鍋爐給水泵跳閘不停爐的探索

蔡汝林，周 強

（陽春新鋼鐵有限責任公司，廣東陽春 529600）

前言

近10年來，國內鋼鐵企業為了能夠更加高效地利用富余煤氣等余熱資源，進一步節約能源、提高效率和保護環境，相繼停用了一大批中溫中壓參數、高能耗、低效率、老化嚴重的小型煤氣發電機組，充分利用高參數機組效率高的優勢，逐步改建為更大容量、更高參數的煤氣發電機組。高參數的機組為了追求發電效率的提升，基本采用帶一次中間再熱的汽輪發電機組，此類型的機組限定了其組合形式只能是單元制。和低參數機組的母管制相比，單元制機組有兩個缺陷：（1）發電機組的數量比原來少，而單體容量又相對較大，出現故障對企業的生產用電平衡影響很大；（2）鍋爐給水泵從多運多備變成了一運一備，一旦運行泵組出現故障跳閘而備用泵組不能及時起動，則鍋爐汽包水位將快速下降至保護水位，觸發聯鎖停爐、停機。

據了解，類似的單元制煤氣發電機組在生產運行中，因運行給水泵故障跳閘而備用泵組未能及時起動，導致發生多起事故，且暫無一套成熟、有效的改善措施。針對立項新建的150MW 超高溫亞臨界機組，也將面臨同樣的問題，為此就實現鍋爐給水泵跳閘不停爐進行相關探索。

1 現狀與問題

1.1 設備配置情況

本項目配置了480 t/h 超高溫亞臨界再熱煤氣鍋爐、150 MW 級凝汽式汽輪機、165 MW 級發電機各1臺，鍋爐為超高溫亞臨界、自然循環帶一次再熱的燃氣（高爐煤氣、轉爐煤氣）汽包鍋爐，額定出力437 t/h。鍋爐的汽包是水和汽的連接樞紐：鍋爐給水經省煤器加熱后進入汽包，然后經下降管引入水冷壁的下部聯箱，水冷壁管吸收爐膛高溫使管內水受熱上升進入汽包，形成循環；進入汽包的汽水混合物經過旋風分離器，分離出來的蒸汽進入過熱器繼續加熱。

為保證汽水系統安全運行，鍋爐的汽包水位必須嚴格控制在規定的水位范圍之內。水位過高、蒸汽空間縮小會造成蒸汽帶水，使得蒸汽品質惡化，且水會在過熱器管內結鹽，造成管子過熱甚至爆破。汽包滿水時蒸汽大量帶水，將會引起管道、汽輪機受到水擊損壞；汽包水位過低會造成鍋爐缺水，破壞水循環，使水冷壁管超溫過熱，甚至引起鍋爐爆炸［1］。所以汽包鍋爐都會對運行水位設置高低位停爐保護聯鎖，本項目的鍋爐汽包停爐水位保護值為±250 mm。

鍋爐運行中，汽包水位主要受鍋爐燃燒本身和外界負荷的影響，處于不斷的變化中。無論是蒸發設備內的汽水平衡關系被破壞，還是工質狀態發生變化，都會影響水位的變化［2］，要保持一定的汽包水位，就要先保障給水與蒸發量的平衡關系。本項目的給水系統采用單元制，配置了2 臺全容量的變頻調速給水泵，一運一備。運行的泵組直接承擔著鍋爐給水量與蒸發量的平衡，一旦運行泵組因故障跳停，平衡被瞬間打破將直接導致水位急速下降，如果備用泵組不能在水位降低至停爐水位前起動完成，將觸發低水位聯鎖保護停爐。

1.2 停泵后的有效鍋爐蒸發量核算

鍋爐運行中如果給水泵故障停運，由于鍋爐燃料的持續供應及鍋爐本身的蓄熱能力，在一段時間內會維持原有的蒸發量。鍋爐內的水被不斷蒸發的過程中，汽包水位就會持續下降，在降低至停爐水位以上的有效蓄水量就等同于能夠維持鍋爐不停爐的最大蒸發量。本項目配置的汽包內徑1 800 mm、總長12 m，其中直管段10 m，兩端可近似為兩個直徑1 800 mm 的半球體。汽包本身結構復雜，連接了所有的上升管、下降管，鍋筒內部還含有汽水分離器等部分裝置。由于本文采用簡化算法進行分析研究，核算汽包圓筒內水位下降250 mm 的容積，將汽包視為一個相對規則的筒體結構，其如圖1所示。

圖1 鍋爐汽包示意圖

查閱汽包的設計圖，其水位計的氣側接點位于汽包水平物理中心線+255 mm，水側接點位置位于汽包水平物理中心線-455 mm，核算水位計的中心線（零位）比汽包水平物理中心線低100 mm。假設汽包水位處于中間的零位，則汽包水位下降至-250 mm的保護停爐水位，實際對于汽包物理中心線是從-100 mm 下降至-350 mm，其側向剖視圖如圖2所示。

圖2 鍋爐汽包側向剖面示意圖

假設從汽包水位計零位開始降低至-250 mm的水容積為Q，將汽包分為兩個部分：

（1）汽包的直筒體部分：長10 m，內部直徑1 800 mm。

（2）汽包兩頭的半球體部分：將兩個半球體合為一個球體，內部直徑1 800 mm。1.2.1 計算汽包直筒體內水位下降250 mm 的水容積V筒

（1）參照圖2 所示，橫截面積可視為等邊梯形，圓的內半徑R=900 mm。假設上底面半徑為D1，下底面半徑為D2，求出D1為894 mm，D2為829 mm；核算其橫截面積S筒為：

S筒=（2×0.894+2×0.829）/2×0.25

S筒≈0.43（m2）

（2）直筒段長度為10 m，則可降低的有效水容積V筒為：

V筒=0.43×10=4.3（m3）

1.2.2 計算汽包兩端合成的圓球體內水位下降250 mm的水容積V圓臺

（1）參照圖2所示，球體直徑1 800 mm。

（2）球體內陰影部分的體積，可視為一個圓臺的體積，圓臺的上半徑為D1，下半徑為D2，圓臺高H=250 mm。

V圓臺=1/3π×H×（D12+D22+D1×D2）

=1/3π×0.25×（0.894×0.894+0.829×0.829+0.894×0.829）

=1/3×3.14×0.25×2.227603

V圓臺≈0.58（m3）

1.2.3 計算汽包從水位計零位開始降低至-250 mm的水容積Q，等于直筒段的下降體積與球體部分的下降體積之和

Q=V筒+V圓臺=4.3+0.58=4.88（m3）

1.3 停泵后的有效響應時間

查閱鍋爐設計資料，鍋爐的額定蒸發量為437 t/h，折合蒸發速度U=0.121 389 m3/s。假設鍋爐在維持額定蒸發量不變的情況下，運行的給水泵出現故障跳閘，則在備用給水泵起動并恢復正常運行前，汽包水位從零位降低至停爐水位（-250 mm）可維持的時間T為：

T=Q/U=4.88/0.121 389

T≈40（s）

即鍋爐正常運行中，若給水泵出現故障跳閘，備用給水泵需要在40 s內完成起動并恢復到正常運行狀態，才能保證汽包水位不會降低至-250 mm，觸發聯鎖保護停爐。

本項目配置的泵組工頻起動的狀態下，自起動到額定參數運行不超過15 s，滿足40 s 的響應時間。但是給水泵是輔機里面最大功率的設備，其額定功率達4 700 kW，工頻起動電流將達到額定電流的5～7 倍，對電動機和電網的沖擊相當大。對于電動機，工頻起動很容易造成轉子鼠籠斷條和定子繞組開焊。據統計，約15%的電動機故障由直接起動引起，工頻起動也會造成電網電壓短時下降，干擾其他設備運行。若泵組采用變頻起動，起動電流一般小于電動機額定電流的10%，對電動機和電網都無影響。但是目前市面上比較成熟、先進的變頻器起動時間為50 s 左右，已經超過了備用泵組自啟的有效響應時間，這是造成鍋爐運行過程中一旦運行的給水泵出現故障跳閘，就會導致鍋爐停爐的主要原因。

2 分析與討論

2.1 采用雙泵組同時運行

參照國內600 MW 等級機組的常規配置，一般配置2 臺半容量的汽動給水泵，正常生產時2 臺泵組同時運行，優點是當其中一臺給水泵組出現故障停泵時，另一臺給水泵還能持續供水，保障機組在60%左右的額定負荷運行，一定程度上可降低機組非計劃停機的概率。但是雙泵并聯運行缺點也很明顯，與1臺全容量單泵運行相比，首先是系統配置復雜且無備用泵組，其次是運行經濟性差。國內已有多名學者通過項目對比驗證，結論是1 臺全容量給水泵組具有較高的經濟性和綜合效益［3］。經過討論，決定不采用雙泵組同時運行的方案。

2.2 變頻起動時間長的原因

變頻起動是一種電機起動方式，通過變頻器調整交流電的頻率、電壓來控制電機的轉速，利用變頻器控制三相交流電的輸出波形、頻率和電壓，改變電機轉速，實現電機的定速、變速、加速、減速、反轉等控制功能。變頻起動最大的優點是對主體系統安全，變頻起動器能夠避免傳統直接起動電機過載、過流等過程，減少了對電網的沖擊，提高了設備的安全可靠性，還可以延長電機的使用壽命。

由于水泵類負載轉動慣量比較大，采用變頻起動是比較安全的。但是變頻起動的缺點是過程較長，起動過程主要包括：起動順控、變頻器預充電、變頻器升速至最低頻率、繼續升速至設定頻率四個必要步驟。本項目使用的高壓變頻器一次示意圖見圖3。變頻器的硬件配置較好，但是起動第1步送高壓前，需要根據安全要求和反饋結果合變頻器輸入斷路器KM1、輸出斷路器KM2，最后合真空斷路器QF送高壓，此過程設備設定的總時間為10 s；第2步變頻器預充電過程通常為1～3 s；第3 步變頻器結合自身能力和工藝要求，升速至最低頻率30 Hz 時間為18 s；第4 步由最低頻率升速到50 Hz 時間為12 s。變頻起動還有一個功率的問題，在不考慮起動失敗等異常情況下，本項目給水泵變頻器常規起動的總時間為43 s，不能可靠滿足起動要求。

圖3 高壓變頻器一次示意圖

3 改進對策

3.1 開發備用泵組的變頻熱備功能

變頻起動可根據負載情況精確控制電機的轉速和負載匹配，使電機按照要求進行精確控制，但是受制于水泵類負載轉動慣量比較大，加上工藝對水泵的起動時間的要求非常嚴格，因此水泵起動與變頻器的加速時間匹配非常重要。本項目的變頻器升降速方式采用線性升降速方式，在升速的過程中，頻率與時間成線性關系。針對變頻起動的四個主要步驟，后面兩個步驟受制于水泵與電機本身的影響，已很難取得時間上的優化，只能在前兩個步驟上采取優化。經過反復的研究，我們開發了備用泵組變頻器熱備功能模塊，只要啟用熱備功能后，備用泵組變頻器直接起動至預充電完成，長期處于就緒狀態。一方面，運行泵組跳閘后備用泵組的變頻器可直接觸發升速過程，只需要30 s即可升速至滿負荷50 Hz，并且備用泵組變頻器的設定頻率全程實時跟蹤運行泵組的運行頻率，具備故障保存功能，運行泵組故障后備用泵組可直接升速到跳閘時的運行頻率；另一方面，由于順控和預充電已提前完成，極大提高了大容量變頻器的起動成功率。

3.2 變頻器熱備的實施效果

2022年6月份，利用發電機組停機檢修的機會，對給水泵變頻器熱備模塊進行了模擬靜態起動試驗，測試過程中從信號發出到上升至目標頻率只需要30 s。

2022 年9 月機組正常生產運行中，出現一次運行中的給水泵跳閘，備用給水泵變頻器在熱備下立即起動并在28 s 時達到故障跳閘水泵的原定頻率，汽包水位下降速度迅速減緩，并在第58 s 時開始回升。運行給水泵故障跳閘前汽包水位-1 mm，備用泵組起動后最低汽包水位下降至-71 mm，遠離-250 mm的停爐水位，保障了鍋爐及發電機組的正常運行。

4 結語

為了實現單元制汽輪發電機組在鍋爐給水泵出現故障跳閘后，備用給水泵能夠快速變頻起動，確保鍋爐不停爐，通過摸索在給水泵變頻器的備用方式上進行了應用創新。通過將給水泵變頻器從常規備用轉換為熱態備用，大幅縮短了備用給水泵的起動時間，實現了鍋爐給水泵跳閘不停爐。此方案為國內同行業機組的故障處理、設計優化、改造升級等提供了較好的應用借鑒。