汽泵再循环系统的灵活性改造研究及经济性分析

黄新长，谭 锐

(国能南京电力试验研究有限公司，江苏 南京 210023)

为了在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和目标，需要进行一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，其中“十四五”、“十五五”是碳达峰的关键期和窗口期，要构建以新能源为主体的新型电力系统。2021年10月国家发展改革委、国家能源局联合发文要求“十四五”期间灵活性改造完成2亿kW，增加系统调节能力(3000～4000)万kW，促进清洁能源消纳。

为响应国家号召，提高机组的上网竞争力和盈利能力，某电厂拟开展汽泵再循环系统灵活性改造项目，解决深度调峰汽泵再循环内漏的问题，调研了多种改造技术，也为同类型机组改造提供参考[1]。

1 汽轮机设备概况

某电厂汽轮机为上海汽轮机厂有限责任公司生产的N630-16.7/538/538亚临界参数、一次中间再热、四缸、四排汽、双背压、凝汽式汽轮机；给水泵采用2台50%BMCR容量的汽动给水泵和1台30%BMCR容量电动启备泵。汽轮机主要设计参数见表 1。小汽轮机主要设计参数见表 2。

表1 汽轮机基本设计参数

表2 小汽轮机基本设计参数

2 汽泵再循环系统的改造技术研究

2.1 汽泵再循环阀内漏原因

汽泵再循环系统主要包括小流量再循环阀和前后截止阀，安装在给水泵组出口处，和除氧器相连；锅炉给水泵将水从除氧器送往锅炉，为防止给水泵低流量下叶轮产生摩擦热不能被给水及时带走，并因此产生汽蚀，给水泵的流量在任何情况下都必须大于最小流量。当锅炉给水需要的流量小于给水及小汽轮机安全运行的最小流量时，需要及时打开汽泵再循环最小流量阀，使一部分给水回流到除氧器，以保证给水泵组的安全运行。目前常规设计采用的给水泵组再循环流量调节阀都是选用的30%BMCR工况设置最小流量阀，此阀门在运行中存在阀前后压差为全厂最大，在小开度情况下极易产生空化汽蚀。

由于该阀关闭状态前后压差大,且在低负荷区域频繁动作，由于密封面存在细小颗粒，导致密封效果不佳时，气动执行机构的关闭力和汽蚀造成阀芯和阀座密封面严重损坏，阀笼等部件损伤严重，由此产生严重内漏[2]。

2.2 改造要求

由于再循环流量调节阀门经常处于0～40%范围内运行，阀内组件更容易造成损坏，使用周期非常短暂，大多采用进口产品，检修维护成本和泄漏的流量损失非常可观。改造需要解决深度调峰下汽泵再循环阀经常小开度开启产生的磨损。

2.3 改造技术

2.3.1 改装气动隔离阀

a.技术原理

给水流量<520 t/h，再循环调阀初步开启的阀位设置在20%，减少小开度时阀芯吹损；将再循环调阀后手动阀改成快速气动隔离阀，在给水流量≥520 t/h，关闭气动隔离阀，使再循环调阀前后压力为零，以避免再循环调阀前后压差过大而加速阀芯的吹损。

具体改造范围：再循环调阀后手动阀更换成快速气动隔离阀，并进行相关逻辑修改及运行要求。在汽动给水泵异常跳泵时汽泵再循环调节阀和气动隔离阀同时动作开启，启停机和运行时2个阀需要关闭时先关调节阀再关气动阀、2个阀需要开启时先开气动阀再开调节阀。

b.技术特点

给水流量降低时初始再循环开度较大，有利于减小对小开度时阀芯吹损；但同时也增加了给水泵的功率和汽耗，降低了机组经济性。

再循环调阀后手动阀改成快速气动隔离阀，可以实现高负荷时隔离阀常关状态，极大减小了调节阀正常运行时前后压差，有利于减轻小开度下调节阀阀芯的空化汽蚀和吹损；但事故跳泵时需要自动开启气动隔离阀，对气动隔离阀的可靠性要求变高，存在一定的风险。

2.3.2 优化控制逻辑

a.技术原理

原有逻辑减负荷过程中，给水流量<520 t/h，即开始开启再循环阀，给水流量<420 t/h，再循环阀开度达26%，给水通过再循环阀回流带来的损失非常大；加负荷过程中，给水流量≥520 t/h， 再循环阀才开始关闭，此前一直处于微开状态，阀门吹损严重。

汽泵在额定转速下入口、出口最小流量为 281 t/h，在其他转速下的最小流量则根据如下公式计算: 实际最小流量=额定最小流量×实际转速 ÷额定转速。根据此计算公式，计算出在不同转速下的汽泵最小流量值[3]，见表3。

表3 汽泵不同转速下最小流量设计值

根据厂家意见，运行时最小流量要留有20%的裕量，修改汽泵最小流量保护值为转速的函数值，表3数据乘以系数1.2；在转速<3 000 r/min 时，保护定值取固定值183 t/h; 在转速>5500 r/min时，保护定值取固定值338 t/h。

再循环阀控制逻辑修改后，减负荷时阀门开启值由520 t/h降至338 t/h，可以保证汽泵在各转速下的汽蚀裕量安全。汽轮机40%THA工况下(额定给水流量728 t/h)再循环门无需开启。

b.技术特点

如果深度调峰到40%THA负荷，只有在汽泵启动、停运过程中再循环阀才需要放置在手动方式并打开，其他正常运行时，再循环阀都无需开启，再循环阀以微开状态造成汽蚀为零，机组运行中汽泵再循环阀一直处于关闭状态，阀门内漏的现象能够得到改善。

如果电网要求深调到30%THA甚至更低负荷，则在低负荷下再循环门还需开启，存在阀门吹损的风险。

2.3.3 加装汽泵再循环小旁路

a.技术原理

对原来再循环主阀芯进行国产化改造，采用对冲节流降压结构。加装与机组深度调峰相适应的汽泵再循环小旁路，旁路阀门的流量取最小流量再循环阀门流量的30%～40%。小旁路位于原来再循环旁路2个截止阀之间，对逻辑进行优化修改，正常运行时采用汽泵再循环小旁路调节给水，调节更加精准，小旁路调节开度都在40%以上，有效避免了再循环阀在小开度情况下产生的空化汽蚀。再循环主阀只参与保护动作，平时运行时不开启，也就不会有磨损。

b.改造计算

给水泵再循环阀泄漏，将造成给水泵组汽耗量增加，进而影响供电煤耗[4]。根据运行数据分析，改造前机组2台给水泵最小流量合计泄漏按照40 t/h计算，根据文献计算方法和实际运行数据计算改造后煤耗降低0.2 g/kWh，年节约标煤600 t，年节煤收益48万元。运维成本降低：每年节约阀门修理费用21万元(含密封件更换)。改造收益年约69万元。项目投资192万元，3年可收回成本。

c.技术特点

汽泵再循环小旁路因为管道截面面积较主路小，可以实现正常全负荷深度调峰时在大开度反复调节，减少小开度时阀芯吹损；同时主路截止门隔离后也方便小旁路检修。再循环主阀仅参与启停机和事故跳泵的保护逻辑，能有效减小再循环阀的泄漏。

3 结语

改装气动隔离阀在低负荷时调节阀开度仍然较大，给水泵耗功较大，不建议采用此技术。优化控制逻辑可以实现调峰到40%THA负荷运行过程汽泵再循环阀一直处于关闭状态，减小内漏，但无法满足进一步的深度调峰需求。汽泵再循环小旁路可以实现深度调峰到30%THA甚至更低时对给水流量的精准调节，且能最大限度减小给水再循环阀泄漏和损坏问题，达到了节能改造和灵活性改造的双重效果。综合分析，选择汽泵再循环小旁路改造技术作为改造方案经济合理可行。