火力发电厂水循环控制系统的应用研究

滑娇琴

（山西省霍州煤电集团公司煤矸石热电厂，山西 霍州 031412）

引言

循环水系统是火力发电厂的关键性辅助系统，为火力发电的工艺过程提供循环冷却水。循环过程中的工作效率决定着发电机组的发电效率，其中循环水泵是系统的核心。循环水泵与其他设施相互构建的整体运行设备对循环水系统是否能发挥出最优性能有着较大的关系。通过对现场调研得知[1-2]，目前循环水泵在设计时的冗余量较大，导致设计量与实际工作量的偏差较大，没有充分发挥出循环水泵的工作效率。因此。通过对循环水泵与其他配套设施相互配合的优化设计问题进行研究，从而达到提升循环水控制系统优化的目的，在实际应用过程中更能确保机组运行的经济性、安全性、高效性。

1 循环水系统运行需求分析

1.1 循环水泵调速原理

通常火电厂采用的循环水泵的调速方式为大型立式异步电机进行驱动，主要对泵的输出压力和水流量进行无极调节。在工程应用中，通常采用4种异步电机的调速方式，分别为：定频调速、变频调速、定子电压变化调速、转子电动势能调速[3]。

在调速过程中，异步电机的转速主要与转差率、电流频率以及磁极对数有关，其中与磁极对数是成反比例关系。例如某火电厂的300 MW机组就应用了异步电机驱动的双速循环水泵设备，通过改变循环水泵内部的接线方式，使得变频调速在定频调度之间自由切换。结合磁极对数的变化，实现了高、低转速之间的变化。

1.2 循环水控制系统的运行要求

对于发电机组的设计优化，应从建设投资和节能方面考虑，并且还应该满足循环水泵的水流量要求。从上述角度出发，应该配置定频和变频的双速泵。由于循环水泵是由蝶阀的开闭进行流量控制，但是蝶阀只能全开或者全关的两个工作状态，无法按照一定的开闭角度实现流量的精准调控[4]。

因此，根据火力发电机组的优化设计应满足系统方面的安全性、可靠性符合要求；节能设计方面能够降低运行功耗；适应性强，能够针对不同的季节工况保持经济高效的运行。

1.3 工艺配置

火电厂的发电机组通常都由冷却塔、循环水管道、回水管道、循环水泵等组成，如图1所示。

图1 循环水控制系统的工艺示意图

以某电厂为研究对象，循环水控制系统周围均会配备自然通风的冷却塔。同时，安装常用的68LKXA-22.5型立式循环水泵，要求转速不得小于450 r/min，扬程的高度应大于22.5 m[5]。循环水泵一般采用单级单吸，呈垂直方向与其他冷却塔相连接，形成混流状态，使得电机与水泵能够在靠近机组附近实现通风冷却。

2 循环水泵运行控制方案设计

由于目前的循环水泵都属于逆势混流泵对水流推力以及转子速度都有较高的要求，必须确保传动轴与水泵轴的同心度较高。控制循环水泵的关键点在于对各个回路上的开关进行启闭控制，完成上述动作就需要结合电磁阀、继电器等元器件。

当循环水泵需要启动时，必须先满足以下条件，包括控制蝶阀处于正常状态、凝水器的阀门未关闭、冷却水流量满足要求等条件。当循环水泵在启动过程中，各线路的热敏电阻就会将模拟信号转化为数字信号，通过输入模块对于相关阀门处的开关信号进行分析[6]。循环水泵的电流值在预定范围之内，此时水泵的电机启动、蝶阀联动打开、完成了整个水泵启动的过程，具体过程如图2所示。

图2 循环水泵启动逻辑图

通过分析得出，要实现循环水泵与其他辅助性装置的优化组合，应实现水泵的高、低速自由切换。尤其是对于双速泵与定速泵的控制逻辑进行优化设计。将原有的两段路控制模式变化为三段路控制模式，同时采用双电源的进线方式，改变双速水泵接线端子的连接方式实现异步电机的定频或变频调速。实现上述的控制方法，应对循环水泵的控制电路接线图进行程序设计，如图3所示。

图3 循环水泵优化后控制电路接线示意图

3 循环水泵运行优化结果分析

完成控制水泵的电路设计后，将对循环水泵的发电量和水流量的关系进行重新组合设计。结合实际火电厂的发电工况，循环水泵的水流量应根据循环水泵的工作特性进行调整，使得增加的功耗与提高水量的参数能够达到平衡状态，才能满足最优的运行结果。根据理论技术，对凝汽器的最佳真空和循环水流量的最佳流量的关系曲线进行设计，如图4所示。

图4中，循环水流量为Gw0时，对应净增发电量ΔN最大，此时的ΔN是曲线上的极大值点，也是最大值点；循环水流量增加至Gw1时，净增发电量刚好为零，再增加循环水量，则发电机组净增发电量为负值。因此，通过对两者曲线图重新设计后，使得发电量与水流量的关系比例更加的合理，能够充分发挥出水循环控制系统对机组的综合效益。

图4 净增发电量与循环水流量的关系示意图

试验数据分析可知，机组100%负荷下，排气压力从5.23 kPa提高到8.53 kPa时，机组发电功率降低6 289 kW，微增出力相对变化率为-2.09%，与修正值的偏差为0.044 8，与功率修正曲线的数值相差不大，表明获取的机组微增出力随排气压力波动的实际运行数值与曲线法理论计算获得数值相吻合。

泵组切换的等效益线——循环水系统最佳运行泵组切换工况曲线，这条曲线是两种泵组切换的临界线。研究对象的火力发电厂两台循环水泵共有四种组合方式，按此步骤可得出三条等效益曲线，对应循环水泵四种组合之间的切换关系，如下页图5所示。其中系列1为单泵低速-高速、系列2为单泵高速-双泵、系列3为低速-双泵高速。

图5 最佳循环水泵组合运行工况图

图中Ⅰ区域为低速泵单泵运行区域，Ⅱ区域为高速泵或定速泵单泵运行区域，Ⅲ区域为定速泵与低速泵并联运行区域，Ⅳ区域为定速泵与高速泵并联运行区域。主控室操作人员可根据监控界面中反馈的实时数据，方便快捷地确定循环水泵的运行组合方案，并通过后台快速完成泵组运行切换。

4 结论

以某火力电厂300 WM的发电机组为对象进行研究，对其循环水控制系统的循环水泵的调速方式进行优化设计，并与其他辅助性设备的组合进行再次调整，提高循环水控制系统的经济效益。将设计优化后的循环水控制系统应用于火力发电厂的实际生产中，数据分析显示优化后的循环式控制系统在实际应用中能够提高机组运行的高效性、经济性和平稳性。