基于給水泵密封水與凝結(jié)水解耦策略的研究

葉 羅，陳 林

(國(guó)家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

隨著近年來(lái)新能源的大力發(fā)展，傳統(tǒng)火電為適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰需求，低負(fù)荷調(diào)峰愈發(fā)頻繁，而在此狀態(tài)下輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行偏離最佳運(yùn)行區(qū)間，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下滑明顯低于設(shè)計(jì)值。在節(jié)能降耗的大環(huán)境下，深挖輔機(jī)節(jié)能空間已成為各火電廠運(yùn)行管理重點(diǎn)關(guān)注的方向[1]。

目前國(guó)內(nèi)多家火電廠為提升低負(fù)荷及深度調(diào)峰期間(小于40%額定負(fù)荷)的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)，針對(duì)凝結(jié)水泵提出了“技術(shù)改造+運(yùn)行優(yōu)化”的綜合節(jié)能方案，在系統(tǒng)針對(duì)性改造的基礎(chǔ)上進(jìn)行凝結(jié)水泵低負(fù)荷深度變頻優(yōu)化，獲得了較好的節(jié)能效果[2-4]。以某火電廠1 000 MW機(jī)組為例，改造優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)平均廠用電率降低0.04%。

凝結(jié)水泵深度變頻優(yōu)化工作是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，在帶來(lái)較好經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)對(duì)機(jī)組而言也帶來(lái)新的問(wèn)題隱患。本文以某超臨界1 000 MW機(jī)組為研究對(duì)象，綜合考慮關(guān)聯(lián)系統(tǒng)及其運(yùn)行方式的問(wèn)題，提出一種基于給水泵密封水與凝結(jié)水的解耦策略，在保證經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)兼顧安全性。

1 系統(tǒng)概述

某火電廠1 000 MW機(jī)組配有兩臺(tái)凝結(jié)水泵，采用變頻一拖二設(shè)計(jì)，其中一臺(tái)正常變頻運(yùn)行，另一臺(tái)工頻狀態(tài)備用。除氧器上水流量通過(guò)兩路并列的除氧器水位主、副調(diào)節(jié)閥控制。配置2×50%BMCR容量的汽動(dòng)給水泵組(該機(jī)組無(wú)電動(dòng)給水泵)，汽動(dòng)給水泵密封采用浮動(dòng)密封，密封水直接取自凝結(jié)水泵出口的雜用戶母管[5]，如圖1所示。

圖1 改造前密封水與凝結(jié)水系統(tǒng)

該廠為實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水泵深度變頻，進(jìn)行了技術(shù)改造，即將汽動(dòng)給水泵密封水在從雜用戶母管引出后，經(jīng)過(guò)密封水增壓泵升壓后再供給汽泵密封環(huán)，如圖2所示。密封水增壓泵參數(shù)如表1所示。

圖2 改造后密封水與凝結(jié)水系統(tǒng)

表1 密封水增壓泵參數(shù)

2 問(wèn)題分析

該廠凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程390 m，密封水增壓泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程170 m，而對(duì)于汽泵密封水根據(jù)設(shè)計(jì)要求需控制在1.8～3.5 MPa。從上述數(shù)據(jù)可以看出，密封水增壓泵無(wú)法與工頻凝結(jié)水泵在同一工況下運(yùn)行，否則密封環(huán)處密封水壓力將超過(guò)上限值，故在給水泵密封水系統(tǒng)增設(shè)增壓泵后，同時(shí)對(duì)相關(guān)運(yùn)行邏輯進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)系統(tǒng)變化。運(yùn)行優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)正常1臺(tái)凝結(jié)水泵保持變頻運(yùn)行，目標(biāo)調(diào)節(jié)除氧器水位。除氧器上水主、副調(diào)節(jié)閥選擇負(fù)荷控制模式，即隨負(fù)荷變動(dòng)調(diào)節(jié)凝結(jié)水壓力，目標(biāo)是維持較低凝結(jié)水壓力，促使除氧器上水主、副調(diào)節(jié)閥保持較大開度。

(2)當(dāng)凝結(jié)水泵變頻故障切至工頻運(yùn)行時(shí)，密封水增壓泵聯(lián)鎖跳閘，以防止密封水壓力過(guò)高。同時(shí)除氧器上水主、副調(diào)節(jié)閥由原來(lái)負(fù)荷控制切換至控水模式，迅速下關(guān)以防止除氧器水位失控。

(3)當(dāng)2臺(tái)密封水增壓泵故障停運(yùn)時(shí)，凝結(jié)水泵變頻自動(dòng)提升至高出力，以補(bǔ)償密封水增壓泵失去后密封水的壓降。同時(shí)發(fā)指令至汽泵組密封水調(diào)節(jié)閥致使超馳全開，防止變頻凝結(jié)水泵升轉(zhuǎn)速期間密封水回水溫度升高過(guò)快。

通過(guò)上述分析可以看出，給水泵密封水與凝節(jié)水耦合度較高，隨之帶來(lái)以下3個(gè)問(wèn)題。

(1)若出現(xiàn)2臺(tái)凝泵故障停運(yùn)，則凝結(jié)水雜用戶母管即發(fā)生斷水，從而導(dǎo)致失去密封水。密封水回水溫度高帶保護(hù)聯(lián)跳汽泵組[6]，發(fā)生斷水基本無(wú)處置反應(yīng)時(shí)間，2臺(tái)汽泵組跳閘觸發(fā)機(jī)組MFT保護(hù)停運(yùn)，帶來(lái)較大的損失。

(2)無(wú)論是密封水增壓泵跳閘還是凝結(jié)水泵切至工頻運(yùn)行，在暫態(tài)下對(duì)密封水壓力必有較大擾動(dòng)，從而對(duì)密封水回水溫度產(chǎn)生較大影響。這種密封水突變惡劣工況對(duì)汽泵組的振動(dòng)也將會(huì)產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重情況下會(huì)造成汽泵組振動(dòng)大跳閘。

(3)邏輯優(yōu)化后，密封水增壓泵、凝結(jié)水泵、除氧器上水主、副調(diào)節(jié)閥以及汽泵組密封水調(diào)節(jié)閥均為涉及的動(dòng)作對(duì)象，對(duì)設(shè)備可靠性以及靈敏度提出了更高的要求，任一環(huán)節(jié)失控或調(diào)節(jié)滯后都會(huì)使故障擴(kuò)大。

3 解決方案

針對(duì)“技術(shù)改造+運(yùn)行優(yōu)化”帶來(lái)的上述問(wèn)題，本文提出兩個(gè)解決方案。

3.1 給水泵密封水水源改為凝補(bǔ)水

該廠凝補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)有500 m3凝補(bǔ)水箱一個(gè)，配有3臺(tái)凝輸泵，正常一運(yùn)兩備，其可靠性、穩(wěn)定性高。同時(shí)凝輸泵設(shè)計(jì)入口壓力為0.9 MPa，凝補(bǔ)水箱正常水位為4～10 m，繼而凝輸泵出口總壓力為0.94～1.0 MPa，較為穩(wěn)定，正好在密封水增壓泵入口壓力適合范圍之內(nèi)，故可將給水泵密封水水源由凝結(jié)水改為凝補(bǔ)水，如圖3所示。

圖3 方案一改造圖示

水源改變后，密封水徹底與凝結(jié)水解耦。該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：密封水壓力不再受凝結(jié)水壓力影響，各負(fù)荷段下較為穩(wěn)定，同時(shí)汽泵組密封水調(diào)節(jié)閥開、關(guān)浮動(dòng)也會(huì)大幅降低，故障率得到明顯改善；凝結(jié)水泵運(yùn)行方式改變，尤其是變頻跳閘工頻聯(lián)啟時(shí)，密封水增壓泵無(wú)須陪停，擾動(dòng)大大降低。

但該方案也存在不足：凝補(bǔ)水壓力不高，無(wú)法滿足密封水1.8～3.5 MPa需求，故而對(duì)密封水增壓泵可靠性要求高，出現(xiàn)任一故障時(shí)其備用均需及時(shí)并入系統(tǒng)，否則密封水?dāng)嗨?；由于密封環(huán)設(shè)計(jì)精密，對(duì)水質(zhì)要求較高且汽泵組一旦投運(yùn)就無(wú)法暫停使用，當(dāng)凝補(bǔ)水箱受到污染時(shí)，機(jī)組無(wú)法有效隔絕，會(huì)造成密封環(huán)損壞以及凝汽器水質(zhì)惡化的局面。而現(xiàn)系統(tǒng)取用凝結(jié)水雜用戶母管，該部分凝結(jié)水經(jīng)過(guò)前置過(guò)濾器以及精處理混床處理，水質(zhì)可靠性高。

3.2 增設(shè)給水泵密封水水箱

對(duì)于系統(tǒng)而言，在正常運(yùn)行過(guò)程中除氧器具有一定蓄水量，可滿足凝結(jié)水?dāng)嗨?～10 min機(jī)組的用水量，為凝泵的搶投留有一定的處置時(shí)間。為利用好這5～10 min的時(shí)間，可在增壓泵入口設(shè)置水箱，水箱水源正常取自凝結(jié)水雜用戶母管，即水箱作為雜用戶母管與密封水增壓泵之間的緩沖。同時(shí)為便于隔離檢修，在雜用戶母管與水箱之間設(shè)置截止閥。水箱另一路水來(lái)自凝輸泵出口，當(dāng)雜用戶無(wú)法供應(yīng)時(shí)可以用凝輸水管路供應(yīng)。

根據(jù)該廠密封水參數(shù)，密封水泵設(shè)計(jì)流量為57 m3/h，簡(jiǎn)略折算實(shí)際流量為40 m3/h左右，取10 min所需容量為7 m3左右，故給水泵密封水水箱可選擇7 m3左右即可滿足此特殊工況。

運(yùn)行機(jī)理：正常運(yùn)行時(shí)密封水由密封水泵將水箱中的水進(jìn)行升壓后供給，當(dāng)其中1臺(tái)泵發(fā)生故障時(shí)，備泵聯(lián)啟正常后供給。若2臺(tái)泵均發(fā)生故障，可設(shè)置聯(lián)鎖邏輯提高凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速，通過(guò)應(yīng)急回路供給(正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)急回路兩路手動(dòng)閥正常開啟，正常運(yùn)行時(shí)雜用戶壓力低于密封水泵出口母管壓力)，保證密封水供應(yīng)可靠。同時(shí)，為保證水箱水位保持正常液位，特設(shè)置兩路補(bǔ)水，一路為正常補(bǔ)水，由凝結(jié)水雜用戶供給，保證有效循環(huán)。當(dāng)凝補(bǔ)水只有在雜用戶中斷或該路補(bǔ)水故障、檢修時(shí)，臨時(shí)采用凝補(bǔ)水進(jìn)行補(bǔ)給。

給泵密封水壓是一個(gè)與泵入口壓力相關(guān)的函數(shù)，如式(1)所示，因此，密封水泵也應(yīng)具有調(diào)壓功能，考慮思路有二：方案一是可以設(shè)置1臺(tái)變頻泵作為正常運(yùn)行，另一臺(tái)可設(shè)置工頻泵，保證給泵最大出力時(shí)密封水壓要求；或設(shè)置2臺(tái)工頻泵，保證工頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滿足給泵最大出力時(shí)的密封水壓要求，平時(shí)通過(guò)再循環(huán)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)泵出口壓力以滿足要求。

Pk，a≥(Ps+1)×4/7+3.5

(1)

式中：Pk,a為密封水壓力；Ps為給泵入口壓力。

方案二是僅將凝補(bǔ)水作為備用應(yīng)急補(bǔ)水，彌補(bǔ)了方案一水源受污染的缺點(diǎn)，同時(shí)水箱的設(shè)置可緩沖變負(fù)荷帶來(lái)的凝結(jié)水壓力擾動(dòng)，并且采取設(shè)置應(yīng)急回路的方式，為密封水供給多了一道保障。

4 結(jié)論

本文通過(guò)深入剖析當(dāng)前給水泵密封水與凝結(jié)水問(wèn)題現(xiàn)狀，找到了給水泵密封水與凝結(jié)水耦合帶來(lái)的問(wèn)題癥結(jié)所在，并提出對(duì)應(yīng)的解決方案，得出以下結(jié)論。

(1)隨著機(jī)組運(yùn)行年限增加，設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性下降是難以避免的，結(jié)合歷年來(lái)的設(shè)備異常，發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水泵故障風(fēng)險(xiǎn)不可忽視，故而需進(jìn)行給水泵密封水與凝結(jié)水解耦方案探索。

(2)給水泵密封水水源改為凝補(bǔ)水，該方案具有系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單、解耦程度高等優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)法避免受到凝補(bǔ)水水質(zhì)的影響，且遇到2臺(tái)密封水增壓泵故障，由于凝輸泵來(lái)水壓力偏低，密封水回水溫度難以保證。

(3)增設(shè)給水泵密封水水箱，可有效在密封水與凝結(jié)水之間增加緩沖，降低凝結(jié)水泵異常對(duì)密封水系統(tǒng)的擾動(dòng)，當(dāng)增壓泵異常時(shí)凝結(jié)水可有效補(bǔ)充。總體而言，該方案可較好解決當(dāng)前存在問(wèn)題，具有一定優(yōu)越性。