330MW機(jī)組汽泵低速啟動(dòng)全程調(diào)速上水方式研究

北方聯(lián)合電力金橋熱電廠 陳 超 石 磊 北方聯(lián)合電力達(dá)拉特發(fā)電廠 王燕龍 關(guān)志成

節(jié)能降耗水平是發(fā)電企業(yè)技術(shù)及管理水平追求的重要指標(biāo)，關(guān)系發(fā)電企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力及盈利能力。隨著電力市場(chǎng)化的推進(jìn)，燃煤機(jī)組峰谷消納電量頻繁啟停，各燃煤機(jī)組電廠節(jié)能降耗水平有較大提升空間。燃煤機(jī)組利用汽泵在機(jī)組啟動(dòng)過程中全程上水，具有一定的節(jié)能空間和安全效益，從啟動(dòng)全程汽泵上水過程中遇到的問題出發(fā)，分析并提出相關(guān)對(duì)策并進(jìn)行討論。

某發(fā)電廠鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG-1018/18.55—M864型鍋爐，在最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）工況下，給水流量為1018t/h，電泵單臺(tái)泵運(yùn)行滿足60%BMCR 工況需求，單臺(tái)電泵的額定功率和電流分別為8700kW、876A。按照機(jī)組原先設(shè)計(jì)方案，在機(jī)組啟動(dòng)鍋爐上水時(shí)先啟動(dòng)電泵，由電泵向鍋爐上水。機(jī)組并網(wǎng)帶至一定負(fù)荷后，再啟動(dòng)汽泵，電泵停運(yùn)作為備用。因此，機(jī)組在啟動(dòng)、電泵運(yùn)行過程中，耗電較大。為了進(jìn)一步挖掘機(jī)組啟機(jī)過程中節(jié)能潛力，因此提出了機(jī)組從啟動(dòng)到正常運(yùn)行完全用汽泵代替電泵上水方案。

1 可行性分析

1.1 機(jī)組給水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某發(fā)電廠鍋爐給水系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)汽泵和2臺(tái)電泵，其中汽泵容量為100%，每臺(tái)電泵容量為60%。給水泵汽輪機(jī)為單缸、雙排汽、凝汽式，汽源分為兩路，分別為五段抽汽和輔汽。機(jī)組在正常運(yùn)行過程由主機(jī)五段抽汽作為汽泵汽源，輔汽作為備用汽源，當(dāng)調(diào)試時(shí)或機(jī)組啟動(dòng)時(shí)則由輔汽作為汽泵汽源，小機(jī)排汽通過排汽管道和排汽蝶閥排入大機(jī)凝汽器中。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)電泵，負(fù)荷達(dá)30%時(shí)，再啟動(dòng)汽泵，汽泵運(yùn)行正常后停運(yùn)電泵；這個(gè)過程，電泵運(yùn)行8～10h，消耗大量廠用電。汽泵需要提前進(jìn)行暖機(jī)，限制了機(jī)組升負(fù)荷，延長(zhǎng)了啟動(dòng)時(shí)間。這個(gè)過程耗時(shí)1h 左右，消耗啟動(dòng)燃油，遲滯機(jī)組并網(wǎng)漲負(fù)荷時(shí)間。

1.2 即往耗能分析

汽泵低速啟動(dòng)全程調(diào)速上水主要目的是降低電泵的用電量。本文對(duì)2017—2022年機(jī)組啟動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)確定：在上水初期流量較低，電泵電流為165A。即每小時(shí)耗電為：1=cos=1.732×6.3×165×1×0.91=1638.38kW ≈1 600kW。每次啟機(jī)電泵用時(shí)10h 計(jì)算：共計(jì)節(jié)約1600×10=16000kW。

1.3 節(jié)能分析（定性分析）

分別對(duì)電泵啟動(dòng)和汽泵啟動(dòng)進(jìn)行節(jié)能性分析：第一種情況，使用電泵啟動(dòng)時(shí)，能量流經(jīng)環(huán)節(jié)分為6步：燃煤中的化學(xué)能→鍋爐蒸汽能量→汽輪機(jī)機(jī)械能→發(fā)電機(jī)電能→電泵電機(jī)→電泵。第二種情況，使用汽泵啟動(dòng)時(shí)，能量流經(jīng)環(huán)節(jié)分為4步：燃煤中的化學(xué)能→鍋爐蒸汽能量→小汽輪機(jī)→汽泵。通過上面兩種情況的比較，機(jī)組啟動(dòng)過程中使用電泵上水要比使用汽泵上水多出兩個(gè)環(huán)節(jié)。從定性角度分析，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)越多，損失就越多，因此機(jī)組啟動(dòng)過程中使用汽泵給鍋爐上水要比使用電泵上水更節(jié)能。

1.4 理論分析（定量分析）

從定量角度分析，在機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)過程中，分別選定電泵運(yùn)行和汽泵運(yùn)行兩種工況，使電泵和汽泵的出力相同，從而衡量出單位時(shí)間內(nèi)電泵所耗電功率和汽泵所耗能量的大小。

第一種工況：電泵啟動(dòng)運(yùn)行方式，其能耗計(jì)算如下：電泵流量為Q，電機(jī)電流為I，電壓為U，功率因數(shù)為cosΦ，則電耗為：

第二種工況：汽泵啟動(dòng)運(yùn)行方式，其能耗計(jì)算如下：設(shè)汽泵運(yùn)行中上水流量為Q，汽泵小機(jī)的蒸汽流量為q 蒸汽，汽泵入口蒸汽的焓值為?1，汽泵排汽的焓值為?2，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，每1kg 蒸汽在小機(jī)做的功w=h1-h2，也就是說單位時(shí)間t內(nèi)，流量為q 蒸汽做的功W 為：

這就是汽泵汽輪機(jī)消耗功率S=W/t。因此，可以得出：

機(jī)組啟動(dòng)過程中，電泵與汽泵分別給鍋爐上水時(shí)能耗對(duì)比：設(shè)汽泵與電泵的能耗比為K，則：

如果K ＜1，則說明汽泵啟動(dòng)方式較電動(dòng)給泵啟動(dòng)方式消耗能量小，更為節(jié)能。

機(jī)組啟動(dòng)過程中使用電泵上水與使用汽泵水時(shí)實(shí)際功耗計(jì)算如下（電泵與汽泵出力相同情況下）：使用電泵上水時(shí)，給水流量為701t/h，給水泵出口母管壓力為12.62MPa，電泵電流為520A，6kV廠用電母線電壓為6.3kV，電機(jī)的功率因cosφ 為0.91。使用汽泵上水時(shí)，給水流量為701t/h，給水泵出口母管壓力為12.90MPa，汽泵汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為0.62MPa，進(jìn)汽溫度為361℃，汽泵排汽壓力為0.0052MPa，排汽溫度為33℃，蒸汽流量為28.3t/h，（換算為7.82kg/s），對(duì)比水蒸汽的焓熵圖找到h1=3187.7kJ/kg，h2=2560.8kJ/kg,將以上數(shù)據(jù)帶入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2）/U×I×cosφ=7.82×（3187.7-2560.8）/（×6.3×550×0.91）≈0.897，此工況下汽泵運(yùn)行可以節(jié)約10.3%的能量。

使用電泵給鍋爐上水，當(dāng)其出力達(dá)到電廠最大設(shè)計(jì)值時(shí)，功率接近額定值。而使用汽泵上水時(shí)，調(diào)節(jié)其出力，直至與電泵上水工況下有相近的給水流量和上水壓力，采集到汽動(dòng)給水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)為流量866t/h，給水泵出口母管壓力18.6MPa，給水出口母管壓力與電動(dòng)給水泵運(yùn)行時(shí)的最大值相符。汽泵汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力0.750MPa，進(jìn)汽溫度363.2℃，排汽壓力0.0051MPa，溫度33℃，蒸汽流量為7.67t/h（換算為10.461kg/s），查水蒸氣的焓熵圖得出h1=3189.1kJ/kg，h2=2560.7kJ/kg。

將以上數(shù)據(jù)代入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2)/U×I×cosφ=10.461×（3189.1-2560.7）÷8800≈0.747。此工況下汽泵運(yùn)行可以節(jié)能25.3%。由上述兩種工況的對(duì)比計(jì)算還可以看出，給水泵出力越大，汽泵較電泵更具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)。即使用汽泵全程上水每小時(shí)＜E=U×I×cosφ=1600kW。

2 確定最佳方案

2.1 設(shè)計(jì)初步思路

從上文分析可以看出在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，使用汽泵給鍋爐上水較使用電泵給鍋爐上水更能降低能耗。而在機(jī)組啟動(dòng)過程中隨著給水泵出力的增加，這種節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯。而且在機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷后無需再進(jìn)行汽泵暖泵啟動(dòng)、接帶出力、停運(yùn)電泵等一系列操作，操作量小，同時(shí)對(duì)機(jī)組的快速安全啟動(dòng)也有一定幫助。

但是使用汽泵啟動(dòng)給鍋爐上水也存在一定弊端：汽泵接帶出力時(shí)的轉(zhuǎn)速最小為3000r/min，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的汽泵出口壓力約9.5MPa，而鍋爐啟動(dòng)初期的壓力約為0～8MPa。由于汽泵出口壓力與鍋爐壓力差較大，所以增大了對(duì)汽泵的調(diào)節(jié)難度，給水流量不易控制，對(duì)機(jī)組啟動(dòng)過程中鍋爐汽包水位的調(diào)節(jié)造成困難，對(duì)機(jī)組啟動(dòng)不利。

2.2 改進(jìn)措施

一是全開汽泵再循環(huán)調(diào)門，通過再循環(huán)管道來降低給水壓力和主給水流量。二是鍋爐啟動(dòng)初期壓力較低時(shí)，通過調(diào)節(jié)省煤器入口電動(dòng)門的開度來控制進(jìn)入鍋爐的給水量。雖然采取上述措施能夠較好地控制給水流量和汽包水位，同時(shí)也較電泵節(jié)能，但節(jié)能效果不明顯。

原因如下：一是汽泵再循環(huán)調(diào)門全開會(huì)使部分給水在給水系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，而調(diào)節(jié)省煤器入口電動(dòng)門開度則存在節(jié)流，兩種情況均會(huì)使能量損失造成浪費(fèi)。二是機(jī)組啟動(dòng)過程中通過調(diào)節(jié)省煤器入口電動(dòng)門開度來控制進(jìn)入鍋爐的給水，該方法仍不能對(duì)給水進(jìn)行快速、靈活調(diào)節(jié)，給水流量不易控制，易造成汽包水位太低或太高情況。

2.3 優(yōu)化方案產(chǎn)生問題

2.3.1 鍋爐啟動(dòng)過程中調(diào)節(jié)給水流量時(shí)

鍋爐啟動(dòng)過程中調(diào)節(jié)給水流量時(shí)，要使上水流量大于鍋爐所需最小流量，以保證鍋爐受熱面管壁內(nèi)工質(zhì)的連續(xù)流動(dòng)，并能帶走燃料燃燒的熱量，確保受熱面的安全。鍋爐在啟動(dòng)上水過程中，還要滿足一次受熱面流量沖洗，僅依靠前置泵給水流量較低，不能滿足沖洗要求。如果在啟動(dòng)初期就使用汽泵給鍋爐上水，則由于給水流量太大不易控制，若調(diào)節(jié)汽泵至合適的啟動(dòng)流量時(shí)，又由于小汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)用汽量太少，給小機(jī)的調(diào)節(jié)帶來困難，此外小機(jī)由于冷卻流量較小，排汽溫度也有可能較高。同時(shí)，在機(jī)組啟動(dòng)鍋爐升溫升壓期間，須確保小機(jī)小流量沖轉(zhuǎn)時(shí)給水流量的線性調(diào)整。

2.3.2 機(jī)組啟動(dòng)過程中

機(jī)組啟動(dòng)過程中，小機(jī)一般使用輔汽進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。而輔汽聯(lián)箱用戶較多且機(jī)組啟動(dòng)過程中用汽量不穩(wěn)定，此時(shí)輔汽由其他運(yùn)行機(jī)組提供，由于鄰機(jī)的負(fù)荷變化、鄰機(jī)輔汽用戶的變化，都會(huì)導(dǎo)致輔汽聯(lián)箱壓力波動(dòng)，造成小機(jī)進(jìn)汽不易調(diào)節(jié)，給水流量發(fā)生發(fā)散性波動(dòng)，汽包水位與主再熱汽溫波動(dòng)較大。機(jī)組并網(wǎng)以后，汽泵汽源則切至本機(jī)五段抽汽來供，要求汽源切換過程壓力、溫度變化平緩。

由于機(jī)組啟動(dòng)時(shí)輔聯(lián)保持較高壓力約為0.80MPa，而此時(shí)五段抽汽壓力僅為0.35MPa 左右，兩路汽源壓差較大，如果直接切換會(huì)造小機(jī)進(jìn)汽壓力突變，給水流量大幅發(fā)散式波動(dòng)；同時(shí)，由于切換時(shí)輔汽與五段抽汽的壓力差較大，容易造成高壓汽源串入低壓汽源，從而導(dǎo)致汽泵進(jìn)汽量大幅降低、汽泵出力下降，汽包水位甚至可能低于保護(hù)定值下限，機(jī)組因此發(fā)生鍋爐側(cè)主燃料跳閘（Main FuelTrip，MFT），機(jī)組啟動(dòng)過程被迫中斷。

2.3.3 小機(jī)排汽溫度應(yīng)進(jìn)行調(diào)整

如果完全依靠前置泵機(jī)組啟動(dòng)上水，給水流量不能滿足鍋爐啟動(dòng)最小流量要求，只有汽泵沖轉(zhuǎn)接帶負(fù)荷滿足鍋爐啟動(dòng)最小給水流量。但機(jī)組啟動(dòng)初期，小機(jī)一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，輔聯(lián)壓力相對(duì)較高，小機(jī)沖轉(zhuǎn)進(jìn)汽量相對(duì)較少，不能帶走未級(jí)葉片由于鼓風(fēng)所產(chǎn)生的熱量，排汽溫度將會(huì)較高。這種現(xiàn)象在小機(jī)剛沖轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速在1200r/min 以下時(shí)更為明顯。

2.4 優(yōu)化方案解決方法

保證輔汽壓力穩(wěn)定維持在0.70MPa 左右。隨時(shí)和鄰機(jī)溝通，確保鄰機(jī)在調(diào)整負(fù)荷、輔汽用戶時(shí)，本機(jī)組能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，盡可能減少輔汽壓力的波動(dòng)。及時(shí)將五段抽汽至小機(jī)供汽管道進(jìn)行疏水、暖管，投入備用，以提高汽泵運(yùn)行的可靠性。

進(jìn)行小機(jī)汽源切換時(shí)，盡可能保證兩路汽源壓力相近。緩慢調(diào)整輔汽汽源確保汽泵運(yùn)行穩(wěn)定、給水流量波動(dòng)較小。待兩路汽源壓力相近、給水流量穩(wěn)定后進(jìn)行切換，這樣可以避免給水流量波動(dòng)大問題，防止給水流量大幅擾動(dòng)。

控制小機(jī)排汽溫度正常。主要有三點(diǎn)措施：一是機(jī)組啟動(dòng)初期盡量保持較高的鍋爐啟動(dòng)壓力，以保證一定的給水壓頭阻力。二是適當(dāng)提高機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的背壓，降低小機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的輔汽壓力，以增加機(jī)組啟動(dòng)初期小機(jī)的進(jìn)汽流量。三是盡量縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，在規(guī)程規(guī)定的安全范圍內(nèi)，加快鍋爐的升溫升壓速度。通過以上措施，可以保障機(jī)組啟動(dòng)時(shí)小機(jī)排汽溫度在額定范圍內(nèi)。

3 效果分析

2023年3月12日2:45根據(jù)4號(hào)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，鍋爐開始冷態(tài)上水，2:49啟動(dòng)4號(hào)機(jī)組汽泵前置泵，鍋爐上水流量55.37t/h。8:37上水至汽包水位179mm。使用汽泵在機(jī)組冷態(tài)及鍋爐低壓階段上水成功，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)當(dāng)給水流量60t/h 時(shí)，汽泵前置泵電流為14A，如果此時(shí)用電泵給鍋爐上水，電流平均為165A。

4 結(jié)論

通過不斷摸索和改進(jìn)，并針對(duì)性機(jī)組啟動(dòng)中的試驗(yàn)，已能做到此類型鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)全程使用汽泵向鍋爐上水，電泵處于停用備用狀態(tài)，達(dá)到了降低機(jī)組啟動(dòng)降低廠用電，提高子機(jī)組運(yùn)行整體經(jīng)濟(jì)性。這種機(jī)組啟動(dòng)全程汽泵上水方式取得較好的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)也取得了較好的社會(huì)效益。