火电厂锅炉给水泵优化运行.doc

火电厂锅炉给水泵优化运行.doc

《火电厂锅炉给水泵优化运行.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《火电厂锅炉给水泵优化运行.doc（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

延安职业技术学院

毕业论文

题目：

火电厂锅炉给水泵优化运行

所属系部：

机电工程系

专业：

发电厂及电力系统

年级/班级：

09级发电一班

作者：

刘双瑜

学号：

09139500303109

指导教师：

评阅人：

2012年5月21日

火电厂锅炉给水泵优化运行

摘要

节约能源是我国社会主义建设中实现四个现代化的一项基本国策，也是我国今后长期的战略任务。

火力发电厂是耗电大户，据统计，全国火力发电厂的平均厂用电率约为7%~8%，其中泵与风机的耗电量占厂用电的75%左右，所以，在火力发电厂中，大力开展泵与风机的节电，是节约厂用电的主要途径。

目前，我国火力发电厂中的一些中小型机组的泵与风机，还普遍存在着效率低、设计参数与主机的需要不匹配、调节效率低等问题，尚有很大的节电潜力可挖。

关键词：

锅炉给水泵，优化运行，系统，经济性

目录

前言 -1-

1、国内机组运行现状 -1-

2、水泵的节能原理 -2-

2.1节流轴功率的计算 -4-

2.2变速调节轴功率的计算 -4-

3、目前给水系统并联运行方式 -6-

4、火电厂锅炉给水泵优化运行的数学模型 -7-

4.1目标函数 -8-

4.2约束条件 -8-

5、求解方法及应用 -10-

6、结论 -11-

7、谢辞 -11-

8、参考文献 -12-

延安职业技术学院09届毕业论文

前言

锅炉给水泵是火电厂的重要辅机之一，随着大型高温高压火电厂的出现，给水泵的单机功率也不断增大，成为火电厂的耗电大户．近年来，我国电网的用电结构已发生了变化，农、轻、市政及人民生活用电的比例逐年增加．另外，由于季节性农罐用电和工厂昼夜负荷差等原因，致使电网年负荷曲线和日负荷曲线的峰谷差越来越大，其值一般达到电网最高负荷的30%，有的电网甚至达到50%，这就要求这类调峰机组配套的给水泵有一个合理的运行方案，以最大限度地降低给水泵的耗电量。

1、国内机组运行现状

对于大容量单元制机组，有些火力发电厂每台机组配置了三台50%容量的锅炉给水泵。

一般在高负荷时两台运行，一台备用。

当机组负荷变化时，通过改变给水泵的运行方式以适应变负荷的要求。

例如当主机机组负荷等于或小于额定负荷50%时，可能采取的运行方式有以下六种：

1）两台给水泵全速、主汽轮机定压运行；

2）单台给水泵全速、主汽轮机定压运行；

3）两台给水泵变速、主汽轮机定压运行；

4）单台给水泵变速、主汽轮机定压运行；

5）两台给水泵变速、主汽轮机滑压运行；

6）单台给水泵变速、主汽轮机滑压运行；

当主机机组负荷所需给水泵的流量超过单台给水泵所规定的最大流量时，给水泵就只能采用两台并联运行，而这时的运行方式也只可能有两台给水泵并联全速、定压，两泵并联变速、定压，两泵并联变速、滑压三种。

调峰机组经常处于低负荷运行，为提高低负荷运行时的经济性，特别是降低给水泵的功率消耗，机组常采用变压运行，变压运行机组低负荷运行时，给水流量少，压力低，采用变速给水泵可减少给水泵的功率消耗。

例如，一台320MW亚临界参数机组在160~320MW负荷范围内，与定压运行相比，采用变压运行方式给水泵节省电电耗1123KW·h。

某火力发电厂321MW机组配有两台50%容量的调速给水泵，另配有一台10%容量的启动泵。

该机组负荷变化频繁，一般夜间在50%以下负荷运行，白天在50%以上负荷运行。

因此为了提高给水泵的运行经济性，需要根据机组负荷的变化采取相应的运行方式。

通过对该机组在50%负荷下给水泵的几种运行方式的经济性比较可以看出，单台泵变速滑压运行最经济，轴功率为2947KW，而两台泵全速定压运行的轴功率为6480KW，单台泵变速滑压运行与两台泵全速定压运行相比，其节能潜力高达61.5%。

这只是给出了在机组50%负荷下的经济性分析，同理，还可以计算得出其它负荷下不同运行方式的经济性，因此,可以看出变速运行得到的经济效益是相当大的，应当引起足够的重视。

2、水泵的节能原理

泵与风机的调节方式与节能的关系极为密切，过去的泵与见机普遍采用改变阀门或者挡板开席的节流方式，近年来，变速调节的经济性得到了大家的广泛认可，尤其对于大型机组和调峰机组的一些主要的泵与风机，采用经济而可靠的调节方式更是当务之急。

由泵与风机比例定律可知，对同一台水泵，在相似的运行工况下，其流量、扬程和轴功率有如下的关系：

国2-1是给水泵出口节流调节和变速调节的经济性比较示意图。

M点是给水泵在额定转速下的运行工况点。

当采用出口段节流调节时，管路特性曲线由变为，后节流后运行工况点变为B，给水泵流量由变主。

如果采用变速调节的方式达到流量为时，给水泵的转速由变为，变速后运行工况点变为A。

下面分别对两种运行调节方式的经济性进行一下定性比较，进而对给水泵的节能原理进行简单的介绍。

2.1节流轴功率的计算

由泵与风机知识可以得知，给水泵节流后的轴功率可以用下面的式子进行计算：

—流体的密度，；

g－重力加速度，取g=9.81；

－工况点B的体积流量，，；

－工况点B的扬程，m；

－节流调节后工况点B的效率，％

2.2变速调节轴功率的计算

给水泵的性能参数是针对某一转速而言的，当实际运行转速与额定转速不同时，其运行参数也会发生变化，按照比例定　律，当已知某台泵在转速时的性能曲线，欲求转速为时的性能曲线时，其相似工况点的参数应满足以上式子。

若已知转速为时的性能曲线上的任一工况点A，则转速为时与之对应的相似工况点B可由下式确定：

同理，可分别求得与、……对应的相似工况点、……,将各点用光滑的曲线连接起来，即得到转速为时的性能曲线，如图2-2所示。

所于相似工况点的效率相等，则可利用转速为时的效率曲线。

联立式上式消去得：

将上式改写，则:

上式表明，当转速改变时，工况相似的一系列点其扬程与流量的平方之比为常数。

上式还可改写为：

上式表明，当转速改变时，工况相似的一系列点是按二次抛物线规律变化的，且抛物线的顶点位于坐标原点。

我们称此抛物线为相似抛物线。

由于常数K取决于曲线上某点的参数，所以，实际上式表征了一簇抛物线。

通过上面的介绍，从图2-1中可以看出工况点A和C是在同一条相似抛物线上的点，它们两是相似工况点，也就是说工况点A和C是等效率点，则变速调节后A点的轴功率应该为：

—流体的密度，；

g－重力加速度，取g=9.81；

－工况点A的体积流量，；

－工况点A的扬程，m；

－节流调节后工况点C的效率，％

通过之前分析得到了节流调节和变速调节轴功率的计算式，从图2-1可以清楚的看出，由于，且，显然，则节能效果为：

由此可见，通过变速调节来减少流量，可以大大降价给水泵的功率消耗，是一种节能潜力很在的调节方式。

需要说明的是：

上述节能效果的分析，实际上只是分析了在理想情况下最大可能的节能潜力。

而实际的节能效果还要受到诸如转速效应、变速调节设备本身的能量消耗等因素的制约。

因此，变速调节的实际节能效果要小于理想情况下最大可能性的节能效果。

3、目前给水系统并联运行方式

目前母管制给水系统并联运行的调度方式主要有以下几种：

　　1）台数调度法：

根据所需给水量的变化，增减容量大小基本相同的运行泵的台数．这种方法由于存在节流损失，并且变负荷时效率下降而浪费了大量电能，同时其可调流量档也受限制，因而经济性很差，仅用于小型机组的锅炉给水泵中．

　　2）经济调度法：

给水系统配备了流量大小不同的给水泵，根据负荷大小搭配运行．这种方法和台数调度法相比，可调流量档有所增加，变负荷时效率有所增加，但仍存在较大的节流损失．

　　3）转速调度法：

通过改变给水泵的转速来改变流量、扬程及功率，从而达到调节的目的．采用这种方法，因不存在节流损失，并且运行效率高而节约了大量能源，但其调速范围受到运行经济性及安全可靠性的制约．如果转速太低将引起效率降低、扬程不足和水泵运行不稳定等问题．

　　4）优化调度法：

考虑运行台数、大小匹配和转速的调节，同时兼顾安全可靠性的一种调度方法．由于兼顾了三方面的因素，就有可能使运行的给水泵组最大限度地降低能耗．

　　对优化调度法建立了数学模型，但仍有一些问题值得探讨．

　　1）仅仅考虑了满足最低水平的要求（Ho≥Hg），未考虑由于每台泵出口压力不同而导致的损失问题．

　　2）调速上限取得太大（0．8nr≤n≤1．2nr）．水泵一般不要求在高速下运行，转速太大，一方面会发生汽蚀现象，另一方面有可能部件由于应力增大而被破坏，安全性降低．

　　3）由于调速上限取得大，流量上限也偏大（0．6qV,min≤q≤1．1qV,max）．

　　4）驼峰问题．因为锅炉给水泵，尤其是火电厂用泵，国家标准要求不能出现驼峰，所以在选型上已得到了保证．有些泵即使由于某种原因产生驼峰，也是在小于额定流量的60%的小流量工况．

4、火电厂锅炉给水泵优化运行的数学模型

根据以上讨论，建立在保证满足锅炉给水需求的前提下，优化调度给水系统中各给水泵组运行工况的数学模型．

4.1目标函数

直接反映给水泵运行是否经济的是输送每m3水所耗功率的多少．因此，把耗电率的多少作为目标函数来求解．假设火电厂运行有k台泵，则其目标函数为

式中　Φmin所有并联运行给水泵在某一流量要求下的最小耗电率，kW·h/m3

　　　μi状态函数，μi＝0表示第i台泵停运；μi＝1表示第i台泵运行．Μi＝0时，qV，i＝0，Pi＝0

　　　Pi第i台泵的轴功率，kW．对于常速泵，Pi为qV，i的函数；对于变速泵，Pi为qV，i及转速nj的函数

　　　qV，i第i台泵的流量，m3/h

　　　nj变速泵的某一转速，r/min

4.2约束条件

1）根据火电厂系统运行的前提条件，首先应满足基本的约束条件，即流量需求，要求

其中,qV为某一给定工况下的锅炉负荷，m3/h；qV,s为给水系统损失的给水量，m3/h．

　　2）并联运行的锅炉给水泵一般采用母管制给水系统．从泵中流出的水流到母管之间有一个压力降．它的大小与管路阻力及水流速度有关，即

pi,m＝pi,2－Δpi<2,m

式中　pi，m第i台泵中流出的水流到母管后的压力

　　　pi，2第i台泵的出口压力

　　　Δpi，2，m第i台泵从泵出口到母管的压力降

　　由于存在此压力降，因而尽管各泵的出口压力相同，但进入母管后的压力有可能不同，从而导致母管内产生撞击损失而消耗能量．

　　对母管内的压力进行监控，要求其压力必须满足一定的要求，以便有效地向锅炉供水．所以在满足一定给水量需求后，还应满足母管压力恒定的要求，即pi，m＝pm,p＝const．其中，pm,p为母管压力的允许值．

　　3）流量限制

　　为了降低功耗，要求参与运行的每台泵尽可能处于高效运行状态，或尽量靠近高效区．即要求运行在最小允许流量和最大流量之间：

qV,i,min≤qV,i≤qV,i,max

　　对于管路系统的静扬程为零或很低的给水系统，其管路阻力曲线与相似抛物线重合或相近．这样，对变速泵有

式中　qV，r为变速泵在额定转速nr时的流量

　　　qV，i（j）变速泵在转速nj时的流量

因而

　　4）转速限制

　　从原理上可以根据电动机的调速方法将其分为电动机的非变频调速（如调压、串接电阻、变极、液耦调节等）和采用变频调速装置的变频调速两种方式．

　　由离心泵的特点可知，水泵的合理调速范围是：

转速应不低于其额定转速的60%，而增速时，不能因为各部件应力增大而受到破坏，同时还应满足水泵的汽蚀性能方面的要求，不应超过额定转速的5%．因而要求其调速范围为0．6nr≤nj≤1．05nr．但水泵一般不要求在高速下运行，因而其调整范围应为［3］

0．6nr≤nj≤nr

　　由电动机的工作特性可知，当电动机的负载率在50％～100％范围变动时，电机的效率基本上都在高效区，而当转速继续下调时，会导致效率急剧下降；而对于非变频调速，其合理的负载率应在50％～100％［3］．

　　综合考虑水泵特性和电机特性，则对于非变频调整，其调整范围应同时满足水泵和电机的要求，从而得出方程：

　　求解此方程，可得出非变频调整的合理调速范围：

0．793nr≤nj≤nr

　　对变频调速，由于变频调速在频率改变的同时，电压也以一定的关系得以调节，这就使得变频调速在全调速范围内一直处于高效区，因此其合理调速范围由水泵特性确定，即

0．6nr≤nj≤nr

5、求解方法及应用

由数学模型可知，此优化问题是一个由状态函数μi，连续变量qV，i及非线性函数Pi，pi,m组成，同时对变速泵还应考虑转速nj的非线性规划问题．其求解步骤为：

由机组要求的pm,p反推出每台泵的流量qV,i；选择状态函数μi进行排列组合；通过比较各排列组合的耗电率，得出最优组合，即耗电率最低的组合．

　　以某电厂为例，该厂的母管制给水系统采用4台给水泵向两台锅炉给水，给水泵的容量均为400m3/h，现给出其优化方案与原来方案的比较．其中1＃～3＃为常速泵，4＃为变速泵．由表1可知，优化方案具有一定的优越性．

表1　原调度方案与优化调度方案的比较

给水流量

qV，t/（m3·h－1）[td]原调度流量

qV/（m3·h－1）[td]原方案耗电率

Φ/（kWh·m－3）[td]优化调度流量

qV/（m3·h－1）[td]优化方案耗电率

Φ/（kWh·m－3）1　660[td]553．39（1＃）[td]　[td]562．57（1＃）553．39（2＃）

6、结论

1）通过对节流调节和变速调节给水泵降低的功率消耗比较，可以得出变速调节也是一种节能潜力很大的调节方式。

2）本文提出的“优化运行”方案以耗电率作为目标函数，约束条件全面考虑了所有能使给水泵处于最优运行状态的条件．不但能尽量减小其耗电率,节约能源，提高运行经济性，而且还兼顾了安全性．比起其他调度法来，其应用范围和经济效益都更好一些。

3）以母管压力作为主要控件，这就避免了由于出口压力相同而母管压力不同而导致的母管内水力损失。

7、谢辞

在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。

尤其要强烈感谢我的论文指导老师刘彦新老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进，正是他的指导和帮助，才使我能顺利的完成这篇论文的书写。

所以再次感谢老师的帮助和指导，谢谢您。

也要感谢实习单位给我直接指导的师傅们，谢谢您。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正。

8、参考文献

[1]肖兴和.火电厂水泵调速经济运行问题研究.［J］.水泵技术,1990,

（2）：

27-34

[2]洪　波，杨自奋，李　琴．火电厂并联运行锅炉给水泵的优化运行.［J］．水泵技术,1995,

（2）：

16-21

[3]王　涛．一般三相异步电动机驱动离心式水泵系统调速节能的调速范围探讨［J］．西北水电,1997,

（2）：

33-35．

[4]安连锁.泵与风机.[M].北京：

中国电力出版社，2004.

[5]王锦荣.锅炉给水泵的经济运行及改造.[M].北京：

水利电力出版社.1991

[6]刘吉祥.锅炉给水泵几种调整运行方式的比较.[J].河北电力技术,2001，（4）：

15-16

-12-