超超臨界機(jī)組100%容量給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常分析

沈　峰

(國電科學(xué)技術(shù)研究院， 南京 210031)

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運(yùn)行與改造

超超臨界機(jī)組100%容量給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常分析

沈峰

(國電科學(xué)技術(shù)研究院， 南京 210031)

摘要：針對(duì)配置單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)的超超臨界機(jī)組升負(fù)荷過程中，給水泵汽輪機(jī)突然出現(xiàn)高壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開啟的異常情況，結(jié)合給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行容量和運(yùn)行效率，對(duì)給水泵汽輪機(jī)凝汽器真空泵運(yùn)行方式、循環(huán)水流量、凝汽器背壓、給泵汽輪機(jī)效率等因素進(jìn)行全面分析，最終查明給水泵再循環(huán)門泄漏是給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常的根本原因。更換再循環(huán)門后，給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行正常，機(jī)組帶負(fù)荷能力恢復(fù)正常。

關(guān)鍵詞：給水泵汽輪機(jī)； 真空； 效率

超超臨界機(jī)組配置單臺(tái)100%容量汽動(dòng)給水泵組，由于設(shè)備數(shù)量少，系統(tǒng)簡單，便于維護(hù)和管理；機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，不需要切換泵的運(yùn)行方式，易于操作控制，且相對(duì)于50%容量給水泵組效率提高約2%[1-2]。但單臺(tái)給水泵汽輪機(jī)故障直接影響機(jī)組的帶負(fù)荷能力，因此研究影響給水泵汽輪機(jī)正常運(yùn)行的各種因素就顯得尤為重要。

筆者針對(duì)單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常情況，通過試驗(yàn)手段，結(jié)合給水泵汽輪機(jī)的效率和出力，分析給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常的主要原因并提出解決方案。

1超超臨界機(jī)組給水泵配置概況

國內(nèi)超超臨界機(jī)組給水泵配置方式主要是2臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵組，以華能金陵、大唐呂四等電廠為代表；或在此基礎(chǔ)上，增加1臺(tái)25%～50%電動(dòng)泵作為啟、備用，以國電北侖港、華能玉環(huán)等電廠為代表；另外，外高橋三期、Heilbronn 7號(hào)等機(jī)組采用單臺(tái)100%容量汽動(dòng)給水泵組的方式。

早期國內(nèi)外超超臨界機(jī)組配備的單臺(tái)100%容量給水泵組汽輪機(jī)均由ABB、Alstom、Siemens等國外廠家生產(chǎn)。國內(nèi)杭州汽輪機(jī)廠引進(jìn)Siemens公司技術(shù)后，設(shè)計(jì)、制造的積木塊系列汽輪機(jī)，作為單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)，應(yīng)用于國內(nèi)660 MW超超臨界汽輪機(jī)組。國電九江7號(hào)、國電布連等機(jī)組均配置國內(nèi)某汽輪機(jī)制造廠生產(chǎn)的單軸、單缸、反向雙分流結(jié)構(gòu)，型號(hào)為WK63的給水泵汽輪機(jī)。

2單臺(tái)100%給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行異常

國內(nèi)某火電廠汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠和德國Siemens公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的660 MW超超臨界機(jī)組，型號(hào)為N660-27/600/600，配備單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)。該汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)，由上向下進(jìn)汽和從上向下排汽的結(jié)構(gòu)，兩排汽出口分別進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)單獨(dú)的凝汽器。凝汽器循環(huán)水與主機(jī)循環(huán)水共用母管，通過聯(lián)絡(luò)門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽由四段抽汽提供，高壓進(jìn)汽由再熱冷段蒸汽提供。機(jī)組升負(fù)荷至額定時(shí)，給泵汽輪機(jī)進(jìn)汽出現(xiàn)異常情況，具體參數(shù)見表1。

表1　機(jī)組升負(fù)荷過程給水泵汽輪機(jī)主要參數(shù)

正常情況下，低壓汽源是完全可以滿足負(fù)荷要求，而不需要開啟高壓汽源。給水泵汽輪機(jī)影響機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷主要有兩個(gè)因素：給水泵汽輪機(jī)的出力能力和給水泵汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。

3給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行分析

3.1 出力能力

結(jié)合機(jī)組在運(yùn)行過程中給水泵汽輪機(jī)的出力情況，統(tǒng)計(jì)給水泵設(shè)計(jì)軸功率與實(shí)際軸功率(見表2)。

由表2可見：額定負(fù)荷下，設(shè)計(jì)給水泵汽輪機(jī)軸功率較給水泵軸功率偏高約3.67%，且實(shí)際給水泵軸功率高于設(shè)計(jì)給水泵最大軸功率。給水泵汽輪機(jī)出力能力達(dá)到設(shè)計(jì)給水泵運(yùn)行要求。

3.2 運(yùn)行效率

給水泵汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)、凝汽器背壓等參數(shù)直接影響運(yùn)行效率；同時(shí)，真空泵運(yùn)行方式、循環(huán)水流量、凝汽器換熱效率、給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)又影響汽輪機(jī)的運(yùn)行背壓。

3.2.1 凝汽器真空泵運(yùn)行方式

給水泵汽輪機(jī)真空泵通常運(yùn)行方式為一用一備。由于現(xiàn)場原因無法進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，因此改變真空泵的運(yùn)行方式，通過凝汽器真空的變化值來判斷真空泵能否滿足凝汽器的運(yùn)行要求。

在560 MW負(fù)荷運(yùn)行條件下，給水泵進(jìn)口流量為1 790 t/h，此時(shí)給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽完全由低壓汽源供給，流量為100 t/h。正常單真空泵運(yùn)行時(shí)，給水泵汽輪機(jī)背壓為9.40 kPa，維持各運(yùn)行參數(shù)不變，開啟備用泵，在2臺(tái)真空泵同時(shí)運(yùn)行條件下，給水泵汽輪機(jī)背壓穩(wěn)定在9.20 kPa，背壓降低0.2 kPa，背壓變化較小。因此單臺(tái)真空泵運(yùn)行基本能滿足給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行要求。

3.2.2 凝汽器循環(huán)水流量

給水泵汽輪機(jī)循環(huán)水流量通過母管聯(lián)絡(luò)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的開度下，通過計(jì)算循環(huán)水流量，繼而判斷其能否滿足運(yùn)行需要。

給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)循環(huán)水流量為5 832 t/h，機(jī)組負(fù)荷較低且單循泵運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水流量偏低，但由于進(jìn)汽量較小，熱負(fù)荷偏低，背壓影響較小，且給水泵汽輪機(jī)出力余量大，仍能滿足運(yùn)行要求(見表3)。

表3　不同循泵運(yùn)行方式下循環(huán)水流量

隨著機(jī)組負(fù)荷的提高，循環(huán)水泵采用雙泵運(yùn)行，循環(huán)水聯(lián)絡(luò)門開度超過65%時(shí)，進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)循環(huán)水流量均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 給泵汽輪機(jī)背壓

凝汽器換熱效率是影響凝汽器背壓的重要原因；而實(shí)際運(yùn)行過程中，由于凝汽器換熱的材質(zhì)不盡相同，各材質(zhì)自身的傳熱系數(shù)也不相同。凝汽器傳熱系數(shù)[3]與循環(huán)水流量的關(guān)系為：

(1)

式中：A為凝汽器冷卻面積，m2；Qw為循環(huán)水流量，kg/s；cp為循環(huán)水比熱容，J/(kg·K)；θ1、θ2分別為循環(huán)水進(jìn)、出口溫度， ℃。

傳熱系數(shù)通過循環(huán)水流速、進(jìn)口溫度，凝汽器清潔系數(shù)修正后，凝汽器背壓[3]可由下列方程確定：

(2)

在雙循環(huán)水泵開啟，且聯(lián)絡(luò)門開度超過65%的運(yùn)行條件下，由于循環(huán)水流量基本能達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此循環(huán)水流量均采用設(shè)計(jì)流量來進(jìn)行分析。

在不同的循環(huán)水進(jìn)口溫度下，凝汽器背壓與設(shè)計(jì)值基本可以對(duì)應(yīng)，給水泵汽輪機(jī)凝汽器背壓正常，見圖1。

3.2.4 給泵汽輪機(jī)的效率

通過計(jì)算不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的給水泵汽輪機(jī)效率，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4　給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

由表4可知：在不同負(fù)荷下，給水泵效率基本達(dá)到設(shè)計(jì)值；在90%負(fù)荷以上，給水泵汽輪機(jī)效率均超過75%，均低于設(shè)計(jì)值。

負(fù)荷640 MW時(shí)，修正后的進(jìn)汽流量較設(shè)計(jì)值偏高12.4%，背壓升高，給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)運(yùn)行最佳工況，造成給水泵汽輪機(jī)效率偏低。

同時(shí)在給水泵汽輪機(jī)低壓進(jìn)汽門全開、高壓進(jìn)汽門全關(guān)狀態(tài)下，此時(shí)給水泵低壓進(jìn)汽流量已達(dá)最大值，給水泵軸功率達(dá)21.78 MW，超過設(shè)計(jì)額定功率10.5%。這表明給水泵汽輪機(jī)效率偏低，但其出力仍然可以滿足帶負(fù)荷要求。

3.3 給水泵進(jìn)、出口給水流量

通過對(duì)真空泵運(yùn)行方式、循環(huán)水流量、給水泵汽輪機(jī)的背壓、給泵汽輪機(jī)的效率等參數(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，給水泵汽輪機(jī)均能滿足設(shè)計(jì)以及運(yùn)行要求，但給水泵軸功率卻明顯偏高。

對(duì)給水泵進(jìn)、出口給水量以及進(jìn)入鍋爐的最終給水流量進(jìn)行比較，給水泵進(jìn)、出口流量較最終給水流量偏高約200 t/h。而造成偏差的直接原因是給水泵再循環(huán)門泄漏，導(dǎo)致給水泵出口給水沒有全部進(jìn)入給水母管，而通過再循環(huán)門再次返回給水泵入口(見表5)。

表5　給水泵進(jìn)、出口流量及最終給水流量

注：1)再熱減溫水流量為0。

機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷至640 MW時(shí)，關(guān)閉再循環(huán)閥前、后閘閥，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量下降至96 t/h，給水泵進(jìn)、出口流量下降約190 t/h，繼續(xù)升負(fù)荷至額定，高壓汽源進(jìn)汽門處于關(guān)閉狀態(tài)，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽流量為102 t/h，四段抽汽可以滿足運(yùn)行負(fù)荷要求。

通過查找歷史數(shù)據(jù)，對(duì)比不同時(shí)期給水泵進(jìn)、出口流量與最終給水流量的差值，見表6。

由表6可知：在半年內(nèi)，給水泵再循環(huán)門泄漏量提高約150 t/h。

根據(jù)現(xiàn)場情況判斷，隨著再循環(huán)門泄漏量增加，以及背壓的升高，給水泵汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥開啟所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷點(diǎn)將繼續(xù)降低。在極端條件下，低壓、高壓汽源調(diào)節(jié)閥均全開，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽量達(dá)到最大，其出力仍不能滿足機(jī)組升負(fù)荷需要。

4結(jié)果及措施

針對(duì)給水泵再循環(huán)門泄漏的情況，對(duì)其進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，閥門內(nèi)部控制開關(guān)的螺桿已部分脫落，在全關(guān)指令下，再循環(huán)門并不能完全關(guān)閉。更換再循環(huán)門，機(jī)組啟動(dòng)升負(fù)荷至額定，給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽均由四段抽汽提供，給水泵組運(yùn)行正常。

為了防止汽蝕，給水泵再循環(huán)門動(dòng)作設(shè)定流量為800 t/h，對(duì)應(yīng)負(fù)荷約290 MW；但由于電網(wǎng)調(diào)度，夜間低負(fù)荷調(diào)度指令為280 MW，再循環(huán)電動(dòng)門經(jīng)常啟動(dòng)，在高壓給水沖刷下，大大降低了再循環(huán)電動(dòng)門的控制能力。結(jié)合給水泵再循環(huán)汽蝕裕量以及電網(wǎng)調(diào)度的要求，給水泵再

循環(huán)門動(dòng)作流量調(diào)整為710 t/h，對(duì)應(yīng)負(fù)荷約258 MW。在保證給水泵安全控制前提下，降低了再循環(huán)電動(dòng)門的動(dòng)作次數(shù)，提高了再循環(huán)門的使用壽命。

5結(jié)語

給水泵汽輪機(jī)作為輔機(jī)系統(tǒng)重要的設(shè)備，對(duì)機(jī)組正常、穩(wěn)定運(yùn)行起了至關(guān)重要的作用。較多臺(tái)給水泵汽輪機(jī)配置的機(jī)組，單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)在重視設(shè)計(jì)出力、效率及工藝制造水平的同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的熱力系統(tǒng)及運(yùn)行要求也更為苛刻。只有滿足這樣嚴(yán)格的要求，才能發(fā)揮單臺(tái)100%容量給水泵汽輪機(jī)的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

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Analysis on Operational Failure of Single 100% Capacity Feed-water Pump Turbine in an Ultra-supercritical Unit

Shen Feng

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210031, China)

Abstract：For the abnormal condition occurring to the HP governing valve during load-up process of a single 100% capacity feed-water pump turbine in an ultra-supercritical power unit, comprehensive analysis was conducted on the influencing factors, such as the operation mode of condenser vacuum pump, circulating water flow rate, condenser back pressure and the efficiency of feed-water pump turbine, etc., based on the capacity and efficiency of the feed-water pump turbine. The fault was finally found to be caused by the leakage in the recirculation valve. The unit can run normally now after the valve is replaced.

Keywords：feed-water pump turbine; vacuum; efficiency

中圖分類號(hào)：TK267

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)02-0120-04

作者簡介：沈峰(1984—)，男，工程師，主要從事火電機(jī)組熱力系統(tǒng)性能診斷研究。E-mail: mantis09@foxmail.com

收稿日期：2015-07-30