3.1 给水泵
与风机一样,由于设计中层层加码,留有过大的富裕量,造成大马拉小车现象之外,由于采用节流调节,为满足生产工艺上的要求,造成更大的能源浪费现象。一台200MW发电机组的给水泵,其电动机功率达5000kW,水泵的出口压力为25.0MPa,而正常运行时的汽包压力为16.5MPa。水泵的出口压力与正常的汽包压力之间的差别如此之大(8.5MPa)的原因有两个:
(1) 考虑到锅炉检修以后打水压试验的需要;
(2) 为给水调节阀前提供较大的压力,以提高调节系统的反应速度。
由以上分析可知,当电动机定速运行时,为了维持汽包压力在正常值,必须在给水管道上加装给水调节阀,增加阻力,以至消耗大量的能源。若电机采用调速驱动,则可用改变电动机的转速来满足不同的压力要求,节省了因阀门阻力引起的附加损耗,达到节能的目的。同时以调速方法改变压力的响应速度远比改变阀门
开度来得快,使锅炉汽包水位自动调节系统的反应加快,改善了锅炉给水调节系统的性能。
为了降低水泵的能耗,除了提高水泵本身的效率、降低管路系统阻力、合理配套并实现经济调度外,采用调速驱动是一种更加有效的途径。因为大多数水泵都需要根据主机负荷的变化调节流量,对调峰机组的水泵则尤其如此。根据目前我国电网的负荷情况,大多数125MW机组已参与调峰,为扩大调峰能力甚至一些200MW机组也不得不参与调峰运行。为这类调峰机组配套的各种水泵最好采用调速驱动,以获得最佳节能效果。例如,有一台国产200MW机组配备三台DG400-180型定速给水泵,当主机负荷为180MW时运行两台泵,调节阀的节流损失高达2.2MPa,仅此一项每年浪费电能883.9万kW·h。如果改用一台全容量调速给水泵则可以节省大量电能(表1)。由表1可见,当主机采用定压运行方式时,可平均节电20%,当主机采用定-滑-定运行方式时可平均节电30%。以上是没有考虑给水焓升变化的计算结果,如果考虑调速泵中给水焓升较小,则平均节电率将下降3%~5%。
从效率变化方面来看,节流调节法在工况改变时泵的效率曲线不变,因此随着流量减小泵的效率下降比较快,而转速调节法当水泵转速改变时,泵的效率曲线也相应改变。因此,可以保证泵始终在高效区范围内运行。
如果管路系统的静扬程H0=0(例如水平开式供水的情况),那么管路系统阻力曲线近似于相似抛物线,泵的运行工况点近似于相似工况点。这样,泵在变速运行过程中性能参数的变化可用比例定律表示,由(1)式可得:
因此,用转速调节法调节流量可以大幅度节约电能。譬如流量下降到额定流量的80%,轴功率将下降到额定值的51%;如果流量下降到50%,那么轴功率可以大幅度地下降到13%。当然,实际上还要考虑调速装置的滑差损失等因素,即使如此节电效果也是十分可观的。如果静扬程H0不太大,也可以近似用比例定律来估计调速节能的效果。
以上叙述了一台泵单独供水时调速节能的原理,火力发电厂中单泵供单炉的单元制给水系统就属于这种情况。但是,单机容量100MW以下的火力发电厂基本上采用母管制给水系统,这种系统根据所需给水量的变化增减运行泵的台数,即所谓台数调节法。
如果泵的台数比较多,采用这种方法也可以使各泵的运行工况点接近于高效区,所以运行经济性也比较好。有些给水系统还配备了流量大小不同的给水泵,根据负荷进行大小泵搭配运行,即所谓经济调度,这样运行经济性会更好些。但是,为了最大限度地提高运行经济性,最理想的方案还是转速调节,因为台数调节法仍然存在一些节流损失,而且在变负荷时泵的运行效率仍然有些降低,图3表示采用台数调节法与转速调节法时泵轴功率的差异。
另外,与转速调节法相比,台数调节法不仅经济性差,而且安全性也差,因为它必须根据负荷经常起动和停泵,增加了不安全因素。
由于给水泵的功率大,一般在5000kW以上,采用变频调速虽然性能优越,但是成本太高,投资回收周期长,在目前还不能满足给水泵节能改造的要求,随着电力电子技术的发展,给水泵实现变频调速也是完全可能的。目前300MW机组的给水泵一般采用小汽轮机调速驱动,200MW及以下机组则大部分可采用液力耦合器调速。液力耦合器虽属低效调速方式,但是即使在低转速比时,相对节流调节而言,也有明显的节能效果,并且因其投资少,见效快,资金回收周期短,在老机组和中小机组节能改造工程中,不失为一种经济实用的改造方案。
3.2 循环水泵
循环水泵是为火电机组凝汽器系统提供冷却水的重要辅机设备,为大流量低扬程轴流泵。一般小机组为母管制,大机组为单元制。其运行方式为随机组长期连续运行。一般一台机组为两台泵,冬天一台泵运行、夏天需两台泵运行。为了运行的可靠性,也有设计三台泵的,一台运行,一台备用,一台检修。
循环水泵目前大多采用动叶可调的轴流泵,但是由于是定速运行,因此很难适应季节和负荷的变化,造成冷却水的大量浪费。若采用变频调速改造,既可节能降耗,又提供了循环水的流量调节手段,使机组保持最经济的运行状态。
循环水泵的电机功率一般在2000~3000kW,采用中压变频器改造比较合适,考虑到其运行方式,也为了节省改造经费,可采用一拖三方案,即用一台变频器分别拖动机组的三台循环水泵。冬季和低负荷时,一台泵调速运行;夏季和高负荷时,一台泵定速运行,一台泵调速运行。调速泵采集汽机调节级压力,大气压力,凝汽器真空及泵的出、入口水温等信号经控制系统处理后,给变频器输出4~20mA的速度给定指令信号,实现泵速自动调节,确保循环水倍率,提高冷却效果。
3.3 凝结水泵
凝结水泵属中低压冷水泵,其吸入侧为真空状态。一般一台机组设计2台泵,一台运行,一台备用,每台泵的出力均为110%额定流量;大机组采用3台泵,二台运行,一台备用,每台泵的出力均为55%额定流量。目前存在的问题是:
(1)由于凝结水泵定速运行,靠出口电动调节门的节流控制,节流量大,出口压力高,经常发生泵的格兰大量漏水造成热量和水量损失,地面污染,导致不能正常运行甚至损坏泵。
(2)电动调节门是电动机械结构,线性度差,存在调节滞后,调节品质差的问题影响了调节系统的稳定性。经常出现无水位运行状态,导致泵的严重汽蚀;因为是立式泵,水泵轴向窜动严重,电流晃动大,轴承损坏,疏水管道振动和泄露等故障,增加了泵的维护工作量,经常要倒泵,影响机组安全运行。