基于变频泵和倒u型虹吸管的直流循环供水系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，包括循环水泵前池、循环水泵、凝汽器、真空泵、排水井和倒U型虹吸管；其中，循环水泵将循环水泵前池内的水送入凝汽器，真空泵连接在凝汽器的出水端，凝汽器的出水端与排水井连接，排水井连接倒U型虹吸管的一端，倒U型虹吸管的另一端连接排水管，排水管中的液体排进大海或江河；所述循环水泵为变频调节的变速泵。本发明采用变频调节的变速泵、倒U型虹吸管以代替虹吸井的方案，通过规定的节能控制方法实现在低循环水水温(凝汽器进口)、低机组负荷或低潮位(或河水低水位)的时候，也能够使总耗电量居于全厂第二位的循环水泵，节省数量可观的厂用电量和厂用电费。
【专利说明】基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统。
【背景技术】
[0002]中国人口众多、资源相对不足，要实现能源资源有效利用和经济社会可持续发展，必须走节约能源的道路，提高能源使用和利用效率。近年来，国家相继修订出台了《节约能源法》、《可再生能源法》、《循环经济促进法》、《石油天然气管道保护法》以及《民用建筑节能条例》、《公共机构节能条例》等法律法规。《能源发展“十二五”规划》提出:“十二五”时期，要加快能源生产和利用方式变革，强化节能优先战略，全面提高能源开发转化和利用效率，合理控制能源消费总量。”
[0003]节约能源是指加强用能管理，釆取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和制止浪费，有效合理地利用能源，这是国家发展经济的一项长远战略方针，是全面贯彻落实科学发展观，提高能源利用效率，又好又快建设社会主义和谐社会的基本国策。
[0004]为贯彻国家节能方针，现在设计的电厂许多大容量辅机都采取了节能措施，其中电厂所谓“三大机三大泵”中，送风机、引风机、一次风机均采用动叶可调风机，在低负荷时调节动叶角度可节省厂用电，凝结水泵采用变频调节，给水泵采用液力偶合器或汽动给水泵，在低负荷时可降低转速节省厂用电，唯有总耗电量居于全厂第二位的循环水泵未采用变频调节节能措施，少数电厂采用双速电机，节能效果有限。实际上，优化传统的直流循环水系统，节省循环水泵厂用电尚有很大的开挖潜力。
[0005]传统的直流循环水系统循环水泵采用定速泵。循环水泵供水的几何高度(或称泵对水的提升高度)为循环水泵前池的水位至虹吸井溢流堰上液面的高度。上述液面的高度需满足两个条件:一是要保证I %高潮位、机组满负荷运行时，能克服虹吸井后的管道阻力，水自流入海并保持机组满负荷时的循环水量；二是该液面至凝汽器水室循环水出水管不大于7m的高差，否则由于水室真空泵运行造成的真空受限，不能形成虹吸作用。由于上述两个条件的限制，循环水泵供水的几何高度受到1%高潮位的限制，不能太小。
[0006]正常运行时，海面的运行水位均低于I %高潮位，水在虹吸井后产生了水头跌落损失，一部分发生在虹吸井溢流堰后，一部分发生在入海的排水口处，由于循环水量较大，造成了较大的能量损失。
【发明内容】
[0007]本发明为了解决上述问题，提出了一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，本系统采用变频调节的变速泵、倒U型虹吸管以代替虹吸井的方案，实现在运行水位低于I %高潮位的时候，也能进行循环供水，节省数量可观的厂用电量和厂用电费。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，包括循环水泵前池、循环水泵、凝汽器、真空泵、排水井和倒U型虹吸管；其中，循环水泵将循环水泵前池内的水送入凝汽器，真空泵连接在凝汽器的出水端，凝汽器的出水端与排水井连接，排水井连接倒U型虹吸管的一端，倒U型虹吸管的另一端连接排水管，排水管中的液体排进大海；所述循环水泵为变频调节的变速泵。
[0010]所述排水管为无泄漏的钢管。
[0011]所述倒U型虹吸管的管顶高度高于当地I %高潮位，所述排水管入海口的高度低于97%低潮位。
[0012]所述循环水泵的转速根据凝汽器循环水的进口水温、机组负荷、潮位(或河水水位)而改变，自动调节从而维持汽轮机背压至设定值。
[0013]所述倒U型虹吸管的顶高满足保证I %高潮位机组启动后，倒U型虹吸管工作后管内的水能自流入海。
[0014]倒U型虹吸管的顶高>凝汽器水室出水管最高点的标高一7m。其中，7m为最大允许虹吸利用高度。
[0015]所述排水井在初次使用时，需要充满水，且其容量需确保循环水泵和真空泵启动后，凝汽器水室和出水管只进水不漏进空气。
[0016]基于上述系统的供水方法，包括以下步骤:
[0017](I)首次启动时，对排水井和倒U型虹吸管进行启动注水；启动循环水泵，使凝汽器进水，在循环水泵的控制方面，首先将所配电机电流控制在最大限值以下，一旦循环水泵的运行电流到达最大限值时，循环水泵的转速不再增加，循环水泵电机运行在最大限值电流以下时，循环水泵的转速根据汽轮机背压进行自动调节，将汽轮机背压维持在设定值。该设定值由其与凝汽器进口循环水温的关系曲线确定；
[0018](2)启动真空泵，使凝汽器水室及其出水管充满水，虹吸作用形成，整个循环供水系统工作。
[0019]本发明的特征及有益效果为:
[0020](I)电厂循环冷却供水系统采用变频调节的循环水泵，在低循环水水温(凝汽器进口)、低机组负荷或低潮位(低河水水位)时，均可有效节省厂用电；
[0021](2)提出汽轮机背压设定值与冷却水温度关系曲线，按汽轮机运行背压维持设定值来控制循环水泵转速，节省厂用电；
[0022](3)电厂直流循环供水系统，取消虹吸井，采用倒U形虹吸管。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为传统直流循环供水系统结构示意图；
[0024]图2为本发明的直流循环供水系统的结构示意图；
[0025]图3为本发明的汽轮机背压设定值Pk = f(to)曲线图；
[0026]图4为本发明的循环水泵降速运行参数变化图；
[0027]图5为本发明的相同负荷下循环水泵供水几何高度降低时参数变化图。
[0028]其中=Li为循环水系统始端水位，m ；
[0029]Lf为循环水系统终纟而水似，m ；
[0030]L2为凝结器水室出水管最闻点标闻，m ；
[0031]L1为倒U型虹吸管最闻点标闻，m ;
[0032]Δ h为倒U型虹吸管后排水管总阻力，m ；
[0033]Lfh 为 I % 高潮位，m。
【具体实施方式】
:
[0034]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0035]如图1所示，传统的直流循环水系统循环水泵采用定速泵。
[0036]循环水泵供水的几何高度(或称泵对水的提升高度)为循环水泵前池的水位至虹吸井溢流堰上液面的高度。上述液面的高度需满足两个条件:一是要保证1%高潮位、机组满负荷运行时，能克服虹吸井后的管道阻力，水自流入海并保持机组满负荷时的循环水量；二是该液面至凝汽器水室循环水出水管不大于7m的高差，否则由于水室真空泵运行造成的真空受限(如30kPa绝对压力)，不能形成虹吸作用(虹吸作用的利用高度一般取不大于7m。由于上述两个条件的限制，循环水泵供水的几何高度受到1%高潮位的限制，不能太小。
[0037]正常运行时，海面的运行水位均低于I %高潮位，水在虹吸井后产生了水头跌落损失，一部分发生在虹吸井溢流堰后，一部分发生在入海的排水口处，由于循环水量较大，造成了较大的能量损失。
[0038]如图2所示，一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，包括循环水泵前池、循环水泵、凝汽器、真空泵、排水井和倒U型虹吸管；其中，循环水泵将循环水泵前池内的水送入凝汽器，真空泵连接在凝汽器的出水端，凝汽器的出水端与排水井连接，排水井连接倒U型虹吸管的一端，倒U型虹吸管的另一端连接排水管，排水管中的液体排进大海；所述循环水泵为变频调节的变速泵。
[0039]排水管为无泄漏的钢管。
[0040]倒U型虹吸管的管顶高度高于当地I %高潮位，所述排水管入海口的高度低于97%低潮位。
[0041]循环水泵的转速根据凝汽器循环水的进口水温、机组负荷、潮位(河水水位)而改变，自动调节从而维持汽轮机背压至设定值。
[0042]倒U型虹吸管的顶高满足保证I %高潮位机组启动后，倒U型虹吸管工作后管内的水能自流入海。
[0043]倒U型虹吸管的顶高>凝汽器水室出水管最高点的标高一7m。其中，7m为最大允许虹吸利用高度。
[0044]排水井在初次使用时，需要充满水，且其容量需确保循环水泵和真空泵启动后，凝汽器水室和出水管只进水不漏进空气。
[0045]与传统的直流循环水系统相比，该系统有如下特点:
[0046]1、循环水泵由定速泵改为变频调节的变速泵；
[0047]2、取消虹吸井，采用倒U型虹吸管，虹吸管后排水管采用无泄漏的纲管；
[0048]3、倒U型虹吸管顶高高于当地I %高潮位，排水管入海口低于97%低潮位；
[0049]4、循环水泵转速的调节信号取自汽轮机运行背压，其调节的最终结果是维持汽轮机背压为凝汽器进口循环水温相对应的汽轮机背压设定值，节省厂用电。
[0050]在设计方面，倒U型虹吸管顶高AL1要同时满足以下两个条件，取两者较大值:
[0051]一是要为保证1%高潮位机组启动后，倒U型虹吸管后排水管内的水能自流入海，设计要求L1彡Lfh+ Δ h ；
[0052]二是要为保证循环水泵启动时产生虹吸作用，减小泵的扬程，设计要求L1 > L2 —7m，《火力发电厂水工设计规范》DL/T5339-2006中6.1.11条规定:“虹吸利用高度应通过计算确定，但不宜大于7.0m。虹吸管宜采用钢管。”
[0053]循环水系统首次启动时，需进行启动注水，将排水井充满水，且排水井设计有足够的容量，确保循环水泵和真空泵启动后，凝汽器水室和出水管只进水不漏进空气。
[0054]在选用循环水泵时，仍应按1%高潮位时启动工况和可利用虹吸高度L2-L1考虑。该方案不能降低启动工况的厂用电，但能降低运行工况的厂用电。
[0055]该方案的启动程序如下:
[0056](I)首次启动时，对排水井和倒U型虹吸管进行启动注水(以后启动时，该程序可免)；
[0057](2)启动循环水泵，凝汽器进水；
[0058](3)启动真空泵，凝汽器水室及其出水管充满水，虹吸作用形成；
[0059](4)循环水系统正常运行。
[0060]在泵的控制方面，首先将所配电机电流控制在最大限值以下，一旦泵的运行电流到达最大限值时，泵的转速不再增加。
[0061]泵电机运行在最大限值电流以下时，泵的转速根据汽轮机背压的变化进行自动调节。当水温升高时，凝汽器背压超过该水温下汽轮机背压设定值，泵的转速增加，循环水冷却水量增加，汽轮机背压回降到原设定值。反之也然。整个控制过程是由凝汽器进口循环水温一计算机自动确定汽轮机背压设定值一由汽轮机运行背压自动控制泵的转速一循环水冷却水量相应变化一汽轮机背压维持至设定值等自动控制完成的。
[0062]如图3所示，汽轮机背压设定值Pk定为凝汽器进口循环水温to的函数，即Pk =f(to)。该函数初期可根据汽轮机厂相关数据确定，运行中根据实践逐步改进。在汽轮机THA工况下:循环水温21°C，汽轮机背压4.9Kpa ;在汽轮机TRL工况下:循环水温33°C，汽轮机背压I OKpa。
[0063]当凝汽器循环水进口水温大于33°C时，汽轮机背压值仍维持在汽轮机TRL工况下背压lOKpa，泵的转速继续增加，直至泵电机电流增加到最大限值。水温再增高，当汽轮机背压和泵电机电流均达到最大值时，由汽轮机DCS系统自动控制汽轮机降负荷运行，直至汽轮机背压能维持在lOKpa，循环冷却水量减少，泵电机电流回降至最大限值以下。当凝汽器循环水进口水温小于21 °C时，泵的转速降低，仍维持在汽轮机THA工况下背压4.9Kpa下运行，以节省厂用电。
[0064]实施例一:以某电厂2X100(MW工程为例，循环水泵流量Q = 9.48m3/s，功率2500KW，2台机设6台循环水泵，夏季运行6台泵，冬季循环水温低，运行4台泵。下面按三种情况进行节能分析:
[0065]1、2台泵停止运行4个月节省厂用电分析:
[0066]冬季4个月，循环水温低，凝汽器循环水量可减少，由于采用变速循环水泵，可适用各种水温、各种负荷需要。
[0067]设机组年利用小时5500h，2台泵停止运行4个月节省厂用电量:
[0068]2500x2x5500x4/12 ^ 9.17x106Kffh
[0069]上网电价(含税)383.82元/MWh ；
[0070]年节省厂用电费383.82X9.167X103 ^ 352万元。
[0071]2、循环水泵降速运行节能分析:
[0072]如图4所示，在夏季，6台泵全速运行，机组负荷下降时，可降速运行；在春秋季节，冷却水温低或机组负荷下降时，也可降速运行，因为机组负荷下降或冷却水温低时，维持汽轮机背压设定值，循环冷却水量是可以减小的，水量减小的同时，会引起循环水系统阻力的减小，循环水泵降速运行，可同时起到减小水量和扬程的作用。在电厂内，循环水泵总耗电量仅小于引风机，由此推论，循环水泵采用变速泵降速运行后，年节省厂用电量将是相当可观的。
[0073]从盘山电厂600丽机组凝结水泵改为变速泵后运行情况看，在机组部分负荷时，如83.3%、75%、66.7%、50%时，凝结水泵分别节省厂用电43.7 % ,47.7 % ,52.4 %,76.1 %。某2X 1000MW电厂6台循环水泵改为变速泵后，春夏秋共8个月电机电流按平均降低30%考虑，则年节省厂用电量为:
[0074]6X2500X5500X8/12X30 % ^ 16.5xl06Kffh,年节省厂用电费383.82x16.5xl03 ^ 633.3 万元。
[0075]3、循环水泵供水几何高度减少节省厂用电分析:
[0076]如图5所示，仍以某电厂2X1000MW工程为例:
[0077]其中，I %高潮位为:4.93m ；
[0078]平均高潮位为:2.92m ；
[0079]平均低潮位为:_2.19m
[0080]平均潮位为=Lf= [2.92+ (-2.19) ]/2 = 0.37m ；
[0081 ] I %高潮位与平均潮位之差为4.56m。
[0082]即采用倒U型虹吸管替代传统的虹吸井，可降低循环水泵常年运行供水的几何高度4.56m,全厂6台泵运行,共节省厂用电:
[0083]ΔΝ = ΔΗ xQxlOOO/(102χ η ) x (4x4/12+6x 8/12) = 4.56x9.48x1000/(102x0.85)x5.333 ^ 2659kff,
[0084]式中(4x4/12+6x 8/12)为折算到全年运行后，循环水泵运行台数的当量值。
[0085]年节省厂用电量2659x5500 ^ 14.63x16Kffh ；
[0086]上网电价(含税)383.82元/MWh ；
[0087]年节省厂用电费383.82x14.63xl03 ^ 561.6 万元。
[0088]上述3项，全年共节省厂用电量40.3xl06KWh，节省厂用电费约1547万元。
[0089]国产高压变频装置的单价约300元/kW，6台循环水泵变频装置的总价约450万元，显然其投资通过每年节省厂用电费是能够回收的。
[0090]本发明首次提出循环水泵为变频调节的变速泵，首次提出倒U型虹吸管替代传统的虹吸井，首次提出循环水泵的转速的调节信号取自汽轮机运行背压，其调节最终结果是维持汽轮机背压为设定值，首次提出汽轮机背压设定值与凝汽器循环水进口水温的关系曲线，通过控制循环水泵转速维持合适的汽轮机背压，达到在低循环水水温(凝汽器进口)、低机组负荷或低潮位(或低河水水位)时，均可有效节省厂用电；此控制方法同样适用于电厂二次循环供水系统，在低凝汽器进口水温或低机组负荷时也可节约厂用电。
[0091]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形(如变频调节的循环水泵和汽轮机背压设定值曲线，应用于电厂二次循环供水系统)仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:包括循环水泵前池、循环水泵、凝汽器、真空泵、排水井和倒U型虹吸管；其中，循环水泵将循环水泵前池内的水送入凝汽器，真空泵连接在凝汽器的出水端，凝汽器的出水端与排水井连接，排水井连接倒U型虹吸管的一端，倒U型虹吸管的另一端连接排水管，排水管中的液体排进大海；所述循环水泵为变频调节的变速泵。
2.如权利要求1所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述排水管为无泄漏的钢管。
3.如权利要求1所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述倒U型虹吸管的管顶高度高于当地I %高潮位，所述排水管入海口的高度低于97%低潮位。
4.如权利要求1所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述循环水泵的转速根据凝汽器进口循环水水温、机组负荷、潮位而改变，节省厂用电。
5.如权利要求3所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述倒U型虹吸管的顶高满足保证1%高潮位机组启动后，倒U型虹吸管工作后的排水管内的水能自流入海。
6.如权利要求5所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述倒U型虹吸管的顶高大于等于凝汽器水室出水管最高点的标高与最大允许虹吸利用高度的差值。
7.如权利要求6所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述最大允许虹吸利用闻度为7m。
8.如权利要求1所述的一种基于变频泵和倒U型虹吸管的直流循环供水系统，其特征是:所述排水井在初次使用时，需要充满水，且其容量需确保循环水泵和真空泵启动后，凝汽器水室和出水管只进水不漏进空气。
9.如权利要求1-8中任一项所述的系统的供水方法，其特征是:包括以下步骤: (1)首次启动时，对排水井和倒U型虹吸管进行启动注水；启动循环水泵，使凝汽器进水，在循环水泵的控制方面，首先将所配电机电流控制在最大限值以下，一旦循环水泵的运行电流到达最大限值时，循环水泵的转速不再增加，循环水泵电机运行在最大限值电流以下时，循环水泵的转速根据凝汽器进口循环水水温、机组负荷、潮位而改变进行自动调节； (2)启动真空泵，使凝汽器水室及其出水管充满水，倒U型虹吸管进行虹吸，整个循环供水系统工作。
10.如权利要求9所述的供水控制方法，其特征是:提出汽轮机背压设定值与凝汽器进口循环水水温的关系曲线，由此确定在该水温下合适的汽轮机背压设定值，以汽轮机运行背压为信号，调节循环水泵的转速来改变循环水冷却水量，在各种不同工况下维持汽轮机背压为设定值，以达到在低凝汽器进口循环水水温、低机组负荷或低潮位时，节省厂用电。
【文档编号】F01D25/32GK104265383SQ201410469818
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】张磊, 李临临, 于连海, 赵佰波 申请人:山东电力工程咨询院有限公司