李興平

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002）

汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化

李興平

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250002）

分析汽輪機(jī)變頻調(diào)節(jié)凝結(jié)水系統(tǒng)存在的問題，提出對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化的內(nèi)容，詳細(xì)論述采取的技術(shù)路線及改造方案，并對(duì)改造優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益進(jìn)行分析。

汽輪機(jī)；凝結(jié)水系統(tǒng)；節(jié)能改造；優(yōu)化

0 引言

節(jié)能降耗是提高發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益的最有效途徑，節(jié)能減排更是火力發(fā)電企業(yè)的一項(xiàng)長期義務(wù)。隨著我國和全球經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)保形勢的不斷發(fā)展變化，火力發(fā)電企業(yè)面臨的經(jīng)營、環(huán)保形勢更加嚴(yán)峻，節(jié)能減排已經(jīng)成為火力發(fā)電企業(yè)存在與發(fā)展的制約性因素，并列為國家對(duì)企業(yè)的約束性指標(biāo)加以考核［1］，因此必須在自身設(shè)備、運(yùn)行方式、技術(shù)管理等環(huán)節(jié)繼續(xù)進(jìn)行節(jié)能潛力挖掘，以滿足國家能源管理節(jié)能減排指標(biāo)要求。

汽輪發(fā)電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的節(jié)能降耗、優(yōu)化運(yùn)行就是在此形勢下提出的一項(xiàng)進(jìn)一步挖掘機(jī)組節(jié)能潛力、提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性節(jié)能減排的優(yōu)化項(xiàng)目之一。某1 000 MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)實(shí)施改造優(yōu)化后，系統(tǒng)阻力可下降0.8 MPa，僅此一項(xiàng)機(jī)組年節(jié)電可達(dá)330萬kWh，按照火力發(fā)電廠2000年統(tǒng)計(jì)大氣污染排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，同時(shí)可降低排放26.50 t SO2、22.77 t NOx、11.05 t煙塵和3 300 t的CO2，顯然其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益是巨大的。某600 MW亞臨界機(jī)組的改造優(yōu)化獲得了年直接節(jié)電270萬kWh的經(jīng)濟(jì)效果，其社會(huì)效益也是顯而易見的。

1 原系統(tǒng)存在問題

早期的汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)，凝結(jié)水泵采用定速運(yùn)行的方式，通過調(diào)整系統(tǒng)中的凝結(jié)水量調(diào)節(jié)閥門（或除氧器水位調(diào)節(jié)閥門），滿足除氧器水位運(yùn)行要求。近年來隨著變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的不斷完善發(fā)展，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

但是受原有系統(tǒng)設(shè)備以及運(yùn)行方式的影響，加入變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行方式以及最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行沒有得到體現(xiàn)。比如受系統(tǒng)供其他用水的影響，投入變頻后，凝結(jié)水量調(diào)節(jié)閥門仍參與調(diào)節(jié)，系統(tǒng)復(fù)雜、管件閥門附件多阻力大，凝結(jié)水泵出力不匹配等，因此必須深入研究調(diào)頻凝結(jié)水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式，以最小的投入達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果。

對(duì)汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)行的運(yùn)行調(diào)查和現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)表明，存在如下幾個(gè)方面的問題。

1.1 除氧器水位調(diào)節(jié)閥門壓差損失

凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行后，通過凝結(jié)水量、鍋爐給水流量、除氧器水位三沖量信號(hào)自動(dòng)調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速，滿足機(jī)組凝水量的穩(wěn)定運(yùn)行要求。表1列出某600 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

表1 某600 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行情況

從表1看出，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行，即使是在除氧水位調(diào)節(jié)閥門開度基本全開（開度99.49%）的情況下，其前后存在較大的壓差，在機(jī)組滿負(fù)荷情況下最大壓差達(dá)到1.088 3 MPa，隨著負(fù)荷的降低凝結(jié)水量減少，壓差有所下降，在機(jī)組70%負(fù)荷時(shí)仍有0.5700 MPa的壓差。這個(gè)壓損是調(diào)節(jié)閥門的特性決定的，只要運(yùn)行中凝結(jié)水流過該調(diào)節(jié)閥門，就存在此項(xiàng)壓差損失，而且該項(xiàng)損失基本沒有任何回收和利用。

1.2 凝結(jié)水泵供輔助用水壓力低

凝結(jié)水泵出口其他用水，主要包括凝結(jié)水系統(tǒng)供給水泵軸封水、低旁減溫水、低壓軸封減溫水、汽機(jī)低壓缸噴水、低壓閥門及其他密封用水等，凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行后，如果保持除氧器水位調(diào)節(jié)閥門全開，則上述各供水壓力偏低，有些系統(tǒng)長期低壓力報(bào)警，影響了設(shè)備的正常投運(yùn)。

1.3 除氧器水位調(diào)節(jié)閥門不能全開

凝結(jié)水泵改用變頻調(diào)節(jié)后，為使凝結(jié)水系統(tǒng)壓力維持某數(shù)值，除氧器水位調(diào)節(jié)閥門不得不保持某固定開度，或者凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速以及除氧器壓力調(diào)節(jié)閥門同時(shí)參與調(diào)節(jié)，以滿足其他用水的壓力要求。表2列出某1000 MW機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。從表2看出，機(jī)組滿負(fù)荷1 000 MW運(yùn)行時(shí)凝結(jié)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速1380 r／min，而除氧器調(diào)節(jié)閥門的開度最大也只有52%，顯然系統(tǒng)的壓力損失更大。這種現(xiàn)象在其他機(jī)組上也存在，只是其他凝結(jié)水的用途不同。因此應(yīng)對(duì)系統(tǒng)加以改進(jìn)，滿足其他用水的壓力要求。

1.4 凝結(jié)水泵的運(yùn)行速率偏低

凝結(jié)水泵變頻后的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與工頻運(yùn)行轉(zhuǎn)速之比稱作凝結(jié)泵的運(yùn)行速率，從表1、表3看出，凝結(jié)泵的運(yùn)行速率在滿負(fù)荷情況下在86%～88%，尚有12%的速率余量。水泵及其電機(jī)偏離其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速越近，其運(yùn)行效率越高，多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，考慮泵的老化、系統(tǒng)周波突降等因素，滿負(fù)荷下凝結(jié)水泵有4%的轉(zhuǎn)速余量足以滿足機(jī)組各種工況下長期運(yùn)行要求，因此凝結(jié)水泵的運(yùn)行速率偏低，約使泵組損失增加1%～3%。

表2 某1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行情況

表3 某300 MW機(jī)組凝結(jié)水泵變頻運(yùn)行情況

1.5 凝結(jié)水泵運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況

這種現(xiàn)象在其他類型機(jī)組中也普遍存在。表4列出某600 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。從表4數(shù)據(jù)可以看出，該機(jī)組在滿負(fù)荷情況下運(yùn)行，凝結(jié)水泵定速運(yùn)行出口壓力2.94 MPa，除氧器壓力0.66 MPa，水位調(diào)節(jié)閥門的開度只有36%，而系統(tǒng)的壓降達(dá)到2.28 MPa，顯然由于所選凝結(jié)水泵的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的要求，大量的壓降損失在水位調(diào)節(jié)閥門上，增加了凝結(jié)水系統(tǒng)的電耗，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)由于系統(tǒng)的阻力偏離了泵的設(shè)計(jì)工況，也使凝結(jié)水泵的運(yùn)行效率大幅下降。調(diào)查表明這種現(xiàn)象使泵的效率比正常運(yùn)行低8%～15%不等。

表4 某600 MW機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行情況

綜上所述，需對(duì)汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)及其凝結(jié)水泵進(jìn)行研究改造，提高其經(jīng)濟(jì)性，降低能耗水平，滿足機(jī)組各項(xiàng)供水要求。

同時(shí)，在保持凝結(jié)水泵的安裝尺寸和高可靠性部件不變的前提下，通過重新核算泵的通流部件的尺寸，調(diào)整其出力適合機(jī)組的運(yùn)行要求，并解決運(yùn)行低效問題。這樣，一方面提高系統(tǒng)及其凝結(jié)泵的經(jīng)濟(jì)性、可靠性，另一方面充分利用現(xiàn)有的部件或備品備件，降低改造的工作量和改造投資，使改造更加簡便易行。

2 優(yōu)化研究的主要內(nèi)容

研究去掉除氧器水位調(diào)節(jié)閥門的可行性，增加系統(tǒng)旁路，提高變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏性，達(dá)到在各種變工況下通過三沖量信號(hào)（凝結(jié)水量、鍋爐給水流量、除氧器水位），實(shí)現(xiàn)除氧器水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足機(jī)組凝結(jié)水量的穩(wěn)定運(yùn)行要求。

在凝結(jié)水泵上研究設(shè)計(jì)供其他用水系統(tǒng)的增壓葉輪［3］，實(shí)現(xiàn)與凝結(jié)水泵同軸驅(qū)動(dòng)，不增加任何設(shè)備，達(dá)到各種變工況下均能滿足各項(xiàng)輔助用水要求。

研究汽輪機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)的阻力特性，在保證機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行余量足夠的前提下，合理選擇凝結(jié)水泵運(yùn)行速率，降低系統(tǒng)能耗水平。

研究計(jì)算凝結(jié)水泵的通流部件，包括葉輪和導(dǎo)葉的型線尺寸、葉輪與導(dǎo)葉的最佳匹配等，達(dá)到使泵出力適宜并具有寬闊的高效運(yùn)行范圍，滿足機(jī)組變工況運(yùn)行的要求。

3 主要技術(shù)方案

3.1 實(shí)測系統(tǒng)阻力

2004-2007年規(guī)劃，中西部23個(gè)省份新建、改擴(kuò)建徐誒下7727所，在全國覆蓋了953個(gè)縣，其中西部地區(qū)404個(gè)縣。農(nóng)村義務(wù)教育經(jīng)費(fèi)保障機(jī)制改革涉及廣泛，政策強(qiáng)而有力，任務(wù)十分艱巨而緊迫。各地區(qū)，各有關(guān)部門要從政治高度和全局深入對(duì)農(nóng)村義務(wù)教育經(jīng)費(fèi)保障機(jī)制進(jìn)行深化改革，認(rèn)真部署和協(xié)調(diào)安排，落實(shí)各項(xiàng)改革政策。

在系統(tǒng)上增加部分壓力測點(diǎn)，運(yùn)行中通過不斷調(diào)整凝結(jié)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速或凝結(jié)水泵的出口閥門開度，記錄各測點(diǎn)的壓力及其系統(tǒng)流量，實(shí)際測定系統(tǒng)的阻力，避免計(jì)算系統(tǒng)阻力引起誤差。

3.2 試驗(yàn)選擇凝結(jié)水泵性能參數(shù)

對(duì)凝結(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定滿足機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的水泵參數(shù)，變頻運(yùn)行后，泵的老化、系統(tǒng)周波突降等因素的余量，通過提高變頻的速率來補(bǔ)償。根據(jù)已知變頻器額定情況下的速率，調(diào)查分析實(shí)際運(yùn)行情況，選擇適當(dāng)?shù)哪Y(jié)水泵初投產(chǎn)時(shí)的運(yùn)行速率余量，確定凝結(jié)水泵初投產(chǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，核算系統(tǒng)的壓力、流量的余量，確保滿足機(jī)組長期滿負(fù)荷運(yùn)行要求，以此調(diào)整凝結(jié)水泵的通流部件的尺寸。

3.3 設(shè)計(jì)供其他用水系統(tǒng)的增壓葉輪

根據(jù)機(jī)組實(shí)際參數(shù)，在凝結(jié)水泵上研究設(shè)計(jì)供其他用水系統(tǒng)的增壓葉輪［4］，實(shí)現(xiàn)與凝結(jié)水泵同軸驅(qū)動(dòng)，不增加任何設(shè)備，確保變頻投入后系統(tǒng)各用水滿足要求。即在原凝結(jié)水泵末端軸上，加裝增壓葉輪，增壓后再至各用水系統(tǒng)，壓力的提升范圍可以根據(jù)用戶的要求設(shè)計(jì)變動(dòng)，改進(jìn)前后的兩路系統(tǒng)可互為備用，自由切換。

這樣系統(tǒng)流程簡單、可靠，對(duì)現(xiàn)場空間布置改動(dòng)小，便于實(shí)施。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要由DCS遠(yuǎn)方操作，也可以在就地操作。

3.4 增加旁路管道

結(jié)合電廠的實(shí)際情況，在除氧器水位調(diào)節(jié)閥門處增加旁路管道，運(yùn)行中實(shí)時(shí)選擇系統(tǒng)的水流路徑，降低凝結(jié)水系統(tǒng)的運(yùn)行阻力，實(shí)施凝結(jié)水泵全變頻調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量。

3.5 凝結(jié)水泵通流部件性能改造

實(shí)測凝結(jié)水泵的實(shí)際運(yùn)行狀況，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)測阻力情況，分析研究進(jìn)行凝結(jié)泵的通流部件的改造，包括葉輪和導(dǎo)葉的型線尺寸、葉輪與導(dǎo)葉的最佳匹配等，確保凝結(jié)泵的運(yùn)行工況與系統(tǒng)的匹配，提高泵的運(yùn)行效率，拓寬泵的高效運(yùn)行區(qū)間。

4 經(jīng)濟(jì)性分析［5］

1）凝結(jié)水泵直接下降耗電

式中：NΔ1為系統(tǒng)阻力下降后降低的功率，kW；HΔ1為系統(tǒng)降低的阻力，m；G為凝結(jié)水流量，kg／s。

這部分能耗下降主要包括除氧器調(diào)節(jié)閥門全開下降的系統(tǒng)阻力，增加凝結(jié)水調(diào)門旁路降低的系統(tǒng)阻力。

2）降低凝結(jié)水泵的揚(yáng)程而減少的能耗

式中：NΔ2為凝結(jié)泵出力下降后降低的功率，kW；HΔ2為凝結(jié)泵降低的揚(yáng)程，m；G為凝結(jié)水流量，kg／s；ηp為凝結(jié)泵的效率，%。

3）凝結(jié)泵速率提高降低的能耗

式中：NΔ3為凝結(jié)泵效率提高降低的功率，kW；ηΔp為提高的凝結(jié)泵效率，%；Np為凝結(jié)泵的輸入功率，kW。

4）其他用水增壓裝置的耗電增加

式中：NΔ4為其他用水增壓裝置的耗功率，kW；Hzp為增壓泵的揚(yáng)程，m；Gzp為其他用水流量，kg／s；ηzp為增壓泵的效率，%。

綜上計(jì)算，系統(tǒng)總的節(jié)能降耗為

式中：ΔN為節(jié)能優(yōu)化的系統(tǒng)總降耗，kW。

不同機(jī)組通過各項(xiàng)改造后，凝結(jié)水系統(tǒng)的節(jié)能數(shù)值不等，某600 MW亞臨界機(jī)組，通過調(diào)整凝結(jié)水泵的出力，與系統(tǒng)匹配后，機(jī)組滿負(fù)荷情況下，凝結(jié)水泵的耗電功率直接降了450 kW，機(jī)組按年運(yùn)行6 000 h計(jì)算，全年節(jié)電270萬kWh，按0.35元／kWh計(jì)算，折合人民幣94.5萬元。由于機(jī)組的負(fù)荷率在75%左右，實(shí)際統(tǒng)計(jì)的節(jié)電效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述值，這是由于機(jī)組的負(fù)荷越低獲得的節(jié)電效果越明顯。

表2所列舉的某1 000 MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)實(shí)施改造后，系統(tǒng)阻力可下降0.8 MPa，僅此一項(xiàng)機(jī)組年節(jié)電可達(dá)330萬kWh，折合人民幣95萬，其經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。按照火力發(fā)電廠2000年統(tǒng)計(jì)大氣污染排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每千瓦時(shí)產(chǎn)生8.03 g SO2、6.9 g NOx、3.35 g煙塵和1 kg CO2計(jì)算，同時(shí)可降低排放26.50 t SO2、22.77 t NOx、11.05 t煙塵和3 300 t CO2，顯然其社會(huì)效益也是巨大的。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)投入調(diào)頻運(yùn)行，受系統(tǒng)供其他用水的影響，凝結(jié)水量調(diào)節(jié)閥門仍參與調(diào)節(jié)；以及系統(tǒng)復(fù)雜、管件閥門附件多阻力大；凝結(jié)水泵的出力不匹配等問題，使得系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行方式以及最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行沒有得到充分體現(xiàn)。深入研究凝結(jié)水泵及其系統(tǒng)投入變頻后的各項(xiàng)技術(shù)并實(shí)施優(yōu)化改造獲得的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。某600 MW亞臨界機(jī)組的改造獲得了年直接節(jié)電270萬kWh的經(jīng)濟(jì)效果，其社會(huì)效益也是顯而易見的。對(duì)某1 000 MW超超臨界機(jī)組的凝結(jié)水系統(tǒng)變頻投入后存在的問題進(jìn)行改造優(yōu)化，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益更加顯著。

［1］呂振勇.能源法導(dǎo)論［M］.北京：中國電力出版社，2014.

［2］劉志真，陳潔.熱力發(fā)電廠［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］李興平.一種凝結(jié)水泵同軸驅(qū)動(dòng)的出口增壓裝置：中國，ZL201320214320.8［P］.2013－09－04.

［4］李興平.一種凝結(jié)水泵同軸驅(qū)動(dòng)的出口抽頭增壓裝置及方法：中國，201310147588.9［P］.2013－07－17.

［5］西安熱工研究院.發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2010.

Energy-saving and Optimization of Steam Turbine Condensate System

LI Xingping
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

Existing problems in condensate system of variable-frequency adjusting steam turbine are analyzed.Objectives and contents of optimal transformation of the system are put forward.Technology roadmap and transformation scheme are demonstrated in detail.Also given is a brief discussion on the economic and social benefits of the transformation project.

steam turbine；condensate system；energy-saving；optimization

TK264.1

A

1007－9904（2015）05－0015－04

2015－04－10

李興平（1963），男，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠動(dòng)力設(shè)備及其系統(tǒng)的節(jié)能改造工作。