呂亞磊， 聶建軍

(1.平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司， 河南 平頂山 467000； 2.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡稱“姚電公司”)3號、4號機(jī)組為進(jìn)口300MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，于1986年投產(chǎn)運(yùn)行至今，目前機(jī)組穩(wěn)定性減弱，煤耗較多。為響應(yīng)國家對燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造的政策要求，對機(jī)組進(jìn)行數(shù)次改造，以期提升發(fā)電效率，促進(jìn)節(jié)能減排。本次是對4號機(jī)組的給水系統(tǒng)和真空系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過改造降低了廠用電率，提高了真空值，從而提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，降低了成本，為企業(yè)贏得了更大的利潤空間。

1 給水系統(tǒng)改造

給水泵作為機(jī)組的重要設(shè)備，起向鍋爐連續(xù)供水并向鍋爐過熱器、再熱器及汽輪機(jī)高壓旁路供減溫水的作用。

1.1 電動給水泵與汽動給水泵的性能分析

(1) 電動給水泵。在機(jī)組啟動過程中，電動給水泵給水流量較小且不穩(wěn)定，但是電動給水泵可靠靈活，能夠滿足鍋爐給水流量大幅度波動的要求[1]。機(jī)組廠用電率一般為7%～10%[2]，電泵耗電量大，占全部廠用電的50%左右，系統(tǒng)較復(fù)雜，操作及維護(hù)工作量大，相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障的幾率較高[3]。

(2) 汽動給水泵。汽動給水泵的機(jī)組啟動時間較短，機(jī)組廠用電率一般為4%～6%[4]。與電動給水泵相比，汽動給水泵可降低廠用電率，且設(shè)備維護(hù)簡便，事故率低，靈活性、機(jī)動性好，機(jī)組正常運(yùn)行后安全性和可靠性高[5]。但是受轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍(2 900～5 600 r/min)的限制和排汽溫度過高的影響，與電動給水泵相比增大了操作難度。

綜上可知，電動給水泵在大型發(fā)電機(jī)組中的耗電量占全部廠用電的50%左右。另有文獻(xiàn)表明，與電動給水泵相比，采用汽動給水泵，可以將機(jī)組廠用電率降低一半，從而使機(jī)組向外多供3%～4%的電量，可提高機(jī)組0.2%～0.6%的熱效率[6-7]。

1.2 給水系統(tǒng)改造方案

姚電公司原4號機(jī)組配置了50% B-MCR 容量的3臺電動給水泵，機(jī)組正常運(yùn)行時，2臺運(yùn)行，1臺備用，給水泵電動機(jī)、前置泵與給水泵由液力偶合器連接在同一個平面上。

本次改造，拆除原有的#1、#2電動給水泵組，在原址安裝1臺100%容量汽動給水泵組，保留1臺電動給水泵備用。改造后給水泵的配置方案為1臺100%容量的汽動給水泵組(啟動、運(yùn)行)，1 臺50%容量的電動給水泵組(啟動、備用)。從汽輪機(jī)中壓缸五段抽汽處抽汽并將其作為汽動給水泵小汽輪機(jī)的汽源，通過小汽輪機(jī)做功，經(jīng)輸出軸直接驅(qū)動汽動給水泵做功。

電動給水泵和汽動給水泵的主要參數(shù)如表1所示。

表1 電動給水泵和汽動給水泵的主要參數(shù)

2 真空系統(tǒng)改造

建立和維持一定的真空，可以增加汽輪機(jī)中蒸汽的可用焓降，提高汽輪機(jī)熱效率。

2.1 真空系統(tǒng)改造設(shè)備分析

(1) 射水抽氣器、射水泵。汽機(jī)啟動前由射汽抽氣器建立凝汽器真空，運(yùn)行中射水抽氣器和凝汽器共同維持真空。射水抽氣器除具有適應(yīng)滑參數(shù)運(yùn)行和節(jié)約蒸汽的優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、造價低廉、適應(yīng)工況變化等優(yōu)點(diǎn)[8]。此外射水抽氣器耗水量約為凝汽器耗水量的5%，故使用射水抽氣器無論對于環(huán)保還是節(jié)水都有更深層次的意義[9]。設(shè)置2臺射水抽氣器，每臺配75 kW的電動射水泵，這樣可保證真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性和射水抽氣器的效率，但是需要耗用一部分電和水，且系統(tǒng)占地面積大，設(shè)施布置分散，運(yùn)行維護(hù)較復(fù)雜[10]。

(2) 真空泵。水環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，可使機(jī)組恒定維持在高真空狀態(tài)，真空值一般可比射水抽氣器高2 kPa，效率約是高效射水抽氣器的2倍，且可實(shí)現(xiàn)集中控制，占地面積小，基本無需維修，出現(xiàn)故障的概率小，從而保證機(jī)組安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)[11]，但該真空泵配套電機(jī)噪音比較大，為85 dB(A)。

綜上可知，選用水環(huán)式真空泵比射水泵、射水抽氣器效率更高且建立的真空更穩(wěn)定。

2.2 真空系統(tǒng)改造方案

依據(jù)上述分析，本文采用的改造方案是，保留原有的射汽抽氣器系統(tǒng)，同時用2臺100%容量的水環(huán)式(雙極錐體)真空泵代替原有的2臺100%容量的射水抽氣器。機(jī)組啟動時，直接用水環(huán)式真空泵對系統(tǒng)抽真空。機(jī)組正常運(yùn)行時，1臺真空泵運(yùn)行，1臺真空泵備用。射水抽氣器、射水泵和水環(huán)式真空泵的主要參數(shù)如表2所示。表2中TRL，11.8 kPa 表示在汽輪機(jī)為額定功率時，背壓為11.8 kPa；THA，5.4 kPa表示在熱耗率為驗收功率時，背壓為5.4 kPa。

表2 射水抽氣器、射水泵和水環(huán)式真空泵的主要參數(shù)

注：“-”表示無此參數(shù)。

3 改造后節(jié)能分析

凝汽器真空值的高低，主要由冷卻水的溫度和流量決定。為了更好地對改造前后機(jī)組的性能進(jìn)行對比，選擇在機(jī)組負(fù)荷、冷卻水溫度和流量相近的條件下采集數(shù)據(jù)。

3.1 廠用電率分析

廠用電率是評價機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的一項重要指標(biāo)。在機(jī)組相近負(fù)荷的情況下，4號機(jī)組改造前后和目前3號機(jī)組的廠用電率如表3所示。

表3 機(jī)組廠用電率 %

由表3可知，4號機(jī)組改造前的廠用電率為7%～8%，改造后為4%～5%，廠用電率減少了37.5%～42.8%。而3號機(jī)組廠用電率為8%～9%。為了更直觀地表達(dá)，利用表3數(shù)據(jù)制出廠用電率與時間的關(guān)系曲線如圖1所示，由圖1可看出改造后廠用電率降低明顯。

圖1 廠用電率對比

3.2 真空度分析

機(jī)組設(shè)計之初，1臺射水泵組(即1臺射水泵和兩個射水抽氣器)即可維持機(jī)組正常運(yùn)行所需要的最佳真空，另一臺射水泵備用。然而隨著設(shè)備的老化，真空變得不穩(wěn)定，機(jī)組改造前需2臺射水泵組(即2臺射水泵和2個射水抽氣器)同時運(yùn)行才能維持較好的真空。改造前后凝汽器真空值見表4。

表4 改造前后凝汽器真空值 kPa

由表4可知，改造前凝汽器真空值范圍為94～95 kPa，改造后為95～96 kPa，真空值平均提高了約0.7 kPa。為了更直觀地表達(dá)，利用表4中的數(shù)據(jù)制出真空值與時間的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以明顯看出改造后凝汽器的真空值增大，真空維持效果好。

圖2 改造前后真空對比

為了檢驗改造后真空的穩(wěn)定性，隨機(jī)調(diào)取某一天(24 h)的數(shù)據(jù)，制出改造前后凝汽器真空值與時間的關(guān)系曲線，見圖3。由圖3可知，改造前，在機(jī)組加減負(fù)荷的情況下，真空變化明顯，真空波動較大。改造后在機(jī)組加減負(fù)荷的情況下，真空較為穩(wěn)定，并且1臺真空泵運(yùn)行效果比2臺射水泵組(即2臺射水泵和2個射水抽氣器)建立真空效果好。

圖3 某天改造前后的真空值對比

由于條件限制，選取數(shù)據(jù)的時間為冬季，冷卻水溫度較低，真空改善效果不夠明顯。若是在夏季選取數(shù)據(jù)，真空改善效果會更好。

4 結(jié)論

根據(jù)4號機(jī)組設(shè)計值可知，廠用電率每增加1%，煤耗會增加3.43 克/千瓦時；真空每增加1 kPa，煤耗會減少2 克/千瓦時。采集數(shù)據(jù)顯示平均廠用電率減少37.5%～42.8%，真空值提高了約0.7 kPa，可減少煤耗9.975 克/千瓦時。按4號機(jī)組每年15億千瓦時的發(fā)電量計算，可多供電4 839萬千瓦時，節(jié)省1.5萬噸煤。另外，按目前煤價每噸700元計算，可節(jié)約資金1 050萬元左右。

此次節(jié)能升級改造極大地提高了機(jī)組的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了節(jié)能減排的預(yù)期目的，從而增強(qiáng)了姚電公司的市場競爭力。4號機(jī)組的成功改造，為接下來3號機(jī)組的節(jié)能升級改造以及其他企業(yè)提供了借鑒。