间接空冷系统基于最低防冻允许背压下的最小循环水流量调控方法与流程

本发明涉及一种间接空冷系统基于最低防冻允许背压下的最小循环水流量调控方法。

背景技术：

间接空冷系统由于优越的节水性能在我国北方汽轮发电机组广泛采用，其中供热机组由于供热期低压缸进汽量较冷凝工况大幅下降，供热工况凝汽器热负荷约为冷凝工况的25％，通过降低主机循环水泵频率，保持较小的主机循环水流量即可使机组达到阻塞背压运行。但由于考虑系统的安全性及防冻要求，主机循环水往往需要维持较高流量运行，这就导致主机循环水泵电耗增加，厂用电率升高。

如图1所示，间接空冷系统主要由表面式凝汽器1、间接空冷塔2及工频/变频主机循环水泵3组成。凝汽器1、间接空冷塔间2的散热器为表面式换热器，间接空冷塔2的表面式散热器在其外围垂直布置。主机循环水在凝汽器1中用于冷却汽轮机低压缸4排入的乏汽，导致受热升温，流至经主机循环水泵3升压再流向间接空冷塔散热器2冷却，冷却降温后的循环水再回到凝汽器1中进行下一个闭式循环。汽轮发电机组运行中，汽轮机低压缸4做功后的乏汽排入凝汽器1的汽侧冷凝为水，再进入锅炉加热为蒸汽，再进入汽轮机做功发电，如此不断循环。

因此，凝汽器循环水出口温度即为间冷塔循环水入口温度，凝汽器循环水入口温度即为间冷塔循环水出口温度。凝汽器水侧需要不断的通入冷却水即主机循环水。主机循环水循环流动由主机循环泵提供动能，提高主机循环水流量将带来主机循环水泵功耗增加。其中，主机循环水泵3可由几台变频主机循环水泵并联运行或几台变频主机循环水泵与工频主机循环水泵并联运行方式。

目前间接空冷系统间冷系统冬季都有不同程度的防冻压力，为了防止间冷塔扇区换热面发生冻结事故，即使在冬季供热工况下运行时也保持主机循环水较大流量运行，使主机循环泵3耗电较大，耗电率维持在0.65％以上。

北方地区间接空冷系统在冬季工况运行，防冻工作是重中之重。间接空冷塔防冻主要控制塔的入口及出口水温度，使间接空冷塔的入口及出口水温度不低于最低防冻要求，间接空冷塔的最低入口水温度与凝汽器的端差，决定了机组运行的最小背压，即最低防冻允许背压。在维持机组在最低防冻允许背压下(即在满足间冷系统防冻及运行安全要求前提下)，如何确定和控制主机循环水最小安全流量，使主机循环水泵耗电率达到最小、系统的安全性、经济性达到最佳状态是一个重要的研究课题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种间接空冷系统基于最低防冻允许背压下的最小循环水流量调控方法，用于维持机组在最低防冻允许背压下，调试确定和控制主机循环水维持在最小安全流量，从而使主机循环水泵耗电率达到最小，同时兼顾系统运行的安全性和经济性。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种间接空冷系统基于最低防冻允许背压下的最小循环水流量调控方法，主机循环水泵由变频主机循环水泵并联运行或几台变频主机循环水泵与工频主机循环水泵并联运行，所述方法用于调试和控制，使间接空冷系统达到最低防冻允许背压下的最小循环水流量；所述方法包括：

步骤一：根据最小主机循环流量影响因素，初步确定变频主机循环泵频率及主机循环水流量调整下限；

步骤二：查主机循环泵频率下调的无逻辑限制，记录试验前的环境温度、凝汽器热负荷、主汽流量、供热抽汽流量、真空、凝汽器出口和入口温度；

步骤三：在机组稳定工况运行下，按单泵2％的幅度逐步下调主机循环泵的频率，在逐步下调过程中，不断记录电、热负荷、主机循环泵的电耗、机组真空、主汽流量、煤量等参数，就地检查泵体的振动、轴承温度、泵体运行声音正常与否；

步骤四：将主机循环泵频率分别下调至频率调整下限时，稳定运行至少30分钟，记录步骤(三)的参数；

步骤五：通过适应性地调整低间接空冷塔的出水温度，以保持机组背压的稳定。

根据本发明的方法，在调控过程中，应保证试验中控制主机循环水泵出口母管压力不低于工频泵联泵值。

根据本发明的方法，在调控过程中，一旦发生即终止调试：

a1、监视投入扇区的换热面壁温变化，如扇区壁温差值增大，或接近防冻保护定值时停止降低循环水流量试验；

a2、试验期间主机循环泵的振动、轴承温度及运行声音，在发生异常时及时终止试验；

a3、试验期间主机循环泵变频器运行各参数异常时终止试验；

a4、循环泵频率下调后，根据背压变化情况，对下调后机组的经济性进行评估，决定是否进行下一步调整。

步骤五中，根据调试数据结果在两台主机循环泵将频率下调至最小频率设定值后，凝汽器水侧的循环水产生温升变化，通过对间冷塔出水温度的调整，保持机组背压基本不变；如机组背压有升高量，根据机组背压对负荷影响特性曲线与循环泵电耗下降比较，确定主机循环水流量下调后的经济性，根据机组的煤耗及汽耗率的变化，是否允许继续下调。

根据本发明的方法，步骤五中，按照以下公式确定凝汽器背压：

凝汽器背压即为凝汽器汽侧饱和温度(tq)对应的饱和压力；凝汽器汽侧饱和温度(tq)为凝汽器循环水入口温度(tw)、凝汽器循环水温升(δt)及凝汽器端差(td)之和；其中凝汽器循环水入口温度(tw)、凝汽器端差(td)是测量值，凝汽器循环水温升(δt)在凝汽器热负荷一定时是与主机循环水流量一一对应；

凝汽器汽侧温度：tq＝tw+δt+td

tw：为凝汽器循环水入口温度；

δt：为凝汽器循环水温升；

td：为凝汽器端差；

根据间冷塔进水温度(凝汽器出水温度)及凝汽器端差确定凝汽器背压，当机组凝汽器背压大于阻塞背压时，可通过试验降低间冷塔入口温度，即可降低凝汽器背压，使其接近或达到阻塞背压。

根据本发明的方法，步骤一中，按照以下方式主机循环水流量下限：确定满足防冻要求间接空冷塔最低进水温度及最低出水温度后，在不同凝汽器热负荷下，最小主机循环水流量既有下公式得出:

gm:最小循环水流量(kg/s)

qn：供热工况凝汽器热负荷(kj/s)

tc：间冷塔冬季工况要求最低出水温度(℃)

tr：间冷塔冬季工况要求最低入口水温度(℃)

当凝汽器温升小于间冷塔冬季工况要求最低进、出水温差时，即可继续减少循环水流量，当凝汽器温升等于间冷塔冬季工况要求最低进、出水温差时，循环水流量达到最小安全、经济流量。

根据本发明的方法，步骤四中，根据工、变频循环泵并联运行特性曲线，控制变频泵最小运行频率。

根据本发明的方法，步骤四中，在分布式控制系统中增加工频主机循环泵运行后变频主机循环泵自动加频至安全频率逻辑。

根据本发明的方法，步骤四中，根据低频运行时泵体的低频振动，自供机封、填料、轴承冷却水时温度的变化，控制主机循环水泵运行频率下限。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

通过本发明的最小循环水流量调控(逐步调节控制)方法，使在保证防冻安全、经济背压的情况下，维持最小循环水流量运行，使间冷机组供热期主机循环泵耗电率由行业一般水平0.7％以上下降至0.35％左右，经济效益非常明显。

附图说明

图1为间接空冷系统的组成及工作原理示意图。

图2为本发明实施例1的主机循环水泵3的组成示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

下面以主机循环水泵3是由两台变频循环泵32与一台工频循环水泵31并联方式为例进行说明。

在间接空冷机组供热工况下维持背压一定时，主机循环水流量越小，主机循环泵电耗就越低，经济性越好，同时系统运行的安全性相应也下降。循环水量的下调必须是在确保系统安全性前提下，使经济效益最大化。对循环水流量向下限调调整时，安全性主要考虑以下几个因素：

①主机循环水流量与凝汽器热负荷的匹配概算

根据机组供热工况、低压缸进汽压力与tha工况(热耗率验收工况)低压缸进汽压力的百分比，初步判定凝汽器热负荷率，如为tha工况的40％。两台变频主机循环泵32流量为额定流量35％并联运行，每台泵频率控制不低于32.5hz运行时，主机循环水流量约为额定循环水量的45％，即可维持机组主机循环水循环倍率不低于设定值。下调后，改变循环水温度，以维持机组背压稳定。

②低频运行变频泵与工频泵并联运行安全性

当两台变频主机循环泵32频率下调至最低频运行时，如果发生其中一台变频主机循环泵32跳闸，工频循环水泵31会自动联启，转变为变频泵32低频与工频循环水泵31并联运行的方式，为避免变频泵32闷泵或逆流影响系统安全运行，需要根据工、变频循环泵并联运行特性曲线，确定变频泵32最小运行频率。为此，需要在dcs(分布式控制系统)中增加工频主机循环泵31运行后，变频主机循环泵32自动加频至安全频率相关控制逻辑。如根据工、变频循环泵的并联运行特性曲线，变频泵32与工频泵31并联运行最小频率为30hz，从此方面可确定变频主机循环泵32的最小频率为30hz。

③主机循环泵降频后的扇区防冻

冬季间接空冷塔2防冻要求间接空冷塔2入口及出口水温度不低于最低允许值，当供热工况凝汽器低热负荷高循环水流量运行时，由于温升减小，为了维持间接空冷塔2最低入口温度(tr)，就要提高间接空冷塔2出水温度(tc)。当供热工况凝汽器低热负荷运行，同时降低循环水流量运行，可降低间接空冷塔2出口温度(tc)，提高凝汽器1温升，从而亦可达到维持间接空冷塔2入口温度大于最低允许温度(tr)的要求，保持机组背压不变。如此背压高于阻塞背压，需要进行间接空冷塔2降低入口温度试验，在满足防冻要求时，降低间接空冷塔2入口温度(即凝汽器出口温度)，使机组背压接近阻塞背压，以提高机组经济性。

当主机循环泵3降频运行后，循环水流量减少，各扇区的通流量降低，各冷却柱的流量不均衡，扇区中间与两侧的流速偏差增大，扇区两侧的换热器温度下降，则边缘换热面冻结风险增加。为维持管壁温度，而提高间冷塔出水温度会使机组背压维持的偏高，降低机组经济性。为控制扇区的各点管壁温度的均衡，需要退出部分换热扇区运行，如共设有六个扇区，可以退出三个扇区，保持三个扇区运行50％通流能力，维持每个扇区的通流量。控制同扇区管壁温度偏差不增加。

④主机循环水泵及变频器低频率运行的安全性

主机循环水泵低频运行时泵体的低频振动，自供机封、填料、轴承冷却水时温度的变化，需在试验中确定循环泵频率下限。

变频器的调整范围为一般0-50hz(0-100％)，但最佳工况在20hz(40％)以上，而变频电机的调整范围是15-50hz(30％-100％)。由此确定变频循环泵频率下限不低于40％。

在了解上述影响因素后，再进行间接空冷机组供热期最小主机循环水流量调控方法，按如下步骤进行：

步骤一：根据最小主机循环流量影响因素，初步确定最小主机循环水流量目标值(主机循环水流量调整下限)，确定变频主机循环泵的频率的调整下限。

如上述最小主机循环流量影响因素，初步确定两台变频主机循环泵频率调整下限为32.5hz，主机循环水流量为额定的45％。

步骤二：查主机循环泵频率下调的无逻辑限制，记录试验前的环境温度、负荷(凝汽器热负荷)、主汽流量、供热抽汽流量(汽轮机)、真空、凝汽器的(水侧)出口和入口温度等相关参数；

步骤三：在机组稳定工况运行下，按单泵2％的幅度逐步下调主机循环泵3的频率，在逐步下调过程中，不断记录电、热负荷、主机循环泵3的电耗、机组真空、主汽流量、煤量等参数，就地检查泵体的振动、轴承温度、泵体运行声音正常与否。

步骤四：将两台主机循环泵频率分别下调至最低频率(例如为32.5hz)时稳定运行30分钟，记录相关参数：如电、热负荷、主机循环泵3的电耗、机组真空、主汽流量、煤量等参数，就地检查泵体的振动、轴承温度、泵体运行声音正常与否。

步骤五：通过对低间接空冷塔2的出水温度的调整，以保持机组背压的稳定。

其中，在调试过程中，应注意保证试验中控制主机循环水泵3出口母管压力不低于工频泵联泵值。

其中，在调试过程中，一旦发生即终止调试过程：

a1、监视投入扇区的换热面壁温变化，如扇区壁温差值增大，或接近防冻保护定值时停止降低循环水流量试验。

a2、试验期间主机循环泵3的振动、轴承温度及运行声音，在发生异常时及时终止试验。

a3、试验期间主机循环泵变频器运行各参数异常时终止试验。

a4、循环泵频率下调后，根据背压变化情况，对下调后机组的经济性进行评估，决定是否进行下一步调整。

根据本发明的方法，还包括对调试过程中的数据分析：

步骤五中，根据调试数据结果在两台主机循环泵将频率下调至最小频率设定值后，凝汽器水侧的循环水产生温升变化，通过对间冷塔出水温度的调整，保持机组背压基本不变。如机组背压有升高量，根据机组背压对负荷影响特性曲线与循环泵电耗下降比较，确定主机循环水流量下调后的经济性，根据机组的煤耗及汽耗率的变化，是否允许继续下调。

频率下调后主机循环水母管压力下降量，系统总体水阻的变化量分析。下调后机组扇区壁温偏差增加量，扇区换热面是否有冻结的风险。泵体振动、轴承温度的变化，泵体是否安全运行。根据系统各点压力、温度变化情况，评估保持最小循环水流量长期连续运行的安全性、经济性。

步骤五中，按照以下公式确定凝汽器背压：

凝汽器背压即为凝汽器汽侧饱和温度(tq)对应的饱和压力。凝汽器汽侧饱和温度(tq)为凝汽器循环水入口温度(tw)、凝汽器循环水温升(δt)及凝汽器端差(td)之和。其中凝汽器循环水入口温度(tw)、凝汽器端差(td)是测量值，凝汽器循环水温升(δt)在凝汽器热负荷一定时是与主机循环水流量一一对应。

凝汽器汽侧温度：tq＝tw+δt+td

tw：为凝汽器循环水入口温度；

δt：为凝汽器循环水温升；

td：为凝汽器端差；

根据间冷塔进水温度(凝汽器出水温度)及凝汽器端差确定凝汽器背压，当机组凝汽器背压大于阻塞背压时，可通过试验降低间冷塔入口温度，即可降低凝汽器背压，使其接近或达到阻塞背压。

步骤一中，按照以下方式确定理论最小主机循环水流量：

确定满足防冻要求间接空冷塔最低进水温度及最低出水温度后，在不同凝汽器热负荷下，最小主机循环水流量既有下公式得出。

gm:最小循环水流量(kg/s)

qn：供热工况凝汽器热负荷(kj/s)

tc：间冷塔冬季工况要求最低出水温度(℃)

tr：间冷塔冬季工况要求最低入口水温度(℃)

当凝汽器温升小于间冷塔冬季工况要求最低进、出水温差时，即可继续减少循环水流量，当凝汽器温升等于间冷塔冬季工况要求最低进、出水温差时，循环水流量达到最小安全、经济流量。再降低循环水流量时，凝汽器循环水温升增加，机组背压随出口温度上升而上升，偏离最低防冻允许背压，机组经济性变差。

除此之外还需要考虑以下方法控制，以增加最小流量下系统运行的安全性：①根据工、变频循环泵并联运行特性曲线，控制变频泵最小运行频率。②在dcs中增加工频主机循环泵运行后变频主机循环泵自动加频至安全频率逻辑。③维持每个扇区通流量，根据凝汽器热负荷退出部分换热扇区运行。④根据低频运行时泵体的低频振动，自供机封、填料、轴承冷却水时温度的变化，控制主机循环水泵运行频率下限。

间接空冷机组供热期维持最小主机循环水流量的经济效益估算

假设单台额定功率为1250kw的循环泵，两台频率维持32.5hz并列运行时，实测功率约为640kw，功率为额定功率的26％。

在保持额定循环水流量45％，功耗降至额定的26％。

如：一台额定功率350mw的供热机组，循环水流量由100％下调至最小流量45％后，主机循环泵功率由3222kw下降至640kw，供热工况维持270mw电负荷运行时，维持额定循环水流量与维持最小循环水流量循环泵电耗率分别为1.19％、0.24％。每供热季(120天)节电7,436,160kw，按电价0.3元计算，每供热季节约223万元。

通过本最小循环水流量调控方法，保证防冻安全、经济背压情况下，维持最小循环水流量运行，使间冷机组供热期主机循环泵耗电率由行业一般水平0.7％以上，下降至0.35％左右，经济效益非常明显。

需要说明的是，实施例1虽以主机循环水泵3由2台变频主机循环水泵并联1台工频主机循环水泵的方式运行为例进行说明，但实际上本发明发的方案也适用于主机循环水泵是由变频主机循环水泵并联运行或几台变频主机循环水泵与工频主机循环水泵并联运行的情形。以上公开实施例仅体现说明本发明的技术方案，而非用来限定本发明的保护范围，任何熟悉本技术领域者应当理解，在不脱离本发明的技术方案范围内进行修改或各种变化、等同替换，都应当属于本发明的保护范围。