王志成，王 斌，孫國(guó)生

(深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518052)

實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少CO2排放，已成為火力發(fā)電廠可持續(xù)發(fā)展的重要條件。 2015年深圳媽灣電廠對(duì)約占廠用電30%的用電大戶循環(huán)水泵進(jìn)行了變頻改造，使機(jī)組低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 一期 1、2號(hào)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)

深圳媽灣電廠一期工程 1、2號(hào)機(jī)組為2×320 MW發(fā)電機(jī)組。循環(huán)水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制直流供水， 1臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵，在 1、 2號(hào)機(jī)組的供水母管之間設(shè)內(nèi)徑1 600 mm的聯(lián)絡(luò)管，設(shè)置2臺(tái)電動(dòng)蝶閥，蝶閥的開(kāi)度保持在30%的運(yùn)行方式。冷卻水源為海水，取自伶仃洋礬石水道，溫排水排入同一海域，取水口設(shè)在煤碼頭南端，深取淺排。循環(huán)水流程：礬石水道→取水口→循環(huán)水泵站(前池+凈水間+泵房)→壓力管→凝汽器及輔機(jī)冷卻器→排水管→虹吸井→排水溝→排水口→礬石水道。

一期工程 1、 2號(hào)機(jī)組配置4臺(tái) 72LKXA-17.5G型斜流泵，出口均安裝緩閉式蝶閥，減小水錘風(fēng)險(xiǎn)，正常運(yùn)行時(shí)處于全開(kāi)狀態(tài)，停機(jī)后處于全關(guān)狀態(tài)，不用于機(jī)組運(yùn)行時(shí)流量調(diào)節(jié)。循環(huán)水泵流量6.02 m3/s，揚(yáng)程23.5 m，轉(zhuǎn)速370 r/min，軸功率1 672.3 kW，效率85.5%，汽蝕余量6.24 m，配套電機(jī)功率1 800 kW，電壓6 kV。

循環(huán)水壓力管道從循環(huán)水泵房引出4根內(nèi)徑1 800 mm的鋼管，合并成2根內(nèi)徑2 400鋼管(設(shè)內(nèi)徑1 600 mm聯(lián)絡(luò)鋼管)后連接內(nèi)徑2 400 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，到主廠房A列外與循環(huán)水排水溝重疊布置，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土連體結(jié)構(gòu)。主廠房至凝汽器及輔機(jī)冷卻器每臺(tái)機(jī)組為2根內(nèi)徑1 800 mm鋼管，每臺(tái)機(jī)組有2根內(nèi)徑1 800 mm的鋼管為主廠房的排水管，每臺(tái)機(jī)組配置1套虹吸井及1條現(xiàn)澆鋼筋混凝土自然排水溝，溝內(nèi)凈尺寸為2 400 mm×2 400 mm。

2 節(jié)能分析計(jì)算

從近3年的機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)看， 1、 2號(hào)機(jī)組負(fù)荷均維持在較為接近的水平。根據(jù)多年海水溫度變化情況，僅存在夏季和冬季溫度差別較大兩種情況。本文選取2014年6月和12月1號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 目前循環(huán)水泵運(yùn)行方式

深圳媽灣電廠一期1、2號(hào)機(jī)組配備4臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行工況如下。

a.夏季白天(4月～10月， 08:00～24：00)：4臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行。

b.夏季晚間(4月～10月，00：00～08:00)：4臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行。

c.冬季白天(11月～3月，08:00～24：00)：3臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行。

d.冬季晚間(11月～3月，00：00～08:00)：3臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行。

實(shí)際運(yùn)行中，由于機(jī)組負(fù)荷、海水溫度等的變化，循環(huán)水需求量亦發(fā)生較大的變化，而現(xiàn)有條件無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水泵流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，導(dǎo)致凝汽器背壓產(chǎn)生較大的波動(dòng)，使汽輪機(jī)偏離經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行，從而影響發(fā)電效率。

2.2 節(jié)能潛力分析

2.2.1 夏季白天4臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行

以下均以2014年6月1～30日1號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作為夏季白天工況分析計(jì)算的基礎(chǔ)。夏季白天工況，凝汽器背壓最大值為6.56 kPa，最小值為5.87 kPa，平均值為6.28 kPa，均大于凝汽器額定背壓(5.88 kPa)。根據(jù)圖1背壓修正曲線可知，循環(huán)水泵沒(méi)有節(jié)能空間，依然采用4臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)工頻運(yùn)行方式。

圖1 背壓修正曲線

2.2.2 夏季晚間4臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行

以下均以2014年6月1～30日 1號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作為夏季晚間工況分析計(jì)算的基礎(chǔ)。凝汽器背壓最大值為5.70 kPa，最小值為5.20 kPa，平均值為5.33 kPa，均小于凝汽器額定背壓(5.88 kPa)，存在凝結(jié)水過(guò)冷度偏大的風(fēng)險(xiǎn)，使得機(jī)組偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。在過(guò)低真空下低壓缸末幾級(jí)濕度偏大，對(duì)低壓缸最后幾級(jí)葉片造成水蝕，存在一定的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)減小循環(huán)水量，維持凝汽器額定背壓，在滿足汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求的同時(shí)具有一定的節(jié)能效果。

由于機(jī)組負(fù)荷、海水溫度的變化，夏季晚間工況所需循環(huán)水量亦隨之變化。由于凝汽器老化，換熱能力退化，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)推算循環(huán)效率約為80%，單臺(tái)機(jī)組輔機(jī)冷卻水量為5 000 t/h。采用3臺(tái)工頻+1臺(tái)變頻運(yùn)行的方式有一定的節(jié)能空間，計(jì)算結(jié)果為：節(jié)約最大水量約12 368 t/h，最小水量約6 288 t/h，平均約10 288 t/h。

2.2.3 冬季白天3臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行

根據(jù)冬季凝汽器背壓變化曲線圖2分析可知，冬季白天工況凝汽器背壓最大值為4.64 kPa，最小值為3.95 kPa，平均值為4.41 kPa，均低于額定背壓(5.88 kPa)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)推算循環(huán)效率約為60%，單臺(tái)機(jī)組輔機(jī)冷卻水量為4 000 t/h。采用2臺(tái)工頻+1臺(tái)變頻運(yùn)行的方式有一定的節(jié)能空間，節(jié)約最大水量約為9 376 t/h，最小水量約為376 t/h，平均約為3 564 t/h。

圖2 冬季凝汽器背壓變化曲線

2.2.4 冬季晚間 3臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行

同理，冬季晚間采用2臺(tái)工頻+1臺(tái)變頻運(yùn)行的方式有一定的節(jié)能空間，節(jié)約最大水量約為11 896 t/h，最小水量約為8 776 t/h，平均約為11 086 t/h。

通過(guò)上述分析，夏季晚間工況、冬季白天工況、冬季晚間工況均有減少循環(huán)水流量的潛力，有節(jié)能降耗潛力。

3 節(jié)能運(yùn)行方式和安全性分析

3.1 運(yùn)行方式選擇

實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況節(jié)能目標(biāo)的主要手段是通過(guò)調(diào)節(jié)1臺(tái)變頻泵，保證循環(huán)水泵的出口壓力，降低循環(huán)水量，尋找機(jī)組的最佳工作點(diǎn)。

a.運(yùn)行方式靈活，在表1所列的運(yùn)行方式下，盡量減少工頻泵和變頻泵及2臺(tái)機(jī)組間變頻泵的切換次數(shù)。

b.一拖二方案，對(duì)2A和1B循環(huán)水泵進(jìn)行改造，增加一臺(tái)Zinvert-A5H2500/06B高壓變頻器，投資費(fèi)用為55×104元。采用高—高運(yùn)行方式，變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波應(yīng)滿足GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》及IEEE519—1992《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》的規(guī)定，并滿足國(guó)家電網(wǎng)公司頒發(fā)的《大型汽輪發(fā)電機(jī)組一類(lèi)輔機(jī)變頻器高、低壓穿越技術(shù)規(guī)范》的要求。

表1 循環(huán)泵運(yùn)行工況及方式

無(wú)論循環(huán)水泵檢修、機(jī)組母線檢修停電、變頻器檢修，通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)手動(dòng)切換的方式，均可充分挖掘循環(huán)水泵變頻的節(jié)能降耗潛力。變頻裝置配有工頻旁路，當(dāng)變頻器故障時(shí)或者特殊運(yùn)行情況需要時(shí)可切換至工頻運(yùn)行方式。

c.根據(jù)循環(huán)水泵的性能特性曲線，推算出變頻泵和工頻泵并泵運(yùn)行特性(見(jiàn)圖3)，圖3中包含變頻后泵的特性曲線、管路曲線及循環(huán)水泵并泵曲線。A、B、C分別對(duì)應(yīng)4、3、2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的單泵運(yùn)行點(diǎn)，A點(diǎn)揚(yáng)程23.5 m，流量6.0 m3/s，B點(diǎn)揚(yáng)程21.9 m，流量6.5 m3/s，C點(diǎn)揚(yáng)程20.2 m，流量6.9 m3/s。A′、B′、C′分別對(duì)應(yīng)4、3、2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行點(diǎn)，A′、B′、C′點(diǎn)揚(yáng)程與A、B、C點(diǎn)相同，A′點(diǎn)流量24.0 m3/s，B′點(diǎn)流量19.5 m3/s，C′ 點(diǎn)流量13.8 m3/s。

圖3 循環(huán)水泵運(yùn)行曲線及管路曲線

d.循環(huán)水泵在啟動(dòng)過(guò)程中需要將海水由最低潮位(-1.55 m)抬升至凝汽器最高點(diǎn)(9.565 m)，則循環(huán)水泵變頻后最低揚(yáng)程要大于11.115 m，根據(jù)循環(huán)水泵變頻性能曲線，最低變頻頻率設(shè)定為35 Hz，此時(shí)循環(huán)水泵在小流量啟動(dòng)時(shí)，可以提供揚(yáng)程約為20 m。工頻泵與變頻泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，滿足所需流量要求的同時(shí)需維持母管壓力平衡，此時(shí)變頻頻率均大于35 Hz。

3.2 安全性分析

a.水錘問(wèn)題。因開(kāi)泵、停泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)過(guò)于快速,使水的速度發(fā)生急劇變化,特別是突然停泵引起的水錘,可以破壞管道、水泵、閥門(mén)。在突然停泵的情況下，泵出口蝶閥緩關(guān)減小水錘壓力；假如變頻后，由于流量的減少，流速也進(jìn)一步減少，帶來(lái)水錘的壓力相對(duì)工頻肯定較小。

b.泵的汽蝕余量問(wèn)題。循環(huán)水泵的汽蝕余量要求在額定工況時(shí)為6.24 m，根據(jù)相似性原理，變頻后的泵的汽蝕余量要求會(huì)相應(yīng)的降低，泵的必須汽蝕余量和轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以變頻后對(duì)提高泵的抗汽蝕水平有利。保證率97%最低潮位標(biāo)高為-1.55 m，而斜流泵葉輪安裝高度遠(yuǎn)低于最低潮位(浸泡在海水中)；海水通過(guò)自流的方式進(jìn)入循環(huán)水泵房前池，循環(huán)水泵吸入喇叭口海水設(shè)計(jì)流速約為0.2 m/s(流速較低)；海水溫度24～29 ℃；綜合以上因素可以判斷，循環(huán)水泵不存在汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

4 安裝變頻器冷卻專(zhuān)用空-水冷系統(tǒng)

變頻裝置控制運(yùn)行溫度、濕度，可以有效提高設(shè)備絕緣，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低運(yùn)維費(fèi)用。從配電間空間和發(fā)熱量考慮，不用將整流變及變頻裝置隔離，按設(shè)備發(fā)熱循環(huán)量進(jìn)行空-水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高壓變頻器冷卻系統(tǒng)由冷卻風(fēng)扇、風(fēng)道、空氣水冷系統(tǒng)以及連接系統(tǒng)的管道、閥門(mén)構(gòu)成。變頻柜元件產(chǎn)生熱量由裝在變頻器頂部的冷卻風(fēng)扇經(jīng)熱風(fēng)道送至空水冷卻器，進(jìn)行冷卻后再經(jīng)冷風(fēng)道送至變頻柜進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)前，經(jīng)進(jìn)風(fēng)濾網(wǎng)進(jìn)入變頻柜循環(huán)冷卻。熱風(fēng)道在進(jìn)入空水冷卻器前設(shè)有百葉式風(fēng)門(mén)，當(dāng)空-水冷卻系

統(tǒng)不能投運(yùn)時(shí)，可打開(kāi)百葉式風(fēng)門(mén)排出變頻柜元件產(chǎn)生熱量。

空氣水冷系統(tǒng)由2臺(tái)冷卻水泵(1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用)、空水冷卻器、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻塔及連接系統(tǒng)的管道、閥門(mén)構(gòu)成，投資費(fèi)用為20×104元。

5 循環(huán)水泵變頻運(yùn)行節(jié)能分析

通過(guò) 2號(hào)機(jī)組大修時(shí)2A循泵深度變頻和變頻啟、停泵閥聯(lián)鎖試驗(yàn)，確定單泵變頻運(yùn)行、2泵運(yùn)行(1工頻1變頻)、3泵運(yùn)行(2工頻1變頻)工況下的循泵變頻深度，為實(shí)際運(yùn)行調(diào)整提供依據(jù)。通過(guò)2A循泵變頻啟動(dòng)、2A循泵變頻停泵、2A單泵變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行、2泵運(yùn)行(1工頻1變頻)、3泵運(yùn)行(2工頻1變頻)試驗(yàn)，變頻器按照額定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)循泵，反應(yīng)至6 kV電源側(cè)的電流為150 A，比電機(jī)額定電流少50 A，長(zhǎng)期變頻器運(yùn)行可以滿足所有工況。

每年 1、2號(hào)機(jī)組綜合利用時(shí)間4 000 h，可以節(jié)電 207.8×104kW·h，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，頻率控制在35～50 Hz，節(jié)能效益將會(huì)更加明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

深圳媽灣電廠一期工程 1、2號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵變頻改造投資費(fèi)用總計(jì)為120×104元，改造后每年可節(jié)省廠用電207.8×104kW·h，節(jié)省電費(fèi)90.6×104元，減去每年的設(shè)備折舊費(fèi)(按10年折舊)5.5×104元，設(shè)備修理費(fèi) 0.55×104元，每年可節(jié)省費(fèi)用 84.55×104元， 17個(gè)月即可收回工程改造資金。