電廠鍋爐給水系統(tǒng)流量控制及壓力補償節(jié)能裝置
電廠鍋爐給水系統(tǒng)流量控制及壓力補償節(jié)能裝置
一、前言
鍋爐給水泵是熱電廠鍋爐給水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵設備。目前，為保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，熱電廠給水泵的設計都留有相當?shù)挠嗔?，并且，熱電廠的蒸汽鍋爐正在向大容量發(fā)展，因為蒸汽排量大、溫度高、壓力高，使得鍋爐給水系統(tǒng)耗電較大。特別是當供電、供熱及其它裝置(如汽輪機)負荷變化或環(huán)境變化(如冬夏、晝夜)時，蒸汽流量和壓力也都隨之變化。現(xiàn)在通常應對這種變化的方法是通過閥門節(jié)流或給水泵打回流，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。這種方法不僅額外地損失一部分能量，造成很大浪費，而且會影響鍋爐穩(wěn)定運轉。另外，有個別發(fā)電廠在給水泵驅動大電機上(1600KW 以上)采用高壓大變頻(6000V)，以求壓力流量變頻控制。這種做法的結果會使給水泵偏離高效區(qū)，效率降低，產(chǎn)生諧波量大而強，污染電網(wǎng)，而且調(diào)節(jié)范圍很窄，只能從50HZ 向下單向調(diào)節(jié)，不能保證給水壓力穩(wěn)定，且投資巨大。
陜西天程石化設備有限公司技術開發(fā)團隊在我國著名儀表自動化專家(原西安石油大學教授)—吳九輔先生的帶領下通過長期考察分析鍋爐給水系統(tǒng)的實際情況，在吸收國內(nèi)外經(jīng)驗教訓和科技成果的基礎上，經(jīng)過長期努力研究，攻克了重點研究課題，成功研發(fā)了一套適合熱電廠鍋爐給水系統(tǒng)生產(chǎn)實際，可以大幅度提高熱電廠生產(chǎn)自動化水平，降低熱電廠給水系統(tǒng)能耗，提高經(jīng)濟效益，且投資回收快的“(泵控泵)鍋爐給水自動化流量控制及壓力補償系統(tǒng)裝置，簡稱GCP(Give-Control-Pump)”技術。它既可以用于新電廠建設，也可以對原有電廠給水系統(tǒng)進行改造，該技術已獲得國家專利，相關技術獲省部級科技成果一等獎，為國家科技部重點推廣項目。
二、項目介紹
1、電廠鍋爐給水系統(tǒng)概況
在熱電廠的生產(chǎn)過程中，自用電耗已達到生產(chǎn)發(fā)電量的20%左右，其中給水系統(tǒng)是消耗電能的主要部分。熱電廠給水系統(tǒng)主要由驅動電機、給水泵、調(diào)節(jié)閥、回流閥、汽包等組成。除了供入汽包的有效能量外，給水系統(tǒng)能量主要消耗在驅動電機、給水泵、調(diào)節(jié)閥及回流閥等地方，這些能量消耗構成了給水系統(tǒng)的總能耗，所以給水系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，對節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率具有重大的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。
2、電廠鍋爐給水系統(tǒng)結構原理
(泵控泵)鍋爐給水自動化流量控制及壓力補償系統(tǒng)裝置，簡稱“GCP(Give-Control-Pump)”是機電儀一體化，涉及給水工藝、給水泵、電機拖動、變頻調(diào)速、高低壓供電、儀表檢測調(diào)節(jié)、連鎖保護、計算機軟件等高新技術的集成系統(tǒng)。
電廠鍋爐給水系統(tǒng)由一臺給水泵和一臺控制泵，給水泵驅動電機，控制泵驅動電機及保證運行的潤滑系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，嵌入式儀表工控系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成。在給水泵前加入專用控制泵，再對現(xiàn)有的給水泵進行拆級或切削葉輪，降低給水泵揚程，使給水泵和控制泵流量壓力合理匹配，控制給水泵排量無級調(diào)節(jié)，并使給水壓力穩(wěn)定。使用本系統(tǒng)可以明顯降低給水泵的消耗功率，提高系統(tǒng)效率，達到節(jié)能和流量壓力連續(xù)調(diào)節(jié)的目的。
給水泵與控制泵串接，通過低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)小功率控制泵，實現(xiàn)對大功率給水泵的調(diào)節(jié)和控制的(泵控泵)GCP 思想;它實質上是信號放大的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、流量可調(diào)。
小功率控制泵為給水泵提供吸入壓力，使兩泵恰當匹配;并通過計算機、儀表系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)使給水泵總是工作在高效區(qū)，盡管其范圍很窄。
DCS 計算機系統(tǒng)實現(xiàn)自動監(jiān)控，根據(jù)鍋爐供水工藝要求(供電、供熱負荷情況)實現(xiàn)大閉環(huán)優(yōu)化運行，實現(xiàn)鍋爐供水系統(tǒng)效率的提高。
當轉速為n3 時，鍋爐給水泵工作點為A，這時的流量為QA，揚程為H2A;前置控制泵的工作點為A′，流量為QA，揚程為H3A′。通過變頻調(diào)節(jié)，當轉速由n3變成n2 時，前置控制泵工作點為B′，流量增加到QB，揚程上升為H3B′;鍋爐給水泵工作點為B，這時的流量增加到QB，揚程下降為H2B，則鍋爐給水泵流量從QA 增加到QB，揚程下降值△H2=H2A-H2B，而此時前置控制泵的揚程由H3A′上升到H3B′，上升值(-△H3)=H3A′-H3B′，由于前置控制泵與鍋爐給水泵恰好匹配，剛好△H2+(-△H3)=0，因此流量得到控制，壓力得到補償。
3、電廠鍋爐給水系統(tǒng)節(jié)能原理
·調(diào)節(jié)閥門完全打開，無需節(jié)流，節(jié)約了能源;
·給水泵出口與給水母管的壓差沒有了，提高了系統(tǒng)有用功率，節(jié)約了能源;
·壓力、流量實現(xiàn)了連續(xù)無級自動調(diào)節(jié)，無需打回流，節(jié)約了能源;
·使給水泵與鍋爐需水達到合理匹配，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)約了能源;
·控制泵的加入，提高了給水泵入口壓力，給水泵工作在高效區(qū)，節(jié)約了能源;
·采用GCP 技術后，(如果生產(chǎn)需要)排量可以增加，可以減少，控制泵工作在變頻狀態(tài)下，減少了單耗，節(jié)約了能源;
·低效率的給水泵拆級后，其部分功能由高效率的控制泵承擔，電機負荷降低，節(jié)約了能源。
4、電廠鍋爐給水系統(tǒng)核心專利技術
·GCP 技術方法
·GCP 自動控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)
·特殊高效控制泵的研制
·雙泵的匹配技術
·負荷調(diào)節(jié)
·系統(tǒng)連鎖保護
·高可靠性的預設計
·主泵高效區(qū)的選擇把握
·轉速控制系統(tǒng)分步控制，負荷的加載分配及調(diào)節(jié)
·系統(tǒng)防振技術
5、電廠鍋爐給水系統(tǒng)技術創(chuàng)新點
·原理創(chuàng)新：提出泵控泵的技術思想原理，通過小變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)大功率、大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制(即信號放大功能)，使系統(tǒng)運行在高效節(jié)能狀態(tài)，并形成一套完整的GCP 技術。
·為實現(xiàn)GCP，成功研發(fā)寬頻、變程特性專用控制泵
·擁有大電壓、大滑環(huán)在線修整技術
·多變量三維空間安裝精度求解及振動問題，機械密封問題
6、電廠鍋爐給水系統(tǒng)技術方案優(yōu)先原則
·滿足給水現(xiàn)場工藝需求，根據(jù)鍋爐給水的需要隨時可調(diào)節(jié)流量、保障壓力
·降低給水系統(tǒng)能耗，提高給水效率
·給水泵與控制泵串接，通過低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)小功率控制泵，實現(xiàn)對大功率給水泵的調(diào)節(jié)和控制的(泵控泵)GCP 思想;它實質上是信號放大的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力、流量可調(diào)。
小功率控制泵為給水泵提供吸入壓力，使兩泵恰當匹配;并通過計算機、儀表系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)使給水泵總是工作在高效區(qū)，盡管其范圍很窄。DCS 計算機系統(tǒng)實現(xiàn)自動監(jiān)控，根據(jù)鍋爐供水工藝要求(供電、供熱負荷情況)實現(xiàn)大閉環(huán)優(yōu)化運行，實現(xiàn)鍋爐供水系統(tǒng)效率的提高。
當轉速為n3 時，鍋爐給水泵工作點為A，這時的流量為QA，揚程為H2A;前置控制泵的工作點為A′，流量為QA，揚程為H3A′。通過變頻調(diào)節(jié)，當轉速由n3變成n2 時，前置控制泵工作點為B′，流量增加到QB，揚程上升為H3B′;鍋爐給水泵工作點為B，這時的流量增加到QB，揚程下降為H2B，則鍋爐給水泵流量從QA 增加到QB，揚程下降值△H2=H2A-H2B，而此時前置控制泵的揚程由H3A′上升到H3B′，上升值(-△H3)=H3A′-H3B′，由于前置控制泵與鍋爐給水泵恰好匹配，剛好△H2+(-△H3)=0，因此流量得到控制，壓力得到補償。
3、電廠鍋爐給水系統(tǒng)節(jié)能原理
·調(diào)節(jié)閥門完全打開，無需節(jié)流，節(jié)約了能源;
·給水泵出口與給水母管的壓差沒有了，提高了系統(tǒng)有用功率，節(jié)約了能源;
·壓力、流量實現(xiàn)了連續(xù)無級自動調(diào)節(jié)，無需打回流，節(jié)約了能源;
·使給水泵與鍋爐需水達到合理匹配，提高了系統(tǒng)效率，節(jié)約了能源;
·控制泵的加入，提高了給水泵入口壓力，給水泵工作在高效區(qū)，節(jié)約了能源;
·采用GCP 技術后，(如果生產(chǎn)需要)排量可以增加，可以減少，控制泵工作在變頻狀態(tài)下，減少了單耗，節(jié)約了能源;
·低效率的給水泵拆級后，其部分功能由高效率的控制泵承擔，電機負荷降低，節(jié)約了能源。
4、電廠鍋爐給水系統(tǒng)核心專利技術
·GCP 技術方法
·GCP 自動控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)
·特殊高效控制泵的研制
·雙泵的匹配技術
·負荷調(diào)節(jié)
·系統(tǒng)連鎖保護
·高可靠性的預設計
·主泵高效區(qū)的選擇把握
·轉速控制系統(tǒng)分步控制，負荷的加載分配及調(diào)節(jié)
·系統(tǒng)防振技術
5、電廠鍋爐給水系統(tǒng)技術創(chuàng)新點
·原理創(chuàng)新：提出泵控泵的技術思想原理，通過小變頻調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)大功率、大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制(即信號放大功能)，使系統(tǒng)運行在高效節(jié)能狀態(tài)，并形成一套完整的GCP 技術。
·為實現(xiàn)GCP，成功研發(fā)寬頻、變程特性專用控制泵
·擁有大電壓、大滑環(huán)在線修整技術
·多變量三維空間安裝精度求解及振動問題，機械密封問題
6、電廠鍋爐給水系統(tǒng)技術方案優(yōu)先原則
·滿足給水現(xiàn)場工藝需求，根據(jù)鍋爐給水的需要隨時可調(diào)節(jié)流量、保障壓力
·降低給水系統(tǒng)能耗，提高給水效率
·提高鍋爐給水系統(tǒng)的自動化水平
7、電廠鍋爐給水系統(tǒng)應用范圍
電廠鍋爐給水系統(tǒng)適宜于新建電廠設計采用和老電廠的技術改造。適合以下任一情況的技術改造：
·特別是大功率多級離心給水泵，泵管壓差大，出口閥開度小的系統(tǒng);
·需要對壓力和流量進行調(diào)節(jié)，并使壓力和流量穩(wěn)定的系統(tǒng);
·大馬拉小車(或小馬拉大車)，并要求改善的泵系統(tǒng);
·需要改善惡劣環(huán)境，提高自動化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能采集，進行系統(tǒng)優(yōu)化的泵站;
·兩臺以上給水泵并聯(lián)運行需要進行平衡優(yōu)化的系統(tǒng);
8、電廠鍋爐給水系統(tǒng)典型應用方案及經(jīng)濟、社會效益
吉林熱電廠采用GCP技術方案，改造前泵運行參數(shù)：壓力14.2MPa(入口壓力0.7MPa)，流量255m3/h，供水母管壓力13.4MPa，供水單耗6.8kw.h/m3(該數(shù)據(jù)為使用方提供數(shù)據(jù));GCP 改造后初步參數(shù)分配：給水泵12.85MPa，控制泵0.5 MPa，供水母管壓力13.35 MPa，流量255 m3/h，主泵泵效62.52%，增壓泵泵效71%; 應用GCP 給水泵排量為255m3/h，則給水泵功率：255m3/h×12.85MPa×0.273/(0.95×0.6252) = 1424.04kw;增壓泵功率：255m3/h×0.5MPa×0.273/(0.92×0.71) = 53.29kw。則運行總功率為：Pw1 = 1424.04kw + 53.29kw = 1477.32kw。原供水功率：(供水單耗6.41kw·h/m3)Pw0 = 255m3/h ×6.8kw.h/m3 = 1734kw 。與未改造前功率相比：△Pw= Pw0-Pw1 = 1734 – 1477.32 = 256.68kw ,在供水量不變的情況下給水功率下降。則：每天節(jié)電： 256.68 kw×24h = 6160.32kwh，每年節(jié)電(每度電按市電0.6 元計算)：6160.32kwh×365×0.6 元/kwh= 134.9 萬元×2 套=269.8 萬元。
通過以上分析比較GCP 技術在大幅度降低供水單耗的基礎上，實現(xiàn)了供水壓力和流量可調(diào)，使供水泵始終工作在高效區(qū)，且與鍋爐系統(tǒng)的適應范圍變寬，因而較易實現(xiàn)兩者之間的動態(tài)平衡。三臺鍋爐并聯(lián)運行時，提高兩臺控制泵的供水量，可以停及運行一臺供水泵，此時的節(jié)能效果更大。
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