330MW机组汽泵低速启动全程调速上水方式研究

2024-04-02北方联合电力金桥热电厂北方联合电力达拉特发电厂王燕龙关志成

电力设备管理 2024年1期

北方联合电力金桥热电厂陈超石磊北方联合电力达拉特发电厂王燕龙关志成

节能降耗水平是发电企业技术及管理水平追求的重要指标，关系发电企业的核心竞争力及盈利能力。随着电力市场化的推进，燃煤机组峰谷消纳电量频繁启停，各燃煤机组电厂节能降耗水平有较大提升空间。燃煤机组利用汽泵在机组启动过程中全程上水，具有一定的节能空间和安全效益，从启动全程汽泵上水过程中遇到的问题出发，分析并提出相关对策并进行讨论。

某发电厂锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-1018/18.55—M864型锅炉，在最大连续蒸发量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）工况下，给水流量为1018t/h，电泵单台泵运行满足60%BMCR 工况需求，单台电泵的额定功率和电流分别为8700kW、876A。按照机组原先设计方案，在机组启动锅炉上水时先启动电泵，由电泵向锅炉上水。机组并网带至一定负荷后，再启动汽泵，电泵停运作为备用。因此，机组在启动、电泵运行过程中，耗电较大。为了进一步挖掘机组启机过程中节能潜力，因此提出了机组从启动到正常运行完全用汽泵代替电泵上水方案。

1 可行性分析

1.1 机组给水系统简介

某发电厂锅炉给水系统设置1台汽泵和2台电泵，其中汽泵容量为100%，每台电泵容量为60%。给水泵汽轮机为单缸、双排汽、凝汽式，汽源分为两路，分别为五段抽汽和辅汽。机组在正常运行过程由主机五段抽汽作为汽泵汽源，辅汽作为备用汽源，当调试时或机组启动时则由辅汽作为汽泵汽源，小机排汽通过排汽管道和排汽蝶阀排入大机凝汽器中。

机组启动时，先启动电泵，负荷达30%时，再启动汽泵，汽泵运行正常后停运电泵；这个过程，电泵运行8～10h，消耗大量厂用电。汽泵需要提前进行暖机，限制了机组升负荷，延长了启动时间。这个过程耗时1h 左右，消耗启动燃油，迟滞机组并网涨负荷时间。

1.2 即往耗能分析

汽泵低速启动全程调速上水主要目的是降低电泵的用电量。本文对2017—2022年机组启动数据进行统计分析，根据调查数据确定：在上水初期流量较低，电泵电流为165A。即每小时耗电为：1=cos=1.732×6.3×165×1×0.91=1638.38kW ≈1 600kW。每次启机电泵用时10h 计算：共计节约1600×10=16000kW。

1.3 节能分析（定性分析）

分别对电泵启动和汽泵启动进行节能性分析：第一种情况，使用电泵启动时，能量流经环节分为6步：燃煤中的化学能→锅炉蒸汽能量→汽轮机机械能→发电机电能→电泵电机→电泵。第二种情况，使用汽泵启动时，能量流经环节分为4步：燃煤中的化学能→锅炉蒸汽能量→小汽轮机→汽泵。通过上面两种情况的比较，机组启动过程中使用电泵上水要比使用汽泵上水多出两个环节。从定性角度分析，能量转换环节越多，损失就越多，因此机组启动过程中使用汽泵给锅炉上水要比使用电泵上水更节能。

1.4 理论分析（定量分析）

从定量角度分析，在机组启动试验过程中，分别选定电泵运行和汽泵运行两种工况，使电泵和汽泵的出力相同，从而衡量出单位时间内电泵所耗电功率和汽泵所耗能量的大小。

第一种工况：电泵启动运行方式，其能耗计算如下：电泵流量为Q，电机电流为I，电压为U，功率因数为cosΦ，则电耗为：

第二种工况：汽泵启动运行方式，其能耗计算如下：设汽泵运行中上水流量为Q，汽泵小机的蒸汽流量为q 蒸汽，汽泵入口蒸汽的焓值为ℎ1，汽泵排汽的焓值为ℎ2，根据热力学第一定律，每1kg 蒸汽在小机做的功w=h1-h2，也就是说单位时间t内，流量为q 蒸汽做的功W 为：

这就是汽泵汽轮机消耗功率S=W/t。因此，可以得出：

机组启动过程中，电泵与汽泵分别给锅炉上水时能耗对比：设汽泵与电泵的能耗比为K，则：

如果K ＜1，则说明汽泵启动方式较电动给泵启动方式消耗能量小，更为节能。

机组启动过程中使用电泵上水与使用汽泵水时实际功耗计算如下（电泵与汽泵出力相同情况下）：使用电泵上水时，给水流量为701t/h，给水泵出口母管压力为12.62MPa，电泵电流为520A，6kV厂用电母线电压为6.3kV，电机的功率因cosφ 为0.91。使用汽泵上水时，给水流量为701t/h，给水泵出口母管压力为12.90MPa，汽泵汽轮机进汽压力为0.62MPa，进汽温度为361℃，汽泵排汽压力为0.0052MPa，排汽温度为33℃，蒸汽流量为28.3t/h，（换算为7.82kg/s），对比水蒸汽的焓熵图找到h1=3187.7kJ/kg，h2=2560.8kJ/kg,将以上数据带入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2）/U×I×cosφ=7.82×（3187.7-2560.8）/（×6.3×550×0.91）≈0.897，此工况下汽泵运行可以节约10.3%的能量。

使用电泵给锅炉上水，当其出力达到电厂最大设计值时，功率接近额定值。而使用汽泵上水时，调节其出力，直至与电泵上水工况下有相近的给水流量和上水压力，采集到汽动给水泵的运行数据为流量866t/h，给水泵出口母管压力18.6MPa，给水出口母管压力与电动给水泵运行时的最大值相符。汽泵汽轮机进汽压力0.750MPa，进汽温度363.2℃，排汽压力0.0051MPa，温度33℃，蒸汽流量为7.67t/h（换算为10.461kg/s），查水蒸气的焓熵图得出h1=3189.1kJ/kg，h2=2560.7kJ/kg。

将以上数据代入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2)/U×I×cosφ=10.461×（3189.1-2560.7）÷8800≈0.747。此工况下汽泵运行可以节能25.3%。由上述两种工况的对比计算还可以看出，给水泵出力越大，汽泵较电泵更具有节能优势。即使用汽泵全程上水每小时＜E=U×I×cosφ=1600kW。

2 确定最佳方案

2.1 设计初步思路

从上文分析可以看出在机组启动时，使用汽泵给锅炉上水较使用电泵给锅炉上水更能降低能耗。而在机组启动过程中随着给水泵出力的增加，这种节能优势更加明显。而且在机组并网带负荷后无需再进行汽泵暖泵启动、接带出力、停运电泵等一系列操作，操作量小，同时对机组的快速安全启动也有一定帮助。

但是使用汽泵启动给锅炉上水也存在一定弊端：汽泵接带出力时的转速最小为3000r/min，此时所对应的汽泵出口压力约9.5MPa，而锅炉启动初期的压力约为0～8MPa。由于汽泵出口压力与锅炉压力差较大，所以增大了对汽泵的调节难度，给水流量不易控制，对机组启动过程中锅炉汽包水位的调节造成困难，对机组启动不利。

2.2 改进措施

一是全开汽泵再循环调门，通过再循环管道来降低给水压力和主给水流量。二是锅炉启动初期压力较低时，通过调节省煤器入口电动门的开度来控制进入锅炉的给水量。虽然采取上述措施能够较好地控制给水流量和汽包水位，同时也较电泵节能，但节能效果不明显。

原因如下：一是汽泵再循环调门全开会使部分给水在给水系统进行循环，而调节省煤器入口电动门开度则存在节流，两种情况均会使能量损失造成浪费。二是机组启动过程中通过调节省煤器入口电动门开度来控制进入锅炉的给水，该方法仍不能对给水进行快速、灵活调节，给水流量不易控制，易造成汽包水位太低或太高情况。

2.3 优化方案产生问题

2.3.1 锅炉启动过程中调节给水流量时

锅炉启动过程中调节给水流量时，要使上水流量大于锅炉所需最小流量，以保证锅炉受热面管壁内工质的连续流动，并能带走燃料燃烧的热量，确保受热面的安全。锅炉在启动上水过程中，还要满足一次受热面流量冲洗，仅依靠前置泵给水流量较低，不能满足冲洗要求。如果在启动初期就使用汽泵给锅炉上水，则由于给水流量太大不易控制，若调节汽泵至合适的启动流量时，又由于小汽轮机冲转用汽量太少，给小机的调节带来困难，此外小机由于冷却流量较小，排汽温度也有可能较高。同时，在机组启动锅炉升温升压期间，须确保小机小流量冲转时给水流量的线性调整。

2.3.2 机组启动过程中

机组启动过程中，小机一般使用辅汽进行冲转。而辅汽联箱用户较多且机组启动过程中用汽量不稳定，此时辅汽由其他运行机组提供，由于邻机的负荷变化、邻机辅汽用户的变化，都会导致辅汽联箱压力波动，造成小机进汽不易调节，给水流量发生发散性波动，汽包水位与主再热汽温波动较大。机组并网以后，汽泵汽源则切至本机五段抽汽来供，要求汽源切换过程压力、温度变化平缓。

由于机组启动时辅联保持较高压力约为0.80MPa，而此时五段抽汽压力仅为0.35MPa 左右，两路汽源压差较大，如果直接切换会造小机进汽压力突变，给水流量大幅发散式波动；同时，由于切换时辅汽与五段抽汽的压力差较大，容易造成高压汽源串入低压汽源，从而导致汽泵进汽量大幅降低、汽泵出力下降，汽包水位甚至可能低于保护定值下限，机组因此发生锅炉侧主燃料跳闸（Main FuelTrip，MFT），机组启动过程被迫中断。

2.3.3 小机排汽温度应进行调整

如果完全依靠前置泵机组启动上水，给水流量不能满足锅炉启动最小流量要求，只有汽泵冲转接带负荷满足锅炉启动最小给水流量。但机组启动初期，小机一段时间内转速相对较低，辅联压力相对较高，小机冲转进汽量相对较少，不能带走未级叶片由于鼓风所产生的热量，排汽温度将会较高。这种现象在小机刚冲转、转速在1200r/min 以下时更为明显。

2.4 优化方案解决方法

保证辅汽压力稳定维持在0.70MPa 左右。随时和邻机沟通，确保邻机在调整负荷、辅汽用户时，本机组能够及时进行调整，尽可能减少辅汽压力的波动。及时将五段抽汽至小机供汽管道进行疏水、暖管，投入备用，以提高汽泵运行的可靠性。

进行小机汽源切换时，尽可能保证两路汽源压力相近。缓慢调整辅汽汽源确保汽泵运行稳定、给水流量波动较小。待两路汽源压力相近、给水流量稳定后进行切换，这样可以避免给水流量波动大问题，防止给水流量大幅扰动。

控制小机排汽温度正常。主要有三点措施：一是机组启动初期尽量保持较高的锅炉启动压力，以保证一定的给水压头阻力。二是适当提高机组启动时的背压，降低小机冲转时的辅汽压力，以增加机组启动初期小机的进汽流量。三是尽量缩短机组启动时间，在规程规定的安全范围内，加快锅炉的升温升压速度。通过以上措施，可以保障机组启动时小机排汽温度在额定范围内。

3 效果分析

2023年3月12日2:45根据4号机组冷态启动，锅炉开始冷态上水，2:49启动4号机组汽泵前置泵，锅炉上水流量55.37t/h。8:37上水至汽包水位179mm。使用汽泵在机组冷态及锅炉低压阶段上水成功，根据运行数据当给水流量60t/h 时，汽泵前置泵电流为14A，如果此时用电泵给锅炉上水，电流平均为165A。