蔡汝林，周 強(qiáng)

（陽春新鋼鐵有限責(zé)任公司，廣東陽春 529600）

前言

近10年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)為了能夠更加高效地利用富余煤氣等余熱資源，進(jìn)一步節(jié)約能源、提高效率和保護(hù)環(huán)境，相繼停用了一大批中溫中壓參數(shù)、高能耗、低效率、老化嚴(yán)重的小型煤氣發(fā)電機(jī)組，充分利用高參數(shù)機(jī)組效率高的優(yōu)勢(shì)，逐步改建為更大容量、更高參數(shù)的煤氣發(fā)電機(jī)組。高參數(shù)的機(jī)組為了追求發(fā)電效率的提升，基本采用帶一次中間再熱的汽輪發(fā)電機(jī)組，此類型的機(jī)組限定了其組合形式只能是單元制。和低參數(shù)機(jī)組的母管制相比，單元制機(jī)組有兩個(gè)缺陷：（1）發(fā)電機(jī)組的數(shù)量比原來少，而單體容量又相對(duì)較大，出現(xiàn)故障對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)用電平衡影響很大；（2）鍋爐給水泵從多運(yùn)多備變成了一運(yùn)一備，一旦運(yùn)行泵組出現(xiàn)故障跳閘而備用泵組不能及時(shí)起動(dòng)，則鍋爐汽包水位將快速下降至保護(hù)水位，觸發(fā)聯(lián)鎖停爐、停機(jī)。

據(jù)了解，類似的單元制煤氣發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行中，因運(yùn)行給水泵故障跳閘而備用泵組未能及時(shí)起動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)生多起事故，且暫無一套成熟、有效的改善措施。針對(duì)立項(xiàng)新建的150MW 超高溫亞臨界機(jī)組，也將面臨同樣的問題，為此就實(shí)現(xiàn)鍋爐給水泵跳閘不停爐進(jìn)行相關(guān)探索。

1 現(xiàn)狀與問題

1.1 設(shè)備配置情況

本項(xiàng)目配置了480 t/h 超高溫亞臨界再熱煤氣鍋爐、150 MW 級(jí)凝汽式汽輪機(jī)、165 MW 級(jí)發(fā)電機(jī)各1臺(tái)，鍋爐為超高溫亞臨界、自然循環(huán)帶一次再熱的燃?xì)猓ǜ郀t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣）汽包鍋爐，額定出力437 t/h。鍋爐的汽包是水和汽的連接樞紐：鍋爐給水經(jīng)省煤器加熱后進(jìn)入汽包，然后經(jīng)下降管引入水冷壁的下部聯(lián)箱，水冷壁管吸收爐膛高溫使管內(nèi)水受熱上升進(jìn)入汽包，形成循環(huán)；進(jìn)入汽包的汽水混合物經(jīng)過旋風(fēng)分離器，分離出來的蒸汽進(jìn)入過熱器繼續(xù)加熱。

為保證汽水系統(tǒng)安全運(yùn)行，鍋爐的汽包水位必須嚴(yán)格控制在規(guī)定的水位范圍之內(nèi)。水位過高、蒸汽空間縮小會(huì)造成蒸汽帶水，使得蒸汽品質(zhì)惡化，且水會(huì)在過熱器管內(nèi)結(jié)鹽，造成管子過熱甚至爆破。汽包滿水時(shí)蒸汽大量帶水，將會(huì)引起管道、汽輪機(jī)受到水擊損壞；汽包水位過低會(huì)造成鍋爐缺水，破壞水循環(huán)，使水冷壁管超溫過熱，甚至引起鍋爐爆炸［1］。所以汽包鍋爐都會(huì)對(duì)運(yùn)行水位設(shè)置高低位停爐保護(hù)聯(lián)鎖，本項(xiàng)目的鍋爐汽包停爐水位保護(hù)值為±250 mm。

鍋爐運(yùn)行中，汽包水位主要受鍋爐燃燒本身和外界負(fù)荷的影響，處于不斷的變化中。無論是蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)的汽水平衡關(guān)系被破壞，還是工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化，都會(huì)影響水位的變化［2］，要保持一定的汽包水位，就要先保障給水與蒸發(fā)量的平衡關(guān)系。本項(xiàng)目的給水系統(tǒng)采用單元制，配置了2 臺(tái)全容量的變頻調(diào)速給水泵，一運(yùn)一備。運(yùn)行的泵組直接承擔(dān)著鍋爐給水量與蒸發(fā)量的平衡，一旦運(yùn)行泵組因故障跳停，平衡被瞬間打破將直接導(dǎo)致水位急速下降，如果備用泵組不能在水位降低至停爐水位前起動(dòng)完成，將觸發(fā)低水位聯(lián)鎖保護(hù)停爐。

1.2 停泵后的有效鍋爐蒸發(fā)量核算

鍋爐運(yùn)行中如果給水泵故障停運(yùn)，由于鍋爐燃料的持續(xù)供應(yīng)及鍋爐本身的蓄熱能力，在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)維持原有的蒸發(fā)量。鍋爐內(nèi)的水被不斷蒸發(fā)的過程中，汽包水位就會(huì)持續(xù)下降，在降低至停爐水位以上的有效蓄水量就等同于能夠維持鍋爐不停爐的最大蒸發(fā)量。本項(xiàng)目配置的汽包內(nèi)徑1 800 mm、總長(zhǎng)12 m，其中直管段10 m，兩端可近似為兩個(gè)直徑1 800 mm 的半球體。汽包本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接了所有的上升管、下降管，鍋筒內(nèi)部還含有汽水分離器等部分裝置。由于本文采用簡(jiǎn)化算法進(jìn)行分析研究，核算汽包圓筒內(nèi)水位下降250 mm 的容積，將汽包視為一個(gè)相對(duì)規(guī)則的筒體結(jié)構(gòu)，其如圖1所示。

圖1 鍋爐汽包示意圖

查閱汽包的設(shè)計(jì)圖，其水位計(jì)的氣側(cè)接點(diǎn)位于汽包水平物理中心線+255 mm，水側(cè)接點(diǎn)位置位于汽包水平物理中心線-455 mm，核算水位計(jì)的中心線（零位）比汽包水平物理中心線低100 mm。假設(shè)汽包水位處于中間的零位，則汽包水位下降至-250 mm的保護(hù)停爐水位，實(shí)際對(duì)于汽包物理中心線是從-100 mm 下降至-350 mm，其側(cè)向剖視圖如圖2所示。

圖2 鍋爐汽包側(cè)向剖面示意圖

假設(shè)從汽包水位計(jì)零位開始降低至-250 mm的水容積為Q，將汽包分為兩個(gè)部分：

（1）汽包的直筒體部分：長(zhǎng)10 m，內(nèi)部直徑1 800 mm。

（2）汽包兩頭的半球體部分：將兩個(gè)半球體合為一個(gè)球體，內(nèi)部直徑1 800 mm。1.2.1 計(jì)算汽包直筒體內(nèi)水位下降250 mm 的水容積V筒

（1）參照?qǐng)D2 所示，橫截面積可視為等邊梯形，圓的內(nèi)半徑R=900 mm。假設(shè)上底面半徑為D1，下底面半徑為D2，求出D1為894 mm，D2為829 mm；核算其橫截面積S筒為：

S筒=（2×0.894+2×0.829）/2×0.25

S筒≈0.43（m2）

（2）直筒段長(zhǎng)度為10 m，則可降低的有效水容積V筒為：

V筒=0.43×10=4.3（m3）

1.2.2 計(jì)算汽包兩端合成的圓球體內(nèi)水位下降250 mm的水容積V圓臺(tái)

（1）參照?qǐng)D2所示，球體直徑1 800 mm。

（2）球體內(nèi)陰影部分的體積，可視為一個(gè)圓臺(tái)的體積，圓臺(tái)的上半徑為D1，下半徑為D2，圓臺(tái)高H=250 mm。

V圓臺(tái)=1/3π×H×（D12+D22+D1×D2）

=1/3π×0.25×（0.894×0.894+0.829×0.829+0.894×0.829）

=1/3×3.14×0.25×2.227603

V圓臺(tái)≈0.58（m3）

1.2.3 計(jì)算汽包從水位計(jì)零位開始降低至-250 mm的水容積Q，等于直筒段的下降體積與球體部分的下降體積之和

Q=V筒+V圓臺(tái)=4.3+0.58=4.88（m3）

1.3 停泵后的有效響應(yīng)時(shí)間

查閱鍋爐設(shè)計(jì)資料，鍋爐的額定蒸發(fā)量為437 t/h，折合蒸發(fā)速度U=0.121 389 m3/s。假設(shè)鍋爐在維持額定蒸發(fā)量不變的情況下，運(yùn)行的給水泵出現(xiàn)故障跳閘，則在備用給水泵起動(dòng)并恢復(fù)正常運(yùn)行前，汽包水位從零位降低至停爐水位（-250 mm）可維持的時(shí)間T為：

T=Q/U=4.88/0.121 389

T≈40（s）

即鍋爐正常運(yùn)行中，若給水泵出現(xiàn)故障跳閘，備用給水泵需要在40 s內(nèi)完成起動(dòng)并恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，才能保證汽包水位不會(huì)降低至-250 mm，觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)停爐。

本項(xiàng)目配置的泵組工頻起動(dòng)的狀態(tài)下，自起動(dòng)到額定參數(shù)運(yùn)行不超過15 s，滿足40 s 的響應(yīng)時(shí)間。但是給水泵是輔機(jī)里面最大功率的設(shè)備，其額定功率達(dá)4 700 kW，工頻起動(dòng)電流將達(dá)到額定電流的5～7 倍，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊相當(dāng)大。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，工頻起動(dòng)很容易造成轉(zhuǎn)子鼠籠斷條和定子繞組開焊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約15%的電動(dòng)機(jī)故障由直接起動(dòng)引起，工頻起動(dòng)也會(huì)造成電網(wǎng)電壓短時(shí)下降，干擾其他設(shè)備運(yùn)行。若泵組采用變頻起動(dòng)，起動(dòng)電流一般小于電動(dòng)機(jī)額定電流的10%，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)都無影響。但是目前市面上比較成熟、先進(jìn)的變頻器起動(dòng)時(shí)間為50 s 左右，已經(jīng)超過了備用泵組自啟的有效響應(yīng)時(shí)間，這是造成鍋爐運(yùn)行過程中一旦運(yùn)行的給水泵出現(xiàn)故障跳閘，就會(huì)導(dǎo)致鍋爐停爐的主要原因。

2 分析與討論

2.1 采用雙泵組同時(shí)運(yùn)行

參照國內(nèi)600 MW 等級(jí)機(jī)組的常規(guī)配置，一般配置2 臺(tái)半容量的汽動(dòng)給水泵，正常生產(chǎn)時(shí)2 臺(tái)泵組同時(shí)運(yùn)行，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)其中一臺(tái)給水泵組出現(xiàn)故障停泵時(shí)，另一臺(tái)給水泵還能持續(xù)供水，保障機(jī)組在60%左右的額定負(fù)荷運(yùn)行，一定程度上可降低機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的概率。但是雙泵并聯(lián)運(yùn)行缺點(diǎn)也很明顯，與1臺(tái)全容量單泵運(yùn)行相比，首先是系統(tǒng)配置復(fù)雜且無備用泵組，其次是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差。國內(nèi)已有多名學(xué)者通過項(xiàng)目對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)論是1 臺(tái)全容量給水泵組具有較高的經(jīng)濟(jì)性和綜合效益［3］。經(jīng)過討論，決定不采用雙泵組同時(shí)運(yùn)行的方案。

2.2 變頻起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的原因

變頻起動(dòng)是一種電機(jī)起動(dòng)方式，通過變頻器調(diào)整交流電的頻率、電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用變頻器控制三相交流電的輸出波形、頻率和電壓，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定速、變速、加速、減速、反轉(zhuǎn)等控制功能。變頻起動(dòng)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)主體系統(tǒng)安全，變頻起動(dòng)器能夠避免傳統(tǒng)直接起動(dòng)電機(jī)過載、過流等過程，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了設(shè)備的安全可靠性，還可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

由于水泵類負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，采用變頻起動(dòng)是比較安全的。但是變頻起動(dòng)的缺點(diǎn)是過程較長(zhǎng)，起動(dòng)過程主要包括：起動(dòng)順控、變頻器預(yù)充電、變頻器升速至最低頻率、繼續(xù)升速至設(shè)定頻率四個(gè)必要步驟。本項(xiàng)目使用的高壓變頻器一次示意圖見圖3。變頻器的硬件配置較好，但是起動(dòng)第1步送高壓前，需要根據(jù)安全要求和反饋結(jié)果合變頻器輸入斷路器KM1、輸出斷路器KM2，最后合真空斷路器QF送高壓，此過程設(shè)備設(shè)定的總時(shí)間為10 s；第2步變頻器預(yù)充電過程通常為1～3 s；第3 步變頻器結(jié)合自身能力和工藝要求，升速至最低頻率30 Hz 時(shí)間為18 s；第4 步由最低頻率升速到50 Hz 時(shí)間為12 s。變頻起動(dòng)還有一個(gè)功率的問題，在不考慮起動(dòng)失敗等異常情況下，本項(xiàng)目給水泵變頻器常規(guī)起動(dòng)的總時(shí)間為43 s，不能可靠滿足起動(dòng)要求。

圖3 高壓變頻器一次示意圖

3 改進(jìn)對(duì)策

3.1 開發(fā)備用泵組的變頻熱備功能

變頻起動(dòng)可根據(jù)負(fù)載情況精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載匹配，使電機(jī)按照要求進(jìn)行精確控制，但是受制于水泵類負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，加上工藝對(duì)水泵的起動(dòng)時(shí)間的要求非常嚴(yán)格，因此水泵起動(dòng)與變頻器的加速時(shí)間匹配非常重要。本項(xiàng)目的變頻器升降速方式采用線性升降速方式，在升速的過程中，頻率與時(shí)間成線性關(guān)系。針對(duì)變頻起動(dòng)的四個(gè)主要步驟，后面兩個(gè)步驟受制于水泵與電機(jī)本身的影響，已很難取得時(shí)間上的優(yōu)化，只能在前兩個(gè)步驟上采取優(yōu)化。經(jīng)過反復(fù)的研究，我們開發(fā)了備用泵組變頻器熱備功能模塊，只要啟用熱備功能后，備用泵組變頻器直接起動(dòng)至預(yù)充電完成，長(zhǎng)期處于就緒狀態(tài)。一方面，運(yùn)行泵組跳閘后備用泵組的變頻器可直接觸發(fā)升速過程，只需要30 s即可升速至滿負(fù)荷50 Hz，并且備用泵組變頻器的設(shè)定頻率全程實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)行泵組的運(yùn)行頻率，具備故障保存功能，運(yùn)行泵組故障后備用泵組可直接升速到跳閘時(shí)的運(yùn)行頻率；另一方面，由于順控和預(yù)充電已提前完成，極大提高了大容量變頻器的起動(dòng)成功率。

3.2 變頻器熱備的實(shí)施效果

2022年6月份，利用發(fā)電機(jī)組停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)，對(duì)給水泵變頻器熱備模塊進(jìn)行了模擬靜態(tài)起動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試過程中從信號(hào)發(fā)出到上升至目標(biāo)頻率只需要30 s。

2022 年9 月機(jī)組正常生產(chǎn)運(yùn)行中，出現(xiàn)一次運(yùn)行中的給水泵跳閘，備用給水泵變頻器在熱備下立即起動(dòng)并在28 s 時(shí)達(dá)到故障跳閘水泵的原定頻率，汽包水位下降速度迅速減緩，并在第58 s 時(shí)開始回升。運(yùn)行給水泵故障跳閘前汽包水位-1 mm，備用泵組起動(dòng)后最低汽包水位下降至-71 mm，遠(yuǎn)離-250 mm的停爐水位，保障了鍋爐及發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)單元制汽輪發(fā)電機(jī)組在鍋爐給水泵出現(xiàn)故障跳閘后，備用給水泵能夠快速變頻起動(dòng)，確保鍋爐不停爐，通過摸索在給水泵變頻器的備用方式上進(jìn)行了應(yīng)用創(chuàng)新。通過將給水泵變頻器從常規(guī)備用轉(zhuǎn)換為熱態(tài)備用，大幅縮短了備用給水泵的起動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了鍋爐給水泵跳閘不停爐。此方案為國內(nèi)同行業(yè)機(jī)組的故障處理、設(shè)計(jì)優(yōu)化、改造升級(jí)等提供了較好的應(yīng)用借鑒。