熱網(wǎng)循環(huán)水泵組存在的問(wèn)題及優(yōu)化

宗緒東

(華電國(guó)際電力股份有限公司 技術(shù)服務(wù)分公司，濟(jì)南 250014)

0 引言

節(jié)能減排是我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策，對(duì)于發(fā)電企業(yè)，熱電聯(lián)產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施。在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中，熱網(wǎng)首站是重要構(gòu)成元素，包括熱網(wǎng)加熱器、循環(huán)水泵、疏水泵等設(shè)備。熱網(wǎng)循環(huán)水泵的作用是輸送熱水，其工作狀況直接影響供熱的安全性和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)有熱網(wǎng)循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)方式主要由電機(jī)帶動(dòng)或小汽輪機(jī)帶動(dòng)[1-2]：電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要消耗大量電功，增加了用電成本，引起供電煤耗上升；采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用了中低壓蒸汽具有一定做功能力的特點(diǎn)，小汽輪機(jī)的排汽熱用于回收供熱，不僅減少了用電成本，還降低了機(jī)組供電煤耗，大大增強(qiáng)了供熱的經(jīng)濟(jì)性[3]。

本文對(duì)中國(guó)華電集團(tuán)山東分公司9個(gè)供熱電廠開(kāi)展調(diào)研和診斷，針對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)水泵組運(yùn)行中存在的諸多問(wèn)題，進(jìn)行系統(tǒng)的原因分析，制定優(yōu)化改造方案。

1 熱網(wǎng)循環(huán)水泵組安全性問(wèn)題及優(yōu)化

1.1 熱網(wǎng)循環(huán)水泵汽蝕損壞

1.1.1 案例分析

部分電廠在供熱期間，熱網(wǎng)循環(huán)水泵出力逐漸下降。供熱季結(jié)束后，解體檢查發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水泵葉輪汽蝕嚴(yán)重。修復(fù)后，在下一個(gè)供熱季重復(fù)發(fā)生此類問(wèn)題。

1.1.2 原因分析

循環(huán)水泵葉輪汽蝕損壞，主要原因是熱網(wǎng)補(bǔ)水泵運(yùn)行方式不合理?，F(xiàn)場(chǎng)查閱歷史趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)水泵只在初期熱網(wǎng)注水時(shí)運(yùn)行，供熱期間始終處于停止?fàn)顟B(tài)。補(bǔ)水泵具有補(bǔ)水和恒壓兩個(gè)作用，正常運(yùn)行中因熱網(wǎng)的原因，熱網(wǎng)回水壓力經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口壓力低于汽蝕壓力時(shí)，葉輪發(fā)生汽蝕。對(duì)于單級(jí)雙吸泵，吸入側(cè)壓力會(huì)瞬間急劇降低，導(dǎo)致循環(huán)水泵出力下降，長(zhǎng)期運(yùn)行必然導(dǎo)致葉輪汽蝕、損壞。

1.1.3 優(yōu)化方案

熱網(wǎng)循環(huán)水泵啟動(dòng)后，熱網(wǎng)補(bǔ)水泵應(yīng)保持連續(xù)運(yùn)行。為節(jié)約廠用電，補(bǔ)水泵電機(jī)應(yīng)選擇變頻控制。調(diào)節(jié)沖量為熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口壓力，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，保持熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口壓力恒定。按上述方案整改后，熱網(wǎng)循環(huán)水泵未再發(fā)生汽蝕損壞。

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)水泵電機(jī)、軸承損壞

1.2.1 案例分析

部分電廠經(jīng)常發(fā)生熱網(wǎng)循環(huán)水泵電機(jī)或軸承過(guò)熱損壞現(xiàn)象，以某電廠#2熱網(wǎng)循環(huán)水泵為例，運(yùn)行中當(dāng)出口閥開(kāi)至1/4時(shí)，電機(jī)電流超過(guò)額定值，運(yùn)行中只能作為備用。2016年12月15日，#1循環(huán)水泵跳閘，#2循環(huán)水泵聯(lián)啟運(yùn)行5 min后跳閘，現(xiàn)場(chǎng)檢查電機(jī)線圈燒損。

1.2.2 原因分析

循環(huán)水泵、電機(jī)容量不匹配，揚(yáng)程設(shè)計(jì)過(guò)大，導(dǎo)致很大一部分消耗在了水泵出口閥的節(jié)流損失上。

1.2.3 優(yōu)化方案

循環(huán)水泵、電機(jī)在選型配置時(shí)，兩者容量應(yīng)匹配。該電廠對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行了切削，降低了揚(yáng)程，更換了1臺(tái)電機(jī)，啟動(dòng)后運(yùn)行正常。

2 熱網(wǎng)循環(huán)水泵組經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題及優(yōu)化

2.1 熱網(wǎng)循環(huán)水泵運(yùn)行效率低

2.1.1 案例分析

部分電廠熱網(wǎng)循環(huán)水泵運(yùn)行效率低，泵組系統(tǒng)效率降低，導(dǎo)致電機(jī)耗電率升高或小汽輪機(jī)耗汽量增加，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。

2.1.2 原因分析

熱網(wǎng)循環(huán)水泵選型配置不當(dāng)，揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力不匹配，揚(yáng)程過(guò)大，導(dǎo)致循環(huán)水泵運(yùn)行效率降低。對(duì)于采用節(jié)流出口閥方式進(jìn)行調(diào)節(jié)的電動(dòng)循環(huán)水泵，循環(huán)水泵效率進(jìn)一步降低。

2.1.3 優(yōu)化方案

對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行切削或更換高效葉輪，使其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力匹配，達(dá)到最佳工況點(diǎn)。

2.2 熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗電率高

2.2.1 案例分析

電機(jī)驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要有定速、液力偶合器、變頻調(diào)節(jié)3種方式，不管哪種調(diào)節(jié)方式，供熱季的廠用電率均會(huì)上升0.3百分點(diǎn)以上，其中變頻調(diào)節(jié)耗電率<液力耦合器調(diào)節(jié)耗電率<定速調(diào)節(jié)耗電率。

2.2.2 原因分析

(1)循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為電機(jī)，導(dǎo)致廠用電率升高。在目前機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率偏低的情況下，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不經(jīng)濟(jì)的。

(2)液力偶合器存在滑差損失，在70%～80%變工況時(shí)滑差損失最大；定速調(diào)節(jié)需要節(jié)流循環(huán)水泵出口閥，節(jié)流損失增大、效率降低，導(dǎo)致這兩種調(diào)節(jié)方式耗電率高于變頻調(diào)節(jié)。

2.2.3 優(yōu)化方案

熱網(wǎng)首站均配置電動(dòng)控制的循環(huán)水泵，應(yīng)進(jìn)行小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)改造。供熱期間應(yīng)保持汽動(dòng)循環(huán)水泵運(yùn)行，電動(dòng)循環(huán)水泵備用。電動(dòng)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，應(yīng)按照變頻調(diào)節(jié)、液力偶合器調(diào)節(jié)、定速調(diào)節(jié)的順序控制運(yùn)行方式。

2.3 低壓缸進(jìn)汽、熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽節(jié)流損失大

2.3.1 存在的問(wèn)題

(1)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，各單位熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)設(shè)計(jì)為單級(jí)，進(jìn)汽壓力要求0.400～0.500 MPa(a)，排汽壓力0.150 MPa(a)。80%電廠采用中壓缸排汽(以下簡(jiǎn)稱中排)作為小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)汽源，對(duì)于設(shè)計(jì)中排壓力高的機(jī)組，機(jī)組任意負(fù)荷段能夠滿足小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力要求；對(duì)于設(shè)計(jì)中排壓力低的機(jī)組，機(jī)組低負(fù)荷段不能滿足要求。以某公司300 MW機(jī)組為例，在85%負(fù)荷率下為保證小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力，低壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽閥開(kāi)度分別為20%和18%，具體如圖1所示。每臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵小汽輪機(jī)進(jìn)汽量約為30 t/h，遠(yuǎn)低于低壓缸進(jìn)汽量、熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽量，導(dǎo)致蒸汽節(jié)流損失增加。

圖1 某300 MW機(jī)組供熱實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

(2)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，20%電廠采用再熱器冷段(以下簡(jiǎn)稱冷再)抽汽作為小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)汽源，冷再抽汽壓力低負(fù)荷時(shí)在2.300 MPa(a)以上，因此能夠滿足小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力要求，但受限于其進(jìn)汽壓力，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥處于嚴(yán)重節(jié)流狀態(tài)(開(kāi)度<8%)，導(dǎo)致進(jìn)汽節(jié)流損失。

2.3.2 原因分析

(1)單級(jí)汽輪機(jī)效率低(40%左右)，做功能力差，進(jìn)汽壓力過(guò)低，無(wú)法保證循環(huán)水泵正常工作。

(2)蒸汽節(jié)流為等焓熵增過(guò)程，節(jié)流后蒸汽壓力和溫度均降低，如圖2所示。圖中：p1為節(jié)流前蒸汽壓力；t1為節(jié)流前蒸汽溫度；p1′為節(jié)流后蒸汽壓力；t1′為節(jié)流后蒸汽溫度；Δht為未節(jié)流理想比焓降；Δht′為節(jié)流后理想比焓降，因蒸汽節(jié)流造成的理想比焓降損失δhmac=Δht-Δht′[4]。

圖2 蒸汽節(jié)流h-s圖

2.3.3 優(yōu)化方案

為減少蒸汽節(jié)流損失，小汽輪機(jī)應(yīng)選擇多級(jí)汽輪機(jī)(4級(jí))，排汽壓力設(shè)計(jì)為負(fù)壓，排汽進(jìn)入預(yù)加熱器。熱網(wǎng)回水先經(jīng)過(guò)預(yù)加熱器，再進(jìn)入主加熱器；由于排汽參數(shù)為負(fù)壓，設(shè)置2臺(tái)真空泵抽取預(yù)加熱空氣；由于疏水壓力低，設(shè)置2臺(tái)疏水泵將預(yù)加熱器疏水打至主熱網(wǎng)疏水管道，具體如圖3所示。

多級(jí)小汽輪機(jī)效率高、焓降大，做功能力強(qiáng)。進(jìn)汽壓力0.150 MPa(a)即能滿足小汽輪機(jī)工作要求。按進(jìn)汽壓力0.190 MPa(a)，溫度245 ℃，排汽壓力設(shè)計(jì)為0.034 MPa(a)，溫度為118 ℃，功率達(dá)1 600 kW時(shí)，每小時(shí)耗汽量約為24 t。

圖3 多級(jí)小汽輪機(jī)優(yōu)化系統(tǒng)圖

2.4 小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)水泵出力低

2.4.1 存在的問(wèn)題

20%電廠小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)水泵出力低，被迫保持多臺(tái)汽動(dòng)循環(huán)水泵運(yùn)行，甚至啟動(dòng)電動(dòng)循環(huán)水泵才能滿足供水需要，導(dǎo)致機(jī)組能耗升高。

2.4.2 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，存在問(wèn)題的電廠均未設(shè)置小汽輪機(jī)排汽預(yù)加熱器，小汽輪機(jī)排汽至熱網(wǎng)主加熱器。由于主加熱器管束結(jié)垢、堵管率高等原因，導(dǎo)致加熱器上端差增大。為保證對(duì)外供水溫度，被迫提高熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽壓力，導(dǎo)致小汽輪機(jī)排汽受排擠，做功能力降低。

2.4.3 優(yōu)化方案

供熱季結(jié)束后，增加小汽輪機(jī)排汽預(yù)加熱器，可以徹底解決這一問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文針對(duì)中國(guó)華電集團(tuán)山東公司熱網(wǎng)循環(huán)水泵組運(yùn)行中存在的典型問(wèn)題進(jìn)行剖析，分析了原因，探討了提高運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的有效方法，主要結(jié)論如下。

(1)影響熱網(wǎng)循環(huán)水泵組安全性的主要問(wèn)題是葉輪汽蝕、電機(jī)超流及軸承損壞等，與熱網(wǎng)補(bǔ)水泵運(yùn)行方式、循環(huán)水泵及電機(jī)選型配置等有關(guān)。

(2)熱網(wǎng)循環(huán)水泵效率低的主要原因是揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力不匹配，造成泵組系統(tǒng)效率降低，影響小汽輪機(jī)耗汽量增加或電泵耗電率升高，應(yīng)進(jìn)行提效改造。

(3)為降低供熱廠用電率，提高經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)將全部采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱網(wǎng)循環(huán)水泵進(jìn)行部分小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)改造，正常運(yùn)行中電動(dòng)循環(huán)水泵只作為備用。

(4)單級(jí)小汽輪機(jī)效率低，受限于進(jìn)汽壓力，導(dǎo)致低壓缸進(jìn)汽、冷再抽汽等節(jié)流損失增加。建議設(shè)計(jì)中壓缸排汽壓力低的機(jī)組將小汽輪機(jī)更換為多級(jí)，并配置預(yù)加熱器。