超临界CFB机组汽动给水泵给水研究_印江.pdf

第 37 卷 第 6 期2022 年 12 月Vol.37 No.6Dec.2022电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2022）06-0531-08 中图分类号：TM621 文献标识码：A 学科分类号：47040DOI：10.13357/j.dlxb.2022.063开放科学（资源服务）标识码（OSID）：超临界 CFB机组汽动给水泵给水研究印江1，胡万平1，郝铭星2，袁华保峰1，钱正杰1，王鹏程2（1.山西大学，太原 030013；2.山西河坡发电有限责任公司，山西 阳泉 045011）摘要：针对山西某电厂 350 MW 超临界 CFB 供热机组汽动给水泵在夏季高温下给水不稳定现象，从数据层面分析了其不稳定的主要原因。分析了影响小汽轮机正常工作汽源的相关因素，并在 HV 阀门（高压调节阀）开启前后时刻对这些因素进行了采集，通过等功率比较分析得出，HV 阀门开启前后影响因素中变化较大的为背压，并对此设计了一套用来降低背压的间冷塔喷水减温系统。该喷水降减温系统能在 33 的环境温度下降低背压 4 kPa左右，有效提高了汽动给水泵的给水稳定性，为相关工程问题的解决提供参考。关键词：350 MW 超临界 CFB机组；小汽轮机；汽动给水泵；降低背压；喷水减温；HV阀Study on the Feed Water of Steam Feed Pump of Supercritical CFB UnitYIN Jiang1，HU Wan-ping1，HAO Ming-xing2，YUAN-HUA Bao-feng1，QIAN Zheng-jie1，WANG Peng-cheng2（1.Shanxi University，Taiyuan 030013，China；2.Shanxi Hepo Power Generation Co.，Ltd.，Yangquan 045011，China）Abstract：In view of the phenomenon that the steam feed pump of 350 MW supercritical CFB heat supply unit in a power plant in Shanxi Province is instability under high temperature in summer，the main reasons for its instability from the date level are analyzed.Relevant factors of affecting the normal working steam source of small steam turbine are analyzed，and the data of these factors is collected before and after the HV valve（high-pressure regulating valve）is opened.Then the back pressure change greatly among these relevant factors through equal power comparison and analysis，so a water spraying temperature reduction system of intercooling tower for reducing the back pressure is designed.The water spraying temperature reduction system can reduce the back pressure about 4 kPa under the high temperature environment of 33 and can effectively improve the stability of the steam feed，and it provides a reference of solving related engineering problems.Key words：350 MW supercritical CFB unit；small steam turbine；steam feed water pump；reduce back pressure；water spraying temperature reduction；HV valve 收稿日期：2022-08-15作者简介：印江（1967），男，副教授，研究方向为大型电站复杂过程智能优化控制；胡万平（1996），男，研究生，研究方向为电站智能控制，；郝铭星（1987），男，工程师，研究方向为大型火电机组生产运营；袁华保峰（1998），男，研究生，研究方向为大型电站复杂过程智能优化控制；钱正杰（1997），男，研究生，研究方向为运动控制；王鹏程（1979），男，高级工程师，研究方向为大型循环流化床机组运行管理。引文格式：印江，胡万平，郝铭星，等.超临界 CFB机组汽动给水泵给水研究 J.电力学报，2022，37（06）：531-538.DOI：10.13357/j.dlxb.2022.063.第 37 卷电力学报0 引言 随着我国电力体制改革相关方案的相继出台，大部分火力发电企业采用技术改革的方式来降低成本。其中，在锅炉供水系统中配置的电动给水泵需要使用电力来驱动，消耗了较多的厂用电，因此，采用汽动给水泵代替电动给水泵的配置方式十分有必要1。汽动给水泵的动力来源为小汽轮机，小汽轮机的转动带动汽动给水泵转动。以山西某电厂为例，小汽轮机正常工作进汽来自主汽轮机中压缸四抽蒸汽，利用在主汽轮机中压缸中做完功的蒸汽来为汽动给水泵的运行提供动力。由于汽动给水泵的出力大小取决于小汽轮机的进汽情况，四抽蒸汽的状态会影响汽动给水泵的运行，在夏季高温情况下会出现 HV 阀门（高压调节阀）频繁开启现象，使得小汽轮机的转速在 HV 阀门开启时刻变化较大的现象较频繁地发生，进而导致汽动给水泵的给水效果与预期相差较大，使得汽动给水泵给水不稳定，给电厂的运行带来了安全隐患。经查阅相关文献可知，在提高汽动给水泵给水稳定性方面已有许多学者做过研究，并且取得了一些有益的效果。学者们的研究主要包括给水系统设备的物理结构分析与改进2、小汽轮机控制方式优化3-5、汽动给水泵超速保护装置的改进6、性能试验7-8等。文献 2 对小汽轮机出力不足的现象进行了分析，分别对汽动给水泵和小汽轮机的内部结构进行检查研究，解决了因设备的物理结构发生改变而造成的汽动给水泵出力不足的问题；文献 3-5 从优化给水系统的给水控制方式入手，根据机组的实际运行情况对小汽轮机汽源切换方式和给水控制方式的控制逻辑进行了优化；文献 8 从性能试验的角度对汽动给水泵出力不足的现象进行了实验研究分析，得出汽动给水泵出力不足的原因为小汽轮机的轴功率输出无法达到要求。这些研究都为汽动给水泵的给水稳定性的提高做出了贡献。本文从 HV 阀门开启时刻入手，采集相关数据，分析 HV阀门频繁开启的具体原因并采取相应的解决措施。1 汽源概况 某电厂的小汽轮机正常工作汽源来自主汽轮机中压缸四抽蒸汽，另外两个汽源分别为辅助蒸汽和高压冷再热蒸汽。小汽轮机进汽示意图见图 1，小汽轮机通过轴联器与汽动给水泵连接，图中用虚线表示。当机组处于正常的工作状态下，小汽轮机的工作汽源由主机中压缸四抽蒸汽提供，辅助蒸汽主要用于启动和调试，高压冷再热蒸汽作为备用汽源9；当四抽蒸汽不足导致小汽轮机进汽压力无法满足正常工作条件，或者小汽轮机出力受阻时，低压调节阀的开度逐渐增大，当低压调节阀开度增大到一定值时 HV 阀门逐渐打开，此时小汽轮机进汽由四抽蒸汽转换为高压冷再热蒸汽10，完成小汽轮机汽源切换操作11。本研究中，HV 阀门开启临界条件为低压调节阀的开度超过 80%，随着低压调节阀开度进一步增大到 100%，HV 阀门的开度也从 0%逐渐地增大到 100%。另外，四抽蒸汽的大小与主机中压缸的进出汽有关。因此，为了更加直观地表达出影响小汽轮机进汽的因素，参照实际运行情况，绘制了该电厂 1#机组主机中压缸的进出汽示意图，如图 2所示。图 21#机组主汽轮机中压缸进出汽示意图Fig.2Schematic diagram of medium pressure cylinder of 1#unit main steam turbine intake and exhaust steam图 1小汽轮机进汽示意图Fig.1Schematic diagram of small steam turbine exhaust steam532第 6 期印江，等：超临界 CFB机组汽动给水泵给水研究从图 2可以看出，主机中压缸的进汽为再热蒸汽，出汽分别为三段抽汽、四段抽汽、五段抽汽（以下简称为 3#抽、4#抽和 5#抽）和中压缸排汽。其中 3#抽输送到 3#高压加热器，4#抽输送到除氧器和小汽轮机，5#抽输送到 5#低压加热器和热网。由于 3#抽只输送给 3#高压加热器，一般来说，在相同有功功率条件下，3#抽的压力变化不大，保持在相对稳定的范围；除氧器进汽压力和 5#低压加热器进汽压力也在相同有功功率下保持相对稳定。综合上述分析可知，对小汽轮机进汽的主要影响因素进行分析时，再热蒸汽进汽、热网的对外供汽和中压缸排汽等是必须考虑的。2 汽动给水系统状态分析 2.1现象产生目前，在一些大型火力发电机组的给水系统中，考虑到不同的工作状态，同时配备有汽动给水泵和电动给水泵12-13。电动给水泵主要工作在锅炉小流量上水阶段，在上水期间也对汽动给水泵进行冲转和暖机操作，上水完成以后，切换为汽动给水泵给水。采用汽动给水泵给水虽然比电动给水泵节约厂用电，但是在夏季高温情况下会较频繁地出现小汽轮机转速无法满足汽动给水泵转速和功率的要求，以及 HV 阀门打开时小汽轮机转速突升的现象，导致汽动给水泵给水不稳定14。2.2系统分析由于汽动给水泵通过轴联器与小汽轮机连接，小汽轮机的转动带动汽动给水泵转动，因此，汽动给水系统的主要研究对象为小汽轮机，接下来将围绕小汽轮机来进行分析。2.3数据处理分析2.3.1数据采集为了更好地研究夏季高温汽动给水泵给水不稳定的情况，对该电厂 1#机组某年 5月10月的 HV 阀门开启状态进行了采样，在采样时刻的选取过程中，以每次 HV 阀门的开度大于 6%为采样依据。根据图 2所述及运行经验，将机组有功功率、高温过热器出口压力、背压、热段再热蒸汽压力、中压缸排汽压力、中压缸排汽流量、3#抽压力、4#抽压力、4#抽至给水泵汽轮机流量等因素纳入影响因素的范围。记录每一个 HV 阀门采样时刻所对应的影响因素值，并将这些数据整理在表格中，将表格中的 HV阀门开启和未开启数据进行预处理15。利用等工况划分的研究方式对数据进行处理16，具体的方法是以有功功率每变化 10 MW 为基准，剩下的其他每个影响因素数据按照其对应所在的功率段进行从小到大排列，以此记录每个影响因素在对应功率段的变化范围，方便下一步的分析。剔除某些波动大的数据之后，记录的有功功率变化范围为 270 MW310 MW，记录的数据如表 1所示。为了更加直观地表现出夏季高温下的汽动给水泵失稳的影响因素区别，对表 1等功率段中的每个影响因素的数据段，取中间值并以柱状图的形式表示出来，并对其进行分析。2.3.2数据分析与结论根据表 1中的数据所得出的柱状图如图 3所示。在相同的有功功率段条件下，夏季高温条件 HV阀门开启与未开启状态相比较可得：3#抽压力、4#抽压力和中压缸排汽压力基本保持不变，小汽轮机进汽量增大约 10 t/h，小汽轮机转速增大140 r/min340 r/min。通过图 3（a）中的比较得出，主蒸汽压力增大 0.58 MPa2.41 MPa；通过图 3（b）中的比较得出，再热蒸汽压力增大 0.06 MPa0.17 MPa；通过图 3（c）中的比较得出，中压缸排汽流量增大 8 t/h25 t/h；通过图3（d）中的比较得出，开启HV阀后的背压为未开启HV阀背压的1.442.10倍。由上述比较的结论可知，夏季高温条件下 HV 阀门开启前后变化较大的为背压。由于该电厂的小汽轮机与主汽轮机共用一个凝汽器，因此小汽轮机与主汽轮机有着相同的背压。背压过高会在一定程度上减少小汽轮机的出力，进而使得小汽轮机的转速偏低。此时，为了满足机组汽动给水泵的功率和转速要求，根据相关的控制逻辑打开 HV 阀门，以提高小汽轮机的出汽量，但 HV 阀门的频繁开启和关闭会引起小汽轮机的转速短时间内大幅度变化，造成汽动给水泵给水不稳定。另外，该电厂在小汽轮机正常工作时的汽源计算数据见表 2。533第 37 卷电力学报表 2中 THA 为热耗率验收工况，对 270 MW280 MW 功率段夏季正常工作状态时的小汽轮机转速和75%THA 转速作比较可知，在实际状态下的小汽轮机转速低于额定下的转速，有部分因素是夏季高温导致背压过高，从而使小汽轮机转速下降。针对夏季高温高背压导致的小汽轮机出力受阻引起的汽动给水泵给水不稳定现象，从降低背压入手，提高汽动给水泵给水的稳定性。表 1数据等功率划分分析Tab.1Data equal power division analysis夏季高温HV阀开启条件下夏季高温正常条件下（HV阀未开启）有功功率/MW270280280290290300300310270280280290290300300310高温过热器出口压力/MPa22.2023.8621.1523.4221.3323.8221.3824.2117.9423.3019.1623.3520.4822.9820.6121.96背压/kPa18.1528.6825.2031.9618.4427.3717.6527.8110.3214.3611.8815.5312.2913.7812.9618.65热段再热蒸汽压力/MPa3.053.273.213.423.293.403.413.542.913.063.093.273.183.293.303.54中压缸排汽压力/MPa0.410.440.430.450.440.470.460.490.410.430.420.460.450.470.450.48中压缸排汽流量/（th1）591.3630.3626.36664.26632.86661.18651.48696.53584.88618.70595.41644.12615.56658.11639.46692.54给水泵小汽轮机转速/（rmin1）5 0865 2075 1065 2175 1555 3675 2255 3954 6145 0344 8575 1834 9875 2125 0135 3073#抽压力/MPa1.771.891.841.971.891.951.932.071.681.781.791.891.841.921.892.054#抽压力/MPa0.680.740.720.770.730.770.770.810.680.710.710.750.730.760.750.814#抽至小汽轮机流量/（th1）77.4782.3879.7383.7579.5985.0277.7287.3155.2168.5862.6774.4964.7774.3966.2280.17图 3等有功功率下夏季高温 HV阀门开启与未开启的影响因素比较Fig.3Comparison of influencing factors of HV valve opening and not opening in high temperature in summer under equal active power534第 6 期印江，等：超临界 CFB机组汽动给水泵给水研究3 降低背压方式研究 夏季的高温会在很大程度上影响间冷循环水的给水温度，若给水温度过高，会直接导致凝汽器的真空度下降，从而导致汽轮机背压升高。在背压增大的情况下，汽轮机的排汽会受到阻碍，其出力也会受到一定的影响，当背压过大时，汽轮机的转速无法满足汽动给水泵的功率和转速要求，汽动给水泵容易出现失稳。因此，降低背压首先要从降低间冷循环水给水温度入手。为此，以 1 h为采样周期，选取了该电厂 1#机组为期一年的间冷循环水给水和出水的水温数据，如图 4所示。图 4中前半段数据为 4月下旬至 10月份的运行数据，折线图中间有一段时间为机组停机检修，给水、出水温度都比较低，后半段数据为 11月份至次年 4月中旬的运行数据。对其进行比较分析发现，环境温度较高时，间冷循环水给水温度在 30 50，对应的出水温度在 40 65；环境温度较低时，间冷循环水给水温度在 15 30，出水温度在 20 40。由此得知，环境温度较高时，间冷塔的热交换率降低，间冷循环水的给水、出水温度都会相应升高。3.1降低间冷循环水给水温度方式选取由于该电厂凝汽器的间冷循环水为闭式循环水，无法将大量的冷却水直接加入到间冷循环水中，要想降低间冷循环水的给水温度，可以从传热学的角度进行考虑。传热一般分为导热、对流传热和辐射传热，在实际的工程案例中这几种传热方式往往不会单一存在。本文从对流传热和热传导的角度入手，采用喷水减温的方法，利用水在跟周围温度较高的空气完成热量交换时的汽化作用，降低水汽化时周围的环境温度，从而降低间冷塔冷却三角附近的温度以达到降低间冷循环水给水温度的效果。水相对于其它介质来说比较易得，价格也比较实惠。这种方法能根据实际环境温度要求调节减温水的流量，不需要减温水的时候可以选择关闭减温水阀门，方便调节。3.2喷水减温方案设计使用喷水减温的方式对间冷循环水回水进行降温，水从减温装置喷嘴里面出来形成雾滴，使得间冷塔冷却三角附近的温度降低更加迅速、高效。这种喷雾增湿降温过程是一种多传递的热力过程，属于直接蒸发冷却方法17，该方法在焓湿图中属于空气的等焓加湿过程，喷水减温过程如图 5所示。图 5中 1点为喷雾前的空气状态，2点为喷雾后的空气状态。在增设喷雾设施后，经过喷雾增湿降温的表 2小汽轮机正常工作汽源计算数据Tab.2Calculation data of steam source in normal operation of small steam turbine主机负荷进汽压力/MPa（a）进汽温度/排汽压力/MPa（a）转速/（rmin1）汽轮机内效率/%进汽量/（th1）75%THA0.641349.012.55 17081.047.050%THA0.44353.112.54 03367.627.630%THA0.276324.312.53 28158.818.9图 4间冷循环水水温Fig.4Temperature of cold circulating water535第 37 卷电力学报空气进入间冷塔的换热器中，经过喷雾增湿降温后，空气与间冷循环水出水的热交换会比增设喷雾设施提前更多，这将使得间冷循环水的给水温度比增设喷雾设施前更低，这样可达到增大凝汽器真空，降低背压的效果。此外，喷雾形成的雾滴会随着风力和重力的作用落到间冷塔的散热翅片上，通过热传导的作用使雾滴汽化，从而将间冷塔内的热量带到大气中，进一步降低间冷循环水给水温度，降低背压。3.2.1喷雾水源的选取对于减温水，计划选择污水处理厂生产的中水。间冷循环水可选择由城市生活污水、废弃用水等经过污水处理厂处理后的，符合 城市污水再生利用 城市杂用水水质（GB/T 18920-2020）标准的非饮用水资源，其水质介于污水与自来水之间，价格相对低廉，水量较丰富18；锅炉补给水若采用前述中水，需要增设除盐软化水处理设备，避免结垢，其出水水质应符合 工业锅炉水质（GB/T 1576-2018）标准要求。3.2.2喷雾方案设计在设计喷雾方式时还要考虑尽可能多地减少冷却水的使用，结合间冷塔中空气的流向，选择在冷却三角内侧加装喷淋装置，并且喷雾方向为顺风方向喷洒，这样有利于水雾面积的扩大及水温的降低。间冷塔外中水补水管接出一路325 的管道，经过喷雾水泵加压后送往喷雾装置，喷雾水泵的出水口接150出水主管路，泵出水管路上安装有压力表、止回阀、DN125 电动阀、压力变送器等装置，150 环管上接76支管分别单独通向 5个扇区，每个76支管上安装一台电动阀，可单独对扇区进行控制。每个分支管道对应每一组冷却三角，分支管道位置在冷却三角外侧中间布置，布置高度为 24 m，将喷头均匀布置在各分支管道上。在母管和各分支管道上加装隔离阀，用以控制不同环境温度下对应的母管及各分支管道的水量，喷雾的设计示意图如图 6所示。图6为喷雾设计俯视图，图中左、右两条边为冷却三角的主要换热部分，下面条边为百叶窗，喷淋装置安装在百叶窗内，空气由百叶窗进入冷却三角，中水经过喷嘴的雾化作用后喷在冷却三角的入口百叶窗内，利用水的汽化吸热来降低冷却三角内空气的温度以及提高环境湿度，从而达到降低间冷循环水给水温度的目的。3.2.3控制方式设计对于喷雾设备控制方式的设计，初步的方案是对喷雾系统采用 PLC 来控制并且安装就地控制箱，将PLC 系统通过 Modbus协议和 DCS 系统连接19，喷雾系统的压力信号、阀门开度信号和喷雾水泵频率信号等都可以在 DCS系统上显示，DCS系统根据反馈的信号以及环境温度需要的喷雾量通过 Modbus协议输出控制信号给 PLC系统就地控制箱，控制箱再进一步把控制信号输送给现场设备。控制原理如图 7所示。PLC 系统采用施耐德公司生产的 14671系列 PLC，通过 Modbus协议和主机侧的艾默生 DCS 系统进行通信，实现在 DCS侧远方操作喷雾设备的目的。图 6喷雾示意图Fig.6Schematic diagram of spray图 5喷雾等焓加湿过程Fig.5Spray iso-enthalpy humidification process图 7喷雾控制原理图Fig.7Schematic diagram of spray control536第 6 期印江，等：超临界 CFB机组汽动给水泵给水研究4 效果分析 该电厂的间冷循环水设计保证值为环境温度 30、机组运行背压 26 kPa，此时汽动给水泵给水效果较好，机组能带满负荷。当环境气温超过 30 时，背压过高使得汽轮机的出力受阻，进而影响汽动给水泵的给水效果。该喷雾系统运行 20 min后，根据计算，在夏季高温高峰时段，背压可以降低 3 kPa4 kPa。考虑到实际运行中其它不利影响因素，在机组满负荷运行工况下：冷却水量 120 t/h，环境温度 30 时，机组运行背压降低值可大于 3.5 kPa；冷却水量 120 t/h，环境温度 33 时，机组运行背压降低值可大于 4 kPa。机组运行背压的降低使得小汽轮机的热经济性升高，同时小汽轮机的效率也会增加。另外，背压的降低使得夏季高温时 HV阀门的开启不再频繁，汽动给水泵给水的稳定性也会有所改善。5 结语 在夏季高温情况下，CFB 供热机组中的小汽轮机会出现出力不足的现象，使得小汽轮机工作汽源频繁切换而导致汽动给水泵给水不稳定。本文通过对采集的数据进行等功率分析，发现 HV 阀门开启时背压为正常情况下的 1.442.10倍，可见背压过高为小汽轮机出力受阻的主要因素。为了降低背压，采取了间冷塔冷却三角增设喷雾的措施来降低间冷循环水给水温度，以提高凝汽器真空、降低背压。分析表明，增设喷雾系统运行约 20 min后（在夏季高温高峰时段），机组运行背压能够降低 3 kPa4 kPa，这对增加小汽轮机内效率、提高汽动给水泵运行稳定性有很大的帮助，也能为同行业里出现类似问题的机组提供参考。参 考 文 献：1 周献东，王静，张犇，等.600 MW 机组采用汽动给水泵代替电动给水泵启动的探讨和实施 J.能源研究与利用，2021（3）：52-55.2 田平，李晓鹏，桂景海.350 MW 机组汽动给水泵出力不足的分析与处理 J.冶金动力，2021（6）：61-64.TIAN Ping，LI Xiao-peng，GUI Jing-hai.Analysis and Treatment of Insufficient Output of Steam-Driven Water Feed Pump of 350 MW Unit J.Metallurgical Power，2021（6）：61-64.3 王孟，赖艳云，沈春明，等.FCB工况下的给水控制系统改进与优化 J.自动化仪表，2021，42（1）：42-45，51.WANG Meng，LAI Yan-yun，SHEN Chun-ming，et al.Improvement and Optimization of Water Supply Control System under FCB Condition J.Process Automation Instrumentation，2021，42（1）：42-45，51.4 罗联锋，何俊，施明.汽动给水泵汽轮机可靠性提升研究与实践 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