600 MW機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵代替電動(dòng)給水泵啟動(dòng)的探討和實(shí)施

周獻(xiàn)東，王靜，張犇，張明

(1.華能太倉(cāng)電廠，江蘇 太倉(cāng) 215424；2.江蘇省、南京市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，南京 210005)

1 設(shè)備概述

華能太倉(cāng)電廠4號(hào)機(jī)為600 MW超臨界機(jī)組，鍋爐與汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)采用單元布置，給水系統(tǒng)配兩臺(tái)50%鍋爐額定容量的汽動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱汽泵)和一臺(tái)30%容量的電動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱電泵)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)汽泵保持運(yùn)行，電泵只在汽泵發(fā)生故障或機(jī)組啟停時(shí)使用。給水泵為上海動(dòng)力設(shè)備廠制造，小汽輪機(jī)為杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，其進(jìn)汽汽源設(shè)計(jì)有三路：四抽汽源為正常汽源，高排汽源為備用汽源，輔汽汽源為調(diào)試汽源。鍋爐給水站設(shè)計(jì)為：兩臺(tái)汽泵出水各布置一電動(dòng)閘閥，電泵出水布置一出水調(diào)閥和一電動(dòng)閘閥，三者出水并接至同一母管后經(jīng)高壓加熱器進(jìn)入鍋爐省煤器，4號(hào)機(jī)組給水布置方式示意圖如圖1所示。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電泵通過其出口調(diào)閥和轉(zhuǎn)速控制給水量向鍋爐進(jìn)水，待并網(wǎng)加負(fù)荷至20%THA負(fù)荷，沖轉(zhuǎn)汽泵轉(zhuǎn)速至3 000 r/min后，再由電泵切換至兩臺(tái)汽泵向鍋爐進(jìn)水。

圖1 4號(hào)機(jī)組給水布置方式示意圖

2 采用汽泵代替電泵啟動(dòng)機(jī)組的方案探討

2.1 采用汽泵啟動(dòng)機(jī)組的必要性

在目前增加新能源發(fā)電比重和降低燃煤機(jī)組發(fā)電比重的大背景下，燃煤機(jī)組啟停次數(shù)增加。而電泵作為功率最大的輔機(jī)，在機(jī)組啟停時(shí)消耗了大量的廠用電，影響全廠的經(jīng)濟(jì)效益。而采用汽泵代替電泵實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動(dòng)，可有效降低廠用電[1]。從能源轉(zhuǎn)化效率來看，采用汽泵代替電泵實(shí)現(xiàn)機(jī)組啟動(dòng)，相當(dāng)于節(jié)約2/3的一次能源，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性[2]。同時(shí)從安全上來看，采用汽泵啟動(dòng)機(jī)組后，將電泵作為熱備用，則增加了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

2.2 實(shí)現(xiàn)汽泵代替電泵啟動(dòng)機(jī)組的方案

按照啟動(dòng)時(shí)鍋爐給水量的控制要求：初期上水時(shí)，需要滿足80～100 t/h小流量進(jìn)水要求，待上水完成后，則要求保持400 t/h及以上的水量。根據(jù)電廠現(xiàn)有給水布置方式，采用汽泵啟動(dòng)時(shí)，無法滿足初期的小流量進(jìn)水要求。電廠曾進(jìn)行過試驗(yàn)：?jiǎn)为?dú)啟動(dòng)汽泵的前置泵，在其再循環(huán)開足的情況下，出口給水量仍達(dá)300 t/h。而若通過汽泵出口電動(dòng)門來控制給水量，則會(huì)帶來閥門內(nèi)漏的安全隱患。

因此，電廠實(shí)現(xiàn)用汽泵替代電泵來啟動(dòng)機(jī)組的關(guān)鍵在于如何進(jìn)行給水量的控制。汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的方案見表1。

表1 汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的方案

2.3 汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的方案選擇

上述兩種方案的優(yōu)劣性取決于機(jī)組使用期間取得的經(jīng)濟(jì)效益。以機(jī)組30年的使用年限來計(jì)算，該電廠于2006年投產(chǎn)，還可以運(yùn)行15年。若以5年為一個(gè)大修周期，則有4個(gè)大修周期。表2為4號(hào)機(jī)(2013年—2018年)在一個(gè)大修周期期間的機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)和電泵用電量的統(tǒng)計(jì)情況。其中三次為檢修后的啟動(dòng)，因鍋爐啟動(dòng)時(shí)包含沖洗和機(jī)組試驗(yàn)等，電泵運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)；七次為調(diào)停后的啟動(dòng)，電泵運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短。由表2可知，鍋爐小流量進(jìn)水時(shí)，電泵平均每次運(yùn)行約5 h，平均每次用電量為28 027 kW·h，共用電140 135 kW·h；整個(gè)啟動(dòng)階段，電泵平均每次運(yùn)行時(shí)間為38.2 h，平均每次用電量為32 160 kW·h，共用電1 228 512 kW·h。

表2 4號(hào)機(jī)在一個(gè)大修周期期間的機(jī)組啟動(dòng)次數(shù)和電泵用電量的統(tǒng)計(jì)情況

從上表數(shù)據(jù)來看，對(duì)于一個(gè)大修周期：鍋爐小流量進(jìn)水和整個(gè)啟動(dòng)期間，電泵用電量分別為140 135 kW·h、1 228 512 kW·h，按0.39元/(kW·h)計(jì)算，電泵用電成本分別為5.47萬元和47.91萬元。在僅考慮電泵使用成本的情況下，假設(shè)今后四個(gè)大修周期期間的機(jī)組啟停次數(shù)按表2中的次數(shù)為基準(zhǔn)。方案一四個(gè)大修周期節(jié)省使用電泵的成本為47.91×4=191.64萬元，考慮到投資調(diào)門和隔門的成本，實(shí)際方案一節(jié)約費(fèi)用191.64-40=151.64萬元。

方案二四個(gè)大修周期節(jié)省使用電泵的成本為(47.91-5.47)×4=168.04萬元，可見方案二節(jié)約費(fèi)用優(yōu)于方案一，因此確定方案二為汽泵代替電泵啟動(dòng)機(jī)組的技術(shù)路線，即在現(xiàn)有系統(tǒng)布置情況下，通過優(yōu)化啟動(dòng)方式，減少電泵的運(yùn)行時(shí)間，來達(dá)到全廠最佳的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際由于以下幾方面的影響，汽泵代替電泵啟動(dòng)機(jī)組所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)有所降低：1)消耗蒸汽，所增加的鄰機(jī)煤耗量；2)前置泵提前啟動(dòng)，所增加的輔機(jī)用電量；3)機(jī)組需提前建立真空，所增加的輔機(jī)用電量和鄰機(jī)蒸汽量。

3 汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的措施

3.1 總體啟動(dòng)思路

結(jié)合鍋爐啟動(dòng)的特點(diǎn)，提出了優(yōu)化啟動(dòng)的總體思路：在鍋爐小流量上水的階段，采用電泵進(jìn)行，同時(shí)完成汽泵的沖轉(zhuǎn)和暖機(jī)；鍋爐保持400 t/h及以上的水量時(shí)，將電泵切換至汽泵控制鍋爐給水量；啟動(dòng)第二臺(tái)汽泵并正常運(yùn)行后，完成第一臺(tái)汽泵的小汽輪機(jī)進(jìn)汽汽源切換操作。

說明：1)電泵額定電流(I額)為973 A，額定功率為9 100 kW(P額)，根據(jù)實(shí)際的電泵運(yùn)行電流(I實(shí))，通過關(guān)系式：P實(shí)=I實(shí)×P額÷I額，得出實(shí)際的運(yùn)行功率(P實(shí))，再根據(jù)運(yùn)行時(shí)間得出實(shí)際的電泵用電量。

2)鍋爐小流量進(jìn)水時(shí)，電泵運(yùn)行時(shí)間和平均電流是指：給水量在400 t/h以下時(shí)，電泵運(yùn)行的時(shí)間以及該段時(shí)間內(nèi)電泵的平均運(yùn)行電流。

3)整個(gè)啟動(dòng)階段，電泵總運(yùn)行時(shí)間和平均電流是指：機(jī)組在整個(gè)啟動(dòng)期間，電泵的運(yùn)行時(shí)間以及該段時(shí)間內(nèi)電泵的平均運(yùn)行電流。

3.2 邏輯和控制的修改

采用汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組后，對(duì)邏輯和控制進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)以下問題并進(jìn)行相應(yīng)修改：

1)原邏輯中，汽泵在升速期間設(shè)計(jì)有臨界轉(zhuǎn)速，升速時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)快速通過臨界轉(zhuǎn)速，這樣將影響給水量的調(diào)節(jié)。聯(lián)系廠家確認(rèn)該汽泵在轉(zhuǎn)速正常工作范圍無臨界轉(zhuǎn)速，且檢查實(shí)際升速期間給水泵振動(dòng)正常，故取消了臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速無法停留的邏輯，確保汽泵轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化以便控制給水量。

2)原邏輯中，設(shè)計(jì)負(fù)荷在50 MW以上時(shí)，汽泵的跳閘信號(hào)將觸發(fā)電泵自啟動(dòng)的邏輯。采用汽泵啟動(dòng)機(jī)組，電泵在熱備用時(shí)，一旦負(fù)荷升至50 MW，因另一臺(tái)汽泵在跳閘狀態(tài)，電泵將自啟動(dòng)。對(duì)此，將汽泵跳閘信號(hào)由長(zhǎng)信號(hào)改為短脈沖信號(hào)，避免上述情況出現(xiàn)。

3)原邏輯中，汽泵在3 000 r/min以下時(shí)，需通過MEH設(shè)定轉(zhuǎn)速來控制轉(zhuǎn)速，不便于運(yùn)行操作。

對(duì)此，增加了點(diǎn)動(dòng)操作轉(zhuǎn)速的模塊，便于轉(zhuǎn)速控制和給水量的調(diào)整。

3.3 過程風(fēng)險(xiǎn)分析

采用汽泵代替電泵啟動(dòng)機(jī)組，在以下幾方面存在風(fēng)險(xiǎn)，需注意調(diào)整：

1)制訂不同主汽壓力下的電泵勺管開度并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保當(dāng)運(yùn)行汽泵出現(xiàn)跳閘時(shí)，電泵自啟動(dòng)時(shí)能防止出現(xiàn)給水量過低造成鍋爐MFT。

2)小汽輪機(jī)的輔汽和四級(jí)抽汽汽源切換操作，需暖管充分后進(jìn)行，并根據(jù)進(jìn)汽參數(shù)變化緩慢操作，防止切換時(shí)小汽輪機(jī)出現(xiàn)熱沖擊而運(yùn)行異常。

3)由于啟動(dòng)時(shí)，除氧器加熱、軸封用汽和小汽輪機(jī)進(jìn)汽均由鄰機(jī)供給，將造成熱井水位上升，因此需控制合理的熱井水位，防止水位過高影響機(jī)組安全，以及排放過多造成工質(zhì)損失。

4)進(jìn)行除氧器加熱汽源和小汽輪機(jī)進(jìn)汽汽源的切換時(shí)，需注意對(duì)輔汽壓力的控制，防止壓力波動(dòng)過大影響小機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

4 汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的實(shí)施和優(yōu)化

2018年10月和2019年2月，4號(hào)機(jī)先后實(shí)施了汽泵部分替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的操作。通過兩次啟動(dòng)操作，掌握了啟動(dòng)至正常運(yùn)行的各個(gè)階段，汽泵運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)、小汽輪機(jī)進(jìn)汽汽源的切換操作要點(diǎn)，并進(jìn)一步優(yōu)化了啟動(dòng)主要步驟：

1)由除氧器通過電泵出水靜壓向高加水側(cè)和省煤器進(jìn)行充水，減少電泵運(yùn)行時(shí)間。

2)鍋爐小流量上水通過啟動(dòng)電泵進(jìn)行。

3)鍋爐小流量上水的同時(shí)，完成一臺(tái)汽泵的沖轉(zhuǎn)和暖機(jī)。

4)鍋爐大流量上水時(shí)，將電泵切至汽泵控制，根據(jù)汽泵轉(zhuǎn)速和再循環(huán)來控制鍋爐給水量。

5)負(fù)荷120 MW左右，啟動(dòng)第二臺(tái)汽泵。

6)負(fù)荷180 MW左右，兩臺(tái)汽泵并列運(yùn)行。

7)保持各參數(shù)穩(wěn)定，完成第一天汽泵的小汽輪機(jī)進(jìn)汽汽源切換。

5 汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的實(shí)際效益對(duì)比

經(jīng)計(jì)算，2019年2月4號(hào)機(jī)采用汽泵部分替代電泵啟動(dòng)機(jī)組和以往調(diào)停時(shí)采用電泵啟動(dòng)機(jī)組比較，降低成本約 20 404.87元，效果明顯，兩次汽泵啟動(dòng)的運(yùn)行成本分析見表3。

表3 兩次汽泵啟動(dòng)的運(yùn)行成本分析表

說明：1)小汽輪機(jī)輔汽參數(shù)：0.7 MPa、270 ℃、焓值為2 980 kJ/kg，根據(jù)鍋爐效率93.46%、蒸汽管道損失1.5%，原煤低位發(fā)熱量為23 100 kJ/kg[3-4]，計(jì)算每噸上述蒸汽所消耗的原煤約為2 980 kJ/kg÷(23 100 kJ/kg×93.46%×(1-1.5%))×1 t=0.140 t。

2)真空泵、前置泵多運(yùn)行時(shí)間是由于采用汽泵啟動(dòng)機(jī)組需提前運(yùn)行上述輔機(jī)所造成。

3)機(jī)組啟動(dòng)一次的節(jié)省費(fèi)用計(jì)算方法為：原電泵耗電費(fèi)用-現(xiàn)電泵耗電費(fèi)用-產(chǎn)汽耗原煤計(jì)算費(fèi)用-真空泵和前置泵多耗電費(fèi)用。

6 結(jié)語

通過對(duì)4號(hào)機(jī)實(shí)施汽泵替代電泵啟動(dòng)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析和對(duì)比，最終確定保留現(xiàn)有系統(tǒng)，并進(jìn)行優(yōu)化啟動(dòng)方式的方案，實(shí)現(xiàn)汽泵部分替代電泵啟動(dòng)機(jī)組，從而減少電廠對(duì)電泵的依賴性，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性，希望對(duì)相關(guān)人員的工作具有一定的借鑒意義。