給水泵汽輪機(jī)性能實(shí)驗(yàn)及其改造效益計(jì)算方法

馬 超，朱 寶

(1.浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800;2.火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司)，浙江 杭州 311121)

火電是我國(guó)電力主要生產(chǎn)方式，但隨著 “3060”雙碳目標(biāo)的政策引導(dǎo)[1]，其將逐步進(jìn)入存量時(shí)代，且以“低碳化”發(fā)展為目標(biāo)的節(jié)能改造將逐漸興起[2-4]。作為火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)設(shè)備的汽動(dòng)給水泵組是熱力循環(huán)的主要?jiǎng)恿?，而其配套的小汽輪機(jī)為給水泵組提供驅(qū)動(dòng)力。早期投產(chǎn)機(jī)組限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)、制造工藝水平，給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)效率低于當(dāng)前設(shè)計(jì)水平；此外，受機(jī)組汽輪機(jī)組通流改造引起的熱力系統(tǒng)參數(shù)改變[5-7]、機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間參與“深度調(diào)峰”，給水泵汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況已偏離原有的以THA工況邊界條件為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的原則[8-10]。而隨著機(jī)組自然老化加大了上述問(wèn)題的對(duì)運(yùn)行效率的影響，所以，針對(duì)當(dāng)前投產(chǎn)較早的機(jī)組給水泵汽輪機(jī)，存在節(jié)能改造的空間。

為此，眾多業(yè)內(nèi)專家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，其中針對(duì)影響給水泵汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率的外邊界條件，相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，如李勇等對(duì)汽動(dòng)給水泵組在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究，得出小汽輪機(jī)效率和給水泵效率在線監(jiān)測(cè)值隨機(jī)組負(fù)荷增加而震蕩上升，不同工況間的效率差異可達(dá)15%～20%[11-12]。綜上所述：給水泵汽輪機(jī)的節(jié)能改造的收益受機(jī)組負(fù)荷等外界條件的影響，當(dāng)前簡(jiǎn)單以THA設(shè)計(jì)工況的收益核算改造項(xiàng)目的投資收益的方法不符合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果誤差較大，不能作為判斷其改造可行性的依據(jù)。

本文以一臺(tái)660 MW(20世紀(jì)90年投產(chǎn))火電機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取典型負(fù)荷點(diǎn)給水泵汽輪機(jī)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以此計(jì)算給水泵汽輪機(jī)改造后對(duì)機(jī)組以及自身效率的影響。

1 給水泵汽輪機(jī)效率測(cè)量方法及結(jié)果

1.1 給水泵汽輪機(jī)效率測(cè)量方法

以660 MW火力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，此機(jī)組20世紀(jì)90年投產(chǎn)，所配置給水泵為GE公司設(shè)計(jì)制造的沖動(dòng)、凝汽式汽輪機(jī)，THA工況設(shè)計(jì)效率為78.6%，其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

為了解該給水泵汽輪機(jī)經(jīng)20年運(yùn)行后實(shí)際性能狀態(tài)，本文測(cè)量了其在不同工況處的實(shí)際效率ηst。給水泵汽輪機(jī)有效功率Pst，kW,參考《大型鍋爐給水泵性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，DL/T839—2003》中所述方法計(jì)算[13]

(1)

式中GFW、GIN、GSH、GRH、GSWI、GSWO——給水泵出水、給水泵進(jìn)水、過(guò)熱減溫水、再熱減溫水、給泵密封水進(jìn)水、給泵密封水回水的流量/kg·h-1;

hFW、hSH、hRH、hSWI、hSWO——給水泵出水、過(guò)熱減溫水、再熱減溫水、給泵密封水進(jìn)水、給泵密封水回水的比焓/kJ·kg-1;

hin——給水泵進(jìn)水的比焓/kJ·kg-1；其值可通過(guò)除氧器出水比焓疊加前置泵焓升計(jì)算，前置泵焓升通過(guò)其配置的電機(jī)功率計(jì)算得出;

Pet——給水泵及小汽輪機(jī)軸承、傳動(dòng)等其他熱損失/kW，可參考設(shè)計(jì)值。

給水泵汽輪機(jī)的理想輸入功率P0st,單位kW，以及效率ηst可以由式(2)與(3)計(jì)算

(2)

ηst=Pst/P0st

(3)

式中Gst——小汽輪機(jī)進(jìn)汽流量/kg·h-1；

hsti——給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽比焓/kJ·kg-1；

hsto——給水泵汽輪機(jī)排汽等熵比焓/kJ·kg-1。

試驗(yàn)儀表及安裝位置主要參考《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》(ASME PTC6-2004)，其中試驗(yàn)壓力參數(shù)采用0.075級(jí)的壓力變送器進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)溫度參數(shù)采用四線制PT100型熱電阻進(jìn)行測(cè)量；并進(jìn)行校驗(yàn)偏差修正。然后，將信號(hào)送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行巡測(cè)，采集系統(tǒng)精度為0.02級(jí)。

試驗(yàn)給水流量GFW通過(guò)除氧器入口凝結(jié)水管路上的主凝結(jié)水流量Gc作為基準(zhǔn)，通過(guò)熱平衡方法按式(4)計(jì)算得出，試驗(yàn)流量計(jì)為ASME標(biāo)準(zhǔn)喉部取壓流量噴嘴，配接的差壓變送器精度為0.05級(jí)，試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行了校驗(yàn)

GFW=GC+GEX1+GEX2+GEX3+GEX4+GDEA-

GSH-GRH+GSWI-GSWO

(4)

式中Gc——除氧器進(jìn)口凝結(jié)水流量/kg·h-1；

GEX1、GEX2、GEX3、GEX4——#1高加、#2高加、#3高加、除氧器進(jìn)汽流量/kg·h-1，可由加熱器熱平衡計(jì)算得到；

GDEA——除氧器水位變化當(dāng)量流量/kg·h-1；由水位變化折算得到，水位下降取正；

給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量，過(guò)熱減溫水、再熱減溫水等流量采用孔板流量計(jì)測(cè)量；流量測(cè)量裝置配接的差壓變送器精度為0.05級(jí)。前置泵焓升由前置泵電動(dòng)機(jī)功率換算得出，電動(dòng)機(jī)電流、電壓參考DCS數(shù)據(jù)。

1.2 給水泵汽輪機(jī)效率測(cè)量結(jié)果及分析

為評(píng)估經(jīng)長(zhǎng)周期運(yùn)行的給水泵汽輪機(jī)實(shí)際性能，現(xiàn)對(duì)機(jī)組的50%至100%負(fù)荷區(qū)間選取了8個(gè)典型工況，按前述方法進(jìn)行汽動(dòng)給水泵組熱力性能試驗(yàn)，據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的給水泵及其汽輪機(jī)的效率如圖1所示。

圖1 給水泵及其汽輪機(jī)的效率實(shí)測(cè)值

由圖1可得出：THA工況處，給水泵汽輪機(jī)效率實(shí)測(cè)值約為72.9%，在450～660 MW負(fù)荷區(qū)間，給水泵汽輪機(jī)實(shí)測(cè)效率變化較?。划?dāng)機(jī)組負(fù)荷低于450 MW時(shí)，給水泵汽輪機(jī)效率隨機(jī)組負(fù)荷快速降低。如當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為300 MW時(shí)給水泵汽輪機(jī)效率實(shí)測(cè)值為62.9%，較THA工況下降約10%。

THA工況處，給水泵效率實(shí)測(cè)值為79.6%，試驗(yàn)過(guò)程中，給水泵效率受負(fù)荷變化影響程度小；主要是由于汽輪機(jī)采用滑壓運(yùn)行方式，隨著負(fù)荷降低，給水泵流量和揚(yáng)程同時(shí)減小，給水泵基本工作在最佳效率相似工況點(diǎn)附近。

2 給水泵汽輪機(jī)實(shí)際性能狀態(tài)評(píng)估

經(jīng)調(diào)研，當(dāng)前市場(chǎng)有多個(gè)汽輪機(jī)廠家能提供相應(yīng)型號(hào)的產(chǎn)品，在核算給水泵汽輪機(jī)改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，給水泵汽輪機(jī)效率取不同廠家設(shè)計(jì)值的平均值?；诮o水泵汽輪機(jī)效率與機(jī)組負(fù)荷的強(qiáng)相關(guān)性，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法確定了典型工況處給水泵汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行邊界條件，如表1所示。

表1 典型工況處，給水泵汽輪機(jī)工作邊界條件

據(jù)此邊界條件，多個(gè)汽輪機(jī)廠商給出了最佳的改造方案，在與改造前的機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷相同的條件下，現(xiàn)對(duì)比改造后的給水泵汽輪機(jī)效率設(shè)計(jì)值均值如表2所示。

表2 典型工況處，給水泵汽輪機(jī)改造后效率設(shè)計(jì)值

圖1、表2中數(shù)據(jù)表明：試驗(yàn)給水泵汽輪機(jī)受制于20世紀(jì)90年底的設(shè)計(jì)、制造水平，加之經(jīng)過(guò)20年運(yùn)行的自然老化，其實(shí)際焓降效率較低，與當(dāng)前主流小汽輪機(jī)廠商的產(chǎn)品比較，在660 MW工況、500 MW工況、300 MW工況處，分別偏低約11.1%、9.2%、12.1%，存在節(jié)能改造的空間。

3 給水泵汽輪機(jī)改造項(xiàng)目節(jié)能收益

在分析給水泵汽輪機(jī)效率提升對(duì)產(chǎn)生的節(jié)能收益時(shí)，為提高汽輪機(jī)組熱耗率的計(jì)算精度，本文以汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)建立了變工況熱耗率計(jì)算模型，主要遵循下列原則：

(1)在變工況的機(jī)組熱耗率時(shí)，機(jī)組高、中、低壓缸熱力膨脹曲線取試驗(yàn)測(cè)量值，低壓缸排汽損失取廠家設(shè)計(jì)值;

(2)各加熱器端差、抽汽管道壓損按設(shè)計(jì)值，再熱器壓損取試驗(yàn)值，并在變工況計(jì)算中保持一致;

(3)給水泵效率、給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽壓損、排汽壓力均取試驗(yàn)值，在計(jì)算某一工況下給水泵汽輪機(jī)效率變化對(duì)熱耗率影響時(shí)，其值保持不變;

(4)在計(jì)算某一工況下給水泵汽輪機(jī)效率變化對(duì)機(jī)組熱耗率影響時(shí)，保持主蒸汽流量一定，其輸出功率會(huì)略有差異，機(jī)組熱耗率統(tǒng)一修正至同一負(fù)荷基準(zhǔn)。

根據(jù)上述原則，可計(jì)算出660 MW、500 MW、300 MW工況處，給水泵汽輪機(jī)效率與機(jī)組熱耗率的關(guān)系如表3、表4、表5所示。

表3 660 MW工況處給水泵汽輪機(jī)效率與機(jī)組熱耗率

表4 500 MW工況處給水泵汽輪機(jī)效率與機(jī)組熱耗率

表5 300 MW工況處給水泵汽輪機(jī)效率與機(jī)組熱耗率

由表3、表4、表5中數(shù)據(jù)可得出：在660 MW工況、500 MW工況、300 MW工況處，給水泵汽輪機(jī)效率每升高1%，機(jī)組熱耗率分別降低約1.85 kJ/kWh、1.51 kJ/ kWh、1.23 kJ/kWh。給水泵汽輪機(jī)性能的提升對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響隨負(fù)荷降低而減小。

上述結(jié)果主要是因機(jī)組采用滑壓運(yùn)行，主蒸汽壓力、給水壓力、給水泵揚(yáng)程隨負(fù)荷降低而減小，單位質(zhì)量工質(zhì)循環(huán)所消耗的汽動(dòng)給水泵組出力隨之減小。給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量占主蒸汽流量的比例隨負(fù)荷降低而減小，例如在660 MW工況、500 MW工況、300 MW工況的給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量占主蒸汽流量的比例的試驗(yàn)結(jié)果分別為4.15%、3.42%、2.51%；此時(shí)，給水泵汽輪機(jī)效率提升對(duì)機(jī)組熱耗率影響亦隨負(fù)荷降低而減小。

綜合應(yīng)用表2中的給水泵汽輪機(jī)改造后效率提升量，表3、表4、表5中給出不同負(fù)荷工況處給水泵汽輪機(jī)效率提升對(duì)機(jī)組熱耗率的影響量，可求出典型工況處機(jī)組改造后的發(fā)電熱耗率降低量及供電煤耗率下降量，如表6所示。

表6 典型工況處，給水泵汽輪機(jī)改造的節(jié)能收益

表6中數(shù)據(jù)表明：給水泵汽輪機(jī)改造項(xiàng)目的節(jié)能量和機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間相關(guān)，經(jīng)改造后的給水泵汽輪機(jī)組維持在高位負(fù)荷效率最高。

4 結(jié)論

本文以某臺(tái)運(yùn)行了20年的660 MW機(jī)組為例，詳細(xì)闡述了給水泵汽輪機(jī)改造項(xiàng)目節(jié)能收益計(jì)算方法，對(duì)改造的可行性和投資回報(bào)年限進(jìn)行了分析，可得出下列結(jié)論：

(1)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的給水泵汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率較低，存在一定的節(jié)能改造空間；如本例中給水泵汽輪機(jī)效率較當(dāng)前先進(jìn)水平偏低10%以上；

(2)在進(jìn)行給水泵汽輪機(jī)改造可行性分析時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組負(fù)荷對(duì)節(jié)能收益的影響；

(3)滑壓運(yùn)行時(shí)，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量占主蒸汽流量的比例隨負(fù)荷降低而減小，導(dǎo)致其對(duì)機(jī)組發(fā)電熱耗率的影響亦隨負(fù)荷降低而減?。?/p>

(4)經(jīng)分析，機(jī)組在660 MW工況、500 MW工況、300 MW工況處，給水泵汽輪機(jī)效率每升高1%，機(jī)組熱耗率分別降低約1.85 kJ/kWh、1.51 kJ/ kWh、1.23 kJ/kWh。

(5)為降低煤耗，提升給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行效率，在300 MW至660 MW負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，減少機(jī)組在500 MW負(fù)荷段長(zhǎng)周期運(yùn)行時(shí)間。