1 000 MW超超臨界機(jī)組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造研究及應(yīng)用

朱 君

（神華國(guó)華徐州發(fā)電有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

加強(qiáng)節(jié)能降耗工作是深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀、落實(shí)節(jié)約資源基本國(guó)策、建設(shè)節(jié)約型和諧社會(huì)的一項(xiàng)重要措施，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針和緊迫任務(wù)。節(jié)能降耗水平是衡量發(fā)電企業(yè)技術(shù)及管理水平的重要指標(biāo)，關(guān)系企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和長(zhǎng)期盈利能力。循環(huán)水系統(tǒng)是 1 000 MW燃煤機(jī)組非常重要的系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要運(yùn)行設(shè)備為循環(huán)水泵。以神華國(guó)華徐州發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱“徐州發(fā)電公司”）為例，其直接廠用電率為4.53%，循環(huán)水泵配套電動(dòng)機(jī)功率是3 800 kW，循環(huán)水泵耗電率0.85%，循環(huán)水泵耗電率占全廠直接廠用電的18.8%，耗電量非常大。通過節(jié)能改造和技術(shù)創(chuàng)新，合理減少大功率循環(huán)水泵的運(yùn)行時(shí)間，在節(jié)約大量廠用電的同時(shí)也能大幅度提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)介紹

徐州發(fā)電公司的2×1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)制造的N1000-26.25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。輔機(jī)冷卻水根據(jù)壓力、水質(zhì)要求設(shè)置循環(huán)水系統(tǒng)、開式循環(huán)水系統(tǒng)和閉式循環(huán)水系統(tǒng)。循環(huán)水系統(tǒng)和開式循環(huán)水系統(tǒng)采用京杭大運(yùn)河水作為冷卻水介質(zhì)，閉式循環(huán)水系統(tǒng)采用除鹽水作為冷卻水介質(zhì)。圖1所示為該機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)、開式循環(huán)水系統(tǒng)圖。循環(huán)水系統(tǒng)按單元制設(shè)計(jì)，采用冷卻塔二次循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，為凝汽器、開式循環(huán)水系統(tǒng)提供冷卻水，循環(huán)水系統(tǒng)由排煙冷卻水塔（煙塔合一）、循環(huán)水泵、凝汽器、膠球裝置、管道、閥門等設(shè)備組成。每臺(tái)機(jī)組配置三臺(tái)由長(zhǎng)沙水泵廠制造的88LKXA-27.9型固定轉(zhuǎn)速、固定葉片、立式斜流泵，循環(huán)水泵及配套電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

開式循環(huán)水系統(tǒng)為開式循環(huán)，水源取自循環(huán)水泵出口母管，回水匯集后經(jīng)循環(huán)水回水母管至排煙冷卻水塔散熱，主要為閉式循環(huán)水熱交換器及真空泵冷卻器提供冷卻水。圖1虛線框內(nèi)所示，系統(tǒng)設(shè)兩臺(tái)100%容量的閉式循環(huán)水熱交換器和兩臺(tái)100%容量的程控電動(dòng)濾水器，不設(shè)開式水泵。閉式循環(huán)水系統(tǒng)由于水質(zhì)要求較高采用獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)，由除鹽水補(bǔ)水、閉式水泵作為循環(huán)動(dòng)力，通過閉式循環(huán)水熱交換器由開式循環(huán)冷卻水帶走循環(huán)熱量，主要為主汽輪機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器、發(fā)電機(jī)定子水冷卻器、發(fā)電機(jī)氫冷卻器、給水泵汽輪機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)油站、磨煤機(jī)減速機(jī)潤(rùn)滑油冷卻器等主、輔機(jī)設(shè)備提供冷卻水。系統(tǒng)設(shè)兩臺(tái)100%容量的閉式水泵，設(shè)計(jì)冷卻水量2 700 t/h。兩臺(tái)機(jī)組閉式水系統(tǒng)均能分別向鍋爐、脫硫區(qū)域提供冷卻水，互相滿足事故供水。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)、開式循環(huán)水系統(tǒng)圖Figure 1 Diagram of circulating water system and open circulating water system

表1 循環(huán)水泵及配套電動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of circulating water pump and motor

2 機(jī)組運(yùn)行方式及存在問題分析

2.1 機(jī)組正常運(yùn)行方式

機(jī)組正常運(yùn)行期間，閉式水泵一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。根據(jù)季節(jié)不同，循環(huán)水泵采用不同的運(yùn)行方式：

夏季：一機(jī)三泵運(yùn)行，單泵參數(shù)流量Q=34 463 t/h，揚(yáng)程H=31.5 m，總循環(huán)水量103 389 t/h，其中開式循環(huán)水量5 000 t/h。

春、秋季：一機(jī)二泵運(yùn)行，單泵參數(shù)流量Q=38 646 t/h，揚(yáng)程H=27.00 m，總循環(huán)水量77 292 t/h，其中開式循環(huán)水量4 000 t/h。

冬季：一機(jī)一泵運(yùn)行，單泵參數(shù)流量Q=41 760 t/h，揚(yáng)程H=24.3 m，總循環(huán)水量41 760 t/h，其中開式循環(huán)水量3 500 t/h。

2.2 機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)運(yùn)行方式

機(jī)組停機(jī)冷卻和修后試驗(yàn)期間，閉式水泵一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。循環(huán)水泵一臺(tái)運(yùn)行，為開式循環(huán)水系統(tǒng)提供冷卻水源，確保主機(jī)及其他部分輔機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)所有循環(huán)水用戶已全部停運(yùn)，且主機(jī)低壓缸排汽溫度＜50℃，方可停運(yùn)循環(huán)水泵。

2.3 當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行方式存在問題分析

機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)期間，保持單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行，循環(huán)水流量為41 760 t/h。停機(jī)冷卻期間所需閉式冷卻水量為170 t/h、試轉(zhuǎn)期間所需閉式冷卻水量為404 t/h。此時(shí)對(duì)應(yīng)所需開式循環(huán)冷卻水量分別為220.4 t/h和523.7 t/h，所需開式循環(huán)冷卻水量分別僅為為單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)循環(huán)水流量的0.53%和1.25%，循環(huán)水泵實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)。由于該循環(huán)水泵為固定轉(zhuǎn)速、固定葉片水泵，無(wú)法調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，在所需開式循環(huán)冷卻水量極少的情況下運(yùn)行單臺(tái)循環(huán)水泵是極其不經(jīng)濟(jì)的。由表1可知，循環(huán)水泵配套電動(dòng)機(jī)額定功率3 800 kW、額定電流460 A。經(jīng)查閱循環(huán)水泵耗電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，單臺(tái)循環(huán)水泵每天耗電量為8.72萬(wàn)kWh。

表2所示為徐州發(fā)電公司2015年3月1號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)度。由表2可知，從機(jī)組停機(jī)至循環(huán)水系統(tǒng)停運(yùn)，循環(huán)水泵需運(yùn)行8天（如果主機(jī)快冷裝置不投運(yùn)，循環(huán)水泵至少需運(yùn)行11天）；機(jī)組試轉(zhuǎn)期間，從循環(huán)水系統(tǒng)投運(yùn)至主機(jī)盤車投運(yùn)，循環(huán)水泵需運(yùn)行10天。在機(jī)組停機(jī)后的2天以及主機(jī)盤車投運(yùn)前1天，凝結(jié)水泵、真空泵、前置泵、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等輔機(jī)需保持運(yùn)行，因運(yùn)行輔機(jī)較多，冷卻水用量較大，需保持單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行。也就是說，在整個(gè)機(jī)組檢修期間，循環(huán)水泵總運(yùn)行天數(shù)至少為18天，除3天時(shí)間為正常運(yùn)行外，其余15天均為低效率下運(yùn)行。一次檢修循環(huán)水泵運(yùn)行按15天計(jì)算，單臺(tái)循環(huán)水泵共多耗電130.8萬(wàn)kWh，浪費(fèi)極大。因此，為降低廠用電率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，非常有必要對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

表2 1號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)度Table 2 Main node schedule of unit 1 C class maintenance

3 節(jié)能改造方案分析

3.1 節(jié)能改造方案一

如圖2所示（紅色部分為新增設(shè)備），在2號(hào)電動(dòng)濾水器進(jìn)口電動(dòng)門前與1、2號(hào)閉式循環(huán)水熱交換器進(jìn)口母管之間，加裝一臺(tái)臥式開式水泵。開式水泵流量600 t/h、揚(yáng)程30 m、配套電動(dòng)機(jī)額定功率75 kW。新加裝的開式水泵布置在兩臺(tái)閉式循環(huán)水熱交換器東側(cè)。改造后，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，開啟1、2號(hào)電動(dòng)濾水器進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門，關(guān)閉開式水泵進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門和手動(dòng)隔離門，開式水泵停運(yùn)，循環(huán)水泵正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)閉1、2號(hào)電動(dòng)濾水器進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門，開啟開式水泵進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門和手動(dòng)隔離門，開式水泵運(yùn)行，循環(huán)水泵停運(yùn)。

圖2 開式循環(huán)水改造系統(tǒng)圖（方案一）Figure 2 Diagram of open circulating water system transformation(scheme 1)

3.2 節(jié)能改造方案二

如圖3所示（紅色部分為新增設(shè)備），在1、2號(hào)電動(dòng)濾水器出口與1、2號(hào)閉式循環(huán)水熱交換器進(jìn)口母管上，加裝一臺(tái)電動(dòng)隔離門，開式水泵進(jìn)、出口管道分別接在新加裝的電動(dòng)隔離門進(jìn)口和出口母管上。開式水泵流量600 t/h、揚(yáng)程30 m、配套電動(dòng)機(jī)額定功率75 kW。新加裝的開式水泵布置在兩臺(tái)閉式循環(huán)水熱交換器東側(cè)。改造后，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，開啟1、2號(hào)電動(dòng)濾水器出口母管上新加裝的電動(dòng)隔離門，關(guān)閉開式水泵進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門和手動(dòng)隔離門，開式水泵停運(yùn)，循環(huán)水泵正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)閉1、2號(hào)電動(dòng)濾水器出口母管上新加裝的電動(dòng)隔離門，開啟開式水泵進(jìn)、出口電動(dòng)隔離門和手動(dòng)隔離門，開式水泵運(yùn)行，循環(huán)水泵停運(yùn)。

圖3 開式循環(huán)水改造系統(tǒng)圖（方案二）Figure 3 Diagram of open circulating water system transformation(scheme 2)

3.3 節(jié)能改造方案三

如圖4所示（紅色部分為新增設(shè)備），在3號(hào)循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)與鋼閘門之間加裝一臺(tái)立式循環(huán)水泵，出口管接在三臺(tái)循環(huán)水泵出口母管上。新加裝的循環(huán)水泵流量800 t/h、揚(yáng)程38 m、配套電動(dòng)機(jī)額定功率135 kW。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，開啟三臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)口鋼閘門，關(guān)閉4號(hào)循環(huán)水泵出口電動(dòng)隔離門，4號(hào)循環(huán)水泵停運(yùn)，1、2、3號(hào)循環(huán)水泵正常運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)閉三臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)口鋼閘門，開啟4號(hào)循環(huán)水泵出口電動(dòng)隔離門，4號(hào)循環(huán)水泵運(yùn)行，1、2、3號(hào)循環(huán)水泵停運(yùn)。

圖4 循環(huán)水改造系統(tǒng)圖（方案三）Figure 4 Diagram of circulating water system transformation(scheme 3)

3.4 節(jié)能改造方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

方案一：優(yōu)點(diǎn)是從2號(hào)電動(dòng)濾水器進(jìn)口電動(dòng)門前取水，通過開式水泵將水直接送入1、2號(hào)閉式循環(huán)水熱交換器，避免了循環(huán)水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏造成閉式循環(huán)水熱交換器換熱效果差的現(xiàn)象，可根據(jù)閉式循環(huán)水熱交換器用水量選用流量合適的臥式開式水泵，避免選用大功率的開式水泵造成用電浪費(fèi)，運(yùn)行成本低。另外，開式水泵安裝比較方便，便于隔離，不影響機(jī)組正常運(yùn)行。缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，安裝設(shè)備多，前期投入費(fèi)用相對(duì)較高。

方案二：優(yōu)點(diǎn)是從1、2號(hào)電動(dòng)濾水器出口取水，通過開式水泵將水直接送入1、2號(hào)閉式循環(huán)水熱交換器，避免了循環(huán)水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏造成閉式循環(huán)水熱交換器換熱效果差的現(xiàn)象，可根據(jù)閉式循環(huán)水熱交換器用水量選用流量合適的臥式開式水泵，避免選用大功率的開式水泵造成用電浪費(fèi)，運(yùn)行成本低，開式水泵安裝比較方便。缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，安裝設(shè)備多，前期投入費(fèi)用最高。另外，電動(dòng)濾水器和閉式循環(huán)水熱交換器均為一用一備，在電動(dòng)濾水器和閉式循環(huán)水熱交換器之間的母管上加裝電動(dòng)隔離門，當(dāng)該電動(dòng)隔離門發(fā)生故障關(guān)閉，將會(huì)造成開式循環(huán)冷卻水?dāng)嗨?，?yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

方案三：優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝設(shè)備少，操作簡(jiǎn)單，前期投入費(fèi)用較低。缺點(diǎn)是立式循環(huán)水泵安裝復(fù)雜，新加裝的循環(huán)水泵與閉式循環(huán)水熱交換器之間的管道長(zhǎng)度約450 m，系統(tǒng)阻力較大。另外，循環(huán)水泵出口及凝汽器進(jìn)出口閥門均為大口徑蝶閥，閥門通徑分別為DN2200和DN2800，設(shè)備實(shí)際投入運(yùn)行后，一旦該閥門出現(xiàn)內(nèi)漏，大量循環(huán)水將漏入前池或凝汽器，造成進(jìn)入閉式循環(huán)水熱交換器的冷卻水流量嚴(yán)重不足、換熱效果差。因此，需選用更大流量和更高揚(yáng)程的水泵，耗電量大、運(yùn)行成本高。

通過以上3個(gè)方案的對(duì)比，方案一雖然系統(tǒng)較復(fù)雜，安裝設(shè)備多，前期投入費(fèi)用相對(duì)較高，但開式水泵出口冷卻水直接送入閉式循環(huán)水熱交換器，避免選用大功率的水泵造成用電浪費(fèi)，運(yùn)行成本低，且開式水泵安裝較方便，便于隔離，不影響機(jī)組正常運(yùn)行。方案二開式水泵與方案一選型完全相同，雖然少加裝一個(gè)濾網(wǎng)，但多加裝一臺(tái)電動(dòng)蝶閥，前期投入費(fèi)用比方案一略高，并且在機(jī)組正常運(yùn)行期間，開式循環(huán)冷卻水存在斷水風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。方案三雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安裝設(shè)備少，前期投入費(fèi)用較低，但需選用更大流量和更高揚(yáng)程的水泵，耗電量大、后期運(yùn)行成本最高。

綜合對(duì)比分析，方案一為最優(yōu)方案，為本次節(jié)能改造最終采用的方案。機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)期間，所需開式循環(huán)冷卻水量分別為220.4 t/h和523.7 t/h，按最大523.7 t/h并考慮一定富裕量，最終選用臥式單級(jí)雙吸離心水泵，型號(hào)10SH-9wst、流量600 t/h、揚(yáng)程30 m，開式水泵及配套電動(dòng)機(jī)參數(shù)見表3。

表3 開式水泵及配套電動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 3 Parameters of open water pump and motor

4 項(xiàng)目投運(yùn)后實(shí)際節(jié)能效果

2017年1月，利用1號(hào)機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，實(shí)施了開式循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造。改造后，機(jī)組停機(jī)冷卻及修后試轉(zhuǎn)期間，開式水泵運(yùn)行，循環(huán)水泵停運(yùn)。單臺(tái)開式水泵每天耗電量0.156萬(wàn)kWh，單臺(tái)循環(huán)水泵每天耗電量8.72萬(wàn)kWh，每天可節(jié)省電量8.56萬(wàn)kWh。根據(jù)機(jī)組檢修計(jì)劃，1 000 MW機(jī)組A級(jí)檢修周期為5～6年，B級(jí)檢修周期為A級(jí)檢修后的第2年或第3年，C級(jí)檢修周期為1～1.5年，平均每年檢修1～1.3次，按每年進(jìn)行1次機(jī)組檢修，每次機(jī)組檢修開式水泵運(yùn)行按15天計(jì)算，電價(jià)按0.4元/kWh計(jì)算，每年可節(jié)省電量128.4萬(wàn)kWh、節(jié)約費(fèi)用51.4萬(wàn)元。該改造項(xiàng)目初期投資34.6萬(wàn)元，0.67年即可收回投資，節(jié)能效果非常明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)1 000 MW機(jī)組開式循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能改造，有效降低全廠直接廠用電率，大大提升機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，取得了良好的節(jié)能減排效果。隨著火電、水電、核電、風(fēng)電等新能源發(fā)電裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)持續(xù)降低，火電機(jī)組在節(jié)假日期間調(diào)停將成為常態(tài)，該節(jié)能改造技術(shù)的節(jié)能效果將更加明顯。該節(jié)能改造技術(shù)的成功應(yīng)用，為其他機(jī)組節(jié)能改造提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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