李中堯，池慧勇，李聚濤

(內(nèi)蒙古京能康巴什熱電有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

0 引言

某廠每臺機組配備3 臺循環(huán)水泵，均為工頻泵，每臺循環(huán)水泵設(shè)計流量14 040 m3/h，電機功率1 000 kW；凝汽器背壓通過改變間接空冷百葉窗開度調(diào)節(jié)，冬季時環(huán)境溫度較低，百葉窗開度較小，主機循環(huán)水流量冗余，造成廠用電不必要的損失。為降低廠用電率，提高機組經(jīng)濟性，將其中兩臺循環(huán)水泵改造為變頻循環(huán)水泵，并驗證改造后的實際效果。

1 循環(huán)水泵改造前后介紹

目前該廠已完成2 號機組循環(huán)水泵改造，將原先三臺工頻循環(huán)水泵中的兩臺改造為“一拖一”變頻循環(huán)水泵。改造前兩臺工頻泵運行，一臺工頻泵備用，主機循環(huán)水流量一定，不隨機組負荷改變而改變，主機循環(huán)水溫度僅通過調(diào)整百葉窗開度進行調(diào)整，調(diào)整手法單一；改造后，兩臺變頻泵運行，一臺工頻泵備用，主機循環(huán)水溫度可通過循環(huán)水流量和百葉窗開度共同調(diào)整。

2 改造后收益分析

以該廠2 號機組THA 工況為例，不同環(huán)境溫度下循環(huán)水泵年耗電量統(tǒng)計如表1 所示。

表1 不同環(huán)境溫度下循環(huán)水泵年耗電量統(tǒng)計

(1) 350 MW 工況，日平均氣溫在0 ～4.2 ℃范圍內(nèi)，雙泵運行頻率為38 Hz，運行總小時數(shù)796.8 h，則循環(huán)水泵耗電量為：

(2) 350 MW 工況，日平均氣溫在4.2～10.2 ℃范圍內(nèi)，雙泵運行頻率為44 Hz，運行總小時數(shù)1 180.8 h，則循環(huán)水泵耗電量為：

(3) 在上述環(huán)境溫度范圍內(nèi)，雙泵工頻運行總小時數(shù)1 977.6 h，總耗電量為：

綜上，以350 MW 工況為例估算，循環(huán)水泵變頻改造后每年春秋季可節(jié)省電量：

1 kW·h 電量按0.28 元電價計算，則每年春秋季節(jié)可節(jié)省電費：

上述經(jīng)濟效益分析僅考慮春秋季節(jié)，350 MW工況循環(huán)水泵節(jié)電情況。另外考慮到該地每年至少有100 天以上日平均氣溫低于0 ℃，在這部分溫度區(qū)間，為滿足機組背壓及防凍要求，循環(huán)水泵可以根據(jù)環(huán)境溫度在38 ～50 Hz 進行調(diào)節(jié)，按照平均44 Hz 運行計算，這部分節(jié)約電費應(yīng)不少于春秋季節(jié)約電費，則循環(huán)水泵變頻運行每年總共節(jié)約電費在70 萬元以上。

1 號機組循環(huán)水系統(tǒng)未進行改造，目前仍保持工頻運行。將2018 年1 號機組與2 號機組主機循環(huán)水泵耗能情況進行對比，結(jié)果如下：1 號機組2018 年全年發(fā)電量2 089 701.4 MW·h，三臺主機循環(huán)水泵共耗電14 836.88 MW·h，耗電率0.71 %，機組發(fā)1 MW·h 電量的同時循環(huán)水泵耗電7.12 kW·h；2 號機組2018 年全年發(fā)電量2 080 813.0 MW·h，三臺循環(huán)水泵共耗電11 456.31 MW·h，耗 電 率0.55 %，機 組 發(fā)1 MW·h 電量的同時循環(huán)水泵耗電量5.51 kW·h。

如果2 號機組循環(huán)水泵電機未進行變頻改造，兩臺機循泵運行方式一致，則按照1 號機組工頻主機循環(huán)水泵耗電率計算，2018 年2 號機工頻運行耗電量：

2018 年2 號機變頻運行節(jié)能電量：

按照發(fā)電成本每度電0.28 元計算2018 年2 號機變頻運行節(jié)約成本：

增加變頻器后，每臺變頻器柜頂風機3 臺，單價18 764.46 元，共56 293.38 元；變頻間備用空調(diào)兩臺，單價26 091.00 元，共52 182.00 元。兩臺變頻器共90 萬元，變頻間土建費用30 萬元，電科院調(diào)試費用25 萬元。控制電纜共用4×1.5 電纜、4×2.5 電纜、7×1.5 電纜各102 m，控制電纜成本：(12.5+16.6+18.3)×102=4 834.80 元。

變頻器一次性濾網(wǎng)單臺機換一次18 片，一片21 元。每月?lián)Q一次，工時約半小時，工時費80.00元/h，每年480.00 元。每年一次檢修，材料費用約2.1 萬元，工時費約7 680.00 元。

投資費用共155.847 萬元，折合每年維護費用約3.823 萬元，每年節(jié)能效益94 萬元，不到兩年便可收回成本，成本回收較快，節(jié)能效果明顯。

3 改造后運行控制分析

3.1 汽輪機空冷系統(tǒng)熱交換原理

該廠汽輪機冷端系統(tǒng)采用表面式間接空冷系統(tǒng)。整個系統(tǒng)流程由二次表面式換熱構(gòu)成，熱交換平衡方程如式(1)所示：

式中：Dc為汽輪機排汽流量；hc為汽輪機排汽焓值；hc＇為凝結(jié)水焓值；DW為循環(huán)水流量；tR為循環(huán)水系統(tǒng)熱水溫度，即間冷進塔水溫度；tL為循環(huán)水系統(tǒng)間冷出塔水溫，即間冷出塔水溫度；CW為循環(huán)水比容；DF為冷卻風流量；TOUT為冷卻三角出風溫度；TIN為冷卻三角進風溫度；CF為冷卻風比容。

在機組負荷一定，間冷系統(tǒng)全出力(扇段全投、百葉窗全開、循環(huán)水流量100 %)且保持恒定的前提下，間冷進塔熱水溫度tR與出塔冷水溫度tL隨環(huán)境溫度同步變化，是環(huán)境溫度的單一函數(shù)，凝汽器進出水溫差tR-tL基本保持不變。在春秋季節(jié)環(huán)境溫度下降時，如果保持熱水溫度穩(wěn)定在某一水平，隨著tL的下降，凝汽器進出水溫差tR-tL增大；又因為凝汽器熱負荷一定，凝汽器進出水溫差的增大可以換取循環(huán)水流量DW的減少。環(huán)境溫度點th1，th2是間接空冷系統(tǒng)運行的兩個臨界溫度點，根據(jù)不同的環(huán)境溫度范圍可以進行冷卻風流量與冷卻水流量的優(yōu)化匹配。在環(huán)境溫度大于等于th2、小于等于th1的溫度范圍內(nèi)，百葉窗全開，保持冷卻風流量最大，是循環(huán)水流量可以優(yōu)化調(diào)整的區(qū)間，環(huán)境溫度大于th1，需要冷卻系統(tǒng)全出力運行，以滿足不同環(huán)境溫度機組最小背壓的要求；環(huán)境溫度大于等于0 ℃、小于等于th2，需要維持循環(huán)水流量不變，并關(guān)小百葉窗，以保持tL為20 ℃；環(huán)境溫度小于等于0 ℃，在關(guān)小百葉窗的同時，隨環(huán)境溫度下降需要提高循環(huán)水流量，以滿足防凍要求。環(huán)境溫度點th1，th2確定以后，對間冷系統(tǒng)進行進一步現(xiàn)場實驗可以確定不同負荷工況，不同環(huán)境溫度對應(yīng)的進塔水溫、出塔水溫、循環(huán)水流量，從而確定不同負荷工況下的間冷特性曲線。

按照上述調(diào)整思路，通過現(xiàn)場試驗、參數(shù)記錄、歷史運行參數(shù)整理等手段，繪制不同負荷下間冷系統(tǒng)特性曲線，并確定環(huán)境溫度點th1與th2。在環(huán)境溫度0 ～30 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，針對100 %，75 %，50 %額定負荷等3 個負荷工況條件，分別進行調(diào)整，并記錄相關(guān)參數(shù)。

3.2 環(huán)境溫度限值th1 的確定

在上述某一確定負荷下，保持間冷系統(tǒng)全出力運行，選取環(huán)境溫度逐步下降的時間區(qū)段，同步記錄環(huán)境溫度、熱水溫度、冷水溫度、機組背壓(見表2 ～4)，直到熱水溫度下降到39 ℃，此時對應(yīng)的環(huán)境溫度即為極限值th1(循環(huán)水流量：37 020 m3/h)。

表2 350 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th1 的確定

表3 262.5 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th1 的確定

表4 175 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th1 的確定

以熱水溫度為縱坐標，環(huán)境溫度為橫坐標，間冷特性曲線如圖1 所示。圖1 分別描繪出100 %，75 %和50 %THA 工況下的環(huán)境溫度和與之對應(yīng)的間冷進塔水溫的關(guān)系。通過曲線可以確定間冷進塔水溫為39 ℃時不同工況下極限環(huán)境溫度值th1，也是汽輪機最小背壓運行模式下的極限值。

圖1 不同負荷工況下的間冷系統(tǒng)特性曲線

3.3 環(huán)境溫度限值th2 的確定

在上述機組3 個負荷工況條件下，隨著環(huán)境溫度降低，分別試著調(diào)整降低循環(huán)水流量，目的是維持熱水溫度39 ℃。同步記錄環(huán)境溫度、循環(huán)水流量、熱水溫度、冷水溫度、機組背壓(見表5 ～7)，直到冷水溫度下降到20 ℃，此時對應(yīng)的環(huán)境溫度即為限值th2，對應(yīng)的循環(huán)水流量即為流量調(diào)整的下限值。

表5 350 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th2 的確定

表6 262.5 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th2 的確定

表7 175 MW 機組負荷下環(huán)境溫度限值th2 的確定

在100 %THA 工況下，當環(huán)境溫度等于10.2 ℃時，全出力運行的冷卻系統(tǒng)能夠提供39 ℃ 的間冷進塔水溫。低于這個環(huán)境溫度，就要降低冷卻能力保持間冷進塔水溫在39 ℃。此時循環(huán)水泵配置變頻器，可以降低冷卻水流量。如果環(huán)境溫度低于4.2 ℃，此時需要調(diào)整百葉窗來控制空氣流量，保證冷卻水最低冷卻水溫度(扇段出水溫度)。在75 %THA 工況下，如果環(huán)境溫度大于等于16.5 ℃時，主機循環(huán)水泵變頻器需全出力運行，提供最大冷卻負荷，保證系統(tǒng)最小背壓，使機組經(jīng)濟運行。在低于16.5 ℃環(huán)境溫度時，通過循環(huán)水泵變頻器調(diào)節(jié)，可以降低冷卻水流量，維持系統(tǒng)最小背壓，使機組經(jīng)濟運行。如果環(huán)境溫度低于8.5 ℃，此時，循環(huán)水流量最小，達到變頻器頻率調(diào)節(jié)下限，需要調(diào)整百葉窗來控制空氣流量，保證冷卻水最低冷卻水溫度。

3.4 間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整策略

通過多次試驗，以及出于冬季防凍考慮，確定間接空冷系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整策略如下。

(1) 100 %THA 工況，th1=10.2 ℃，th2=4.2 ℃。環(huán)境溫度大于等于10.2 ℃，為了保證系統(tǒng)最小背壓，間冷系統(tǒng)需要全出力運行。環(huán)境溫度大于等于4.2 ℃、小于等于10.2 ℃的溫度范圍內(nèi)，百葉窗全開，循環(huán)水流量可以在20 000～37 000 t/h 的范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度進行調(diào)整。環(huán)境溫度大于等于0 ℃、小于等于4.2 ℃的溫度范圍內(nèi)，維持循環(huán)水流量20 000 t/h 不變，百葉窗開度隨環(huán)境溫度進行調(diào)整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。

(2) 75 %THA 工況，th1=16.5 ℃，th2=8.5℃。環(huán)境溫度大于等于16.5 ℃，為了保證系統(tǒng)最小背壓，間冷系統(tǒng)需要全出力運行。環(huán)境溫度大于等于8.5 ℃、小于等于16.5 ℃的溫度范圍內(nèi)，百葉窗全開，循環(huán)水流量可以在20 000 t/h～37 000 t/h 的范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度進行調(diào)整。環(huán)境溫度大于等于0 ℃、小于等于8.5 ℃的溫度范圍內(nèi)，維持循環(huán)水流量20 000 t/h不變，百葉窗開度隨環(huán)境溫度進行調(diào)整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。

(3) 50 %THA 工況，th1=22 ℃，th2=12 ℃。環(huán)境溫度大于等于22 ℃，為了保證系統(tǒng)最小背壓，間冷系統(tǒng)需要全出力運行。環(huán)境溫度大于等于12 ℃、小于等于22 ℃的溫度范圍內(nèi)，百葉窗全開，循環(huán)水流量可以在20 000 t/h～37 000 t/h 的范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度進行調(diào)整。環(huán)境溫度大于等于0 ℃、小于等于12 ℃的溫度范圍內(nèi)，維持循環(huán)水流量20 000 t/h 不變，百葉窗開度隨環(huán)境溫度進行調(diào)整，以維持間冷出塔水溫20 ℃。當環(huán)境溫度低于0 ℃，可以考慮逐步提升循環(huán)水流量，以提高冷水溫度，滿足系統(tǒng)防凍要求。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立合適的自動調(diào)整曲線，實現(xiàn)循環(huán)水泵頻率自動化控制，自動控制效果良好。循環(huán)水泵變頻自動化的投入大大降低了監(jiān)盤人員的操作量，降低了人員誤操作的風險，同時可使循環(huán)水泵頻率的調(diào)節(jié)更加精確。

4 結(jié)束語

循環(huán)水泵由工頻泵改為變頻泵后，使運行調(diào)整更加的靈活，調(diào)整手段也由單一的百葉窗調(diào)整增加了頻率調(diào)整。工頻泵改造為變頻泵后，循環(huán)水泵的全年的耗電率降低了約22.5 % (由0.71 %降至0.55 %)，對于1 000 kW 的大電機來說，節(jié)能效果是可觀的。實現(xiàn)循環(huán)水泵頻率的自動調(diào)整，進一步提高了機組的自動化水平。