電廠鍋爐給水系統流量控制及壓力補償節能裝置
電廠鍋爐給水系統流量控制及壓力補償節能裝置
一、前言
鍋爐給水泵是熱電廠鍋爐給水系統安全穩定運行的關鍵設備。目前，為保障系統長期穩定運行，熱電廠給水泵的設計都留有相當的余量，并且，熱電廠的蒸汽鍋爐正在向大容量發展，因為蒸汽排量大、溫度高、壓力高，使得鍋爐給水系統耗電較大。特別是當供電、供熱及其它裝置(如汽輪機)負荷變化或環境變化(如冬夏、晝夜)時，蒸汽流量和壓力也都隨之變化。現在通常應對這種變化的方法是通過閥門節流或給水泵打回流，來實現調節。這種方法不僅額外地損失一部分能量，造成很大浪費，而且會影響鍋爐穩定運轉。另外，有個別發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，效率降低，產生諧波量大而強，污染電網，而且調節范圍很窄，只能從50HZ 向下單向調節，不能保證給水壓力穩定，且投資巨大。
陜西天程石化設備有限公司技術開發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的實際情況，在吸收國內外經驗教訓和科技成果的基礎上，經過長期努力研究，攻克了重點研究課題，成功研發了一套適合熱電廠鍋爐給水系統生產實際，可以大幅度提高熱電廠生產自動化水平，降低熱電廠給水系統能耗，提高經濟效益，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、電廠鍋爐給水系統概況
在熱電廠的生產過程中，自用電耗已達到生產發電量的20%左右，其中給水系統是消耗電能的主要部分。熱電廠給水系統主要由驅動電機、給水泵、調節閥、回流閥、汽包等組成。除了供入汽包的有效能量外，給水系統能量主要消耗在驅動電機、給水泵、調節閥及回流閥等地方，這些能量消耗構成了給水系統的總能耗，所以給水系統的改造和優化，對節約生產成本，提高生產效率具有重大的經濟效益和現實意義。
2、電廠鍋爐給水系統結構原理
(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、變頻調速、高低壓供電、儀表檢測調節、連鎖保護、計算機軟件等高新技術的集成系統。
電廠鍋爐給水系統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，冷卻系統，供電系統，嵌入式儀表工控系統，變頻調速系統等組成。在給水泵前加入專用控制泵，再對現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節，并使給水壓力穩定。使用本系統可以明顯降低給水泵的消耗功率，提高系統效率，達到節能和流量壓力連續調節的目的。
給水泵與控制泵串接，通過低壓變頻調速系統調節小功率控制泵，實現對大功率給水泵的調節和控制的(泵控泵)GCP 思想;它實質上是信號放大的功能，實現系統壓力、流量可調。
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、變頻調速系統調節使給水泵總是工作在高效區，盡管其范圍很窄。
DCS 計算機系統實現自動監控，根據鍋爐供水工藝要求(供電、供熱負荷情況)實現大閉環優化運行，實現鍋爐供水系統效率的提高。
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′。通過變頻調節，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、電廠鍋爐給水系統節能原理
·調節閥門完全打開，無需節流，節約了能源;
·給水泵出口與給水母管的壓差沒有了，提高了系統有用功率，節約了能源;
·壓力、流量實現了連續無級自動調節，無需打回流，節約了能源;
·使給水泵與鍋爐需水達到合理匹配，提高了系統效率，節約了能源;
·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，節約了能源;
·采用GCP 技術后，(如果生產需要)排量可以增加，可以減少，控制泵工作在變頻狀態下，減少了單耗，節約了能源;
·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，節約了能源。
4、電廠鍋爐給水系統核心專利技術
·GCP 技術方法
·GCP 自動控制系統、操作系統協調
·特殊高效控制泵的研制
·雙泵的匹配技術
·負荷調節
·系統連鎖保護
·高可靠性的預設計
·主泵高效區的選擇把握
·轉速控制系統分步控制，負荷的加載分配及調節
·系統防振技術
5、電廠鍋爐給水系統技術創新點
·原理創新：提出泵控泵的技術思想原理，通過小變頻調速系統，實現大功率、大系統的調節和控制(即信號放大功能)，使系統運行在高效節能狀態，并形成一套完整的GCP 技術。
·為實現GCP，成功研發寬頻、變程特性專用控制泵
·擁有大電壓、大滑環在線修整技術
·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、電廠鍋爐給水系統技術方案優先原則
·滿足給水現場工藝需求，根據鍋爐給水的需要隨時可調節流量、保障壓力
·降低給水系統能耗，提高給水效率
·給水泵與控制泵串接，通過低壓變頻調速系統調節小功率控制泵，實現對大功率給水泵的調節和控制的(泵控泵)GCP 思想;它實質上是信號放大的功能，實現系統壓力、流量可調。
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、變頻調速系統調節使給水泵總是工作在高效區，盡管其范圍很窄。DCS 計算機系統實現自動監控，根據鍋爐供水工藝要求(供電、供熱負荷情況)實現大閉環優化運行，實現鍋爐供水系統效率的提高。
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′。通過變頻調節，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、電廠鍋爐給水系統節能原理
·調節閥門完全打開，無需節流，節約了能源;
·給水泵出口與給水母管的壓差沒有了，提高了系統有用功率，節約了能源;
·壓力、流量實現了連續無級自動調節，無需打回流，節約了能源;
·使給水泵與鍋爐需水達到合理匹配，提高了系統效率，節約了能源;
·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，節約了能源;
·采用GCP 技術后，(如果生產需要)排量可以增加，可以減少，控制泵工作在變頻狀態下，減少了單耗，節約了能源;
·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，節約了能源。
4、電廠鍋爐給水系統核心專利技術
·GCP 技術方法
·GCP 自動控制系統、操作系統協調
·特殊高效控制泵的研制
·雙泵的匹配技術
·負荷調節
·系統連鎖保護
·高可靠性的預設計
·主泵高效區的選擇把握
·轉速控制系統分步控制，負荷的加載分配及調節
·系統防振技術
5、電廠鍋爐給水系統技術創新點
·原理創新：提出泵控泵的技術思想原理，通過小變頻調速系統，實現大功率、大系統的調節和控制(即信號放大功能)，使系統運行在高效節能狀態，并形成一套完整的GCP 技術。
·為實現GCP，成功研發寬頻、變程特性專用控制泵
·擁有大電壓、大滑環在線修整技術
·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、電廠鍋爐給水系統技術方案優先原則
·滿足給水現場工藝需求，根據鍋爐給水的需要隨時可調節流量、保障壓力
·降低給水系統能耗，提高給水效率
·提高鍋爐給水系統的自動化水平
7、電廠鍋爐給水系統應用范圍
電廠鍋爐給水系統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;
·需要對壓力和流量進行調節，并使壓力和流量穩定的系統;
·大馬拉小車(或小馬拉大車)，并要求改善的泵系統;
·需要改善惡劣環境，提高自動化水平，實現數據智能采集，進行系統優化的泵站;
·兩臺以上給水泵并聯運行需要進行平衡優化的系統;
8、電廠鍋爐給水系統典型應用方案及經濟、社會效益
吉林熱電廠采用GCP技術方案，改造前泵運行參數：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(該數據為使用方提供數據);GCP 改造后初步參數分配：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：每天節電： 256.68 kw×24h = 6160.32kwh，每年節電(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，實現了供水壓力和流量可調，使供水泵始終工作在高效區，且與鍋爐系統的適應范圍變寬，因而較易實現兩者之間的動態平衡。三臺鍋爐并聯運行時，提高兩臺控制泵的供水量，可以停及運行一臺供水泵，此時的節能效果更大。
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