胡思科，邢姣嬌，王麗萍

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

變負(fù)荷下電站鍋爐并聯(lián)給水泵運(yùn)行方式優(yōu)選

胡思科1，邢姣嬌1，王麗萍2

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

針對(duì)大中型電站常采用2臺(tái)水泵并聯(lián)組成鍋爐給水系統(tǒng)的特點(diǎn)，在管路特性不變的情況下，在以單臺(tái)泵所能提供的最大流量為分界點(diǎn)的兩側(cè)流量變化范圍內(nèi)，介紹了“雙泵恒速”、“雙泵同步調(diào)速”、“雙泵非同步調(diào)速”、“單泵調(diào)速”、“單泵恒速”幾種運(yùn)行方案;利用最小二乘法和水泵相似原理分別得出系統(tǒng)中水泵、電機(jī)、調(diào)速器在不同流量下的特性方程及相關(guān)轉(zhuǎn)速、效率、能耗的計(jì)算公式;通過解析方法對(duì)各種運(yùn)行方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析與評(píng)價(jià)，并給出在不同變流量范圍內(nèi)的最優(yōu)運(yùn)行方式，為相關(guān)技術(shù)、管理人員提供必要的理論依據(jù)。

電站鍋爐;給水系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)性分析;特性曲線擬合

鍋爐給水泵是現(xiàn)代發(fā)電廠中能耗最大的輔機(jī)設(shè)備，占廠用電的30%以上，降低其能耗是提高發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性的重要措施之一。

水泵的并聯(lián)在中大中型電站鍋爐給水系統(tǒng)中是最為常見的連接形式，不但滿足了大流量的需求，也給變流量調(diào)節(jié)提供了更加靈活多變的運(yùn)行方式。本文從實(shí)際出發(fā)，在鍋爐給水系統(tǒng)的不同流量變化范圍內(nèi)對(duì)給水泵可能具有的多種運(yùn)行方案進(jìn)行理論計(jì)算與綜合分析 (見圖1)，驗(yàn)證“當(dāng)系統(tǒng)中有多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變運(yùn)行臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)流量是極為方便和經(jīng)濟(jì)的”和“給水負(fù)荷波動(dòng)，從節(jié)能的角度出發(fā)，最適合采用1臺(tái)泵變頻調(diào)速運(yùn)行，其它水泵工頻并聯(lián)運(yùn)行”兩種觀點(diǎn)的正確性［1-2］，以此得到最為經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行方式。

圖1 鍋爐給水連接系統(tǒng)示意圖

1 變流量下給水泵多方案運(yùn)行的擬定

圖2為同型號(hào)水泵并聯(lián)組合而成的鍋爐給水系統(tǒng)的相關(guān)特性曲線示意圖［3］。其中，0為額定工況下并泵組運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn);0'和0″分別為管路特性不變時(shí)并聯(lián)泵中每臺(tái)泵均攤的負(fù)荷點(diǎn)及由1臺(tái)泵所能承擔(dān)的最大負(fù)荷點(diǎn)。為了充分反映在不同名荷下給水系統(tǒng)可能采用的多方案運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，以0″為界限，分為Qi＞Q0″和 Qi＜Q0″兩個(gè)范圍進(jìn)行分析。

在圖2(a)所示的Qi＞Q0″的變化范圍內(nèi)，可采用3種運(yùn)行方式:管路節(jié)流方法 (僅靠調(diào)整閥門開度來改變管路特性曲線g0至gi，使其交于并聯(lián)泵同為工頻轉(zhuǎn)速n0下p+p曲線上i0點(diǎn)的運(yùn)行方式)、雙泵同步調(diào)速方法 (通過并聯(lián)泵同步調(diào)速到ni并使pi線橫向疊加得的pi+pi后，再與g0線之交于i點(diǎn)的運(yùn)行方式)、雙泵非同步調(diào)速方法 (由1臺(tái)泵變頻為n'i后所得p'曲線后與另1臺(tái)泵工頻泵的p曲線橫向疊加得到的曲線p'+p，并與管路曲線g0之交點(diǎn)i的運(yùn)行方式)。

圖2 不同運(yùn)行方式下水泵及管路的特性曲線

在圖2(b)所示的Qi＜Q0″的變化工況內(nèi)，可采用另外3種運(yùn)行方式:單泵調(diào)速方法 (原管路特性g0不變，僅靠單泵改變其轉(zhuǎn)速為n'i時(shí)使其p曲線變?yōu)閜'后再與g0交于i'點(diǎn)的運(yùn)行方式)、管路節(jié)流方法 (僅靠調(diào)整閥門開度來改變g0曲線至gi，使其交于1臺(tái)工頻泵曲線p上i點(diǎn)的運(yùn)行方式)、雙汞同步調(diào)速的方法 (在原管路g0曲線不變的條件下，將并聯(lián)泵同步調(diào)速至ni而合成的pi+pi曲線后，再與曲線g0交于i'點(diǎn)的運(yùn)行方式)［3］。

2 管路及水泵特性方程的表達(dá)形式

一般水泵額定轉(zhuǎn)速n0下Hp-Q和ηp-Q的特性是以特定曲線或若干個(gè)離散參數(shù)來表示的;而對(duì)于管路的特性，除了包含與其自身的幾何尺寸、內(nèi)表面粗糙度有關(guān)的阻力特性數(shù)外，還與流經(jīng)該管路的流量及給水系統(tǒng)出、入口靜壓差有關(guān)［4-5］。對(duì)此，這3種特性曲線的擬定方程可分別表示為

式中:Hp為水泵揚(yáng)程，mH2O;Hg為系統(tǒng)阻力，mH2O;水泵進(jìn)出靜壓差Hst=(pb-pc)+(Hy-Hj)，mH2O;Q為水泵負(fù)荷，m3/h;Hp為水泵效率，%;φ 為系統(tǒng)阻力數(shù)，h2/m5;A0、A1、A2、B1、B2、B3為水泵的 Hp-Q、ηp-Q曲線擬合系數(shù)。

3 單臺(tái)泵的特性曲線擬合

對(duì)于式 (1)、(2)中的A0、A1、A2、B1、B2、B3的系數(shù)，可采用“最小二乘法”原理確定，關(guān)于單泵變速時(shí)pi曲線的擬合可根據(jù)水泵相似理論:

關(guān)于該式中的 (ni/n0)的確定，可將式 (5)按滿足于Hp=Hg的條件，聯(lián)立求得:

4 并聯(lián)泵運(yùn)行的特性曲線擬合

4.1 雙工頻泵并聯(lián)運(yùn)行的特性曲線擬合

對(duì)于圖2中p+p曲線，可根據(jù)并聯(lián)泵疊加原理［5］并結(jié)合式 (1)和式 (4)得到:

4.2 雙汞同步調(diào)速ni時(shí)并聯(lián)合成特性曲線的擬合

同理，關(guān)于曲線pi+pi的擬合方程和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比 (n1/n0)可參照式 (7)和式 (6)的導(dǎo)出過程分別得到:

4.3 雙泵非同步調(diào)速并聯(lián)特性曲線的擬合

關(guān)于圖2(a)中雙泵非同步調(diào)速運(yùn)行曲線p'+p方程的確定，可依據(jù)水泵并聯(lián)時(shí)各泵揚(yáng)程相等的原理得知工況點(diǎn)i處Hi=Hi1+Hi3，并根據(jù)式(1)和式 (5)可得:

5 包括調(diào)速裝置下的給水泵系功率的確定

為了能更充分反映出整套系統(tǒng)的能耗，對(duì)給水系統(tǒng)中包括電動(dòng)機(jī)及調(diào)速器效率各環(huán)報(bào)的能耗進(jìn)行全面考核，可得:式中:Pin為系統(tǒng)輸入總能耗，kW;ρ為水的密度，kg/m3;ηm，v為含電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的液力耦合調(diào)速器效率，%。

關(guān)于給水泵變速下的效率的確定，可根據(jù)水泵的相似原理求得:

對(duì)于含電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的典型液力耦合調(diào)速器效率可根據(jù)圖3所示曲線擬合為

對(duì)于式 (16)中 (ni/n0)的確定，應(yīng)與式(7)、(10)、(13)所對(duì)應(yīng)工況求出的結(jié)果相同。由式 (14)可知，一旦求得調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)中對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的效率值，便可應(yīng)用該式計(jì)算出其系統(tǒng)總能耗 Pin。

圖3 CO-46型液力耦合調(diào)速器 (含電機(jī))效率曲線

6 算例與運(yùn)行工況分析

現(xiàn)以某電站1臺(tái)670 t/h鍋爐給水系統(tǒng)為例，進(jìn)行在不同運(yùn)行方式下水泵的工況分析:已知該系統(tǒng)由2臺(tái)DG450-180型水泵 (由于前置泵為工頻且功率很小，僅占給水能耗的5%以下，為了使計(jì)算簡化，故這里未予考慮，且不會(huì)影響對(duì)問題的分析)和所配套的CO-46型液力耦合器組成，泵的額定轉(zhuǎn)速n0=4 600 r/min，所配電機(jī)功率 N=3 200 kW，泵的入口水溫為t=158℃，其密度ρ=900kg/m3。通過對(duì)該泵特性曲線的擬合和對(duì)管路

表1 變流量時(shí)泵系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下的參量計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)阻力特性數(shù)的求取可得各方程:

經(jīng)計(jì)算，以鍋爐額定負(fù)荷610 m3/h下所確定的分界點(diǎn)0″的流量為 Q0″=497.49 m3/h。為了充分說明變流量 Qi在 Qi＞ Q0″或 Qi＜ Q0″范圍內(nèi)采用多種運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)假定變流量分別為Qi=520 m3/h和Qi=360 m3/h時(shí)對(duì)前面所提出的各種運(yùn)行方式下的工況計(jì)算結(jié)果見表1。

可見，在Qi＞Q0″的范圍內(nèi)，如為滿足變流量Qi=520 m3/h的情況下，在所擬定的3種運(yùn)行方案中，以“雙汞同步調(diào)速”運(yùn)行時(shí)的總能耗最小。為4 126 kW，即每臺(tái)水泵承擔(dān)的能耗約為2 063 kW;以“雙泵恒速”并通過閥門節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)的總能耗則為4 516 kW，即每臺(tái)水泵承擔(dān)的能耗均為2 258 kW;而在相同流量下， “雙泵非同步調(diào)速”運(yùn)行時(shí)的總能耗最大，為4 912 kW，其中1號(hào)水泵所承擔(dān)的能耗為2 906 kW，2號(hào)水泵系統(tǒng)所承擔(dān)的能耗為1 733 kW，可得“給水負(fù)荷波動(dòng)，從節(jié)能的角度出發(fā)，最適合采用1臺(tái)泵變頻調(diào)速運(yùn)行，其它水泵工頻并聯(lián)運(yùn)行”是錯(cuò)誤結(jié)論，還可難會(huì)因兩泵分擔(dān)流量差異過大而出現(xiàn)“搶水現(xiàn)象”，最后導(dǎo)致鍋爐缺水事故［6-7］。

此外，在Qi＜Q0″范圍內(nèi)，如為滿足變流量Qi=360 m3/h的情況下，在所擬定的另外3種運(yùn)行方式中，采用“單泵調(diào)速”運(yùn)行時(shí)其能耗最低，為2 202 kW;“單泵恒速”運(yùn)行時(shí)其總能耗次之，為2 550 kW;而采用“雙泵同步調(diào)速”運(yùn)行時(shí)其總能耗會(huì)大大提高至3 418 kW，與Qi＜Q0″時(shí)所采用的“雙泵同步調(diào)速”運(yùn)行方式相比反而能耗是最高的，盡管這2臺(tái)給水泵所承擔(dān)的總流量雖然為360 m3/h，但由于每臺(tái)泵均攤的流量卻很小，故使其系統(tǒng)綜合效率大大降低從而導(dǎo)致能耗最高。可見并不是在任何情況下同步調(diào)速運(yùn)行方式都是最節(jié)能的。

7 結(jié)束語

當(dāng)雙泵并聯(lián)的鍋爐給水系統(tǒng)的管路特性不變時(shí)，以單泵可供最大流量為分界點(diǎn)，指出當(dāng)變流量大于該分界點(diǎn)時(shí)所采用的“雙泵同步調(diào)速”、“雙泵恒速”、 “雙泵非同步調(diào)速”3種運(yùn)行方式中，以“雙泵同步調(diào)速”運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì);而當(dāng)變流量小于分界點(diǎn)流量時(shí)所采用的“單泵調(diào)速”、“單泵恒速”、 “雙泵同步調(diào)速”3種運(yùn)行方式中，以“單泵調(diào)速”的運(yùn)行方式最為經(jīng)濟(jì)。若機(jī)組在低負(fù)荷狀態(tài)下采用滑壓運(yùn)行，其給水泵的最佳運(yùn)行方式也相同，若此時(shí)給水泵出、入口靜壓差減小，其對(duì)應(yīng)的能耗亦變小。

對(duì)于并聯(lián)連接方式下的鍋爐給水系統(tǒng)，在不同的變流量范圍內(nèi)，其經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下的運(yùn)行方式也不同。實(shí)踐證明，鍋爐給水泵即使選用運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較高的液力耦合器或其它變速裝置，在實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)時(shí)，也只有在合理的運(yùn)行方式下才能最大限度地提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

［1］ 蔡兆麟.能源與動(dòng)力裝置基礎(chǔ)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］ 李先瑞.供熱空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理、節(jié)能、診斷技術(shù)指南［M］.北京:中國電力出版社，2004.

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Operation Optimizing of Power Station Boiler Feed-water Pump Under Variable Load

HU Si-ke1，XING Jiao-jiao1，WANG Li-ping2
(1.Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

In view of the power station boilers used by the two pumps connected in parallel feedwater system，first，under the condition of the same pipeline characteristics，there are multi-plans in the flow range on both sides of the maximum flow point provided by a single pump，which is“double pump constant speed”，“double pumps synchronous governing speed”，“double pump non-synchronous governing speed”，“single pump governing speed”or“single pump constat speed”;second，the theory of least squares method and the similar theory of pump are used to deduce the characteristic equation for the pump，motors，governor of the system under different flow，and the formulas about rotational speed，efficiency and energy consumption;finally the economy of each operating plan is analyzed and estimated by the analytical method，and the optimum operating mode in the scope of different flow is given，which may provide the necessary theory basis for project designers and operation managers.

Power plant boiler;Feedwater system;Econmoic analysis;Fitting of characteristic curve

TM621.2

A

1004-7913(2014)03-0034-04

胡思科 (1958—)，男，學(xué)士，教授，從事電站系統(tǒng)及供熱工程的教學(xué)、科研與設(shè)計(jì)工作。

2013-12-08)