1000MW機組單汽泵入口流量波動大的問題探究

袁博

摘要：為確保1000MW超超臨界機組長周期、安全穩定運行，針對某廠幾次典型的給水流量波動大的異常事件，進行原因分析與整理，指出防止給水流量波動大的有效控制措施、技術改造途徑及方法，為發生給水流量異常時，正確分析原因、有序處置以及為后期設備改造和維護保養提供思路。

關鍵詞：汽泵；LVDT裝置；再循環閥

DOI：10.12433/zgkjtz.20232939

一、前言

廣東大唐國際雷州發電有限責任公司1、2號機組（以下簡稱“雷州發電公司1、2號機組”）汽輪機，采用上汽西門子N1000-31/600/620/620型超超臨界、二次中間再熱、單軸五缸四排汽、凝汽式汽輪機。兩臺機組均采用單元制給水系統，各配置1臺30%容量的電動給水泵和1臺100%容量的汽泵。汽動前置泵和主泵均由KSB公司提供，主泵由小汽輪機（以下簡稱“小機”）直接驅動，前置泵由小機通過減速箱驅動。小機采用上汽生產的SD（Z）91/84/10型變轉速凝汽式汽輪機，設有五抽、二次冷再（三抽）、輔汽三路汽源，小機進汽方式為四個調節汽閥組合的噴嘴配汽方式。

二、典型異常事件分析

（一）異常事件一

1.事件經過

2020年3月28日19時20分，2號機負荷630MW，主汽壓22.41MPa，過熱度52℃，給水流量1610t/h，小機轉速3467rpm。

19時22分，省煤器入口流量在1240～1650t/h范圍內大幅波動，小機轉速在3378～3490rpm范圍內擺動，小機四個進汽調閥大幅擺動，給水指令與反饋偏差＞300t/h，給水自動解除，機組切至TF方式運行。工作人員立即將汽泵再循環調閥開至68%，穩定給水流量在1610t/h。

19時25分，重新投入給水自動、CCS方式。異常處理期間，水煤比短時失調、過熱度由52℃漲至72℃，一級過熱器出口溫度由528℃最高漲至592℃（此時一級過熱器出口保護定值604℃），險些造成機組跳閘。

2.原因分析

為徹底排查本次給水流量波動大的原因，從以下幾方面進行分析：

（1）小機進汽量的影響

給水流量波動期間，小機進汽壓力、溫度均穩定，進汽調閥裕量充足，排除小機進汽能量不足對汽泵出力造成的影響。

（2）小機進汽方式的影響

給水流量波動期間，小機調門指令與反饋自動跟蹤良好，未產生大幅偏差。現場采用改變小機進汽調閥閥序和重疊度的方式，給水流量波動現象未得到消除。

（3）汽泵組“揚程—流量”特性曲線的影響

根據離心泵的相關知識，給水泵工作點為水泵“揚程—流量”特性曲線與系統阻力曲線交點，當汽泵工作點接近最小流量Qmin區間時，當系統受到一定擾動（如汽輪機調門開度、小機進汽量改變等）時，系統將克服擾動進入新的平衡狀態，汽泵轉速、流量將發生大幅擾動。

經調研，國內多家采用100%容量單汽泵的1000MW發電單位，均存在特定負荷區間給水流量波動的問題，被迫開啟再循環閥穩定給水流量。綜合數據對比分析，確認給水流量波動大的根本原因為鍋爐水動力多值性和汽泵“揚程—流量”特性曲線平緩的共同作用。

3.控制措施

在機組設計不發生改變的情況下，為防止鍋爐水動力多值性和汽泵“揚程—流量”特性曲線作用導致的給水流量大幅波動，可采取以下幾種措施：

（1）使汽泵運行流量高于最小流量Qmin區間

一方面，可通過漲負荷避開汽泵不穩定工作區間，但受限于火電機組調峰要求，很難實現機組長時間高負荷運行。另一方面，可開啟汽泵再循環閥，使汽泵擺脫最小流量Qmin區間，但該方法會嚴重影響機組運行的經濟性。查閱雷州發電公司兩臺機組運行數據，單機每年400～700MW區間發電量約46億kWh，折算因汽泵再循環閥開啟影響供電煤耗升高約1.12g/kWh（見表1）。

（2）汽動給水泵改造

采用合理的汽泵改造方案，可從根本上解決給水流量波動的技術難題，有效保障機組運行的安全性和經濟性。具體可采取以下幾種改造方案：

第一，增加50%容量汽動給水泵或電動給水泵。增加50%容量汽泵或電泵可避免部分負荷區間給水流量波動的問題，但一方面，現場給水系統空間布局上可能無法實現；另一方面，該方案與100%容量汽泵的設計理念相悖，對機組效率和運維成本均會產生負面影響。

第二，切割給水泵葉輪。切割葉輪外徑，可調節離心泵的揚程特性曲線。但一方面，切割葉輪的操作具有不確定性，改造后汽泵的運行情況也具有不確定性；另一方面，切割原汽泵芯包葉輪，會使小機運行轉速上漲，可能超出設計轉速區間，故該方案實施前需要進行充分論證。

第三，給水泵芯包去掉一級葉輪。將汽泵芯包多級葉輪去掉一級，可改變泵的特性曲線，但也會造成小機運行轉速上漲，可能超出其設計轉速區間。而且，整體動平衡校驗工作量增加，可能會帶來給水泵振動的問題，故該方案需慎重實施。

第四，重新設計給水泵芯包。重新設計給水泵芯包的關鍵在于降低芯包的比轉速，給水泵比轉速降低后，增加了“揚程—流量”特性曲線的陡度，可有效避免給水泵出現多個工作點，徹底解決給水流量波動的技術難題。目前，該設計思路已在大唐東營1000MW機組得到成功應用。但是，該方案需重點考慮以下幾方面問題：一是給水泵效率。降低給水泵比轉速，可能會造成高負荷運行時，給水泵效率降低；二是小機轉速適配問題。若設計不當，可能導致小機轉速超出設計轉速區間，影響機組帶負荷；三是給水管道、高加、鍋爐受熱面的超壓問題。芯包改造后，需重新核算沿程管路、設備、受熱面的承壓能力，防止給水泵出口閥、高加三通聯成閥、主電動閥、大機主汽閥或調閥關閉后，引起汽水系統嚴重超壓。

（二）異常事件二

1.事件經過

2020年2月5日21時56分，1號機停機過程中，負荷500MW，CCS方式運行，小機由五抽供汽，供汽壓力0.42MPa、溫度392℃，輔汽及二冷至小機汽源處于備用狀態，小機轉速3352rpm，四個調閥開度為99.9%、80.5%、22.1%、11%，省煤器入口流量1530t/h。

21時57分，將輔汽至小機供汽電動閥開至5%進行暖管。21時58分，省煤器入口流量突降至0，小機供汽溫度由395℃降至302℃，小機轉速由3357rpm突降至2794rpm，小機四個調閥全開；21時58分26秒，運行人員立即開啟小機進汽管道各疏水閥，小機供汽溫度緩慢上升至390℃，小機轉速恢復至3360rpm，省煤器入口流量1536t/h，各運行參數恢復正常。

2.原因分析

第一，未對輔汽至小機供汽管路進行充分暖管疏水，是造成本次事件的直接原因。輔汽供小機電動閥開啟前，未對其閥前管道進行充分暖管疏水。開啟輔汽至小機供汽電動閥后，管道內的水、冷汽在蒸汽攜帶下迅速進入小機，造成小機出力急劇下降，最終造成鍋爐給水短時中斷。

第二，機組停運后，對小機供汽沿程各疏水器進行解體檢查，發現個別疏水器前后管路被鐵銹等雜質堵塞。輔汽至小機供汽管路各疏水器卡澀、不能及時排盡疏水，是導致本次事件的又一原因。

3.控制措施

為充分防止輔汽至小機供汽管道積水、冷汽，可以采取以下措施：

第一，運行管理方面。制定專項措施，明確啟停機過程中投入輔汽至小機汽源前，必須開啟沿程管路各疏水器前、后隔離閥及旁路閥，進行充分的暖管疏水。

第二，設備改造和維護方面。一是在輔汽至小機供汽閥前后加裝小旁路，確保機組運行中，輔汽至小機汽源熱備用；二是定期開展小機供汽管路疏水器維護工作，保證疏水器正常工作；三是將輔汽至小機供汽管路疏水器改造為由DCS控制的氣動疏水閥，當疏水罐液位高報警時，聯鎖開啟疏水閥疏水。

（三）異常事件三

1.事件經過

2023年04月06日7時53分，1號機負荷748MW，給水流量1988t/h。小機轉速3727rpm，小機四個調閥開度分別為68.8%、25.2%、8.4%、0.5%，二冷至小機進汽閥開度35%。

07時54分，小機轉速3745rpm，DCS畫面發出“汽泵異常”“小機調閥反饋偏差大”光字報警，小機1號調閥反饋跳變，2、3、4號調閥迅速開大，1A EH油泵電流由28.4A上漲至33.8A，EH油壓由16.16MPa降至16.02MPa，省煤器入口流量波動約100t/h，小機轉速波動約50rpm，立即退出AGC穩定負荷。就地檢查小機1號調閥實際開度為10%，1號調閥EH供、回油管道大幅擺動。

現場檢查判斷為小機1號調閥LVDT裝置故障。工作人員立即采取隔離檢修措施：一是將小機1號調閥的閥限由105%設定至-5%，強置1號調閥指令為-15%，確保調閥全關；二是關閉小機1號調閥進油手動閥。

更換小機1號調閥LVDT裝置后，押票試運正常。

2.原因分析

第一，小機1號調閥LVDT裝置損壞是事件的直接原因。

第二，小機調閥LVDT接線盒長時間工作溫度過高，導致LVDT裝置老化、使用壽命縮短，是事件的間接原因。

3.采取措施

第一，加強主、小機各進汽閥及旁路閥的巡視檢查工作。定期對主、小機進汽閥、調節閥以及汽機旁路閥LVDT裝置進行測溫檢查，采取加裝通風機等手段進行物理降溫。

第二，開展小機LVDT裝置雙支改造工作。通過小機LVDT裝置雙支改造，避免單支LVDT裝置故障引發不安全事件。

第三，重新敷設主、小機進汽閥外部保溫材料。主、小機進汽主汽閥、調節閥等關鍵部位采用優質保溫材料或定期更換保溫材料，確保LVDT裝置運行溫度不超設計值。

（四）異常事件四

1.事件經過

2020年7月16日1時03分，1號機負荷480MW，CCS投入，省煤器入口流量1131t/h，汽泵入口流量1991t/h，小機由五抽供汽，二冷至小機供汽未投入備用。小機進汽壓力0.38MPa、溫度413℃，汽泵再循環調閥開度100%。

1時07分，漲負荷至545MW，省煤器入口流量1532t/h，汽泵入口流量2393t/h，小機四個調閥開度均漲至100%，小機進汽壓力0.36MPa，汽泵再循環調閥開度92%。

1時14分，負荷644MW，小機轉速設定值與實際值偏差大，給水自動切除，機組轉入TF方式運行。立即關閉小汽泵再循環閥，手動調節水煤比，暖投二冷至小機汽源。待參數穩定后，重新投入給水自動、CCS運行。

2.原因分析

第一，五抽至小機供汽逆止閥卡澀是本次異常事件的直接原因。相同負荷下，小機進汽壓力較正常低0.06MPa、且五抽至小機供汽逆止閥報故障，漲負荷過程中，小機汽源壓力偏低、進汽能量不足，最終造成給水自動切除。

第二，調節汽泵再循環閥開度滯后是本次異常事件的又一原因。漲負荷時，汽泵再循環閥關閉不及時，在小機進汽調閥全開的情況下，仍不能滿足鍋爐給水流量要求，最終導致給水自動切除。

3.采取措施

第一，優化DCS系統光字報警。設置小機綜合閥位高和五抽至小機供汽逆止閥狀態異常光字報警，當逆止閥開度小于對應負荷下的正常開度或小機綜合閥位高時，發出光字報警，幫助運行人員及時進行應急處置。

第二，制定汽泵再循環閥的專項控制措施。防范漲負荷時，汽泵再循環閥關閉不及時，會影響機組的安全運行；防范降負荷時，汽泵再循環閥開啟不及時，造成省煤器入口流量大幅擺動。

三、結束語

通過對雷州發電公司兩臺機組運行中幾起給水流量波動異常事件的分析，針對1000MW單汽泵，布置機組發生給水流量波動的給水泵“揚程—流量”特性曲線平緩、小機進汽管路積冷水、小機調閥LVDT裝置故障、小機供汽管道逆止閥卡澀等幾方面的原因進行探究，提供了切實有效的控制措施和設備改造思路，在保障機組長周期安全穩定運行的基礎上，為進一步優化給水系統設計、節能降耗工作，提供了可借鑒的途徑。

參考文獻：

[1]安連鎖.泵與風機[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]王錫輝，陳厚濤，彭雙劍，傅強，尋新.630 MW燃煤機組給水泵自動并泵過程控制策略[J].熱力發電，2017（11）：91-96.