CN102200120A - 一种热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热力发电机组的凝结水泵变频改造工况点预计算方法。在进行凝结水泵变频改造前，对变频改造后的经济性进行预评估是十分必要的，进行凝结水泵变频改造后工况点预计算是这一工作的首要前提。本发明的特征在于结合凝结水泵变速运行平衡点计算式对其变速运行工况进行分析，从除氧器水位调节阀特性出发，结合工频状态下的相关试验，计算得到平衡点计算式的各项系数；然后，结合水泵比例定律实现凝结水泵变速运行工况点参数的定量计算。在此基础上，可对凝结水泵变频改造节能效果进行预评估，为改造提供依据。

Description

一种热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法

技术领域

本发明涉及热力发电领域，具体地说是一种热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法。

背景技术

近年来，随着大型电机变频调速技术的成熟，其性价比得到不断提升，这使得它在热力发电行业大规模的应用成为可能。在节能减排力度不断加大的宏观背景下，不同容量等级的煤电机组与燃气机组均开始对水泵、风机等主要辅助设备进行变频改造工作，其中以凝结水泵变频改造最为常见。对热力发电机组凝结水泵运行调节方式的选择进行分析与对比计算结果表明，凝结水泵变频调速的运行方式具有强大的节能效果，采用变频调节经济上是可行的。

虽然如此，还是有部分机组在凝结水泵进行变频改造以后发现，高负荷时凝结水泵变速运行并不经济，有时甚至比工频运行能耗更高，如果机组长期高负荷运行，凝结水泵变频改造不仅没有任何节能效果，有时甚至会因其电机电流超限而导致机组不能带额定负荷。热力发电机组凝结水系统因有除氧器的存在使得凝结水泵出口存在一变化的背压，这会在缩小凝结水泵调速范围的同时，也导致节能效果下降，不考虑这一因素时，会得到过于乐观计算结果。因此，在进行凝结水泵变频改造前，对变频改造后的经济性进行预评估是十分必要的，进行凝结水泵变频改造后工况点预计算是这一工作的首要前提。只有事先计算出凝结水泵变速运行时的主要参数，才可以正确评估节能效果，为改造提供依据。另外，凝结水泵改为变速运行后，整个凝结水系统参数分布发生很大的变化，相关理论参数定量计算也可以丰富热力发电机组变频工况下指标应达值的计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法，在进行凝结水泵变频改造前计算出凝结水泵变频改造后的运行工况点参数，从而实现对凝结水泵变频改造经济性的预评估，为改造提供依据。

为此，本发明采用以下的技术方案：在保证满足凝结水泵出口压力要求与除氧器上水量的前提下，除氧器水位调节阀全开时所对应的凝结水泵负荷点称为平衡点，推导出凝结水泵变速运行平衡点计算式；公式为 $P_0=\mathrm{\α}\·Q_m^2+\frac{P_{\mathrm{cyd}}}{Q_{\mathrm{md}}}\·Q_m+\mathrm{\ρ}\·g\·\mathrm{\ΔH},$

上式中，P₀、P_cyd分别为凝结水泵出口压力与额定负荷下除氧器压力，Q_m、Q_md分别为凝结水流量与额定负荷下的凝结水流量，ρ为凝结水密度，α为一常数，ΔH为除氧器进口到凝结水泵出口总高度差，一次项系数与常数项的确定是通过除氧器水位调节阀设计参数直接得到，二次项系数的确定需计算除氧器主、副水位调节阀全开工况与工频运行工况时前后差压，并计算出额定负荷时凝结水泵变频运行的最低出口压力后得到；

然后，根据凝结水泵工频运行曲线与平衡点计算式所确定的曲线，得到相似工况点，然后根据流体机械的比例定律，在凝结水泵变频改造之前预先得到改造后的工况点参数。

流体机械的比例定律是凝结水泵变频改造的理论出发点，它给出了流量Q、扬程H、轴功率N与转速n的关系：

$\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{n_1}{n_2}---\left(1\right),$ $\frac{H_1}{H_2}={\left(\frac{n_1}{n_2}\right)}^2---\left(2\right),$ $\frac{N_1}{N_2}={\left(\frac{n_1}{n_2}\right)}^3---\left(3\right)$

但因除氧器压力的存在，热力发电机组凝结水系统运行工况并不直接满足上述公式的应用条件，因此它们无法直接应用，也就不能直接用来计算凝结水泵变频改造后的工况点参数。

为此，本发明对凝结水泵变速运行进行了理论分析，提出了“平衡点”这一概念，即“在保证满足凝结水泵出口压力要求与除氧器上水量的前提下，除氧器水位调节阀刚好全开时所对应的负荷点称为平衡点”，并推导出了相应计算公式(4)，

$P_0=\mathrm{\α}\·Q_m^2+\frac{P_{\mathrm{cyd}}}{Q_{\mathrm{md}}}\·Q_m+\mathrm{\ρ}\·g\·\mathrm{\ΔH}---\left(4\right)$

上式中，P₀、P_cyd分别为凝结水泵出口压力与额定负荷下除氧器压力；Q_m、Q_md分别为凝结水流量与额定负荷下的凝结水流量；ρ为凝结水密度；α为一常数；ΔH为除氧器进口到凝结水泵出口总高度差。

凝结水泵变速运行时，除氧器主、副水位调节阀均于全开状态，除氧器水位只靠凝结水泵转速调节，凝结水泵出口压力满足式(4)。但部分机组出于对凝结水用户压力需要的考虑，会确定一个凝结水泵变速运行最低压力值P_0min；有的机组为了提高节能效果，其设定的凝泵出口最低压力值随负荷变化而变化，一般设置为一条斜线。根据这样一种运行工况，结合公式(4)，本发明提出按以下步骤，可实现对凝结水泵变频运行工况点的预计算。

(1)确定工频状态下凝结水泵的运行参数

在凝结水泵进行变频改造前，进行试验，确定在额定转速下凝结水泵的一系列运行参数，主要包括机组负荷、凝结水泵出口压力、主凝结水流量、凝结水泵电机电流、除氧器压力以及除氧器主副水位调节阀的开度。这些数据收集完成后，根据机组负荷与主凝结水流量、除氧器压力成正比的关系，剔除误差较大的数据，确定主凝结水流量与压力曲线、主凝结水流量与电机电流曲线。

(2)确定主、副调节阀全开工况下前后差压

根据除氧器水位调节阀的设计额定流量系数C_v，计算在两阀均全开、额定负荷下主、副水位调节阀的流量分配数值Q_v，然后根据式(5)计算得到额定负荷下、除氧器水位调节阀全开时的前后差压ΔP_m。

${\mathrm{\ΔP}}_m=\mathrm{\ρ}{\left(\frac{Q_v}{C_v}\right)}^2---\left(5\right)$

(3)确定工频运行时主、副调节阀前后差压

根据除氧器水位调节阀不同行程下的流量系数，用二次函数拟合即可得到调节阀开度与流量系数曲线方程，然后计根据(1)中试验结果计算出当时调节阀开度下的流量系数，由于额定工况下主凝结水流量已知，可结合式(5)计算出工频运行时主、副调节阀前后差压ΔP_n。

(4)额定负荷下凝结水泵变频运行时最低出口压力计算

由前述内容可知，式(4)一次项系数与常数项可通过(1)中试验结果与设计数据计算得到，二次项系数α的计算方法如下：

相同负荷下，无论凝结水泵工频运行还是变频运行，主凝结水流量是相同的，凝结水在整个凝结水系统管路中除了经过水位调节阀时流速会发生变化外，其它各处流速均不变，沿程阻力与局部阻力也就不会发生变化，两者总称为凝结水管路损失，记为ΔP_l，则有

ΔP_l＝P₀-ΔP_n-P_cy-ΔH    (6)

如果除氧器主、副水位调节阀均全开，则有ΔP_m＜ΔP_n，此时可由式(7)计算得到额定负荷时凝结水泵最低出口压力，

P_0d＝P_cy+ΔH+ΔP_l+ΔP_m    (7)

此时，式(7)再结合式(4)，即可以计算得到二次项系数α的值，从而可以完全确定式(4)。

(5)计算凝结水泵变速运行工况点参数

凝结水泵变速运行时，其水泵效率变化降幅较小，一般认为在80％额定转速以上时，使用流体机械比例定律计算各项参数可有足够的精度，80％额定转速以下时，比例定律可能会有一定误差，仍基本可满足工程计算需要。转速变化时，在使用电压型多电平变频器的情况下，凝结水泵电机功率因数基本不变，其电流可正比的反映功率变化，在进行其变速运行参数计算时可用电流参数代替功率参数。

由式(4)可以确定凝结水泵变速运行时，在除氧器主、副水位调节阀均全开的情况下，主凝结水流量与凝结水泵出口压力的函数关系曲线X，由(1)中试验可确定工频工况下主凝结水流量与凝结水泵出口压力曲线Y。要计算任意主凝结水流量Q_mE下凝结水泵的参数，可通过该工况点作相似抛物线，在曲线Y上找到其相似工况点，然后根据式(1)、(2)与(3)可以计算出Q_mE工况点的凝结水泵转速与其电机电流。相同流量Q_mE下，凝结水泵工频运行在G工况点，确定此时的出口压力、电机电流与机组负荷等参数以后，再结合主凝结水流量与机组负荷成正比的关系，就可以完成凝结水泵变频改造后工况点参数的理论计算。

如果在凝结水泵变频改造后，其出口压力有最低值限制，同样可以使用上述方法对变频改造后的工况点参数进行计算。

在上述计算结果的基础上，可在进行凝结水泵变频改造前，进行节能效果进行评价，以决定是否实施该改造项目。

应用本发明，可在凝结水泵变频改造前计算得到变频改造后的工况点参数，可以得到不同工况下的节能效果曲线，并可以分析凝结水泵出口压力限制值对节能效果的影响，从而实现不同情况下的节能效果预评估。理论计算的结果也可作为改造后运行的目标值，由此可找到节能挖潜的方向。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1、图2与图3是将本发明应用在一台拟进行凝结水泵变频改造的600MW亚临界火电机组上得到的计算结果。

图1为根据本发明得到的工况点计算结果曲线。

图2为根据本发明计算得到的节能效果预测曲线。

图3为根据本发明计算得到凝结水泵出口压力限制对节能效果的影响曲线。

具体实施方式

某600MW亚临界火电机组凝结水泵电机额定转速为1490r/min，ΔH＝0.3MPa，Q_md＝1511t/h，P_cyd＝0.6MPa，根据工频状态下的试验结果与主、副调节阀的设计数据，可计算得到ΔP_m＝0.401MPa，ΔP_n＝1.262MPa，ΔP_l＝0.863MPa，由此可确定式(4)为： $P_0=5.537\×{10}^{-7}{Q}_m^2+3.971\×{10}^{-4}{Q}_m+0.3.$

在凝结水用户对凝结水泵出口压力无限制的情况下，凝结水泵改为变速运行后其转速、出口压力与负荷的关系如图1；在不考虑变频器本身工作效率的情况下，如果将凝结水泵工频、变频运行电流差与工频运行电流比值定义为变速运行节能率，那么凝结水泵变频改造前、后电机电流以及节能率如图2。如果出现凝结水用户对凝结水泵出口压力最低值有限制的情况，则电机电流根据最低值压力限制值的不同按图3所示曲线变化。

实际上变频器本身有一定功耗，额定状态下运行进，其效率86.4-96％；电机改为变速运行后，其磁滞损耗、涡流损耗、定转子铜耗等在功率中所占比例都有所上升，该部分损失约使变频调速后电机电流增加10％，乐观的估计这两部分损失叠加后的损失约15％左右，对比图2可见，该机组低负荷运行，凝结水泵变频改造节能效果良好，但在额定负荷附近运行，则基本无节能效果。

Claims (4)

1.一种热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法，其特征在于：在保证满足凝结水泵出口压力要求与除氧器上水量的前提下，除氧器水位调节阀全开时所对应的凝结水泵负荷点称为平衡点，推导出凝结水泵变速运行平衡点计算式，公式为

上式中，P₀、P_cyd分别为凝结水泵出口压力与额定负荷下除氧器压力，Q_m、Q_md分别为凝结水流量与额定负荷下的凝结水流量，ρ为凝结水密度，α为一常数，ΔH为除氧器进口到凝结水泵出口总高度差，一次项系数与常数项的确定是通过除氧器水位调节阀设计参数直接得到，二次项系数的确定需计算除氧器主、副水位调节阀全开工况与工频运行工况时前后差压，并计算出额定负荷时凝结水泵变频运行的最低出口压力后得到；

然后，根据凝结水泵工频运行曲线与平衡点计算式所确定的曲线，得到相似工况点，然后根据流体机械的比例定律，在凝结水泵变频改造之前预先得到改造后的工况点参数。

2.根据权利要求1所述的热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法，其特征在于除氧器主、副水位调节阀全开工况时前后差压的确定方法为：根据除氧器水位调节阀的设计额定流量系数C_v，计算在两阀均全开、额定负荷下主、副水位调节阀的流量分配数值Q_v，然后再计算得到主、副水位调节阀前后差压。

3.根据权利要求1或2所述的热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法，其特征在于除氧器主、副水位调节阀工频运行工况时前后差压的确定方法为：根据除氧器水位调节阀不同行程下的流量系数，用二次函数拟合得到调节阀开度与流量系数曲线方程，然后根据工频试验结果计算当时调节阀开度下的流量系数，从而计算出工频运行时主、副水位调节阀前后差压。

4.根据权利要求3所述的热力发电机组凝结水泵变频改造工况点预计算方法，其特征在于额定负荷时凝结水泵变频运行的最低出口压力计算方法为：根据在相同负荷下，无论凝结水泵工频运行还是变频运行，整个凝结水系统管路中除了除氧器水位调节阀的局部阻力发生变化外，其它各处沿程阻力与局部阻力均不会发生变化这一性质计算得到。

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