330MW機組汽泵低速啟動全程調速上水方式研究

北方聯合電力金橋熱電廠 陳 超 石 磊 北方聯合電力達拉特發電廠 王燕龍 關志成

節能降耗水平是發電企業技術及管理水平追求的重要指標，關系發電企業的核心競爭力及盈利能力。隨著電力市場化的推進，燃煤機組峰谷消納電量頻繁啟停，各燃煤機組電廠節能降耗水平有較大提升空間。燃煤機組利用汽泵在機組啟動過程中全程上水，具有一定的節能空間和安全效益，從啟動全程汽泵上水過程中遇到的問題出發，分析并提出相關對策并進行討論。

某發電廠鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的SG-1018/18.55—M864型鍋爐，在最大連續蒸發量（Boiler Maximum Continuous Rating，BMCR）工況下，給水流量為1018t/h，電泵單臺泵運行滿足60%BMCR 工況需求，單臺電泵的額定功率和電流分別為8700kW、876A。按照機組原先設計方案，在機組啟動鍋爐上水時先啟動電泵，由電泵向鍋爐上水。機組并網帶至一定負荷后，再啟動汽泵，電泵停運作為備用。因此，機組在啟動、電泵運行過程中，耗電較大。為了進一步挖掘機組啟機過程中節能潛力，因此提出了機組從啟動到正常運行完全用汽泵代替電泵上水方案。

1 可行性分析

1.1 機組給水系統簡介

某發電廠鍋爐給水系統設置1臺汽泵和2臺電泵，其中汽泵容量為100%，每臺電泵容量為60%。給水泵汽輪機為單缸、雙排汽、凝汽式，汽源分為兩路，分別為五段抽汽和輔汽。機組在正常運行過程由主機五段抽汽作為汽泵汽源，輔汽作為備用汽源，當調試時或機組啟動時則由輔汽作為汽泵汽源，小機排汽通過排汽管道和排汽蝶閥排入大機凝汽器中。

機組啟動時，先啟動電泵，負荷達30%時，再啟動汽泵，汽泵運行正常后停運電泵；這個過程，電泵運行8～10h，消耗大量廠用電。汽泵需要提前進行暖機，限制了機組升負荷，延長了啟動時間。這個過程耗時1h 左右，消耗啟動燃油，遲滯機組并網漲負荷時間。

1.2 即往耗能分析

汽泵低速啟動全程調速上水主要目的是降低電泵的用電量。本文對2017—2022年機組啟動數據進行統計分析，根據調查數據確定：在上水初期流量較低，電泵電流為165A。即每小時耗電為：1=cos=1.732×6.3×165×1×0.91=1638.38kW ≈1 600kW。每次啟機電泵用時10h 計算：共計節約1600×10=16000kW。

1.3 節能分析（定性分析）

分別對電泵啟動和汽泵啟動進行節能性分析：第一種情況，使用電泵啟動時，能量流經環節分為6步：燃煤中的化學能→鍋爐蒸汽能量→汽輪機機械能→發電機電能→電泵電機→電泵。第二種情況，使用汽泵啟動時，能量流經環節分為4步：燃煤中的化學能→鍋爐蒸汽能量→小汽輪機→汽泵。通過上面兩種情況的比較，機組啟動過程中使用電泵上水要比使用汽泵上水多出兩個環節。從定性角度分析，能量轉換環節越多，損失就越多，因此機組啟動過程中使用汽泵給鍋爐上水要比使用電泵上水更節能。

1.4 理論分析（定量分析）

從定量角度分析，在機組啟動試驗過程中，分別選定電泵運行和汽泵運行兩種工況，使電泵和汽泵的出力相同，從而衡量出單位時間內電泵所耗電功率和汽泵所耗能量的大小。

第一種工況：電泵啟動運行方式，其能耗計算如下：電泵流量為Q，電機電流為I，電壓為U，功率因數為cosΦ，則電耗為：

第二種工況：汽泵啟動運行方式，其能耗計算如下：設汽泵運行中上水流量為Q，汽泵小機的蒸汽流量為q 蒸汽，汽泵入口蒸汽的焓值為?1，汽泵排汽的焓值為?2，根據熱力學第一定律，每1kg 蒸汽在小機做的功w=h1-h2，也就是說單位時間t內，流量為q 蒸汽做的功W 為：

這就是汽泵汽輪機消耗功率S=W/t。因此，可以得出：

機組啟動過程中，電泵與汽泵分別給鍋爐上水時能耗對比：設汽泵與電泵的能耗比為K，則：

如果K ＜1，則說明汽泵啟動方式較電動給泵啟動方式消耗能量小，更為節能。

機組啟動過程中使用電泵上水與使用汽泵水時實際功耗計算如下（電泵與汽泵出力相同情況下）：使用電泵上水時，給水流量為701t/h，給水泵出口母管壓力為12.62MPa，電泵電流為520A，6kV廠用電母線電壓為6.3kV，電機的功率因cosφ 為0.91。使用汽泵上水時，給水流量為701t/h，給水泵出口母管壓力為12.90MPa，汽泵汽輪機進汽壓力為0.62MPa，進汽溫度為361℃，汽泵排汽壓力為0.0052MPa，排汽溫度為33℃，蒸汽流量為28.3t/h，（換算為7.82kg/s），對比水蒸汽的焓熵圖找到h1=3187.7kJ/kg，h2=2560.8kJ/kg,將以上數據帶入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2）/U×I×cosφ=7.82×（3187.7-2560.8）/（×6.3×550×0.91）≈0.897，此工況下汽泵運行可以節約10.3%的能量。

使用電泵給鍋爐上水，當其出力達到電廠最大設計值時，功率接近額定值。而使用汽泵上水時，調節其出力，直至與電泵上水工況下有相近的給水流量和上水壓力，采集到汽動給水泵的運行數據為流量866t/h，給水泵出口母管壓力18.6MPa，給水出口母管壓力與電動給水泵運行時的最大值相符。汽泵汽輪機進汽壓力0.750MPa，進汽溫度363.2℃，排汽壓力0.0051MPa，溫度33℃，蒸汽流量為7.67t/h（換算為10.461kg/s），查水蒸氣的焓熵圖得出h1=3189.1kJ/kg，h2=2560.7kJ/kg。

將以上數據代入公式（4）：K=q 蒸汽×（h1-h2)/U×I×cosφ=10.461×（3189.1-2560.7）÷8800≈0.747。此工況下汽泵運行可以節能25.3%。由上述兩種工況的對比計算還可以看出，給水泵出力越大，汽泵較電泵更具有節能優勢。即使用汽泵全程上水每小時＜E=U×I×cosφ=1600kW。

2 確定最佳方案

2.1 設計初步思路

從上文分析可以看出在機組啟動時，使用汽泵給鍋爐上水較使用電泵給鍋爐上水更能降低能耗。而在機組啟動過程中隨著給水泵出力的增加，這種節能優勢更加明顯。而且在機組并網帶負荷后無需再進行汽泵暖泵啟動、接帶出力、停運電泵等一系列操作，操作量小，同時對機組的快速安全啟動也有一定幫助。

但是使用汽泵啟動給鍋爐上水也存在一定弊端：汽泵接帶出力時的轉速最小為3000r/min，此時所對應的汽泵出口壓力約9.5MPa，而鍋爐啟動初期的壓力約為0～8MPa。由于汽泵出口壓力與鍋爐壓力差較大，所以增大了對汽泵的調節難度，給水流量不易控制，對機組啟動過程中鍋爐汽包水位的調節造成困難，對機組啟動不利。

2.2 改進措施

一是全開汽泵再循環調門，通過再循環管道來降低給水壓力和主給水流量。二是鍋爐啟動初期壓力較低時，通過調節省煤器入口電動門的開度來控制進入鍋爐的給水量。雖然采取上述措施能夠較好地控制給水流量和汽包水位，同時也較電泵節能，但節能效果不明顯。

原因如下：一是汽泵再循環調門全開會使部分給水在給水系統進行循環，而調節省煤器入口電動門開度則存在節流，兩種情況均會使能量損失造成浪費。二是機組啟動過程中通過調節省煤器入口電動門開度來控制進入鍋爐的給水，該方法仍不能對給水進行快速、靈活調節，給水流量不易控制，易造成汽包水位太低或太高情況。

2.3 優化方案產生問題

2.3.1 鍋爐啟動過程中調節給水流量時

鍋爐啟動過程中調節給水流量時，要使上水流量大于鍋爐所需最小流量，以保證鍋爐受熱面管壁內工質的連續流動，并能帶走燃料燃燒的熱量，確保受熱面的安全。鍋爐在啟動上水過程中，還要滿足一次受熱面流量沖洗，僅依靠前置泵給水流量較低，不能滿足沖洗要求。如果在啟動初期就使用汽泵給鍋爐上水，則由于給水流量太大不易控制，若調節汽泵至合適的啟動流量時，又由于小汽輪機沖轉用汽量太少，給小機的調節帶來困難，此外小機由于冷卻流量較小，排汽溫度也有可能較高。同時，在機組啟動鍋爐升溫升壓期間，須確保小機小流量沖轉時給水流量的線性調整。

2.3.2 機組啟動過程中

機組啟動過程中，小機一般使用輔汽進行沖轉。而輔汽聯箱用戶較多且機組啟動過程中用汽量不穩定，此時輔汽由其他運行機組提供，由于鄰機的負荷變化、鄰機輔汽用戶的變化，都會導致輔汽聯箱壓力波動，造成小機進汽不易調節，給水流量發生發散性波動，汽包水位與主再熱汽溫波動較大。機組并網以后，汽泵汽源則切至本機五段抽汽來供，要求汽源切換過程壓力、溫度變化平緩。

由于機組啟動時輔聯保持較高壓力約為0.80MPa，而此時五段抽汽壓力僅為0.35MPa 左右，兩路汽源壓差較大，如果直接切換會造小機進汽壓力突變，給水流量大幅發散式波動；同時，由于切換時輔汽與五段抽汽的壓力差較大，容易造成高壓汽源串入低壓汽源，從而導致汽泵進汽量大幅降低、汽泵出力下降，汽包水位甚至可能低于保護定值下限，機組因此發生鍋爐側主燃料跳閘（Main FuelTrip，MFT），機組啟動過程被迫中斷。

2.3.3 小機排汽溫度應進行調整

如果完全依靠前置泵機組啟動上水，給水流量不能滿足鍋爐啟動最小流量要求，只有汽泵沖轉接帶負荷滿足鍋爐啟動最小給水流量。但機組啟動初期，小機一段時間內轉速相對較低，輔聯壓力相對較高，小機沖轉進汽量相對較少，不能帶走未級葉片由于鼓風所產生的熱量，排汽溫度將會較高。這種現象在小機剛沖轉、轉速在1200r/min 以下時更為明顯。

2.4 優化方案解決方法

保證輔汽壓力穩定維持在0.70MPa 左右。隨時和鄰機溝通，確保鄰機在調整負荷、輔汽用戶時，本機組能夠及時進行調整，盡可能減少輔汽壓力的波動。及時將五段抽汽至小機供汽管道進行疏水、暖管，投入備用，以提高汽泵運行的可靠性。

進行小機汽源切換時，盡可能保證兩路汽源壓力相近。緩慢調整輔汽汽源確保汽泵運行穩定、給水流量波動較小。待兩路汽源壓力相近、給水流量穩定后進行切換，這樣可以避免給水流量波動大問題，防止給水流量大幅擾動。

控制小機排汽溫度正常。主要有三點措施：一是機組啟動初期盡量保持較高的鍋爐啟動壓力，以保證一定的給水壓頭阻力。二是適當提高機組啟動時的背壓，降低小機沖轉時的輔汽壓力，以增加機組啟動初期小機的進汽流量。三是盡量縮短機組啟動時間，在規程規定的安全范圍內，加快鍋爐的升溫升壓速度。通過以上措施，可以保障機組啟動時小機排汽溫度在額定范圍內。

3 效果分析

2023年3月12日2:45根據4號機組冷態啟動，鍋爐開始冷態上水，2:49啟動4號機組汽泵前置泵，鍋爐上水流量55.37t/h。8:37上水至汽包水位179mm。使用汽泵在機組冷態及鍋爐低壓階段上水成功，根據運行數據當給水流量60t/h 時，汽泵前置泵電流為14A，如果此時用電泵給鍋爐上水，電流平均為165A。

4 結論

通過不斷摸索和改進，并針對性機組啟動中的試驗，已能做到此類型鍋爐冷態啟動時全程使用汽泵向鍋爐上水，電泵處于停用備用狀態，達到了降低機組啟動降低廠用電，提高子機組運行整體經濟性。這種機組啟動全程汽泵上水方式取得較好的經濟效益同時也取得了較好的社會效益。