機組循環水變頻節能優化系統的應用研究

摘要：通過對循環水系統的運行方式進行剖析，結合高壓變頻調速技術在循環泵變工況運行方式中的應用，從另外角度分析實現機組經濟性優化運行的方式方法。闡述循環水系統進行變頻節能優化的可行性，為循環水變頻系統的優化運行提供可借鑒的依據。
關鍵詞：循環水系統 變頻 優化運行

一、概況
　　以閉式循環冷卻機組為例，循環水系統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化為汽輪機旋轉的機械能用于驅動發電機發電。循環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。吸收熱量的循環水被輸送至冷卻塔后噴淋，經逆流自然通風冷卻后循環使用。具體的系統結構原理如圖1所示。

圖1

　　 長期以來，大多數機組的循環水系統采用開停泵方式運行。根據季節不同，氣溫差異開啟一臺或兩臺循環水泵。由于機組凝汽器密封、機組效率、季節性溫差等原因，往往是為了保證機組安全運行，通常存在循環水系統開一臺流量不夠，開兩臺流量過大的情況，夏季運行流量卻不足等現象。這就無法保證機組的長期經濟性穩定運行，而且一直以來沒有合理的控制和調節手段，無法實現循環泵的功耗跟隨機組負荷調整，循環泵能耗居高不下。
　　如何實現對凝汽器真空的控制，實現循環水系統的經濟、可靠運行，降低循環水系統在機組低負荷下的能耗水平，成為一個重要的研究課題。隨著機組密封技術和運行效率評價體系的完善，高壓變頻調速技術的成熟和廣泛應用，使得采用自動運行方式控制凝汽器真空實現機組的經濟運行成為可能。
　　在循環水系統中采用高壓變頻調速技術，根據機組負荷大小、不同季節的環境溫度變化等因素，合理控制循環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 降低循環水泵單耗，節約大量電能。
　　③ 降低冷卻塔循環水蒸發量損失。
　　④ 避免冬季冷卻塔回水溫度過低，結冰等問題。

二、系統分析
　　通過對循環水系統的設備及運行工藝分析，結合高壓變頻技術在循環水系統中應用可能預見和產生的影響，進行針對性的分析論證。
1．循環水泵調速
　　在循環水泵上應用變頻調速技術，主要是用于機組在額定負荷以下運行時，循環泵運行參數向下調整的需要。即：運行頻率在≤50Hz范圍內調整。從圖2可以看出：只要管網工作壓力H高于管網靜壓值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泵轉速隨之降低，根據流體力學相似定律，壓力也會下降。從而，帶來冷卻水管網及其輔助工業冷卻水等子系統的運行變化。
　　通過對循環泵、管網特性曲線和機組流量需求情況分析可知：在機組180～300MW負荷調整區間，循環泵的流量調整空間有限；且轉速下降時流量降低，壓力降低幅值不大，不會產生較大影響。系統能夠接受循環泵在一定的范圍內實現調速方式運行。

圖2

2．凝汽器真空度及最有利真空的實現
　　真空度是指凝汽器的真空值與當地大氣壓的比值的百分數，也就是我們控制循環水系統的直接影響變量，是影響發電機組經濟效益的重要參數。由于二次蒸汽在凝汽器中與冷卻水進行熱交換凝結成水時，由氣態轉變為液態，體積迅速變化，這就在凝汽器內形成高度真空，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節冷卻水流量來控制。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

　　在實際的工程應用中，采用汽輪機效率（ΔΝ1）和循環水泵的運行電耗（ΔΝ2）達到最佳經濟性運行的實現方法上，很難通過函數運算和過程控制的方式來達到機組最佳經濟效果。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，實現凝汽器壓力隨機組負荷變化，經濟性運行。因此，在循環泵中采用變頻調速技術實現最佳控制，就需要提出更新的控制策略，而采用熱力動態平衡理論，則有助于系統優化控制的實現。
3．凝結水的過冷卻度問題
　　凝結水過冷會產生不可逆的汽源損失，是一項影響經濟性的小指標。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%，過高會導致煤耗水平增加。導致凝結水過冷的因素也很多，其中循環水的流量及入口溫度對凝結水的過冷具有明顯影響。需要在系統的調節過程中考慮此問題，使得機組綜合經濟指標取得最佳。
4．冷卻塔蒸發水量損失與冬季結冰問題
　　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。它包括蒸發損失，風吹損失和排污損失；而占75％以上的蒸發損失主要與循環水的流量及冷卻塔出入口溫度端差密切相關。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：在一定的環境溫度下，冷卻塔的主要水量損失主要取決于循環水流量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。在循環水變頻控制系統滿足凝汽器真空的前提下，實現系統節水運行。
　　另外，在北方冬季由于氣候寒冷，環境溫度接近0℃時，常常會出現冷卻塔局部結冰現象。在冷卻塔的進風口結成冰簾從而減小進風面積，導致進風量下降，影響冷卻塔的運行效果。在冷卻塔內部甚至會造成填料塌落，塔體內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結冰現象，在循環水系統的控制中增加防凍控制子系統；控制凝汽器的回水溫度，可有效避免在冷卻塔蒸發降溫后出現結冰的現象。

三、系統控制方案
　　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理論引入到循環水系統的控制策略當中。從而，使得循環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，冷卻循環水的運行端差，環境溫度等參數作為主調節回路的綜合調節指標。在滿足機組運行對凝汽器真空要求的同時，降低凝結水過冷度，把冷卻循環水的運行端差控制在合理范圍內。從而，起到降低機組煤耗和冷卻塔蒸發水量損失的系統綜合經濟性。
　　為了保證機組在不同負荷下經濟、安全運行，機組在設計和運行中有一條負荷與排氣壓力的關系曲線。在原有的運行模式下，循環水系統依靠開停方式調節，經濟性無法保證，只能通過循環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。在循環水控制應用中，將該曲線作為調節的參考量，進行保守值控制。

圖5

　　通過熱力學傳導理論可知：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，實現5℃左右的出入口端差調節對于熱交換系統才是最經濟的。溫度差值大，系統熱交換效能下降，交換介質流量過高，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，根據季節差異調節循環水流量，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，可以通過變頻技術發揮循環泵的潛在空間充分提高系統經濟性指標；冬季氣溫低，容易導致凝結水過冷、冷卻塔結冰等因素，可以充分利用變頻的調節范圍寬、響應速度快等特性滿足低負荷運行需要。在控制策略的設計中，取接近算法，以真空指標為主，兼顧輔助控制指標，從而使系統在調節過程中具備了多樣性和靈活性，避免調節過程波動大，真空指標不穩，影響機組運行安全和機組效率。

四、結束語
　　將循環水泵改為變頻運行，與工頻運行狀態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引入循環水控制系統，自動根據膠球回收情況提升循環水管網壓力，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。
　　該系統的使用解決了循環泵長期以來沒有調節手段和控制理論基礎，無法實現循環水系統節能高效運行的現狀。在目前的循環水系統中采用變頻節能優化運行系統，能夠優化機組經濟運行，體現良好的機組節能降耗經濟效益，充分發揮了高壓變頻調速技術在電廠主輔機設備中節能降耗的主導作用。