百萬千瓦二次再熱機組汽動給水泵高效經(jīng)濟運行探究

邵 飛

中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗研究院

0 引言

二次再熱技術(shù)是采用兩次中間再熱以蒸汽朗肯循環(huán)為基本動力循環(huán)的發(fā)電技術(shù)，其典型特征是超高壓缸和高壓缸出口的工質(zhì)分別被送入鍋爐高壓再熱器和低壓再熱器，實現(xiàn)整個熱力循環(huán)二次再熱。相比一次再熱機組，二次再熱機組鍋爐增加了一級再熱回路[1］。

目前，國內(nèi)外已有大量關于二次再熱機組技術(shù)經(jīng)濟性分析[2-6］、系統(tǒng)優(yōu)化集成研究[7］、關鍵技術(shù)研究等[8］論著，國內(nèi)也有不少二次再熱機組順利投產(chǎn)。

1 百萬千瓦二次再熱機組給水泵配置現(xiàn)狀

十年前，國內(nèi)外1 000 MW 超超臨界一次再熱機組給水泵配置基本以2×50%BMCR 容量為主，國內(nèi)首批建設的1 000 MW 超超臨界二次再熱機組給水泵亦采用2×50 %BMCR 容量配置居多，如國電泰州二期、華能萊蕪電廠等。隨著給水泵及驅(qū)動汽輪機制造能力的提高及現(xiàn)場運行經(jīng)驗的增加，1×100%BMCR 給水泵容量配置逐漸成為主流[9-11］。國內(nèi)部分百萬千瓦二次再熱機組給水泵配置見表1。

表1 國內(nèi)部分百萬千瓦二次再熱機組給水泵配置

1 000 MW 超超臨界二次再熱機組給水泵揚程較高，相比常規(guī)超超臨界百萬機組給水泵揚程增加20%～25%，軸功率增加10%～12%，流量減少7%。從泵的工作點來看基本是現(xiàn)有成熟給水泵性能曲線的延升，只不過曲線在高流量時更陡峭[12］。圖1為某百萬二次再熱機組汽動給水泵組變轉(zhuǎn)速工況下的流量-揚程特性曲線，從圖中可看出，高流量工況下曲線較陡峭，1 500 t/h及以下時較平緩。

圖1 某百萬二次再熱機組汽動給水泵組變轉(zhuǎn)速工況的流量-揚程特性曲線

2 運行中的問題

采用1×100%BMCR 容量給水泵配置方案可有效降低項目初投資，且可提高機組經(jīng)濟性能，故在近期新建機組中得到廣泛應用。但近兩年投產(chǎn)的機組運行中發(fā)現(xiàn)，在50%～75%中低負荷段，給水流量會出現(xiàn)異常波動，危及機組的安全運行，目前的做法是通過開啟給水泵再循環(huán)閥方式來降低波動。但給水泵再循環(huán)閥的開啟會造成大量蒸汽損失，且閥芯磨損更換費用很高。以往亞臨界、超臨界一次再熱機組雖也有此現(xiàn)象發(fā)生，但通常在50%負荷以下，危害較小。

對于蒸汽損失，以某廠為例，2021年2-3月份，其汽動給水泵耗汽量分別為95.83 t/h、117.4 t/h，較對應負荷下的設計值高41.0 t/h、40.3 t/h，影響機組供電煤耗2.38 g/kWh 和2.34 g/kWh，嚴重影響了機組經(jīng)濟性，不符合機組寬負荷的節(jié)能要求[13］。

3 給水泵流量波動原因分析

眾所周知，配置1×100%BMCR 容量給水泵的百萬一次再熱機組和配置2×50%BMCR 容量給水泵的百萬二次再熱機組均不存在給水流量異常波動問題，而配置1×100%BMCR 容量給水泵的百萬二次再熱機組則在中低負荷段流量出現(xiàn)異常波動。為此，對百萬一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵、百萬二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵、百萬二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵三種配置方案的特性曲線和給水泵設計參數(shù)進行了對比分析。

3.1 給水泵特性曲線分析

分析某百萬二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量-揚程特性曲線，發(fā)現(xiàn)給水泵在中低負荷段有明顯平緩區(qū)域，在此區(qū)域運行時，管道阻力的微小變化都會使給水流量大幅波動，如圖2 所示。而某百萬一次再熱1×100%BMCR 給水泵配置和某二次再熱2×50%BMCR 給水泵配置則未有明顯平緩區(qū)域(如圖3、圖4所示)。

圖2 某二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量特性曲線

圖3 某二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵組流量特性曲線

圖4 某一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量特性曲線

3.2 設計參數(shù)分析

典型百萬機組給水泵組性能數(shù)據(jù)見表2。

表2 典型百萬機組給水泵組性能數(shù)據(jù)

1)百萬二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵（C和D）和百萬一次再熱1×100%BMCR容量給水泵（A）比較

由于主蒸汽流量減少，蒸汽壓力提高，百萬二次再熱1×100%BMCR容量給水泵較一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量減少、揚程增大、轉(zhuǎn)速降低約300 r/min。

2)百萬二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵（C 和D）和百萬二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵（B）比較

總給水流量相同（單臺泵減半），揚程相當，但泵額定轉(zhuǎn)速偏差較大，二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵額定轉(zhuǎn)速較2×50%BMCR 容量給水泵降低約700 r/min，主要原因是1×100%BMCR 容量給水泵汽輪機采用雙分流設計，軸系更長，導致其二階臨界轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速均相應降低。

3.3 波動原因分析

由3.1 節(jié)和3.2 節(jié)分析可知，百萬二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵汽輪機由于采用雙分流設計，其轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速較低，因此，在實際運行中其轉(zhuǎn)速均控制在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，給水泵流量-揚程曲線整體變緩，低負荷時更為平緩，導致了在微小擾動下給水流量發(fā)生大幅波動。

導致二次再熱機組1×100%BMCR容量給水泵流量-揚程特性曲線設計不合理的根本原因在于二次再熱1×100%給水泵與以往同類型機組配置相比，流量特性、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)發(fā)生了較大變化，但給水泵制造廠家未能及時開發(fā)合適的給水泵水力模型，導致中低負荷工況下流量特性與給水系統(tǒng)不匹配。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某廠家生產(chǎn)的二次再熱機組1×100%給水泵，其設計是在一次再熱機組1×100%BMCR 容量給水泵的基礎上通過降低轉(zhuǎn)速、增加葉輪級數(shù)（由5 級變?yōu)? 級）來適應二次再熱機組低流量、高揚程要求的，而另一廠家則采用在降低轉(zhuǎn)速的基礎上增大葉輪直徑的方法。此外，為滿足二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵高揚程、大軸功率的需求，給水泵制造廠家在其他類型的基礎上對軸徑尺寸、強度方面進行了調(diào)整，但由此葉輪進口流態(tài)也發(fā)生了變化，這也進一步導致了部分負荷下給水泵性能的惡化。由于給水泵制造廠家未根據(jù)二次再熱機組特性開發(fā)新的水力模型，其設計僅保證滿負荷工況要求，故機組在50%～75%中低負荷區(qū)間給水流量異常波動。

4 優(yōu)化方案

由于給水泵流量波動為給水泵流量特性與給水系統(tǒng)不匹配造成，可采取以下措施優(yōu)化：

4.1 優(yōu)化給水泵水力模型

改變給水泵特性曲線，在兼顧給水泵效率的同時，增加流量-揚程曲線的陡度，具體為改造給水泵的芯包。圖5 為某制造廠家提供的給水泵改造前后流量特性曲線，從圖中可看出，改造后75%THA 工況點已不處于平緩區(qū)，50%THA 工況點略有改善。

圖5 給水泵改造前后給水泵流量特性曲線

值得注意的是，給水泵特性曲線改變后，需對給水泵關斷揚程與設計壓力進行校核，以確認系統(tǒng)的適應性。校核的內(nèi)容主要包括給水泵出口至第一個關斷閥之間的閥門和管件強度。

給水泵改造需給水泵制造廠家進行開發(fā)和試制，若前期無相關基礎或積累，開發(fā)周期會較長，投入也會較大。

4.2 提高給水系統(tǒng)阻力

給水泵運行點在給水泵組性能曲線和管路特性曲線的交點上，提高系統(tǒng)阻力可讓管路特性曲線變“陡”，阻力可通過閥門節(jié)流的方式來改變。由于一般鍋爐上水閥不具備調(diào)節(jié)功能，故需在給水管道上合適位置增加調(diào)節(jié)門。由于給水系統(tǒng)壓力高，擬選的閥門造價也高，且改造工作耗時，最終效果需由實際運行驗證，增加的管道阻力也會增加給水泵汽輪機的汽耗量，進而影響經(jīng)濟性，故此方案要慎重選擇。

4.3 提高給水泵額定轉(zhuǎn)速

在滿足給水泵汽輪機安全運行裕量的前提下，適當提高給水泵額定轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍上移。該方案需制造廠家充分校核安全性，方案對改善中低負荷段給水泵流量特性曲線陡度有一定的作用。

4.4 提高中低負荷段給水流量

增設0 號高加，并在運行中適當提高主調(diào)門閥位，以增加主汽流量，提高給水流量，但提高有限。

4.5 提高給水泵汽輪機二階臨界轉(zhuǎn)速

改變給水泵汽輪機設計，提高二階臨界轉(zhuǎn)速，給水泵額定轉(zhuǎn)速也相應提高。該方案對現(xiàn)役機組而言，造價過高難以實現(xiàn)。

另一方案為采用雙機回熱系統(tǒng)，給水泵汽輪機采用單流設計，由于其末級葉片短，二階臨界轉(zhuǎn)速有所提高，但該方案只適合新建機組。

綜上五種方案，對已投產(chǎn)機組，可結(jié)合4.1～4.4節(jié)措施進行改造和優(yōu)化。對新建機組，應總體考慮，全面布局，確保給水泵制造廠家根據(jù)機組不同負荷段運行要求開發(fā)水力模型并校核性能曲線，將再循環(huán)閥開啟點降至50%甚至40%負荷。鑒于目前尚無成功改造案例，如何保證在40%負荷點無需開啟給水泵再循環(huán)閥依然是需要深入研究的問題。

5 結(jié)語

本文介紹了百萬千瓦二次再熱機組汽動給水泵在運行中存在的問題，并從給水泵特性曲線及設計參數(shù)方面對給水流量產(chǎn)生波動的原因進行了分析。鑒于目前尚無成功改造案例，如何保證在40%負荷點無需開啟給水泵再循環(huán)閥依然是需要深入研究的問題。本文根據(jù)給水流量波動原因提出了相應的優(yōu)化措施，為解決問題提供了思路。