火力發(fā)電廠給水泵的優(yōu)化研究

趙寶君

（國(guó)家電力投資集團(tuán)公司阜新發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧阜新 123003）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，火力發(fā)電廠給水泵的使用越來越廣泛，對(duì)于給水泵的要求也越來越高。諸多發(fā)電廠結(jié)合以往的汽輪發(fā)電機(jī)組工程在系統(tǒng)設(shè)置和設(shè)備選型中的不足以及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，針對(duì)給水泵在運(yùn)行過程中存在的安全、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性問題進(jìn)行了系統(tǒng)性優(yōu)化。從整體來看，國(guó)內(nèi)對(duì)火電廠給水泵的研究起步較晚，但是部分火電廠對(duì)給水泵的研究已經(jīng)形成一些相對(duì)成熟、完善的方案，可以讓給水泵在使用過程中使用能量階梯，減少能量損失，同時(shí)機(jī)組可以不再依靠給水泵的壓力以及流量來調(diào)節(jié)負(fù)荷。

1 給水泵運(yùn)行方式

阜新發(fā)電有限責(zé)任公司二廠有2臺(tái)200 MW萬機(jī)組和2臺(tái)350 MW機(jī)組。200 MW機(jī)組給水泵是1運(yùn)1備。350 MW機(jī)組是汽泵運(yùn)行，電泵備用。設(shè)備在運(yùn)行時(shí)采用的先進(jìn)行相關(guān)工作人員的培訓(xùn)，然后對(duì)相關(guān)使用設(shè)備進(jìn)行使用前的安全檢查，在火電廠各項(xiàng)設(shè)備啟動(dòng)以前，必須按照相關(guān)要求正確穿戴好工作服，認(rèn)真仔細(xì)的確保各種裝置處于安全可靠的狀態(tài)。在大工作部件工作時(shí)，先檢查周圍是否有障礙物，保護(hù)機(jī)械的正常工作，一旦機(jī)械正常運(yùn)作是，嚴(yán)禁在其工作時(shí)上油以及清除鐵屑，不準(zhǔn)用手去觸摸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，務(wù)必嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行儀器的操作，在機(jī)械停止工作進(jìn)行檢修時(shí)務(wù)必保證電源處于斷開的工作狀態(tài)。一般火電廠給水泵采用1運(yùn)1備的母管制運(yùn)行方式，通過在使用過程中再循環(huán)的方式調(diào)整給水冷母管壓力（圖1）。

圖1所示系統(tǒng)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制比較容易并且操作人員可以進(jìn)行集中控制，不足之處在于損耗較大，特別是在鍋爐改造過程中，會(huì)出現(xiàn)蒸汽流量下降的情況。

給水泵的調(diào)節(jié)方式較多，有回流調(diào)節(jié)、節(jié)流調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)等，其中變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用比較廣泛。近年來，變頻技術(shù)有調(diào)速范圍廣、能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速等優(yōu)點(diǎn)，因此在火電廠的應(yīng)用越來越多。對(duì)大功率旋轉(zhuǎn)機(jī)械變頻控制技術(shù)改造后，對(duì)電廠的節(jié)能減排有重要作用。

圖1 給水泵系統(tǒng)

2 火力發(fā)電廠給水泵的優(yōu)化改造方案

2.1 給水泵液力耦合器改造

目前，很多火電廠給水泵耦合器改造方案是采用將液力耦合器改變成工變頻切換型多功能液力耦合器的方法，給水泵的液力耦合器經(jīng)過改變之后會(huì)大大提升給水泵的效率。當(dāng)前，已經(jīng)研發(fā)出2種相互切換的液力耦合系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)2種功能：一是在工頻運(yùn)行狀態(tài)下的耦合器調(diào)速功能，二是在變頻工況下的調(diào)速功能。

在火電廠的實(shí)施方案中，可以利用液力耦合器將給水泵的內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性改造，將過去液力耦合器的原潤(rùn)滑華裝置改裝成與耦合器相結(jié)合的工作油泵。實(shí)際的給水泵運(yùn)行過程中，必須使2臺(tái)泵處于潤(rùn)油狀態(tài)，并且是1運(yùn)1備，運(yùn)行時(shí)要保證給水泵新增的潤(rùn)滑油泵以及工作泵的安裝位置可選，一般應(yīng)選在與液力耦合器油箱的距離比較近的位置，這樣可以防止液力耦合器對(duì)油泵產(chǎn)生倒灌，不僅便于液力耦合器在泵運(yùn)行狀態(tài)下的相互切換，也便于泵的安全使用。

2.2 給水泵前置泵改造

目前火電廠給水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方案，多數(shù)采用水泵電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)變速運(yùn)行方案，前置泵同軸運(yùn)行的必要條件就是使離心泵不發(fā)生空化，不發(fā)生空化的充分必要條件是有效汽蝕余量必須大于必須汽蝕余量。在給水泵的運(yùn)行過程中，必須根據(jù)前置泵的理論計(jì)算對(duì)給水泵外特性曲線進(jìn)行相關(guān)分析，在設(shè)計(jì)前，必須保證給水泵的有效汽蝕余量大于其必須汽蝕余量。

2.3 變頻器配套改造

很多發(fā)電廠給水泵采用變頻1拖2的方案，電氣線路見圖2。方框中的設(shè)備就是為實(shí)現(xiàn)變頻方案而增加的設(shè)備。該方案運(yùn)行比較靈活，每臺(tái)泵可以實(shí)現(xiàn)變頻和工頻2種情況的變頻，可以在工作狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)下切換。根據(jù)工作使用條件可以確定切換狀態(tài)。正常的運(yùn)行方式可以為1臺(tái)給水泵變頻使用，1臺(tái)給水泵工頻使用，這種聯(lián)鎖啟動(dòng)模式可以提高效率、節(jié)約運(yùn)行成本。具體操作流程如下。

（1）斷開QF1開關(guān)，在此狀態(tài)下合上隔離刀閘QS1，變頻位置上必須要有QS3隔離刀閘。當(dāng)變頻器充電完成后，系統(tǒng)會(huì)在自動(dòng)提示下自動(dòng)完成合上開關(guān)QF1，電機(jī)在變頻器的帶動(dòng)下自動(dòng)運(yùn)行。

（2）變頻器的切換變頻操作過程。首先變頻器處于停止工作狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開QF1，同時(shí)工頻位置有QS3隔離刀閥，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷開隔離刀閘QS1。在此狀態(tài)下合上QF1，電機(jī)處于工頻的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）工頻變換器的操作過程。先斷開QF1，再合離刀閘QS1，將QS3隔離刀閘投至變頻位置，當(dāng)充電完成后自動(dòng)合上，此時(shí)變頻電動(dòng)機(jī)處于變頻運(yùn)行的工作狀態(tài)。

（4）當(dāng)變頻器運(yùn)行一段時(shí)間后需要對(duì)變頻器進(jìn)行定期的檢修，在進(jìn)行變頻器的檢修時(shí)需要首先斷開QF1，QF2，并把開關(guān)搖至實(shí)驗(yàn)位置，開關(guān)QS3，QS4處于工頻位置，斷開QS1和QS2。

圖2 電氣一次接線圖

3 給水泵組變頻改造效益分析

3.1 性能分析

單臺(tái)給水泵在變頻運(yùn)行工況條件時(shí)，部分火電廠都是通過變速調(diào)節(jié)來減少流量，以便大大降低水泵的功率消耗，在對(duì)給水泵的系統(tǒng)調(diào)節(jié)改造后，發(fā)現(xiàn)機(jī)械在停機(jī)氫氣的轉(zhuǎn)換過程中沒有出現(xiàn)氫氣轉(zhuǎn)換成空氣不合格的現(xiàn)象，氫氣管路以及氫氣控制系統(tǒng)在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)操作簡(jiǎn)便，并且操作快速，連接緊密。

3.2 運(yùn)行工況與電源系統(tǒng)

某公司的2900 MW超臨界機(jī)組，其給水泵系統(tǒng)沿用國(guó)內(nèi)的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)方案。實(shí)際運(yùn)行后，該水泵的一些性能不太齊全，如：?jiǎn)⑼７爆?、鍋爐的水動(dòng)力穩(wěn)定性差；水泵按照設(shè)計(jì)流量的30%運(yùn)行時(shí)效果沒有40%的好；大型高壓給水泵的運(yùn)行保護(hù)比較復(fù)雜等。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)與優(yōu)化，機(jī)組邊界保護(hù)技術(shù)慢慢形成，工作區(qū)域如圖3所示。圖3中的最高和最低速對(duì)應(yīng)其上下邊界，在運(yùn)行狀態(tài)下一旦達(dá)到泵的設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，保護(hù)模式開啟。由于泵的運(yùn)行工況設(shè)計(jì)點(diǎn)很難越過邊界，在水泵的并列運(yùn)行中，給水泵的運(yùn)行情況變化比較復(fù)雜，極易觸及到邊界點(diǎn)，造成水泵跳閘。在調(diào)試及運(yùn)行過程中，有很多的MFT（Main Fuel Trip，主燃燒跳閘）是水泵跳閘引起的。每次機(jī)組啟動(dòng)后，待機(jī)負(fù)荷逐漸上升，為了使機(jī)組的負(fù)荷減小得最少，需要2臺(tái)機(jī)組的并列運(yùn)行。在機(jī)組運(yùn)行過程中，機(jī)組啟動(dòng)及負(fù)荷操作的過程較復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 給水泵的工作區(qū)域和邊界

給水泵容量按照BMCR（Boiler Maximum Continue Rate，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況下不停爐不停機(jī)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)流量即為高壓旁路減溫水流量和設(shè)計(jì)流量之和。通常給水輪機(jī)配置2個(gè)開關(guān)閥門，在額定工況下，通常設(shè)置2個(gè)閥門，運(yùn)行流量一般僅為設(shè)計(jì)流量的80%，有1個(gè)閥門必然處于嚴(yán)重節(jié)流狀態(tài)，這使得運(yùn)行效率明顯降低。

機(jī)組剛開始投入運(yùn)行階段，系統(tǒng)真空性能較好，運(yùn)行一段時(shí)間后真空逐漸下降。排查發(fā)現(xiàn)，小汽缸中側(cè)面漏氣，導(dǎo)致主汽輪的真空下降。

調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，電泵短路時(shí)修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一旦出口裝調(diào)汽閥位啟動(dòng)，汽泵運(yùn)行系統(tǒng)將會(huì)崩潰，導(dǎo)致不能正常啟動(dòng)給水泵。正常啟動(dòng)水泵后，如果可以采取汽泵啟動(dòng)，那么在給水泵的正常運(yùn)作過程中可以節(jié)省10 t的汽量。

4 結(jié)論

火電廠的給水泵經(jīng)過優(yōu)化后，特別是經(jīng)過變頻調(diào)節(jié)后，保證了鍋爐的實(shí)際運(yùn)行工況的穩(wěn)定性，效益明顯提高，值得推廣與應(yīng)用。