網(wǎng)電價(jià)按0.35元/(kW·h)估算，調(diào)速泵方案比定速泵方案可多收益(3620.80－2123.72)×0.74× 0.35=387.74萬(wàn)元，效益顯著。變頻器設(shè)備的投資在一年半內(nèi)即可收回。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，660MW間接空冷機(jī)組循環(huán)水泵宜采用三臺(tái)臥式雙吸離心泵，調(diào)節(jié)方式采用變頻器調(diào)速，并同時(shí)改變?nèi)_(tái)水泵轉(zhuǎn)速的配置方案。該方案投資比常規(guī)定速泵方案有所增加，但水泵啟停平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈活方便，可以根據(jù)氣溫的變化、負(fù)荷的高低實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，可以使機(jī)組在接近額定背壓的工況下運(yùn)行，同時(shí)做到循環(huán)水泵耗電最省，極大地提高了機(jī)組運(yùn)行的效率和綜合經(jīng)濟(jì)性，收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于投資。所以，該方案是較科學(xué)、較經(jīng)濟(jì)的方案。

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Study on distribution scheme of circulating water pump of 660 MW indirect aircooling units

According to the indirect air－cooled unit of 660MW related technology parameters and the local meteorological data，circulating pump type，number of units，regulation of were technical and economic analysis.The result shows using three sets of horizontal double suction centrifugal pump，and by inverter and change the three pump speed is the most scientific，the most economical solution.

water circulating pump;economic circulation water;frequency converter;investment;running energy consumption

TK264.12

B

1674－8069(2016)02－055－03

2015-11-17;

2016-01-20

安貴成(1970-)，男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事火電廠生產(chǎn)技術(shù)研究工作。E－mail:angc.168@163.com