华南某垃圾焚烧发电厂循环水泵配置优化分析
摘要
关键词
循环水泵；配置优化；
正文
引言
循环水泵作为垃圾焚烧发电厂的耗电大户，其合理优化配置对厂用电的影响显著。但基于垃圾焚烧电厂的特殊性，除了冷、热季运行工况不同，还受多种不确定因素影响，比如因人类生活习惯导致的不同季节或节日垃圾热值和垃圾量的变化，且随着城市发展水平提高、垃圾分类的进展，入厂的垃圾量和垃圾热值都会有一定的变化，因此实际运行项目上，电厂运行工况点极为复杂，然而设计过程中设备选型往往依据最不利情况进行单一工况或者冷热季两种运行工况进行设计，导致循环水泵难以在最佳工况运行，进而导致厂用电的增加。
本文拟针对不同运行工况、不同循环水泵配置、不同运行方式，对初期投资、机组微增、运行费用、投资回收期等指标进行对比分析，以获得最优的循环水泵配置方案。
1 研究对象
本文以华南某项目为例，该项目的垃圾处理总规模为4850吨/日；一期为3600（4×900）吨/日，配置4×900t/d机械炉排炉＋2×80MW凝汽式汽轮发电机组。
项目设计热值为10050kJ/kg，锅炉设计蒸发量为440t/h，对应排汽量为300t/h。根据市场调研数据知，本项目投产前几年，垃圾量估计有3000t/d，参考同地区同类项目的实际检测热值，入炉垃圾热值按8500 kJ/kg考虑，则可估计投产初期项目的运行负荷率仅为设计值的66.7%。根据同地区项目稳定运行后的数据可知，稳定运行后的年平均负荷率基本为设计值的80%。
2 循环水泵参数计算及配置方案
2.1循环水泵流量扬程计算
1） 流量计算
表1 机组循环冷却水量表（TMCR纯凝工况）
凝气量 t/h | 凝汽器冷却水量m³/h | 辅机冷却水量m³/h | 合计m³/h | |||
夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | |
177.45Χ2 | 13000Χ2 | 10500Χ2 | 4240 | 3774 | 30240 | 24774 |
备注：上述水量为本项目实际订货的汽机厂提资水量。
按夏季最大循环冷却水量Q=30240 m³/h配置循环水泵。
当设计3台运行泵时，单泵参数：Q=2.8 m³/s，H=24m，N=900 kW，U=10kV，转速590r/min；
当设计4台运行泵时，单泵参数：Q=2.1 m³/s，H=24m，N=630 kW，U=10kV，转速740r/min。
2）扬程计算
局部阻力：hi=ξv2/2g
沿程阻力：钢管 i=0.00107 v2/di1.3
所需总扬程 H=∑h+ΔH=11.435 m +11.5 m =22.935m
式中：
∑h:系统总的局部和沿程阻力损失；局部及沿程阻力损失计算间下表；
ΔH：水泵静扬程；
则，按3台循环水泵并联运行时，扬程取值建议为24m。
循环水系统沿程和局部阻力损失计算
序 | 名 称 | 规 格 | 流量 | V | 管长 | 局部阻力系数ξ | 阻力 | 备 注 |
号 | m3/s | m/s | (m) | |||||
1 | 循环水泵吸水段阻力 | DN1600 | 2.8 | 1.39 | 8 | 2 | 0.207 | 弯头、蝶阀、异径管、软接 |
2 | 循环水泵出水段阻力 | DN1400 | 2.8 | 1.82 | 8 | 2 | 0.356 | 弯头、蝶阀、异径管、软接 |
3 | 循环水进水管阻力 | DN2200 | 8.4 | 1.90 | 400 | 3 | 1.498 | |
4 | 凝汽器进出水管阻力 | DN1000 | 1.8 | 2.30 | 20 | 6.7 | 1.908 | |
5 | 凝汽器阻力 | 5.5 | 根据厂家提资 | |||||
6 | 循环水出水管阻力 | DN2200 | 8.4 | 1.90 | 400 | 3 | 1.597 | |
7 | 冷却塔进水管 | DN900 | 1.5 | 1.91 | 20 | 1.5 | 0.369 | |
合计 | 11.435 | |||||||
2.2循环水泵配置比选方案
2.2.1循环水泵数量对比选择
根据《生活垃圾处理处置工程项目规范》GB55012-2021第2.2.1条，汽轮机循环冷却水泵应设置备用【1】。本项目推荐设置1台备用泵。
基于前文计算，拟针对以下两种5台（4用1备）和4台（3用1备）配置数量进行对比。
2.2.2循环水泵类型对比分析【2】
泵类 | 叶轮内流态 | 特 点 | 优缺点 |
离心泵 | 离心泵是一种通过叶轮高速转动、产生离心力而使液体的压能、位能和动能得到增加的机具。 | 是给水工程中广泛采用的一种水泵。 流量、扬程的适用范围广。 结构简单、体形轻便、效率较高。 | 泵房挖深小，但占地面积大。 |
轴流泵 | 叶轮转速较低，叶轮中液体围绕泵轴螺旋上升，在导叶作用下将水流转为轴向流动 | 适用于低扬程、大流量。 一般为立式，泵结构简单、紧凑、安装占地面积小。 | 叶轮必须具有一定的淹没深度，泵房挖深较大，但占地面积小，对水流道要求极为严格 |
混流泵 | 混流泵亦为低转速泵，叶轮的出水缘相对水泵轴呈倾斜，水流介于径向和轴向流动。 | 混流泵适用于中、低扬程、大流量的给水工程，扬程较轴流泵高，性能较好，近年来应用发展较快。 流量大于同尺寸的离心泵，小于轴流泵；扬程高于同尺寸的轴流泵，低于离心泵。 抗气蚀性能和效率较轴流泵高。 | 与轴流泵相同，但对水流道要求较轴流泵低。 |
混流泵的叶轮必须尽量向下布置，会导致基础挖深增加，且泵的振动大，检修工作量大，维护成本高。中开式卧式离心泵结构简单、安装维护方便、检修工作量仅为混流泵的1/4，具有不可比拟的优越性，且泵效率高，可达90%，驱动电机功率较混流泵可降低10%-20%，泵房土建投资较混流泵低10%左右。
考虑到混流泵造价高、检修维护成本高，对水流到要求严格，同型号混流泵的效率低于卧式中开泵，本工程推荐采用中开式卧式离心泵。
2.2.3循环水泵的调节模式
循环水系统水量调节主要有以下几种模式：
(1)通过开泵台数调节；
调节开泵台数进行调节流量，系统内的流量变化只有3种或2种。
(2)调节水泵叶片角度（动叶可调型）；
由于目前叶片的调节机构较复杂，一般采用进口，费用较高。各泵厂从主泵的安全性考虑，力争简化附属系统，也不主张可调叶片在大泵上应用，故本工程拟推荐采用固定叶片型。
(3)调节水泵转速；
本文选择工频泵和变频泵进行对比。
(4)调节水泵出口阀门。
3技术经济比较参数选取依据
3.1对比工况中负荷取值的依据
考虑到垃圾焚烧电厂的特殊性，需要应对城市垃圾的多种变化，比如因人类生活习惯导致的不同季节或节日垃圾热值和垃圾量的变化，导致垃圾电厂运行工况点较多。根据该区域已运行项目的实际情况，年平均运行负荷集中在75%-85%的范围内，年平均负荷为80%。
项目名称 | 年发电量 | 年平均负荷MW | VWO工况负荷MW | 负荷率 |
某厂 | 3806.76 | 12.39 | 15 | 0.83 |
某厂 | 13404.19 | 43.63 | 48 | 0.91 |
某厂 | 5854.18 | 19.05 | 24 | 0.79 |
某厂 | 12361.14 | 40.23 | 64 | 0.63 |
某厂 | 35397.7 | 115.22 | 135 | 0.85 |
某厂 | 1605.3 | 5.23 | 6.5 | 0.80 |
某厂 | 41512.07 | 135.13 | 180 | 0.75 |
平均值 | 0.80 | |||
本次拟针对100%负荷和80%负荷情况分别进行对比分析。
3.2对比工况中水泵配置的选择依据
配置情况 | 3用1备 工频泵 | 3用1备 变频泵 | 4用1备 工频泵 | 4用1备 变频泵 |
应对冬夏季及负荷波动的能力排名 | 3 | 1 | 2 | 1 |
投资排名 | 1 | 2 | 3 | 4 |
根据上表，本次拟针对3用1备（变频）和4用1备（工频）两种配置的技术经济性进行对比分析。
4技术经济比较
4.1不同运行工况下不同循泵配置和运行方式对应的机组微增
以下针对不同水泵配置及不同工况下循环水的运行状况进行对比分析。
循环水系统的全年运行对比表（TMCR工况）
月 份 | 冷却水温 T2(℃) | 循环水量 Q(m3/s) | 机组排汽压力 Pk(kPa) | 单台机组微增功率kW | 4用1备（工频） 水泵运行数量 | 3用1备（变频） | 备 注 | |
水泵运行数量 | 变频 （Hz） | |||||||
1 | 21.41 | 5.83 | 5.69 | 806.31 | 3 | 3 | 41 | 冷 季 |
2 | 22.93 | 5.83 | 6.18 | 493.98 | 3 | 3 | 41 | 冷 季 |
3 | 24.25 | 5.83 | 6.63 | 204.02 | 3 | 3 | 41 | 冷 季 |
4 | 26.80 | 7.22 | 6.46 | 30.5 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
5 | 28.80 | 7.22 | 7.18 | -461.98 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
6 | 30.27 | 7.22 | 7.76 | -853.75 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
7 | 30.72 | 7.22 | 7.94 | -978.98 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
8 | 30.72 | 7.22 | 7.94 | -978.98 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
9 | 29.74 | 7.22 | 7.54 | -709.48 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
10 | 27.04 | 7.22 | 6.54 | -26.23 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
11 | 25.57 | 7.22 | 6.04 | 311.5 | 4 | 3 | 50 | 热 季 |
12 | 22.20 | 5.83 | 5.94 | 646.78 | 3 | 3 | 41 | 冷 季 |
循环水量选择原则：在凝汽器结构设计已确定的前提下，计算不同出塔水温（22℃~33℃）、不同循环水量（换热管内流速1.6~2.1m/s）对应的运行费用，取运行费用最低的循环水量。
4台循泵（3用1备）（变频）方案循环水系统的全年运行状况表（80%VWO工况）
月 份 | 冷却水温 T2(℃) | 水泵总出力 Q(m3/s) | 机组排汽压力 Pk(kPa) | 单台机组微增功率 kW | 水泵运行台数 (台) | 变频 （Hz） | 备 注 |
1 | 21.41 | 4.81 | 5.04 | 791.69 | 2 | 45 | 冷 季 |
2 | 22.93 | 4.81 | 5.48 | 552.68 | 2 | 45 | 冷 季 |
3 | 24.25 | 4.81 | 5.89 | 330.67 | 2 | 45 | 冷 季 |
4 | 26.80 | 5.83 | 6.22 | 153.52 | 3 | 41 | 热 季 |
5 | 28.80 | 5.83 | 6.92 | -228.10 | 3 | 41 | 热 季 |
6 | 30.27 | 5.83 | 7.48 | -531.82 | 3 | 41 | 热 季 |
7 | 30.72 | 5.83 | 7.66 | -628.93 | 3 | 41 | 热 季 |
8 | 30.72 | 5.83 | 7.66 | -628.93 | 3 | 41 | 热 季 |
9 | 29.74 | 5.83 | 7.27 | -419.96 | 3 | 41 | 热 季 |
10 | 27.04 | 5.83 | 6.30 | 109.57 | 3 | 41 | 热 季 |
11 | 25.57 | 5.83 | 5.82 | 371.18 | 3 | 41 | 热 季 |
12 | 22.20 | 4.81 | 5.27 | 669.63 | 2 | 45 | 冷 季 |
上表对应循环水量为80%VWO工况的最优水量，其选择原则：在凝汽器结构设计已确定的前提下，计算不同出塔水温（22℃~33℃）、不同循环水量（换热管内流速1.6~2.1m/s）对应的运行费用，取运行费用最低的循环水量。
5台循泵（4用1备）（工频）方案循环水系统的全年运行状况表（80%VWO工况）
月 份 | 冷却水温 T2(℃) | 循环水量 Q(m3/s) | 机组排汽压力 Pk(kPa) | 单台机组微增功率 kW | 水泵运行台数 (台) | 备 注 |
1 | 21.41 | 5.83 | 4.62 | 1019.92 | 3 | 冷 季 |
2 | 22.93 | 5.83 | 5.03 | 797.73 | 3 | 冷 季 |
3 | 24.25 | 5.83 | 5.41 | 591.15 | 3 | 冷 季 |
4 | 26.80 | 5.83 | 6.22 | 153.52 | 3 | 热 季 |
5 | 28.80 | 5.83 | 6.92 | -228.10 | 3 | 热 季 |
6 | 30.27 | 5.83 | 7.48 | -531.82 | 3 | 热 季 |
7 | 30.72 | 5.83 | 7.66 | -628.93 | 3 | 热 季 |
8 | 30.72 | 5.83 | 7.66 | -628.93 | 3 | 热 季 |
9 | 29.74 | 5.83 | 7.27 | -419.96 | 3 | 热 季 |
10 | 27.04 | 5.83 | 6.30 | 109.57 | 3 | 热 季 |
11 | 25.57 | 5.83 | 5.82 | 371.18 | 3 | 热 季 |
12 | 22.20 | 5.83 | 4.83 | 906.48 | 3 | 冷 季 |
备注：工频泵在此工况无法提供最优水量。
4.2 不同配置的经济比较
在考虑设备价、泵房土建和运行费用的情况下，方案的经济比较见下表。
不同配置的经济比较
方案
项目 | 5台（Q=7560m³/h, H=24m, 4用1备）工频 | 4台（Q=10080m³/h, H=24m, 3用1备）变频 | 5台（Q=7560m³/h, H=24m, 4用1备）工频 | 4台（Q=10080m³/h, H=24m, 3用1备）变频 |
TMCR工况 | 80%VWO工况 | |||
设备造价 （万元） | 基准 （水泵：130Χ5） | 130 （水泵165Χ4+变频器30Χ4） | 基准（130Χ5） | 130（水泵165Χ4+变频器30Χ4） |
泵房土建造价 （万元） | 基准 | -49.5（节省建筑面积110㎡，按4500元/㎡单价计算） | 基准 | -49.5 |
水泵进出口阀门及管道费用差异（万元） | 基准（单套设备进口配DN1400电动蝶阀，出口配DN1200电动蝶阀和止回阀） | -11.6（单套设备进口配DN1600电动蝶阀，出口配DN1400电动蝶阀和止回阀） | 基准 | -11.6 |
初始投资差异 （万元） | 基准 | 68.9 | 基准 | 68.9 |
年运行费用（万元） 含冷却塔及循泵电费 | 基准 | -8.66 | 基准 | -75.98 |
机组微增差值（万元） | 基准 | 0 | 基准 | -47.16 |
年总费用差值 （万元） | 基准 | -8.66 | 基准 | -28.82 |
注：1. 水泵设备价为国产设备制造厂报价，变频设备价为ABB、西门子制造厂报价。
从上述的经济比较表可以看出，4台变频泵的方案比5台工频泵的方案初期投资增加80.5万左右。由于变频泵的运行功率低，导致年运行费用存在差异。从年费用看，TMCR工况下，4台变频泵的方案比5台工频泵的的年费用节省8.66万元左右；80%负荷VWO工况下，4台变频泵的方案比5台工频泵的年费用省28.82万元左右。
5 结论
4台变频泵的方案比5台工频泵的方案相比，变频泵运行灵活，可以实现自动优化运行，具有明显的节能节电效果，变频调节连续性、灵活性好，对系统冲击小，能提高电厂整机安全性；在80%VWO工况下，多投资费用的回收年限为2.39年，针对项目投产前几年负荷率可能更低，采用变频泵配置的回收期较2.39年会更短，经济效益更加明显。
参考文献
【1】 GB55012-2021《生活垃圾处理处置工程项目规范》
【2】 李亚峰，《水泵及水泵站》[M]，2009，机械工业出版社
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