張 研李延兵高占平喬 宇

(國能錦界能源有限責任公司,陜西 榆林 719300)

根據我國相關設計規(guī)范[1],600 MW 級及以上直接空冷機組的給水泵宜配置調速電動給水泵,但隨著小型汽輪機技術的發(fā)展,以及給水泵汽輪機效率、可靠性、調節(jié)響應速度的提高,近年投產的600 MW 超超臨界直接空冷機組大多配置汽動給水泵。直接空冷機組給水泵汽輪機排汽常見的冷卻方式有,單獨凝汽器濕冷、間接空冷、直排主機冷卻等。直排主機冷卻,即給水泵汽輪機排汽直接接至主機排汽裝置,同主機排汽一同排至空冷散熱器,與主汽輪機(簡稱“主機”)共用一個空冷系統(tǒng),因此不需要設凝汽冷卻系統(tǒng)、獨立抽真空系統(tǒng)、凝結水系統(tǒng)等。

給水泵汽輪機直排技術由于減少了設備,初投資費用明顯降低,故國內部分機組采用了給水泵汽輪機直排技術[2]。但在實際應用中制約因素較多,如某300 MW 機組夏季運行中機組出力受限達25%;某600 MW 機組夏季大風天氣,給水泵汽輪機背壓高出力不足,造成機組跳閘;某660 MW 機組未單獨設置啟動泵,檢修后啟動時間延長1～3 d,影響機組按期并網。本文針對國內直排機組設計方案和設置特點,結合國能錦界能源有限責任公司汽輪機高位布置機組給水泵汽輪機的特點,從選型優(yōu)化、控制和運行方面等方面進行分析,提出直排機組設置優(yōu)化和應用策略。

1 機組概述

國能錦界能源有限責任公司三期擴建工程660 MW 機組采用世界首例汽輪發(fā)電機高位布置技術,汽輪機、發(fā)電機布置在汽機房65 m 平臺,高位汽輪機采用下排汽方式將乏汽經“L”型排汽管道[3]排至空冷島。排汽口經方圓節(jié)變徑為1 根DN8500的主管,從47 m 水平進入空冷島,經三通后在水平管段上分成8根DN3000 的分支管,各分支上均采用一個曲管壓力平衡型補償器后,水平接至空冷凝汽器分配管入口。

給水泵汽輪機布置在43 m 平臺。給水泵汽輪機采用上排汽方式,排汽管道向上經排汽彎頭管道直接接入主機排汽管道。各設備布置見表1。

表1 高位布置汽輪機房分層布置表

2 直排技術應用的影響因素分析

2.1 機組啟動初期限制因素多

直接空冷給水泵汽輪機直排機組由于給水泵汽輪機排汽直接排至主機空冷島,冬季工況下,給水泵汽輪機排汽量難以滿足空冷島的防凍要求,見表2。在進入空冷島的蒸汽達到最低防凍熱負荷時,給水泵汽輪機無法啟動。

表2 某660 MW 直接空冷機組空冷島防凍流量

給水泵汽輪機直排機組真空系統(tǒng)與主機同為一體,無法實現單獨建立真空,須與主機一同投入軸封和真空系統(tǒng),這樣在主機還在檢修或故障情況下,給水泵汽輪機無法實現啟動、上水、冷態(tài)沖洗,使機組啟動時間加長。為此,直接空冷給水泵汽輪機直排機組一般設置電動給水泵,啟動初期可使用電動給水泵,具備一定條件后切換為汽動給水泵。新建機組在冬季調試時,給水泵汽輪機調試難度大、給水泵汽輪機無法用于鍋爐受熱面的水壓試驗。

2.2 背壓擾動大造成機組調節(jié)遲緩

空冷系統(tǒng)的背壓易受環(huán)境溫度和風速、風向影響,尤其在夏季高負荷下,機組運行背壓變化頻繁且變化幅度大,部分電廠曾發(fā)生因大風引起背壓保護動作停機事件。給水泵汽輪機的背壓隨主機背壓變化,在高背壓情況下,要維持機組出力,應增加其汽輪機進汽量,而此時給水泵汽輪機因背壓變化也需要快速增加進汽量,出現給水泵汽輪機與主機“搶汽”,對機組協(xié)調控制不利。所以,給水泵汽輪機直排,對給水泵汽論機的調速范圍、調節(jié)品質、穩(wěn)定性以及主機協(xié)調控制的要求更為嚴格。

2.3 運行經濟性差

給水泵汽輪機直排機組運行排汽壓力高于給水泵汽輪機濕冷機組,尤其在夏季工況運行下。表3為2種冷卻方式下機組運行參數對比,2臺機組均為超超臨界直接空冷660 MW 機組,電廠1為給水泵汽輪機單獨配置濕冷凝汽器機組,電廠2為給水泵汽輪機直排機組。

表3 給水泵汽輪機冷卻方式運行參數對比

通過表3可知,夏季、冬季工況下,電廠1的背壓均優(yōu)于電廠2,尤其在夏季工況下,給水泵汽輪機直排機組背壓高于給水泵汽輪機單獨配置濕冷凝汽器機組18.9 kPa,給水泵汽輪機背壓高,進汽流量增加,機組熱耗增加,經濟性分析如表4所示。

表4 給水泵汽輪機背壓變化對熱力系統(tǒng)影響

通過表4可知,660 MW 等級直接空冷機組在主蒸汽流量、主機背壓、主機汽缸效率等主要參數不變情況下,給水泵汽輪機背壓由8 k Pa增加到28 k Pa,給水泵汽輪機蒸汽用量增加約22 t/h,機組出力減少5 MW,熱耗率增加48 kJ/k Wh,折合供電煤耗約1.8 g/k Wh。

3 給水泵汽輪機直排技術應用的關鍵點

3.1 給水泵汽輪機容量和汽源設置

給水泵汽輪機直排機組高背壓下給水泵汽輪機進汽量明顯增加,所以要維持高背壓下給水泵汽輪機出力和提高給水泵汽輪機調節(jié)能力,必須增加給水泵汽輪機選型容量,為滿足機組在高背壓下仍可滿負荷運行的要求,適當增加通流能力,如某300 MW 機組給水泵在TRL工況(銘牌工況)下出力裕量約14%,在THA工況(機組熱耗保證工況)下裕量為43%[4]。增加裕量后,給水泵汽輪機運行中存在節(jié)流嚴重,高效區(qū)范圍縮小,為此可采用再熱蒸汽冷段蒸汽或補汽2種汽源補償。

第1種,給水泵汽輪機汽源設置高低壓汽源,輔汽汽源作為啟動汽源,正常汽源為汽輪機抽汽(四段抽汽),高壓汽源為再熱器冷段蒸汽,高負荷或抽汽汽源不足時隨著低壓調節(jié)閥開大,給水泵汽輪機出力不足時高壓汽源通過切換閥介入。

第2種,給水泵汽輪機汽源設置補汽汽源,輔汽汽源作為啟動汽源,正常汽源為汽輪機抽汽(四段抽汽),補汽汽源為汽輪機抽汽(五段抽汽),高負荷或抽汽汽源不足時隨著正常汽源調節(jié)閥開大,給水泵汽輪機出力不足時補汽汽源介入,如圖1所示。

圖1 帶補汽方式的給水泵汽輪機系統(tǒng)

其中,第1種汽源形式為常見給水泵汽輪機配置,高壓汽源由于壓力高,高負荷切換過程容易造成壓力調節(jié)不穩(wěn)定使得切換過程不平穩(wěn),給水泵流量大幅波動,影響機組安全運行。尤其是單列給水泵汽輪機機組,有些運行人員對汽源切換較為謹慎,在高背壓下選擇適當降低機組出力來避免高壓汽源切換的風險。第2種汽源形式一般選擇雙流布置給水泵汽輪機,給水泵汽輪機補汽汽源取自比正常汽源低一級的抽汽,補汽蒸汽量占給水泵汽輪機總蒸汽量的15%,夏季高背壓工況下,補汽汽源介入,給水泵汽輪機由正常汽源和補汽汽源共同驅動,補汽介入過程平穩(wěn),對機組影響較小,同時運行效率較高。

3.2 啟動裝置設置

為解決給水泵汽輪機冬季啟動無法滿足空冷防凍熱負荷要求,給水泵汽輪機直排機組須配置啟動電動給水泵。根據GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》第12.3.4條,空冷機組給水泵的配置應符合下列規(guī)定:600 MW 級及以上直接空冷機組,當采用汽動給水泵時,宜配置2臺,單臺容量應為最大給水消耗量50%的汽動給水泵和1臺容量為最大給水消耗量25%～35%的定速或調速電動給水泵。

國內給水泵汽輪機直排啟動給水泵配置通常有以下幾種方案:方案1,1臺30%電動定速啟動泵;方案2,1臺30%電動調速啟動/備用泵;方案3,1臺50%電動調速啟動/備用泵;方案4,2臺機組共用1臺30%～40%定速啟動泵。

如果是單臺100%容量汽泵,配30%液偶調速啟動泵優(yōu)勢明顯,調速泵運行經濟性、安全性好,可靠性高,冬季工況下可實現給水泵汽輪機提前啟動切換。如果為2臺50%容量汽動給水泵,可選擇方案1、2,如山西某電廠660 MW 機組配置2臺50%容量汽動給水泵和1臺30%流量的調速電動給水泵,電動給水泵提供的壓力為額定主蒸汽壓力,不但可作為啟動泵還可以作為運行時汽動給水泵的備用泵,運行方式靈活,可靠性高。方案3投資成本高,應用較少。方案4系統(tǒng)簡單,投資低,應用較多,但運行可靠性低,冬季不能進行2臺機組同時啟動,定速泵啟動過程沖擊大,對于利用小時高的電廠不適用。

3.3 空冷島選型優(yōu)化

為減小直排機組運行背壓,降低夏季工況運行風險,可增加空冷面積或提高風機通流量。早期投產機組空冷散熱面積選型裕量小,隨著運行年限的增加,空冷換熱效果變差[5],在夏季高溫運行時段,機組難以達到滿出力,為滿足調度出力要求,對空冷系統(tǒng)散熱器表面采用噴水降溫手段,但由于噴淋霧化不均勻使得空冷散熱器表面產生一定程度的結垢現象,從而降低了散熱器換熱能力。

660 MW 超超臨界機組給水泵汽輪機的排汽熱負荷約占主機的10%,為保證機組夏季工況的帶負荷能力、經濟性及安全裕度,空冷面積在設計基礎上按減小夏季背壓4～5 k Pa考慮裕量,夏季運行背壓每減小1 k Pa,機組熱耗減少約53 kJ/k Wh。

以某660 MW 機組為例,空冷設計參數如下:空冷排汽熱負荷852.5 MW,環(huán)境溫度31℃,風機通風量507 m3/s,設計背壓28 kPa,散熱面積185萬m2,空冷島風機迎風面積237.92 m2,風機56臺,翅化比(散熱面積/迎風面積)136,計算降低背壓4～5 k Pa,空冷島的散熱面積增加8%～10%,即設計增加8臺風機,增加通風量按Ga=ANF·V計算(其中,Ga為風機通風量,ANF為風機迎風面積,V為風機風速),風機風量需要提高至560～571 m3/s。最終選擇風機增加1列,即設置64臺風機,通風量不變,散熱面積增加至200萬m2,設計保證背壓降至23 k Pa。

3.4 空冷島蒸汽流場優(yōu)化

由于給水泵汽輪機直排空冷島,排汽對空冷島的流場進行了干擾和破壞,導致空冷島換熱效果和冬季的防凍均受一定影響,某660 MW 機組汽輪發(fā)電機組為室內縱向順列布置,汽輪機低壓缸排汽出口接汽輪機排汽管道,由于給水泵汽輪機排汽排入空冷排汽管道的一側,通過建模計算,當未設置導流葉片時,空冷島兩側排汽管道流量差約為18.67%。

在主排汽管道內設置三通導流葉片后,根據模擬結果,兩側流量差控制在2%以內,基本滿足要求,如圖2所示。如需進一步降低排汽管道的通道壓降和平衡各流量分配,應對排汽管道系統(tǒng)做進一步的優(yōu)化,考慮采用改變管系結構形式,在每個蒸汽分配管處設置不同的導流板數量。

圖2 增加導流板流場模擬示意

3.5 控制邏輯優(yōu)化

3.5.1 設置背壓突升自動觸發(fā)機組降出力功能

夏季大風天氣特別是爐后風引起的熱回流可使機組背壓瞬間大幅增加,在異常條件下,背壓變化速率可達到5～7 k Pa/min。給水泵汽輪機直排主機空冷凝汽器時,給水泵汽輪機背壓比主機更高才能保證順利排汽,汽輪機變工況范圍大,運行條件惡劣。為了應對夏季背壓上漲速度過快,設置了機組背壓突升自動觸發(fā)機組RB(輔機故障減負荷)功能,具體邏輯設置如下:機組背壓達到高報警定值3,延時5 s(背壓曲線);機組背壓達到高報警定值2,且背壓變化速率大于2.5 kPa/min(背壓曲線);機組背壓達到高報警定值1,且背壓變化速率大于5 k Pa/min(背壓曲線)。滿足以上任一條件,保護動作機組負荷以100 MW/min 速率自動減負荷至55%負荷。

3.5.2 優(yōu)化給水控制方案

由于給水流量的控制受背壓影響較大,且存在一定的滯后,所以增加背壓作為給水調整的前饋控制,提高給水流量調節(jié)的響應速度,減少背壓變化對給水流量的影響。

3.6 空冷島智能沖洗應用

空冷島散熱片的表面清潔度直接影響空冷島的散熱,北方電廠周圍空氣攜帶的懸浮顆粒物極易在空冷器翅片通道內積聚,形成灰垢層,為空冷機組的設計、運行和維護帶來了一系列的影響。現場運行經驗表明,灰垢可使同環(huán)境條件下機組排汽壓力增加8～12 k Pa,增大發(fā)電煤耗12～18 g/k Wh,尤其是春季北方楊柳絮隨著空冷風機旋轉形成的負壓被吸入散熱翅片內部,越積越多,嚴重影響通風量和散熱效果,為恢復機組背壓,需對灰垢及柳絮等雜物進行清洗,目前現場常用的策略是采用高壓除鹽水進行沖洗,沖洗后效果理想,但一般人工清洗周期長,對背壓影響大。

為提高沖洗效率,增加了自動沖洗系統(tǒng),實現智能一鍵沖洗,利用夜晚低頻時,通過自動沖洗對散熱片實現清洗,沖洗時間由8 d減少為2 d,維持空冷散熱片清潔度,有利于降低機組背壓,保證給水泵汽輪機直排的可靠性,夏季平均降低機組背壓1 k Pa。

3.7 系統(tǒng)調試和啟動

(1)空冷排汽管道加裝防凍隔離閥,減小空冷平臺所需最小防凍流量;為減少成本,直接空冷機組一般選擇部分管束列加裝防凍蝶閥,防凍蝶閥越多冬季空冷島防凍壓力越小。如某電廠所有排汽支管均加裝防凍蝶閥,冬季啟動時,只要環(huán)境溫度未達到-20℃以下,均可使用給水泵汽輪機啟動。

(2)給水泵汽輪機調試安排在中午氣溫較高的條件下進行。

(3)冬季或給水泵汽輪機不具備投運條件時,增加臨時打壓泵,用于鍋爐系統(tǒng)的打壓。

(4)前置泵與主泵分軸驅動的電廠,鍋爐上水可使用前置泵上水。

4 應用效果

4.1 初投資

直接空冷給水泵汽輪機直排機組由于給水泵汽輪機排汽直接排至主機空冷島,主機增加10%直冷散熱面積,但取消了給水泵汽輪機配套的凝汽器、凝結水泵、真空泵、循環(huán)水系統(tǒng)、膠球清洗及濾網系統(tǒng)等設備,工程投資比給水泵汽輪機單獨配濕冷凝汽器節(jié)約2 300萬元,比給水泵汽輪機間接空冷節(jié)約8 800萬元。

4.2 水耗

由于省了凝汽器和循環(huán)水系統(tǒng),廠房占地空間減少,同時節(jié)省了凝汽器循環(huán)水量,按照660 MW 等級機組給水泵汽輪機排汽參數,2 臺機組給水泵汽輪機總排汽量約為210 t/h,表面式凝汽器面積約為3 400 m2/臺機,給水泵汽輪機濕冷循環(huán)水量約10 000 m3/h,冷卻塔風吹損失0.1%、蒸發(fā)損失1.4%,耗水量為198 m3/h,折合耗水指標0.032 m3/s·GW。

4.3 給水泵汽輪機上排汽經濟性

對于直接空冷機組,THA 工況下給水泵汽輪機排汽量約占主機排汽量的10%,由于低負荷給水泵通常進行再循環(huán)調節(jié),排氣量占比更多。汽輪發(fā)電機高位布置減少大口徑薄壁排汽管道約40 m,節(jié)省率93%。蒸汽管道縮短后減少蒸汽在管道中的儲存量,提高汽輪發(fā)電機組的調節(jié)性能,排汽管道減少阻力損失,而給水泵汽輪機直排空冷充分利用此優(yōu)勢,主機的給水泵汽輪機排汽管道同時縮短,降低機組背壓約0.5 kPa,縮短了給水泵汽輪機進汽管道的長度,減小了進汽阻力,可降低投資。

4.4 運行經濟性

由于上排汽的應用、空冷島面積的增加、給水泵汽輪機補汽閥的應用、空冷流場優(yōu)化、智能沖洗裝置的應用等因素,冬季工況下,給水泵汽輪機背壓可維持7 k Pa,夏季工況下背壓23.5 k Pa(環(huán)境溫度31 ℃)。如表5所示,冬季工況下直排機組運行背壓高于給水泵汽輪機濕冷機組約1.5 kPa,耗電率優(yōu)于給水泵汽輪機濕冷機組,供電煤耗優(yōu)于給水泵汽輪機濕冷機組0.02 g/k Wh;夏季工況,給水泵汽輪機直排機組供電煤耗較濕冷機組偏高1.17 g/k Wh,較優(yōu)化前減少0.63 g/k Wh。

表5 優(yōu)化后直冷與濕冷運行參數對比

4.5 運行安全性

由于空冷面積增加、補汽方式的優(yōu)化、RB 的應用等因素,給水泵汽輪機夏季運行可靠性高,能夠應對惡劣天氣造成的異常和事故。當機組背壓快速、大幅變化時,給水泵汽輪機轉速、給水流量等主要參數均能夠隨機組背壓變化而平穩(wěn)變化,無大幅波動。

5 結束語

高位布置機組給水泵汽輪機直排主機技術在廠房占地、初投資、水耗、減少排汽阻力等方面有著明顯優(yōu)勢,此外給水泵汽輪機直排機組系統(tǒng)簡單,機組設備維護量小,維護成本和運行成本低。本文針對給水泵汽輪機直排運行特點進行分析,結合直排技術在660 MW 汽輪機高位布置機組的應用,提出優(yōu)化選型和系統(tǒng)配置的關鍵技術,解決了前期投產機組的不利因素,為其他同類型機組選型及調試、改造、運行積累了一定的經驗。