600 MW機組采用汽動給水泵代替電動給水泵啟動的探討和實施

周獻東，王靜，張犇，張明

(1.華能太倉電廠，江蘇 太倉 215424；2.江蘇省、南京市節能技術服務中心，南京 210005)

1 設備概述

華能太倉電廠4號機為600 MW超臨界機組，鍋爐與汽輪機熱力系統采用單元布置，給水系統配兩臺50%鍋爐額定容量的汽動給水泵(以下簡稱汽泵)和一臺30%容量的電動給水泵(以下簡稱電泵)。機組正常運行時，兩臺汽泵保持運行，電泵只在汽泵發生故障或機組啟停時使用。給水泵為上海動力設備廠制造，小汽輪機為杭州汽輪機廠生產，其進汽汽源設計有三路：四抽汽源為正常汽源，高排汽源為備用汽源，輔汽汽源為調試汽源。鍋爐給水站設計為：兩臺汽泵出水各布置一電動閘閥，電泵出水布置一出水調閥和一電動閘閥，三者出水并接至同一母管后經高壓加熱器進入鍋爐省煤器，4號機組給水布置方式示意圖如圖1所示。機組啟動時，啟動電泵通過其出口調閥和轉速控制給水量向鍋爐進水，待并網加負荷至20%THA負荷，沖轉汽泵轉速至3 000 r/min后，再由電泵切換至兩臺汽泵向鍋爐進水。

圖1 4號機組給水布置方式示意圖

2 采用汽泵代替電泵啟動機組的方案探討

2.1 采用汽泵啟動機組的必要性

在目前增加新能源發電比重和降低燃煤機組發電比重的大背景下，燃煤機組啟停次數增加。而電泵作為功率最大的輔機，在機組啟停時消耗了大量的廠用電，影響全廠的經濟效益。而采用汽泵代替電泵實現機組啟動，可有效降低廠用電[1]。從能源轉化效率來看，采用汽泵代替電泵實現機組啟動，相當于節約2/3的一次能源，具有顯著的經濟性[2]。同時從安全上來看，采用汽泵啟動機組后，將電泵作為熱備用，則增加了機組運行的可靠性。

2.2 實現汽泵代替電泵啟動機組的方案

按照啟動時鍋爐給水量的控制要求：初期上水時，需要滿足80～100 t/h小流量進水要求，待上水完成后，則要求保持400 t/h及以上的水量。根據電廠現有給水布置方式，采用汽泵啟動時，無法滿足初期的小流量進水要求。電廠曾進行過試驗：單獨啟動汽泵的前置泵，在其再循環開足的情況下，出口給水量仍達300 t/h。而若通過汽泵出口電動門來控制給水量，則會帶來閥門內漏的安全隱患。

因此，電廠實現用汽泵替代電泵來啟動機組的關鍵在于如何進行給水量的控制。汽泵替代電泵啟動機組的方案見表1。

表1 汽泵替代電泵啟動機組的方案

2.3 汽泵替代電泵啟動機組的方案選擇

上述兩種方案的優劣性取決于機組使用期間取得的經濟效益。以機組30年的使用年限來計算，該電廠于2006年投產，還可以運行15年。若以5年為一個大修周期，則有4個大修周期。表2為4號機(2013年—2018年)在一個大修周期期間的機組啟動次數和電泵用電量的統計情況。其中三次為檢修后的啟動，因鍋爐啟動時包含沖洗和機組試驗等，電泵運行時間較長；七次為調停后的啟動，電泵運行時間相對較短。由表2可知，鍋爐小流量進水時，電泵平均每次運行約5 h，平均每次用電量為28 027 kW·h，共用電140 135 kW·h；整個啟動階段，電泵平均每次運行時間為38.2 h，平均每次用電量為32 160 kW·h，共用電1 228 512 kW·h。

表2 4號機在一個大修周期期間的機組啟動次數和電泵用電量的統計情況

從上表數據來看，對于一個大修周期：鍋爐小流量進水和整個啟動期間，電泵用電量分別為140 135 kW·h、1 228 512 kW·h，按0.39元/(kW·h)計算，電泵用電成本分別為5.47萬元和47.91萬元。在僅考慮電泵使用成本的情況下，假設今后四個大修周期期間的機組啟停次數按表2中的次數為基準。方案一四個大修周期節省使用電泵的成本為47.91×4=191.64萬元，考慮到投資調門和隔門的成本，實際方案一節約費用191.64-40=151.64萬元。

方案二四個大修周期節省使用電泵的成本為(47.91-5.47)×4=168.04萬元，可見方案二節約費用優于方案一，因此確定方案二為汽泵代替電泵啟動機組的技術路線，即在現有系統布置情況下，通過優化啟動方式，減少電泵的運行時間，來達到全廠最佳的經濟效益。實際由于以下幾方面的影響，汽泵代替電泵啟動機組所產生的經濟效益會有所降低：1)消耗蒸汽，所增加的鄰機煤耗量；2)前置泵提前啟動，所增加的輔機用電量；3)機組需提前建立真空，所增加的輔機用電量和鄰機蒸汽量。

3 汽泵替代電泵啟動機組的措施

3.1 總體啟動思路

結合鍋爐啟動的特點，提出了優化啟動的總體思路：在鍋爐小流量上水的階段，采用電泵進行，同時完成汽泵的沖轉和暖機；鍋爐保持400 t/h及以上的水量時，將電泵切換至汽泵控制鍋爐給水量；啟動第二臺汽泵并正常運行后，完成第一臺汽泵的小汽輪機進汽汽源切換操作。

說明：1)電泵額定電流(I額)為973 A，額定功率為9 100 kW(P額)，根據實際的電泵運行電流(I實)，通過關系式：P實=I實×P額÷I額，得出實際的運行功率(P實)，再根據運行時間得出實際的電泵用電量。

2)鍋爐小流量進水時，電泵運行時間和平均電流是指：給水量在400 t/h以下時，電泵運行的時間以及該段時間內電泵的平均運行電流。

3)整個啟動階段，電泵總運行時間和平均電流是指：機組在整個啟動期間，電泵的運行時間以及該段時間內電泵的平均運行電流。

3.2 邏輯和控制的修改

采用汽泵替代電泵啟動機組后，對邏輯和控制進行梳理，發現以下問題并進行相應修改：

1)原邏輯中，汽泵在升速期間設計有臨界轉速，升速時轉速會快速通過臨界轉速，這樣將影響給水量的調節。聯系廠家確認該汽泵在轉速正常工作范圍無臨界轉速，且檢查實際升速期間給水泵振動正常，故取消了臨界轉速范圍內轉速無法停留的邏輯，確保汽泵轉速平穩變化以便控制給水量。

2)原邏輯中，設計負荷在50 MW以上時，汽泵的跳閘信號將觸發電泵自啟動的邏輯。采用汽泵啟動機組，電泵在熱備用時，一旦負荷升至50 MW，因另一臺汽泵在跳閘狀態，電泵將自啟動。對此，將汽泵跳閘信號由長信號改為短脈沖信號，避免上述情況出現。

3)原邏輯中，汽泵在3 000 r/min以下時，需通過MEH設定轉速來控制轉速，不便于運行操作。

對此，增加了點動操作轉速的模塊，便于轉速控制和給水量的調整。

3.3 過程風險分析

采用汽泵代替電泵啟動機組，在以下幾方面存在風險，需注意調整：

1)制訂不同主汽壓力下的電泵勺管開度并及時進行調整，確保當運行汽泵出現跳閘時，電泵自啟動時能防止出現給水量過低造成鍋爐MFT。

2)小汽輪機的輔汽和四級抽汽汽源切換操作，需暖管充分后進行，并根據進汽參數變化緩慢操作，防止切換時小汽輪機出現熱沖擊而運行異常。

3)由于啟動時，除氧器加熱、軸封用汽和小汽輪機進汽均由鄰機供給，將造成熱井水位上升，因此需控制合理的熱井水位，防止水位過高影響機組安全，以及排放過多造成工質損失。

4)進行除氧器加熱汽源和小汽輪機進汽汽源的切換時，需注意對輔汽壓力的控制，防止壓力波動過大影響小機轉速的控制。

4 汽泵替代電泵啟動機組的實施和優化

2018年10月和2019年2月，4號機先后實施了汽泵部分替代電泵啟動機組的操作。通過兩次啟動操作，掌握了啟動至正常運行的各個階段，汽泵運行的相關參數、小汽輪機進汽汽源的切換操作要點，并進一步優化了啟動主要步驟：

1)由除氧器通過電泵出水靜壓向高加水側和省煤器進行充水，減少電泵運行時間。

2)鍋爐小流量上水通過啟動電泵進行。

3)鍋爐小流量上水的同時，完成一臺汽泵的沖轉和暖機。

4)鍋爐大流量上水時，將電泵切至汽泵控制，根據汽泵轉速和再循環來控制鍋爐給水量。

5)負荷120 MW左右，啟動第二臺汽泵。

6)負荷180 MW左右，兩臺汽泵并列運行。

7)保持各參數穩定，完成第一天汽泵的小汽輪機進汽汽源切換。

5 汽泵替代電泵啟動機組的實際效益對比

經計算，2019年2月4號機采用汽泵部分替代電泵啟動機組和以往調停時采用電泵啟動機組比較，降低成本約 20 404.87元，效果明顯，兩次汽泵啟動的運行成本分析見表3。

表3 兩次汽泵啟動的運行成本分析表

說明：1)小汽輪機輔汽參數：0.7 MPa、270 ℃、焓值為2 980 kJ/kg，根據鍋爐效率93.46%、蒸汽管道損失1.5%，原煤低位發熱量為23 100 kJ/kg[3-4]，計算每噸上述蒸汽所消耗的原煤約為2 980 kJ/kg÷(23 100 kJ/kg×93.46%×(1-1.5%))×1 t=0.140 t。

2)真空泵、前置泵多運行時間是由于采用汽泵啟動機組需提前運行上述輔機所造成。

3)機組啟動一次的節省費用計算方法為：原電泵耗電費用-現電泵耗電費用-產汽耗原煤計算費用-真空泵和前置泵多耗電費用。

6 結語

通過對4號機實施汽泵替代電泵啟動機組的經濟性進行分析和對比，最終確定保留現有系統，并進行優化啟動方式的方案，實現汽泵部分替代電泵啟動機組，從而減少電廠對電泵的依賴性，提高了機組運行的安全性、經濟性和靈活性，希望對相關人員的工作具有一定的借鑒意義。