母管制给水泵组的优化运行研究.pdf

第 3 2卷 第6期 2 0 1 0年 6月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 3 2 No 6 J u n 2 0 1 0 母管制给水泵组的优化运行研 究 屈天章， 韦红旗 ， 裴东升， 江文豪 ( 东南 大学 能源与环境学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要： 采用 A p r o s 5 0 4高级过程仿真支撑系统， 以某热电厂给水管网系统为对象， 通过系统提供的图形组态建模， 自动 化仿真计算， 开发出给水管网模型。分析模型计算出的参数 ， 掌握给水系统运行特性 ， 得出不同给水泵组合方式下的电 耗以及对高压加热器给水流量分配的影响， 进而优化出给水系统的经济运行方式。该项 目的实现将大大提高全厂给水 系统的运行水平与设备监控水平 ， 完善经济指标考核与分析， 对提高全厂机组运行的安全性 、 经济性具有重要意义。 关键词： 母管制； 给水系统； 仿真； 高压加热器； 给水流量分配； 给水泵组合 中图分类号 ： T v 6 7 5 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 2 2 0 5 0 引言 1 给水 系统 的建模 给水系统是发 电厂热力系统的重要组成部分 ， 它的作用是将除氧器水箱 中的水经过 给水泵组 升 压 、 机组高压加热器升温后提供给锅炉。由于给水 系统在任何工况下都要保证不问断向锅炉供水 ， 其 运行方式的安全性 、 经济性对发 电厂的生产与节能 降耗具有重要意义。 国内在给水系统优化方面有一定 的研究 ， 主要 是利用实时监测调度系统 ， 测试各给水管段流量 、 总 供水量及给水泵的效率 ， 从而计算 出系统运行 的经 济指标并 给出优化调度 方案 。理论上 的方法 有 基于等效焓降法， 通过纯热量 品位系数建立 的母 管 制给水系统分配数学模型。综合已有 的研究成果 ， 存在的问题主要有 2点 ： 利用实时监测系统， 数据点 有限， 管道的阻力特性难以分析； 以纯数学模型建立 的系统缺少给水分配对汽轮机组效率的影响分析。 随着计算机技术在指导 电站生产上 的深入应 用 ， 利用仿真软件建模为母管制给水泵组 的节能提 供了新的研究方法。由芬兰国家科学院和富腾公司 开发 的 A P R O S即是一款应用于热力系统工程分析 的仿真软件 。该系统 以模块化建设为基础， 通过外 部的图形连接表达内部模块的关联 ， 强大的计算功 能使其可以用于电站从设计 到运行的各个 阶段 ， 能 够真实模拟电站热力系统 、 控制系统 以及电气 系统 的动静态特性 J 。本文在 A P R O S仿真软件上对某 电厂的母管制给水系统建模 ， 对其进行动态仿真 ， 计 算出不同给水泵组合 方式下的系统功耗 ， 同时分析 了不同运行方式对高压加热器运行 的影响， 综合得 出一套合理 的运行方案 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 3 0 9 对象热电厂配备 9炉 6机 1 0泵 ， 其 中： 1 8 锅炉额定容量 为 2 2 0 t h ， 9锅炉容量为 4 1 0 t h ； 6 0 MW 抽汽凝汽式汽轮 机， 除 1机组为单抽机 组 外 ， 其 余为双抽式机 组 ； 1 、 8 、 1 0给水泵 为变速 泵 ， 其余为定速泵 ， 前 6台的额定流量为 3 2 0t h ， 后 4台为 4 4 0t h 。 在正常运行时， 各机组除氧水箱中的出水经低压 冷给水母管相互连通， 各台给水泵从该母管中取水。 给水升压后， 经高压冷给水母管相互连通， 各汽轮机 组的高压加热器从该母管 中取水。给水加热后经高 压热给水母管相互连通 ， 各台锅炉从该母管中取水。 在一般情况下 ， 低压冷母管是畅通的， 它与除氧 器之间的阻力管段很短 ， 而且各除氧器 的上端通过 汽母管相连通， 保证各台除氧器的压力和水位处于 同一个级别。因此， 仿真系统以除氧器压力作为给 水系统的起点 ， 其压力 被设定为 0 5 8 7 M P a 。锅炉 在正常运行 时， 汽包压力 为 1 0 8 MP a ， 该值作 为系 统的末端压力 固定。组成给水系统的 A P R O S模型 有节点 、 管道 、 泵 、 阀门、 加热器等。每个模型都有独 立的属性参数， 通过连接构成直管段 、 三通 、 泵组 、 给 水调门， 从而在管网中进行迭代计算。 1 1 管段模型 管段模型由管道和连接点模型组成。连接点模 型的输人属性包括压力 、 温度 、 比焓 和干度等， 比焓 在温度给定的情况下可以由系统内部的水蒸气性质 表计算 。管道模型的输入属性包括管道长度 、 通流 面积 、 粗糙度和局部阻力系数等 ， 其流量 、 压损的计 算遵循流 体力 学 中的伯 努利 方程 ， 如 式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) ， 两连接点间的压力 损失为沿程压损和局部压 损之 和 第 6期 屈天章 ， 等 ： 母 管制给水泵组的优化运行研究 2 3 卸 = ， ( 1 ) 式中 ： a p 为局部 阻力变化引起 的压力损 失； 为局 部阻力系数 ， 即模型 中的形状损失系数 ， 可由阻力手 册_ 3 查得 ； p为流体密度 ； 为流速 。 A p 。= ， ( 2 ) 式中： a p 。 为沿程阻力损 失 ； A为沿程 阻力系数 ， 由 雷诺 数 和 相对 粗 糙 度 算 得 ； L为 流 程 ； d为 管 道 直径 。 A p r o s 中提供 的管道模型 为直管 道 、 弯管和 三 通模型需 要采用 外接模 块 E x t e r n a l 导入 C+ +程 序 ， 向管道模型输 出局部阻力 系数 ， 以校正其 流量 。 模块 中的函数采用局部阻力 系数 的拟合公式 ， 输入 信号为流量和介质温度 。单条管道的模型如 图 1 所 示 ， 弯管的模型如图 2所示 。 单条 管道 的模 型 63 5 k g s 35 8m 1 2 5 MPa 99 2 图 2弯管的模型 图 三通的模型采用 3条直管和 1个节点的连接方 式建立 ， 由于三通内管道的流量和流向是变化的 ， 阻 力系数的确定较为复杂。在 A p r o s 仿真 系统 中， 当 最终计算结果与所 画管道模型方 向相反时 ， 流量 的 输 出值 为负。因此 ， 根 据设 计 流 向的三通 模 型 和 A p r o s 初步计算的流 向来确 定每个支管 的局部 阻力 系数并赋予各支管。这里需要说 明的是 ， 由于流量 信号是连续的模拟信号 ， 阻力系数也会 随流量 的变 化不断刷新 ， 在较为复杂 的管路 中会 出现计算不收 敛的现象 ， 因此 ， 可根据时间情况将各支管的局部阻 力系数采取间隔赋值 j 。 1 2给水 泵模 型 给水 泵 是 管 网 系 统 中 最 重 要 的 一 个 环 节。 A p r o s中的给水泵模型根据扬程 与流量 的关 系曲线 来模拟管段 内流量和压力的变化 。为准确反应泵的 特性 ， 在仿真前都需要 在现场对 每台给水泵做性能 试验 ， 包括扬程 一流量 、 功率 一流量 、 效率 一流量 的 关系以及各 台给水泵的流量与其出口至母管压损的 关系。以 8变速泵性能试验为例， 试验数据拟合 曲 线如图 3所示 。由于试验条件 的限制 ， 这些关系不 能在一个较大流量范围内获得 ， 所以， 在 A p r o s中输 入泵的特性参数点时 ， 可适当按试 验结果拟合 出测 量流量范 围外 的特性参数 ， 以避免母 管压力在计算 过程中由于压力过低或过高造成 的管网模型不收敛 的现象 。本文使用 的给水泵模 型( 如 图 4所示 ) 是 B a s i c P u m p， 为了避免出现倒流现象， 在其 出口加了 一 个逆止阀门。调试 时， 要 注意截止 阀全开情况下 的损失设置。 1 8 O 20 o 2 20 2 40 26 0 2 8 0 3 oo 32 0 34 0 36 0 3 80 4 00 42 0 44 0 流量 ( m h 一 1 图 3 8给水泵流量 一扬程 曲线 0 68 7 MPa 1 3 31 4 MPa 1 0 4 81 M P a 1 3 2 MPa 图 4给 水 泵 的模 型 1 3 高压加热器模型 A p r o s 提供的加 热器模型有又流型 、 顺流型 、 逆 流型和凝汽型。高压加热 器具有过热段 和凝结段 ( 该厂高压加热器没有疏水冷却段 ) ， 仿真时采用逆 流型与凝气型连接来模拟 高压加热器 内的换热过 程 J 。加热器 的属性主要为结 构参数 ， 包括管道平 均长度 、 根数 、 管排数 ， 壳侧流程 ， 通流面积等 ， 通过 这些参数可 以求得管侧和汽侧 的雷诺数 、 普朗特数 ， 从而计算 出各侧的换热系数。系统在迭代计算时以 人 口点 的参数为起点通过 一N T U( 效能 一传热单 元数法 ) 确定加热器 内部传热量 和各侧出 口点 的温 度 。加热器疏水段设有控制阀 ， 阀门由 P I 调节器 根据加热器水位信号控制。高压加热器模型如图 5 所示 。 1 4 锅炉给水调 门至汽包 的管路 由试 验 可 知 ， 2 2 0 t h锅 炉 给 水 管 路 压 差 在 0 2 5 0 3 5 MP a 之间波动 ， 4 1 0 t h锅炉给水管路差 压在 0 3 0 6 MP a之问波动 ， 将此关系赋给 A p r o s 中的管路模型 ， 由对应 的给水量和汽包压力便可计 算出给水调 门后 的压力。锅炉的进水量利用 P I 调 节器和一个控制调节 阀模型来 控制， 能简单地调节 锅炉负荷变化 ， 达到模拟给水调 门至汽包 的管路特 性的效果 ， 仿真模型如图 6所示 。 L 图 a 2 l 2 4 华 电技 术 第 3 2卷 4 3 0 0 4 3 0 0 4 3 0 0 图 5 高压加热器模型 ( 1高压加 热器 ) 2 4 5MP a 2 2 3 图 6 锅炉给水调 门至汽包管路 1 5 给水系统仿真结果的验证 管网模型搭建完毕后 ， 为 了方便设 置和监视系 统中的重要的参数 ， 本文将管网的一些主要运行参 数集中起来 ， 单独做 了一个类似于电厂 D C S控制界 面的仿真参数监视和控制界面。从 中获取的数据与 真实运行参数相 比较以验证管网模型的准确性和可 靠性。 由于每台泵至母管的管道尺寸 、 形状大致相同 ， 所以， 取 2泵给水单元的参数作为参照。对 比结果 表明仿真数据是准确的。 2给水泵仿真与实测 比较 见 表 1 。 在检验 了泵的工作特性和管路特性后 ， 还需验 证母管至调门后 的管网模型 ， 主要验证参数包括母 管压力 、 给水调 门前后压力 以及泵 的出口压力 。管 压力 、 给水调 门前后压力 以及泵 的出口压力。本文 根据近期运行参数进行仿真计算与实际记录结果比 较 ， 从表 2可以看出仿真模型能准确反映管网的运 行特性。由于给水系统本身有些测点误差就很大， 所以， 仿真值与实际值有所出人是在所难免的。 第 6期 屈天章， 等 ： 母管制给水泵组的优化运行研究 2 5 表 1 2给水 泵仿真 与实测 比较 2 给水 系统 的优 化 2 1 给水泵布置方式影响高压加热器给水流量分配 本文研究的给水系统完全按照阻力特性进行给 水分配 ， 管道阻力特性和给水泵组合方式是这种 自 然分配方式下的高压加热器流量主要影响因素。给 水泵采用均匀问隔开启 和不均匀 ( 开启管 网一端的 给水泵) 进行仿真计算 ， 2种组合方式分别为 2 4 6 8 1 0和 6 7 8 9 1 0 ， 变速泵 的勺管开度一 致 ， 每 台 锅炉给水负荷一样 。 表 3中的流量偏差是指所求高压加热器流量与 所有高压加热器流量的平均值 的相对偏差。从表 3 中可 以看出 ， 在相同的给水负荷下 ， 当给水泵采取 比 较均匀 的开启方式 时， 高压加热器流量分配较为均 匀 ， 流量偏差在 1 5 之 间， 当给水泵采 取偏离 一 端的开启方式时 ， 高压加热器流量分配偏差较大 ， 流量偏差在 1 1 3 5 之间 ， 严重影响的了汽轮机 的做功效率。 2 2给水泵优化组合 在满足锅炉总供水量的情况下， 对各 台泵进行 启 、 停试验 ， 计算不 同组合下 的泵组功耗 。从 下面 的表格可 以看 出 ， 在 3锅 炉 停 炉 且 总 进 水量 为 1 8 1 3 8 t h的运行工况下 ， 启 、 停不 同的给水泵 ， 总 电耗相差是很大的， 最大与最小值相 比差别可达到 1 5 6 0 k W。 比较 之 后 的结 果 ， 开 启 1 ( 勺 管 开度 8 0 ) 、 3 、 5 、 7 、 8 ( 勺管开度 9 0 ) 给水泵最为经 济 ， 总耗为 8 4 0 0 0 5 k W。这与电厂实际运行时候的 总电耗 8 5 4 6 2 4 k W 相 比节省了 1 4 6 1 9 k W。从对 高压加热器和给水泵的分析可 以看出， 不均匀开启 管网的阻力系数大 ， 使给水泵 的功耗增加 ， 且高压加 热器 流量分配不均匀影响汽轮机做功 ， 所以， 应尽量 保证给水泵的均匀开启。变速泵 比定速泵对管网的 变化反应更灵敏 ， 且调节时能耗低 ， 所 以， 应保证每 次组合有 1台变速泵的运行并尽可能保持其额定转 速。不同给水泵组合下的电耗见表 4 。 表 3不同组合方式对 高压 加热器流量分配均 匀性 的影响 2 6 华 电技 术 第 3 2卷 表 4 不同给水 泵组合下 的电耗 k W 3 结论 的使用， 还需参照工厂的实际运行状况。 ( 1 ) 通过 A p r o s 仿真软件对某电厂给水系统进 行建模 ， 为分析母管制给水 系统的经济性运行提供 了一个很好的方法。该模型采用 图形建模 ， 形象直 观 ， 操作起来简单方便 ； 各模块有独立的计算程序， 自动化程度高 ； 通过仿真结果与实际运行参数比较 ， 表明其准确程度能满足工程需要 。 ( 2 ) 在相同的给水 负荷下 ， 当给水泵采取 比较 均匀的开启方式时 ， 高压加热器给水流量分配较 为 均匀 ， 不会对汽轮机做功产生较大影响。当系统接 入汽轮机模型后， 还能计算出各汽轮机的效率 ， 完善 给水分配对整个机组影响的分析。 ( 3 ) 在模型中， 通过对给水泵的启 、 停操作可 以 得出不同给水泵组合方式下的电耗。使给水管网的 运行更加经济和灵活。仿真表 明， 运行 中应尽量保 证给水泵的均匀开启 以及变速泵的启用 。对于具体 参考文献 ： 1 武学索， 刘振， 文尚曦， 等 母管制电厂给水经济调度的 研究 J 热力发电 ， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 1 71 8 2 张浩 平圩 电站 6 0 0 MW 汽轮机组建模与仿真 D 南 京 ： 东南大学 ， 2 0 0 9 3 华绍曾， 杨学宁 实用流体阻力手册 M 北京： 中国电 力出版社 ， 1 9 8 5 4 裴东 升 热 力发 电厂 母管 制 给水 系统 优化 运 行及 研究 D 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 6 5 杨世铭， 陶文铨 传热学 M 3版 北京： 高等教育出版 社 ， 1 9 9 8 ( 编 辑 ： 白银 雷 ) 作者简介 ： 屈天章( 1 9 8 6 一) ， 男， 四川绵阳人， 在读硕士研究生， 从 事汽轮机热力计算 、 给水系统优化运行等方面的研究。 0 0 000 oo000000 o0o0oo (： 000 0 ( 上接第 1 1页) 参考文献： 1 中国动力工程学会 火力发电设备技术手册 ： 火电站系 统与辅机 M 北京： 机械工业出版社 ， 1 9 9 8 ( 编 辑 ： 王书平 ) 作者简介 ： 朱宝森( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 山东潍坊人， 工程师， 从事汽轮机 技术管理方面 的工作 。 刘彬 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 山东邹平人 ， 工程 师 ， 从 事汽 轮机运 行管理方面的工作。