智慧型凝結(jié)水泵在超超臨界燃煤發(fā)電二次再熱技術(shù)中的應(yīng)用

文/郝迎宇

本文作者供職于沈陽工業(yè)泵制造有限公司。

智慧型凝結(jié)水泵是節(jié)能減排的重要途徑,通過對監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備遠程操作與凝結(jié)水量的精確控制，提升凝結(jié)水泵的全生命周期——高效智能化簡稱智慧型，其不是簡單將凝結(jié)水泵與電動機、變頻器、控制器等等進行組合，而是將它們集成一體，實現(xiàn)高度智能化。本文結(jié)合廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司一期（2×1 000 MW）工程3×50%容量設(shè)計生產(chǎn)制造的大型凝結(jié)水泵運行管理智能化實施應(yīng)用案例，通過信息技術(shù)、先進控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等實現(xiàn)設(shè)備維護和運行管理的智能化，從而擺脫過于依賴操作人員來完成設(shè)備維護和運行管理，提升設(shè)備智能化管理平臺。

目前超超臨界發(fā)電技術(shù)主要有3個發(fā)展方向：新一代高效一次再熱技術(shù)、二次再熱技術(shù)、更大單機容量如1 200～1 300 MW或更大。

二次再熱技術(shù)，就是汽輪機超高壓缸排汽經(jīng)過兩次在鍋爐重新提高蒸汽溫度，再送回汽輪機做功的一種技術(shù)，如圖1所示。簡單地說，就是超超臨界蒸汽經(jīng)過兩次“再回爐”，讓電廠效率更高、能耗更低、指標(biāo)更優(yōu)。

二次再熱技術(shù)是公認(rèn)的一種可以提高燃煤機組效率和節(jié)能環(huán)保的有效方法。與一次再熱相比，二次再熱是在一次再熱基礎(chǔ)上增加一個再熱過程，提高發(fā)電循環(huán)的平均吸熱溫度，從而提高發(fā)電效率,減少CO2、氮氧化物等的排放量。

我國超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)比發(fā)達國家起步晚，限于當(dāng)時技術(shù)條件和由易到難的漸進發(fā)展規(guī)律，采用600℃一次再熱的技術(shù)路線，但憑借國內(nèi)巨大的市場，通過前期的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和后期的自主開發(fā)，600℃超超臨界發(fā)電建成機組居世界首位。擁有了先進的設(shè)計制造技術(shù)平臺、全球最多的600℃超超臨界燃煤發(fā)電動機組設(shè)計運行經(jīng)驗，這些為我國發(fā)展630℃二次再熱乃至700℃高效超超臨界燃煤發(fā)電動機組奠定了良好的基礎(chǔ)。

凝結(jié)水泵是火力發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)為立式筒袋型多級離心泵。其作用是收集汽輪機排出的凝結(jié)水和低壓加熱器的疏水，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后經(jīng)過低壓加熱器送至除氧器除氧，如圖2所示，用來維持除氧器的水平衡，從而保證鍋爐連續(xù)的水源供給；同時，當(dāng)發(fā)電動機組負(fù)荷頻繁變化時，凝結(jié)水系統(tǒng)也參與壓力的調(diào)節(jié)，凝結(jié)水泵能否連續(xù)、安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟地運行，關(guān)系著機組的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。因此，凝結(jié)水泵運行的安全性尤為重要。

我國初期超臨界和超超臨界（600MW或以上）燃煤發(fā)電動機組所選用的凝結(jié)水泵，基本都是國外品牌產(chǎn)品。近些年來，國內(nèi)在凝結(jié)水泵理論與制造工藝均有突破，提升了市場份額，也陸續(xù)有產(chǎn)品出口。

本文結(jié)合節(jié)能智慧型凝結(jié)水泵在600 MW、1 000 MW超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電動機組成功應(yīng)用的案例，做一下技術(shù)總結(jié)，以供讀者參考。

凝結(jié)水泵配置與負(fù)荷調(diào)節(jié)功能

凝結(jié)水泵通常以2×100%或3×50%形式配置，采用定速或變頻電動機驅(qū)動。定速泵特性不可調(diào)節(jié)，隨著機組低負(fù)荷運行時減小流量的需求，將導(dǎo)致泵的出口壓頭提高。為了與管路系統(tǒng)阻力匹配，通常用泵出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流方式來實現(xiàn)水量調(diào)節(jié)控制，調(diào)整閥門節(jié)流造成了巨大的能量損失。

而二次再熱燃煤發(fā)電動機組凝結(jié)水參與負(fù)荷調(diào)節(jié)是根據(jù)環(huán)保需要而實施的新工藝。它是指快速改變凝結(jié)水泵及凝結(jié)水流量，從而自發(fā)地改變低加抽汽量，使得進入汽輪機低壓缸做功的蒸汽量發(fā)生變化，引起機組負(fù)荷變化，通過凝結(jié)水調(diào)節(jié)參與負(fù)荷調(diào)節(jié)和優(yōu)化鍋爐燃燒率控制來加快負(fù)荷響應(yīng)，實現(xiàn)凝結(jié)水參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的功能。滿足電網(wǎng)AGC變負(fù)荷性能要求。而凝結(jié)水調(diào)節(jié)需要凝結(jié)水泵來實現(xiàn)，因此對凝結(jié)水泵的運行安全可靠性提出了更高更苛刻的要求。

1 000 MW或1 350 MW二 次再熱630℃超超臨界機組，日常運行采用2臺（100%容量立式筒袋型凝結(jié)水泵）或3臺（50%容量立式筒袋型凝結(jié)水泵）運行方式。1臺變頻運行，1臺工頻備用是100%容量立式筒袋型凝結(jié)水泵的標(biāo)準(zhǔn)配置。2臺變頻運行，1臺工頻備用是50%容量立式筒袋型凝結(jié)水泵的常用配置。

設(shè)計特點

9.5LDTNB-7PS是為廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司一期（2×1 000 MW）工 程3×50%容量設(shè)計生產(chǎn)制造的大型凝結(jié)水泵。參數(shù)為流量Q=1 500 m3/h，轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min，入口壓力為真空，揚程H=325 m，必需汽蝕余量NPSHr≯4.5 m，效率η≮84%，配套電動機功率P=1 500 kW，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

機組安裝3臺50%容量的凝結(jié)水泵，2臺并列運行，1臺備用，采用變頻調(diào)節(jié)。凝結(jié)水泵采用立式、抽芯式結(jié)構(gòu)，泵的部件可拆裝更換。泵殼設(shè)計成全真空型。

凝結(jié)水泵設(shè)計特點

1.為改善汽蝕特性，泵做成筒型，同時采用雙吸式第一級葉輪，減少了必需汽蝕余量，也使筒體高度縮短30%，泵軸也相應(yīng)縮短。不僅可以滿足入口比轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)，而且減少了整個運行范圍內(nèi)汽蝕的可能性。

2.為了提高泵的效率，泵的特性曲線設(shè)計得比較平坦。這樣，無形之中在大流量區(qū)域內(nèi)使壓頭提高25%～30%，減少了壓頭損失，節(jié)約了有用功率。

3.泵軸根據(jù)長徑比L/D，一般按軟軸設(shè)計。即泵軸第一臨界轉(zhuǎn)速低于運行轉(zhuǎn)速，而第二臨界轉(zhuǎn)速高于運行轉(zhuǎn)速。而500 MW以上機組的凝結(jié)水泵要求臨界轉(zhuǎn)速均在運行轉(zhuǎn)速之上，須采用硬軸設(shè)計。

4.中間級葉輪采用鍵和兩半定位環(huán)來固定，其鍵用來傳遞轉(zhuǎn)矩，定位環(huán)用來軸向定位并傳遞軸向推力。這種取消軸上的螺紋的新型設(shè)計，提高了可靠性。

5.泵軸各段間的聯(lián)接軸，采用長平鍵和兩半扣環(huán)的設(shè)計，沒有螺紋，通過鍵傳遞扭矩，這種設(shè)計還利于檢修時的拆卸。

6.泵和電動機連接的聯(lián)軸器為剛性可調(diào)式，精制加工而成。

7.泵軸設(shè)計的應(yīng)力水平低，且表面經(jīng)磨光處理，軸的撓曲變形較小，有利于減小振動，延長軸承的壽命。

8.長軸下端的自位式、緩沖支座可以避免泵體的移動，防止在低流量運行期間或系統(tǒng)失常時軸承的過度磨損。

9.中間級、殼段、法蘭間加有密封墊，既避免了中間級的漏泄，也防止了法蘭表面因水流劃道造成過早的損壞。

10.泵出口管頭的基頻和電動機鐵芯的臨界頻率均經(jīng)分析計算，避免因共振引起振動。

11.泵殼、葉輪及有關(guān)零件均留有3.175 mm（1/8in）供腐蝕用的富裕量。

12.對泵的推力平衡設(shè)計有獨特的考量。通常，泵的每級葉輪或者加上平衡裝置或者設(shè)置平衡孔。但此凝結(jié)水泵不考慮采用平衡設(shè)計，因為一個向下的推力反倒提升了泵在整個運行范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，只是電動機的推力軸承選擇大一些，此項費用對于電廠的可靠運行是值得的。

13.推力軸承設(shè)置在電動機內(nèi)部。電動機推力軸承可以平衡大部分泵軸向推力，省去泵推力軸承，總高度降低，節(jié)省空間，便于檢修。

智能化監(jiān)控

凝結(jié)水泵是火力發(fā)電廠主要動力設(shè)備之一，對機組安全型有著重大影響，其功能是將熱力循環(huán)中凝汽器中的工質(zhì)水提升壓力，注入除氧器。凝結(jié)水泵通常以2×100%或3×50%形式配置，采用定速電動機直連驅(qū)動，定速泵特性不可調(diào)節(jié)，隨著機組低負(fù)荷運行時減小流量的需求，將導(dǎo)致泵的出口壓頭提高。為了與管路系統(tǒng)阻力匹配，通常采用泵出口閥調(diào)節(jié)控制水量，勢必造成了巨大的能量損失。

智能立式筒袋型凝結(jié)水泵，主要作用于火電熱力系統(tǒng)中輸送凝汽器內(nèi)的凝結(jié)水，凝結(jié)水泵主要由以下幾部分組成：泵筒體、工作部、出水部分和推力裝置部分。而影響凝結(jié)水泵健康狀態(tài)的主要部件是軸承。目前，對凝結(jié)水泵設(shè)備的軸承進行健康狀態(tài)的檢測采用的是傳統(tǒng)的人工手持設(shè)備檢測方法，通過點巡檢的模式進行健康狀態(tài)估計。但是這種點巡檢的方法獲取的采樣數(shù)據(jù)有限，難以形成系統(tǒng)化的評估，并且對健康狀態(tài)的評估更加依靠于人員的經(jīng)驗配合設(shè)備的出廠參數(shù)信息與資料來進行，往往在發(fā)現(xiàn)問題時，已經(jīng)造成了不可挽回的損失。

由此可看出，現(xiàn)有技術(shù)沒有完整又精準(zhǔn)的評估依據(jù)，在異常發(fā)生時無法得到及時準(zhǔn)確的反饋，對設(shè)備管理更得不到有效管控。因此，智能化可以實時監(jiān)測凝結(jié)水泵的健康狀態(tài)，在問題還處于萌芽階段提供預(yù)警。如圖4所示，為智能化凝結(jié)水泵監(jiān)測簡圖。

以下是運行狀態(tài)檢測監(jiān)控的幾種手段、方法。

1.凝結(jié)水泵運行狀態(tài)檢測系統(tǒng)及方法，以實時監(jiān)測凝結(jié)水泵的健康狀態(tài)，并給出故障類型進行預(yù)警，如圖5所示。

2.通過監(jiān)控數(shù)據(jù)，可以確保設(shè)備一直在高效運行，滿足客戶的節(jié)能要求，如圖6所示。

3.增設(shè)如下監(jiān)測和控制點，保證凝結(jié)水泵運行更平穩(wěn)，使用壽命更長，見表1。

表1 智慧監(jiān)測功能

應(yīng)用與實踐

智能化的9.5LDTNB-4PS在廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司一期（2×1 000 MW）工程系統(tǒng)中已安全、平穩(wěn)運行，得到了用戶的好評。2020年通過了中國機械工業(yè)聯(lián)合會主持的科技成果鑒定，2021年獲得了遼寧省科技進步獎，已在國內(nèi)5大電力推廣應(yīng)用并出口國外。

智能化設(shè)計理念及成熟單元技術(shù)已延伸應(yīng)用在新開發(fā)研制的12LTDNB-4PS凝結(jié)水泵(Q=2 368 m3/h，H=346 m)上，現(xiàn)場圖如圖7所示。

總結(jié)

所謂高效智能化是指在能量流和信息流兩個維度的高度集成。在能量流方面，通過將變頻器、電動機、凝結(jié)水泵等作為一個整體進行統(tǒng)一建模，并進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)高效性；在信息流方面，利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和故障診斷與預(yù)警技術(shù)等實現(xiàn)系統(tǒng)控制、管理和維護保養(yǎng)的高度集成化和智能化，從而在實際工程項目中為用戶提供控制器、變頻器、電動機以及泵等整體解決方案，實現(xiàn)發(fā)揮系統(tǒng)最大優(yōu)勢，更好地為用戶提供一攬子解決方案。

高效智能化不是簡單將電動機、變頻器、控制器和凝結(jié)水泵進行組合，而是將它們進行統(tǒng)一考慮，實現(xiàn)高度有機體，具有如下特征。

系統(tǒng)能效與性能控制雙優(yōu)化

在實現(xiàn)的電動機驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用中，除了追求節(jié)能、高效性外，還必須提升泵、機閥等設(shè)備應(yīng)用的系統(tǒng)性能，而實際上這些泵、閥等設(shè)備應(yīng)用的系統(tǒng)都有著一定的特殊性，而是通過設(shè)備制造層面不給予解決，在實際工程中系統(tǒng)設(shè)計及運行環(huán)節(jié)就不可能給予解決。

設(shè)備維護與運行管理的智能化

通過信息技術(shù)、先進控制技術(shù)、人工智能以及5G等技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備維護和運行管理的智能化，從而擺脫過于依賴有經(jīng)驗的工程師來完成設(shè)備維護和運行管理，加快設(shè)備市場推廣和應(yīng)用。

總之，凝結(jié)水泵智能化是節(jié)能減排重要途徑,也是提升工業(yè)自動化水平重要技術(shù)手段，代表著未來驅(qū)動系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展方向。 ●