1000MW機(jī)組單汽泵入口流量波動大的問題探究

袁博

摘要：為確保1000MW超超臨界機(jī)組長周期、安全穩(wěn)定運行，針對某廠幾次典型的給水流量波動大的異常事件，進(jìn)行原因分析與整理，指出防止給水流量波動大的有效控制措施、技術(shù)改造途徑及方法，為發(fā)生給水流量異常時，正確分析原因、有序處置以及為后期設(shè)備改造和維護(hù)保養(yǎng)提供思路。

關(guān)鍵詞：汽泵；LVDT裝置；再循環(huán)閥

DOI：10.12433/zgkjtz.20232939

一、前言

廣東大唐國際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司1、2號機(jī)組（以下簡稱“雷州發(fā)電公司1、2號機(jī)組”）汽輪機(jī)，采用上汽西門子N1000-31/600/620/620型超超臨界、二次中間再熱、單軸五缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)。兩臺機(jī)組均采用單元制給水系統(tǒng)，各配置1臺30%容量的電動給水泵和1臺100%容量的汽泵。汽動前置泵和主泵均由KSB公司提供，主泵由小汽輪機(jī)（以下簡稱“小機(jī)”）直接驅(qū)動，前置泵由小機(jī)通過減速箱驅(qū)動。小機(jī)采用上汽生產(chǎn)的SD（Z）91/84/10型變轉(zhuǎn)速凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)有五抽、二次冷再（三抽）、輔汽三路汽源，小機(jī)進(jìn)汽方式為四個調(diào)節(jié)汽閥組合的噴嘴配汽方式。

二、典型異常事件分析

（一）異常事件一

1.事件經(jīng)過

2020年3月28日19時20分，2號機(jī)負(fù)荷630MW，主汽壓22.41MPa，過熱度52℃，給水流量1610t/h，小機(jī)轉(zhuǎn)速3467rpm。

19時22分，省煤器入口流量在1240～1650t/h范圍內(nèi)大幅波動，小機(jī)轉(zhuǎn)速在3378～3490rpm范圍內(nèi)擺動，小機(jī)四個進(jìn)汽調(diào)閥大幅擺動，給水指令與反饋偏差＞300t/h，給水自動解除，機(jī)組切至TF方式運行。工作人員立即將汽泵再循環(huán)調(diào)閥開至68%，穩(wěn)定給水流量在1610t/h。

19時25分，重新投入給水自動、CCS方式。異常處理期間，水煤比短時失調(diào)、過熱度由52℃漲至72℃，一級過熱器出口溫度由528℃最高漲至592℃（此時一級過熱器出口保護(hù)定值604℃），險些造成機(jī)組跳閘。

2.原因分析

為徹底排查本次給水流量波動大的原因，從以下幾方面進(jìn)行分析：

（1）小機(jī)進(jìn)汽量的影響

給水流量波動期間，小機(jī)進(jìn)汽壓力、溫度均穩(wěn)定，進(jìn)汽調(diào)閥裕量充足，排除小機(jī)進(jìn)汽能量不足對汽泵出力造成的影響。

（2）小機(jī)進(jìn)汽方式的影響

給水流量波動期間，小機(jī)調(diào)門指令與反饋自動跟蹤良好，未產(chǎn)生大幅偏差。現(xiàn)場采用改變小機(jī)進(jìn)汽調(diào)閥閥序和重疊度的方式，給水流量波動現(xiàn)象未得到消除。

（3）汽泵組“揚程—流量”特性曲線的影響

根據(jù)離心泵的相關(guān)知識，給水泵工作點為水泵“揚程—流量”特性曲線與系統(tǒng)阻力曲線交點，當(dāng)汽泵工作點接近最小流量Qmin區(qū)間時，當(dāng)系統(tǒng)受到一定擾動（如汽輪機(jī)調(diào)門開度、小機(jī)進(jìn)汽量改變等）時，系統(tǒng)將克服擾動進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，汽泵轉(zhuǎn)速、流量將發(fā)生大幅擾動。

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)多家采用100%容量單汽泵的1000MW發(fā)電單位，均存在特定負(fù)荷區(qū)間給水流量波動的問題，被迫開啟再循環(huán)閥穩(wěn)定給水流量。綜合數(shù)據(jù)對比分析，確認(rèn)給水流量波動大的根本原因為鍋爐水動力多值性和汽泵“揚程—流量”特性曲線平緩的共同作用。

3.控制措施

在機(jī)組設(shè)計不發(fā)生改變的情況下，為防止鍋爐水動力多值性和汽泵“揚程—流量”特性曲線作用導(dǎo)致的給水流量大幅波動，可采取以下幾種措施：

（1）使汽泵運行流量高于最小流量Qmin區(qū)間

一方面，可通過漲負(fù)荷避開汽泵不穩(wěn)定工作區(qū)間，但受限于火電機(jī)組調(diào)峰要求，很難實現(xiàn)機(jī)組長時間高負(fù)荷運行。另一方面，可開啟汽泵再循環(huán)閥，使汽泵擺脫最小流量Qmin區(qū)間，但該方法會嚴(yán)重影響機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性。查閱雷州發(fā)電公司兩臺機(jī)組運行數(shù)據(jù)，單機(jī)每年400～700MW區(qū)間發(fā)電量約46億kWh，折算因汽泵再循環(huán)閥開啟影響供電煤耗升高約1.12g/kWh（見表1）。

（2）汽動給水泵改造

采用合理的汽泵改造方案，可從根本上解決給水流量波動的技術(shù)難題，有效保障機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。具體可采取以下幾種改造方案：

第一，增加50%容量汽動給水泵或電動給水泵。增加50%容量汽泵或電泵可避免部分負(fù)荷區(qū)間給水流量波動的問題，但一方面，現(xiàn)場給水系統(tǒng)空間布局上可能無法實現(xiàn)；另一方面，該方案與100%容量汽泵的設(shè)計理念相悖，對機(jī)組效率和運維成本均會產(chǎn)生負(fù)面影響。

第二，切割給水泵葉輪。切割葉輪外徑，可調(diào)節(jié)離心泵的揚程特性曲線。但一方面，切割葉輪的操作具有不確定性，改造后汽泵的運行情況也具有不確定性；另一方面，切割原汽泵芯包葉輪，會使小機(jī)運行轉(zhuǎn)速上漲，可能超出設(shè)計轉(zhuǎn)速區(qū)間，故該方案實施前需要進(jìn)行充分論證。

第三，給水泵芯包去掉一級葉輪。將汽泵芯包多級葉輪去掉一級，可改變泵的特性曲線，但也會造成小機(jī)運行轉(zhuǎn)速上漲，可能超出其設(shè)計轉(zhuǎn)速區(qū)間。而且，整體動平衡校驗工作量增加，可能會帶來給水泵振動的問題，故該方案需慎重實施。

第四，重新設(shè)計給水泵芯包。重新設(shè)計給水泵芯包的關(guān)鍵在于降低芯包的比轉(zhuǎn)速，給水泵比轉(zhuǎn)速降低后，增加了“揚程—流量”特性曲線的陡度，可有效避免給水泵出現(xiàn)多個工作點，徹底解決給水流量波動的技術(shù)難題。目前，該設(shè)計思路已在大唐東營1000MW機(jī)組得到成功應(yīng)用。但是，該方案需重點考慮以下幾方面問題：一是給水泵效率。降低給水泵比轉(zhuǎn)速，可能會造成高負(fù)荷運行時，給水泵效率降低；二是小機(jī)轉(zhuǎn)速適配問題。若設(shè)計不當(dāng)，可能導(dǎo)致小機(jī)轉(zhuǎn)速超出設(shè)計轉(zhuǎn)速區(qū)間，影響機(jī)組帶負(fù)荷；三是給水管道、高加、鍋爐受熱面的超壓問題。芯包改造后，需重新核算沿程管路、設(shè)備、受熱面的承壓能力，防止給水泵出口閥、高加三通聯(lián)成閥、主電動閥、大機(jī)主汽閥或調(diào)閥關(guān)閉后，引起汽水系統(tǒng)嚴(yán)重超壓。

（二）異常事件二

1.事件經(jīng)過

2020年2月5日21時56分，1號機(jī)停機(jī)過程中，負(fù)荷500MW，CCS方式運行，小機(jī)由五抽供汽，供汽壓力0.42MPa、溫度392℃，輔汽及二冷至小機(jī)汽源處于備用狀態(tài)，小機(jī)轉(zhuǎn)速3352rpm，四個調(diào)閥開度為99.9%、80.5%、22.1%、11%，省煤器入口流量1530t/h。

21時57分，將輔汽至小機(jī)供汽電動閥開至5%進(jìn)行暖管。21時58分，省煤器入口流量突降至0，小機(jī)供汽溫度由395℃降至302℃，小機(jī)轉(zhuǎn)速由3357rpm突降至2794rpm，小機(jī)四個調(diào)閥全開；21時58分26秒，運行人員立即開啟小機(jī)進(jìn)汽管道各疏水閥，小機(jī)供汽溫度緩慢上升至390℃，小機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至3360rpm，省煤器入口流量1536t/h，各運行參數(shù)恢復(fù)正常。

2.原因分析

第一，未對輔汽至小機(jī)供汽管路進(jìn)行充分暖管疏水，是造成本次事件的直接原因。輔汽供小機(jī)電動閥開啟前，未對其閥前管道進(jìn)行充分暖管疏水。開啟輔汽至小機(jī)供汽電動閥后，管道內(nèi)的水、冷汽在蒸汽攜帶下迅速進(jìn)入小機(jī)，造成小機(jī)出力急劇下降，最終造成鍋爐給水短時中斷。

第二，機(jī)組停運后，對小機(jī)供汽沿程各疏水器進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)個別疏水器前后管路被鐵銹等雜質(zhì)堵塞。輔汽至小機(jī)供汽管路各疏水器卡澀、不能及時排盡疏水，是導(dǎo)致本次事件的又一原因。

3.控制措施

為充分防止輔汽至小機(jī)供汽管道積水、冷汽，可以采取以下措施：

第一，運行管理方面。制定專項措施，明確啟停機(jī)過程中投入輔汽至小機(jī)汽源前，必須開啟沿程管路各疏水器前、后隔離閥及旁路閥，進(jìn)行充分的暖管疏水。

第二，設(shè)備改造和維護(hù)方面。一是在輔汽至小機(jī)供汽閥前后加裝小旁路，確保機(jī)組運行中，輔汽至小機(jī)汽源熱備用；二是定期開展小機(jī)供汽管路疏水器維護(hù)工作，保證疏水器正常工作；三是將輔汽至小機(jī)供汽管路疏水器改造為由DCS控制的氣動疏水閥，當(dāng)疏水罐液位高報警時，聯(lián)鎖開啟疏水閥疏水。

（三）異常事件三

1.事件經(jīng)過

2023年04月06日7時53分，1號機(jī)負(fù)荷748MW，給水流量1988t/h。小機(jī)轉(zhuǎn)速3727rpm，小機(jī)四個調(diào)閥開度分別為68.8%、25.2%、8.4%、0.5%，二冷至小機(jī)進(jìn)汽閥開度35%。

07時54分，小機(jī)轉(zhuǎn)速3745rpm，DCS畫面發(fā)出“汽泵異?！薄靶C(jī)調(diào)閥反饋偏差大”光字報警，小機(jī)1號調(diào)閥反饋跳變，2、3、4號調(diào)閥迅速開大，1A EH油泵電流由28.4A上漲至33.8A，EH油壓由16.16MPa降至16.02MPa，省煤器入口流量波動約100t/h，小機(jī)轉(zhuǎn)速波動約50rpm，立即退出AGC穩(wěn)定負(fù)荷。就地檢查小機(jī)1號調(diào)閥實際開度為10%，1號調(diào)閥EH供、回油管道大幅擺動。

現(xiàn)場檢查判斷為小機(jī)1號調(diào)閥LVDT裝置故障。工作人員立即采取隔離檢修措施：一是將小機(jī)1號調(diào)閥的閥限由105%設(shè)定至-5%，強(qiáng)置1號調(diào)閥指令為-15%，確保調(diào)閥全關(guān)；二是關(guān)閉小機(jī)1號調(diào)閥進(jìn)油手動閥。

更換小機(jī)1號調(diào)閥LVDT裝置后，押票試運正常。

2.原因分析

第一，小機(jī)1號調(diào)閥LVDT裝置損壞是事件的直接原因。

第二，小機(jī)調(diào)閥LVDT接線盒長時間工作溫度過高，導(dǎo)致LVDT裝置老化、使用壽命縮短，是事件的間接原因。

3.采取措施

第一，加強(qiáng)主、小機(jī)各進(jìn)汽閥及旁路閥的巡視檢查工作。定期對主、小機(jī)進(jìn)汽閥、調(diào)節(jié)閥以及汽機(jī)旁路閥LVDT裝置進(jìn)行測溫檢查，采取加裝通風(fēng)機(jī)等手段進(jìn)行物理降溫。

第二，開展小機(jī)LVDT裝置雙支改造工作。通過小機(jī)LVDT裝置雙支改造，避免單支LVDT裝置故障引發(fā)不安全事件。

第三，重新敷設(shè)主、小機(jī)進(jìn)汽閥外部保溫材料。主、小機(jī)進(jìn)汽主汽閥、調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵部位采用優(yōu)質(zhì)保溫材料或定期更換保溫材料，確保LVDT裝置運行溫度不超設(shè)計值。

（四）異常事件四

1.事件經(jīng)過

2020年7月16日1時03分，1號機(jī)負(fù)荷480MW，CCS投入，省煤器入口流量1131t/h，汽泵入口流量1991t/h，小機(jī)由五抽供汽，二冷至小機(jī)供汽未投入備用。小機(jī)進(jìn)汽壓力0.38MPa、溫度413℃，汽泵再循環(huán)調(diào)閥開度100%。

1時07分，漲負(fù)荷至545MW，省煤器入口流量1532t/h，汽泵入口流量2393t/h，小機(jī)四個調(diào)閥開度均漲至100%，小機(jī)進(jìn)汽壓力0.36MPa，汽泵再循環(huán)調(diào)閥開度92%。

1時14分，負(fù)荷644MW，小機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實際值偏差大，給水自動切除，機(jī)組轉(zhuǎn)入TF方式運行。立即關(guān)閉小汽泵再循環(huán)閥，手動調(diào)節(jié)水煤比，暖投二冷至小機(jī)汽源。待參數(shù)穩(wěn)定后，重新投入給水自動、CCS運行。

2.原因分析

第一，五抽至小機(jī)供汽逆止閥卡澀是本次異常事件的直接原因。相同負(fù)荷下，小機(jī)進(jìn)汽壓力較正常低0.06MPa、且五抽至小機(jī)供汽逆止閥報故障，漲負(fù)荷過程中，小機(jī)汽源壓力偏低、進(jìn)汽能量不足，最終造成給水自動切除。

第二，調(diào)節(jié)汽泵再循環(huán)閥開度滯后是本次異常事件的又一原因。漲負(fù)荷時，汽泵再循環(huán)閥關(guān)閉不及時，在小機(jī)進(jìn)汽調(diào)閥全開的情況下，仍不能滿足鍋爐給水流量要求，最終導(dǎo)致給水自動切除。

3.采取措施

第一，優(yōu)化DCS系統(tǒng)光字報警。設(shè)置小機(jī)綜合閥位高和五抽至小機(jī)供汽逆止閥狀態(tài)異常光字報警，當(dāng)逆止閥開度小于對應(yīng)負(fù)荷下的正常開度或小機(jī)綜合閥位高時，發(fā)出光字報警，幫助運行人員及時進(jìn)行應(yīng)急處置。

第二，制定汽泵再循環(huán)閥的專項控制措施。防范漲負(fù)荷時，汽泵再循環(huán)閥關(guān)閉不及時，會影響機(jī)組的安全運行；防范降負(fù)荷時，汽泵再循環(huán)閥開啟不及時，造成省煤器入口流量大幅擺動。

三、結(jié)束語

通過對雷州發(fā)電公司兩臺機(jī)組運行中幾起給水流量波動異常事件的分析，針對1000MW單汽泵，布置機(jī)組發(fā)生給水流量波動的給水泵“揚程—流量”特性曲線平緩、小機(jī)進(jìn)汽管路積冷水、小機(jī)調(diào)閥LVDT裝置故障、小機(jī)供汽管道逆止閥卡澀等幾方面的原因進(jìn)行探究，提供了切實有效的控制措施和設(shè)備改造思路，在保障機(jī)組長周期安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化給水系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)能降耗工作，提供了可借鑒的途徑。

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