1 引言
循环水泵是火力发电设备中的重要辅机之一，其功耗占主机容量的4％左右。由于冷却水流量是影响汽轮机真空度的主要因素，因而循环水泵的控制历来是火电厂中的一个重要问题。目前国内已投入运行的中等功率的火电机组大多采用节流调节方式，通过操作阀门实现冷却水水流量的调节，而对循环水泵采取定速控制[1]。这种调节方式控制粗糙，汽轮机的真空度不稳定，不能保证汽轮机在经济运行方式[2]下运行。另外，当在低负荷运行时，定速控制造成阀门两端压差很大，大量的能量消耗在阀门上，并且泵的运行效率也很低，长期运行导致火电厂的能耗十分严重。随着大功率机组的大量投入运行，各电网中的中等功率机组相继参入调峰运行，循环水泵大多数运行时间在变工况下工作。现在国家已经把火电厂的节能技术改造提高到了一个新的高度，并列入电力行业重点科技计划。因此，在能源资源日益紧张的今天，研究如何对循环水泵进行调速控制具有十分重要的社会价值和经济价值。
本文通过分析汽轮机的经济运行原理，提出了一种新的先进的调速流量控制方案，采用plc、pid和变频技术对循环水泵进行调速控制，组成"汽轮机最有利真空循环水泵变频驱动plc控制系统"。该控制系统能够根据运行负荷的变化自动调节汽轮机循环水泵系统水泵的数量和转速，达到最有利真空的控制目的，从而改变了火电厂以往的状况，实现了汽轮机真空度的高精度控制和经济运行，且运行稳定，可靠性能高，节能效果显著。
2 汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制
2.1 汽轮机的最有利真空度
目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道，运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件，于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度，但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时，循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性，由于真空度提高汽轮机功率的增量△n1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△n2。显然，汽轮机的最有利真空peco(又称为经济真空)，应位于净增功率△n=△n1-△n2的最大值处[3]，此时汽轮机工作在经济运行方式[3]。如图1所示，dw为冷却水流量， p为汽轮机的凝汽器真空，δn为功率差值，δn在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加，到点a达到最大，如果再进一步增大冷却水水流量，δn反而开始减小，直至为零。但当到达c点时，汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限，汽轮机功率不会再增加，故c点所对应的真空称为极限真空[4]。从图中可以看出， 由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco就是最有利真空，a点所对应的冷却水水量deco就是最佳冷却水水量。
图1 汽车机最有利真空确定
因此，我们应经过计算分析确定出对汽轮机的最有利真空，并以此为依据来控制冷却水的流量，使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置，以保证机组在经济运行方式下工作。
2.2 最有利真空度的计算
由上述分析可以看出，改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益△n，确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中，利用工控机(ipc)调用各种参数数据，可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用，本文根据工程实际经验[3]，采用以下计算原则。
(1) 根据循环水量增加以前的测试数据，计算出凝汽器的传热系数 和冷却水速修正系数φν1。
(2) 根据循环水量增加以后的测试数据，计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。
由公式:
(1)
求出增加循环水量后的传热系数k2。
(3) 假设一个排汽压力pn，计算出传热等效平均温差△tm2。
由公式:
(2)
式中a为凝冷器换热面积， r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量dn2。
如果dn2的值满足下式:
(3)
(式中dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量)则认为pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式，应重新设定排汽压力值进行计算，直至满足为止。
(4) 根据排汽压力pn，计算出相对真空和提高的真空度。
(5) 根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费，就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△n。
(6) 按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益△n，由图1可以确定最有利真空的位置peco。
由以上计算分析的原则，控制系统可以通过上位机(ipc)实时计算最有利真空的数值，由此作为依据(pid调节器的设定值)，来调节循环水泵的运行台数和运行转速，控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置，保证机组的经济运行。
2.3 循环水流量的调速控制方式原理
图2所示曲线为转速n一定时水泵的扬程－流量(h-q)特性曲线和管阻特性曲线。 由图可知，当改变水泵的转速时，其q-h特性曲线随着转速的改变在图中是平行上下移动的(如从na降到na'时的虚线曲线所示)。
水泵的管阻特性曲线可用公式(4)表示:
(4)
图2 变频调速节能原理图解
式中sf为管网阻力系数，hst为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和，它是个定值。sfq2为总的水阻力损失，它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与h~q曲线的交点即为水泵运行的工况点[5]。
当汽轮机的蒸汽负荷改变时，循环水泵的流量要随之变动(假设流量从qa降为qb)。有两种方法可以改变流量:一种是通过改变给水调节阀的开度(节流调节方式)，使管网阻力系数sf改变，从而改变管阻特性曲线，如图2所示，这时水泵运行的工况点变为b，对应的流量是qb，扬程是hb。另-种方法是通过改变水泵的转速，改变水泵的特性曲线，这时水泵运行的工况点为a'，转速由na降到na'，流量也为qb，而扬程为ha'。
可以看出，与调速方式相比，调节阀门流量的控制方式中有hb－ha'的扬程浪费在管网中;当在低负荷等工况运行时，冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制，造成阀门两端压差很大，很大的能量消耗在阀门上，长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候，有可能导致管网破裂，造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行，节能效果是很显著的。
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