1000MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能改造分析

釗學(xué)明 孫 磊 曲海英

山東鄒縣發(fā)電廠 山東 鄒縣 273522

0 引言

凝結(jié)水泵是汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備之一，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，凝結(jié)水量隨之變化。凝結(jié)水泵的合理選取，與火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著密切的關(guān)系。為了保證凝結(jié)水泵本身的安全、維持一定凝結(jié)水壓力和除氧器水位，凝結(jié)水泵的性能選擇通常要有一定的安全裕量。但在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)槟Y(jié)水泵安全裕量選取過大，造成凝結(jié)水泵運(yùn)行效率低，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。

某廠四期2×1000MW機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)50%容量凝結(jié)水泵，其中2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。兩臺(tái)凝結(jié)水泵能滿足機(jī)組各種運(yùn)行工況。當(dāng)運(yùn)行泵事故跳閘時(shí)，備用泵自動(dòng)投入運(yùn)行。泵的最小流量不超過額定流量的25%。采用調(diào)整除氧器水位調(diào)門開度調(diào)節(jié)除氧器水位。經(jīng)過凝結(jié)水泵升壓后的凝結(jié)水，通過除氧器水位調(diào)門后經(jīng)低加系統(tǒng)進(jìn)入除氧器。母管上的凝結(jié)水同時(shí)為凝雜水母管用戶提供水源，其中給水泵密封水對凝結(jié)水壓力要求較高。由于凝結(jié)水泵電機(jī)的容量本身裕量大，凝結(jié)水泵實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差，除氧器上水調(diào)門開度一般為40%左右，凝結(jié)水泵出口母管壓力較大，一般范圍為2～3MPa，導(dǎo)致凝結(jié)水泵偏離高效區(qū)運(yùn)行，大量浪費(fèi)電能。凝結(jié)水系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 凝結(jié)水系統(tǒng)圖

為降低凝結(jié)水泵電耗，夜間低負(fù)荷時(shí)運(yùn)行方式采用單凝結(jié)水泵運(yùn)行方式，即一運(yùn)二備運(yùn)行方式。不過單凝泵運(yùn)行措施必須在負(fù)荷低于520MW時(shí)才能實(shí)施，目前#7、8機(jī)組投入華北網(wǎng)調(diào)AGC，低負(fù)荷段一般在550MW以上且負(fù)荷變化大，無法實(shí)施單凝泵運(yùn)行措施，節(jié)能效果不明顯。因此，對凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行改造已是十分必要。

1 凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行分析

凝結(jié)水泵正常運(yùn)行工況：

a）流量 Q=1098m3／h（該流量為兩臺(tái)泵并泵后總流量的一半）

b）揚(yáng)程H=332m（該揚(yáng)程為兩臺(tái)泵并泵后的揚(yáng)程）

c）效率 η=84.5%，軸功率=1190kW

d）凝結(jié)水泵吸入壓力P=98.2kPa，出口壓力P=3.32 MPa

e）凝結(jié)水泵電機(jī)功率 W=1500kW，電流 A=102.4A

f）泵的必需汽蝕余量NPSHr≤3.6m（到泵首級(jí)葉輪中心線）

按照原設(shè)計(jì)該機(jī)組采用調(diào)整除氧器水位調(diào)門開度調(diào)節(jié)除氧器水位，機(jī)組投運(yùn)以來，在滿負(fù)荷工況下，凝結(jié)水泵出口壓力為2.62MPa，系統(tǒng)通過除氧器上水調(diào)門控制凝結(jié)水揚(yáng)程和流量，實(shí)際運(yùn)行中，各個(gè)工況下除氧器調(diào)門的開度情況如表1所示。

表1 1000MW機(jī)組凝結(jié)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1參數(shù)可知，除氧器水位調(diào)整門的開度比較小，尤其是主調(diào)整門的開度可以看出凝結(jié)水泵的揚(yáng)程有較大裕量。就是在接近額定負(fù)荷1000MW時(shí)，調(diào)門總開度只有50%，這樣會(huì)造節(jié)流損失增大，凝結(jié)水泵耗能增加，凝結(jié)水泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。

2 凝結(jié)水系統(tǒng)改造

2.1 凝結(jié)水泵變頻改造

由于凝結(jié)水泵采用定速運(yùn)行，出口流量只能由調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大、出口壓力大、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低、易發(fā)生漏泄，造成電能浪費(fèi)。為提高機(jī)組效率必須對凝結(jié)水泵進(jìn)行節(jié)能改造。現(xiàn)在凝結(jié)水泵節(jié)能改造主要有兩種方法：一是對凝結(jié)水泵進(jìn)行泵本體的性能匹配改造；二是進(jìn)行變速（如變頻）調(diào)節(jié)改造。經(jīng)分析討論，凝結(jié)水泵進(jìn)行泵本體的性能匹配改造不適應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)的要求，故1000MW凝結(jié)水泵采用變頻改造方案來實(shí)施節(jié)能改造。

某廠四期對A、C凝結(jié)水泵新安裝兩臺(tái)變頻裝置，B凝結(jié)水泵不改造僅作為緊急備用。正常運(yùn)行保持A、C兩臺(tái)凝泵變頻運(yùn)行方式，B凝泵備用，達(dá)到了節(jié)能的目的，并能有效降低設(shè)備投資。A、C凝結(jié)水泵新安裝兩臺(tái)變頻裝置都帶有旁路開關(guān)，變頻裝置故障時(shí)可以用旁路開關(guān)工頻運(yùn)行。新安裝兩臺(tái)空冷型SH-HVF系列Ⅲ型高壓變頻器，通過將廠用電源轉(zhuǎn)換為可變頻率、可變電壓的電源從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，避免了由設(shè)備設(shè)計(jì)余量大而導(dǎo)致“大馬拉小車”現(xiàn)象，使設(shè)備能耗大大降低，并有效降低了設(shè)備的啟動(dòng)電流，延長了設(shè)備壽命；避免了閥門調(diào)節(jié)過小導(dǎo)致的大量節(jié)流損失；功率因數(shù)由變頻前0.85左右提高到0.95以上，減少了線損；高壓變頻器本身損耗極小，整機(jī)效率在98%以上［1］，凝結(jié)水泵的安全性和經(jīng)濟(jì)性大幅提升。

2.2 1000MW機(jī)組A、C凝結(jié)水泵改為變頻控制運(yùn)行節(jié)電情況

1000MW機(jī)組A、C凝結(jié)水泵已經(jīng)投入變頻運(yùn)行方式后，變頻器運(yùn)行非常穩(wěn)定，但由于汽泵密封水由凝結(jié)水供給，密封水壓力低時(shí)汽泵密封水回水溫度升高、汽泵振動(dòng)增大等原因，凝結(jié)水母管壓力無法進(jìn)一步降低。汽泵密封水設(shè)計(jì)壓力為3.09～3.71MPa（a），設(shè)計(jì)密封水回水溫度為 65±5℃。 所以機(jī)組凝結(jié)水泵改造后凝結(jié)水母管壓力也只能降低至2.7MPa左右。

A、C凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行，兩臺(tái)凝結(jié)水泵變頻投入自動(dòng)，凝結(jié)水泵主控不投入自動(dòng)，除氧器上水調(diào)閥投入自動(dòng)，950MW負(fù)荷下，凝結(jié)水泵主控輸出96%左右，電流73/73A；550MW負(fù)荷下，凝結(jié)水泵主控輸出90%，凝結(jié)水泵電流52.4/52.1A，凝結(jié)水母管壓力2.85MPa?？梢钥闯鼍哂忻黠@的節(jié)能效果。

在目前負(fù)荷曲線下，兩臺(tái)凝結(jié)水泵工頻運(yùn)行每天約耗電66000kW·h，變頻運(yùn)行每天約耗電58000kW·h，變頻器室空調(diào)每天用電約700多kW·h，實(shí)際每天可節(jié)電約 7000 kW·h。效果和原來執(zhí)行的單凝泵運(yùn)行6小時(shí)相當(dāng)，不過單凝泵運(yùn)行措施必須在負(fù)荷低于520MW時(shí)才能實(shí)施，目前#7、8機(jī)組投入華北網(wǎng)調(diào)AGC，低負(fù)荷段一般在550MW，無法實(shí)施單凝泵運(yùn)行措施。

表2 凝泵在穩(wěn)定負(fù)荷段的每小時(shí)用電情況（度／小時(shí)）

2.3 某廠四期A、C凝泵改為變頻控制運(yùn)行后存在的問題

1）由于四期對凝結(jié)水母管壓力要求，特別是汽泵密封水對凝結(jié)水壓力的要求，所以不可能不考慮母管壓力的變化將除氧器上水調(diào)門全開，或保持在某一開度不變。經(jīng)過高、低負(fù)荷下的解除除氧器上水調(diào)閥自動(dòng)、投入凝泵變頻自動(dòng)試驗(yàn)來看，由于水位的波動(dòng)，凝泵變頻調(diào)整，由于除氧器水位變化具有一定的延遲性，綜合凝泵的電流變化情況，反而不如手動(dòng)保持在一個(gè)較低的凝泵主控輸出節(jié)約廠用電，而且由于凝泵變頻的調(diào)整導(dǎo)致凝結(jié)水母管壓力波動(dòng)偏大，影響安全?？刹捎贸跗魃纤{(diào)閥投入自動(dòng)控制除氧器水位，凝泵變頻主控手動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水母管壓力的運(yùn)行方式，通過這幾天的實(shí)際運(yùn)行，即使是在負(fù)荷變化大時(shí)，操作量也不是很大，而且能保證凝結(jié)水用戶的安全。

2）由于凝泵主控和除氧器上水調(diào)閥兩者只能有一個(gè)投入自動(dòng)運(yùn)行方式，在運(yùn)行中，值班人員節(jié)能的主觀能動(dòng)性將對凝泵變頻節(jié)能具有較大的影響，存在運(yùn)行人員調(diào)整不及時(shí)，影響凝結(jié)水泵耗電率增加的可能性。

3 凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化和改造

3.1 1000MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)增加管道升壓泵

1000MW機(jī)組（#7、#8機(jī)組）凝結(jié)水泵電機(jī)變頻改造后，凝結(jié)水泵耗電率約降低了0.12個(gè)百分點(diǎn)，現(xiàn)凝結(jié)水系統(tǒng)供除氧器水位調(diào)整閥仍存在較大的節(jié)流，在100%機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水供除氧器的供水調(diào)閥開度僅為50%左右，系統(tǒng)節(jié)流損失較大，特別是在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，節(jié)流損失更大，凝結(jié)水供除氧器的上水調(diào)閥開度僅為30%左右。

原因?yàn)槟Y(jié)水泵出口母管有一用戶供給水泵密封水（迷宮式密封方式），要求凝結(jié)水母管壓力不能低于2MPa。實(shí)際運(yùn)行中，為保證給水泵密封水安全余度，凝結(jié)水系統(tǒng)壓力按2.4 MPa控制，造成凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速無法再繼續(xù)降低，限制了凝結(jié)水系統(tǒng)壓力的降低，影響了凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器節(jié)電性能。由于凝結(jié)水用戶中汽泵密封水對于凝結(jié)水壓力要求非常高，造成凝結(jié)水壓力即使低負(fù)荷也無法降到很低，除氧器上水調(diào)閥開度無法保持全開或基本全開，變頻運(yùn)行的節(jié)能效果無法完全顯現(xiàn)。

為進(jìn)一步挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力，機(jī)組在A、C凝泵變頻運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上增加了管道升壓泵［2］，降低汽泵密封水對凝結(jié)水壓力的要求，從而降低凝結(jié)水壓力增大除氧器上水調(diào)門開度減少調(diào)門的節(jié)流損失，從而盡量降低凝結(jié)水泵出口壓力，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能降耗的目的。在凝結(jié)水泵出口母管上引出一路供給水泵密封水聯(lián)箱的管路（內(nèi)徑0.15m），在此管路上安裝二臺(tái)管道升壓泵，兩臺(tái)泵互為備用。在管道泵出口母管上加裝氣動(dòng)調(diào)整門，以給水泵密封水壓力為控制參數(shù)，當(dāng)給水泵密封水壓力偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，由密封水調(diào)整門來調(diào)整密封水壓力，以確保鍋爐給水泵的安全運(yùn)行。原給水泵密封水管路及調(diào)整門仍保持備用，在手動(dòng)門后增加一逆止門。改造后系統(tǒng)如下圖（圖2）：

圖2 凝結(jié)水系統(tǒng)給水泵密封水系統(tǒng)改造示意圖

3.2 1000MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻器最低轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)

在給水泵密封水管道上加裝管道升壓泵后，進(jìn)行了凝結(jié)水泵最低轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)，確定凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器允許運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速，即確定凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器最大節(jié)能潛力點(diǎn)。試驗(yàn)方法是在機(jī)組負(fù)荷70%以下，通過緩慢開大凝結(jié)水供除氧器水位調(diào)節(jié)閥，減少節(jié)流損失，逐步降低凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速，直到凝結(jié)水管道出現(xiàn)振動(dòng)情況，則說明凝結(jié)水流量已低到極限，凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速也是最低極限轉(zhuǎn)速；在實(shí)際凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速控制中至少比凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器最低轉(zhuǎn)速高50rpm，保留一定的調(diào)節(jié)裕量，以保證凝結(jié)水泵正常運(yùn)行。

3.3 1000MW機(jī)組凝結(jié)水泵聯(lián)泵定值控制優(yōu)化

現(xiàn)備用凝結(jié)水泵聯(lián)泵定值為1.7MPa，而當(dāng)給水泵密封水加裝管道升壓泵后，凝結(jié)水壓力可以降低至1.4MPa左右，而此時(shí)凝結(jié)水泵聯(lián)泵定值1.7MPa就限制了凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速的降低，即當(dāng)凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速降至凝結(jié)水母管壓力1.7MPa時(shí)，備用凝結(jié)水泵就聯(lián)啟，因此，為優(yōu)化凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器運(yùn)行方式，必須解決這一瓶頸。為解決這一問題，采用了備用凝結(jié)水泵聯(lián)泵定值隨著機(jī)組負(fù)荷變化的動(dòng)態(tài)值，此種方式有效降低了聯(lián)泵定值，同時(shí)也保證了備用凝結(jié)水泵的良好備用。

具體實(shí)施方式：備用凝結(jié)水泵的聯(lián)泵定值=除氧器壓力+凝結(jié)水泵至除氧器標(biāo)高+0.1PMPa（調(diào)整裕量），因?yàn)槌跗鲏毫﹄S著機(jī)組負(fù)荷變化而變化，即隨著機(jī)組負(fù)荷的升高而升高，反之，降低，這樣就實(shí)現(xiàn)了備用凝結(jié)水泵的聯(lián)泵定值隨機(jī)組負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的目的，即實(shí)現(xiàn)了隨著機(jī)組負(fù)荷降低，備用凝結(jié)水泵的聯(lián)泵定值也降低，這就解決了備用凝結(jié)水泵聯(lián)泵定值限制凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速降低的瓶頸。

3.4 1000MW機(jī)組凝結(jié)水泵運(yùn)行控制優(yōu)化

現(xiàn)凝結(jié)水泵電機(jī)變頻和調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)兩種除氧器水位調(diào)節(jié)方式由手動(dòng)切換改為自動(dòng)切換，即在機(jī)組負(fù)荷升高到除氧器調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到80%時(shí)除氧器水位自動(dòng)切換至凝結(jié)水泵電機(jī)變頻調(diào)節(jié)，當(dāng)凝結(jié)水泵電機(jī)變頻器降速至凝結(jié)水母管壓力低極限值時(shí)，除氧器水位調(diào)節(jié)自動(dòng)切換至調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)，通過完善邏輯，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷范圍內(nèi)除氧器水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，最大限度的降低凝結(jié)水泵耗電率。

表3 2014年5月凝泵電耗統(tǒng)計(jì)

3.5 某廠四期凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化后節(jié)能效果

通過5月份#7、#8機(jī)凝泵電耗對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，通過進(jìn)行管道升壓泵的節(jié)能改造，明顯降低了凝泵電耗，#7機(jī)組全月的凝泵電耗平均值為0.24%，#8機(jī)組全月的凝泵電耗平均值為0.21%，節(jié)能效果明顯。

3.3 增加汽泵密封水管道升壓泵后的經(jīng)濟(jì)性分析

按#7、#8機(jī)年累計(jì)發(fā)電量90億千瓦時(shí)計(jì)算，凝結(jié)泵耗電率降低0.03個(gè)百分點(diǎn)，僅增加管道升壓泵就可年節(jié)約廠用電量270萬千瓦時(shí)，按每度電0.44元計(jì)算，年節(jié)約利潤118.8萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)束語

通過對鄒電四期凝結(jié)水系統(tǒng)的不斷改造升級(jí)，通過高壓變頻器在1000MW機(jī)組上的成功應(yīng)用，從而充分發(fā)揮設(shè)備潛力，節(jié)能效果和機(jī)組控制品質(zhì)得到大幅提升。高壓變頻器在大型機(jī)組上的主要輔助設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用已經(jīng)是大勢所趨。

由于凝結(jié)水用戶中的汽泵密封水對凝結(jié)水壓力和控制邏輯的限制，造成高壓變頻器的節(jié)能潛力無法完全發(fā)揮，通過對汽泵密封水增加管道泵同時(shí)優(yōu)化控制邏輯，從而降低了凝結(jié)水壓力，節(jié)能改造效果明顯。此種方法可以在其他大型機(jī)組上相似情況下進(jìn)行應(yīng)用，值得推廣應(yīng)用。說明通過對機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，老舊機(jī)組仍有有很大的節(jié)能空間。無論是對于機(jī)組的安全性還是對于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性都具有積極意義。

［1］寧繼宏.凝結(jié)水泵采用變頻調(diào)速裝置節(jié)能分析［J］.沿海企業(yè)與科技，2009，（1）.

［2］劉乃明，宗學(xué)魯.鄒縣三期工程水源地輸水管道特性及升壓泵的節(jié)能耗改造［C］.第三屆全國火電建設(shè)學(xué)術(shù)研討會(huì)，2000.