邵 飛

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院

0 引言

二次再熱技術(shù)是采用兩次中間再熱以蒸汽朗肯循環(huán)為基本動(dòng)力循環(huán)的發(fā)電技術(shù)，其典型特征是超高壓缸和高壓缸出口的工質(zhì)分別被送入鍋爐高壓再熱器和低壓再熱器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力循環(huán)二次再熱。相比一次再熱機(jī)組，二次再熱機(jī)組鍋爐增加了一級(jí)再熱回路[1］。

目前，國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于二次再熱機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[2-6］、系統(tǒng)優(yōu)化集成研究[7］、關(guān)鍵技術(shù)研究等[8］論著，國(guó)內(nèi)也有不少二次再熱機(jī)組順利投產(chǎn)。

1 百萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組給水泵配置現(xiàn)狀

十年前，國(guó)內(nèi)外1 000 MW 超超臨界一次再熱機(jī)組給水泵配置基本以2×50%BMCR 容量為主，國(guó)內(nèi)首批建設(shè)的1 000 MW 超超臨界二次再熱機(jī)組給水泵亦采用2×50 %BMCR 容量配置居多，如國(guó)電泰州二期、華能萊蕪電廠等。隨著給水泵及驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)制造能力的提高及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的增加，1×100%BMCR 給水泵容量配置逐漸成為主流[9-11］。國(guó)內(nèi)部分百萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組給水泵配置見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)部分百萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組給水泵配置

1 000 MW 超超臨界二次再熱機(jī)組給水泵揚(yáng)程較高，相比常規(guī)超超臨界百萬(wàn)機(jī)組給水泵揚(yáng)程增加20%～25%，軸功率增加10%～12%，流量減少7%。從泵的工作點(diǎn)來(lái)看基本是現(xiàn)有成熟給水泵性能曲線的延升，只不過(guò)曲線在高流量時(shí)更陡峭[12］。圖1為某百萬(wàn)二次再熱機(jī)組汽動(dòng)給水泵組變轉(zhuǎn)速工況下的流量-揚(yáng)程特性曲線，從圖中可看出，高流量工況下曲線較陡峭，1 500 t/h及以下時(shí)較平緩。

圖1 某百萬(wàn)二次再熱機(jī)組汽動(dòng)給水泵組變轉(zhuǎn)速工況的流量-揚(yáng)程特性曲線

2 運(yùn)行中的問(wèn)題

采用1×100%BMCR 容量給水泵配置方案可有效降低項(xiàng)目初投資，且可提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性能，故在近期新建機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。但近兩年投產(chǎn)的機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在50%～75%中低負(fù)荷段，給水流量會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，危及機(jī)組的安全運(yùn)行，目前的做法是通過(guò)開(kāi)啟給水泵再循環(huán)閥方式來(lái)降低波動(dòng)。但給水泵再循環(huán)閥的開(kāi)啟會(huì)造成大量蒸汽損失，且閥芯磨損更換費(fèi)用很高。以往亞臨界、超臨界一次再熱機(jī)組雖也有此現(xiàn)象發(fā)生，但通常在50%負(fù)荷以下，危害較小。

對(duì)于蒸汽損失，以某廠為例，2021年2-3月份，其汽動(dòng)給水泵耗汽量分別為95.83 t/h、117.4 t/h，較對(duì)應(yīng)負(fù)荷下的設(shè)計(jì)值高41.0 t/h、40.3 t/h，影響機(jī)組供電煤耗2.38 g/kWh 和2.34 g/kWh，嚴(yán)重影響了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，不符合機(jī)組寬負(fù)荷的節(jié)能要求[13］。

3 給水泵流量波動(dòng)原因分析

眾所周知，配置1×100%BMCR 容量給水泵的百萬(wàn)一次再熱機(jī)組和配置2×50%BMCR 容量給水泵的百萬(wàn)二次再熱機(jī)組均不存在給水流量異常波動(dòng)問(wèn)題，而配置1×100%BMCR 容量給水泵的百萬(wàn)二次再熱機(jī)組則在中低負(fù)荷段流量出現(xiàn)異常波動(dòng)。為此，對(duì)百萬(wàn)一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵、百萬(wàn)二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵、百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵三種配置方案的特性曲線和給水泵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1 給水泵特性曲線分析

分析某百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量-揚(yáng)程特性曲線，發(fā)現(xiàn)給水泵在中低負(fù)荷段有明顯平緩區(qū)域，在此區(qū)域運(yùn)行時(shí)，管道阻力的微小變化都會(huì)使給水流量大幅波動(dòng)，如圖2 所示。而某百萬(wàn)一次再熱1×100%BMCR 給水泵配置和某二次再熱2×50%BMCR 給水泵配置則未有明顯平緩區(qū)域(如圖3、圖4所示)。

圖2 某二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量特性曲線

圖3 某二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵組流量特性曲線

圖4 某一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量特性曲線

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

典型百萬(wàn)機(jī)組給水泵組性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 典型百萬(wàn)機(jī)組給水泵組性能數(shù)據(jù)

1)百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵（C和D）和百萬(wàn)一次再熱1×100%BMCR容量給水泵（A）比較

由于主蒸汽流量減少，蒸汽壓力提高，百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR容量給水泵較一次再熱1×100%BMCR 容量給水泵流量減少、揚(yáng)程增大、轉(zhuǎn)速降低約300 r/min。

2)百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵（C 和D）和百萬(wàn)二次再熱2×50%BMCR 容量給水泵（B）比較

總給水流量相同（單臺(tái)泵減半），揚(yáng)程相當(dāng)，但泵額定轉(zhuǎn)速偏差較大，二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵額定轉(zhuǎn)速較2×50%BMCR 容量給水泵降低約700 r/min，主要原因是1×100%BMCR 容量給水泵汽輪機(jī)采用雙分流設(shè)計(jì)，軸系更長(zhǎng)，導(dǎo)致其二階臨界轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速均相應(yīng)降低。

3.3 波動(dòng)原因分析

由3.1 節(jié)和3.2 節(jié)分析可知，百萬(wàn)二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵汽輪機(jī)由于采用雙分流設(shè)計(jì)，其轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速較低，因此，在實(shí)際運(yùn)行中其轉(zhuǎn)速均控制在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，給水泵流量-揚(yáng)程曲線整體變緩，低負(fù)荷時(shí)更為平緩，導(dǎo)致了在微小擾動(dòng)下給水流量發(fā)生大幅波動(dòng)。

導(dǎo)致二次再熱機(jī)組1×100%BMCR容量給水泵流量-揚(yáng)程特性曲線設(shè)計(jì)不合理的根本原因在于二次再熱1×100%給水泵與以往同類型機(jī)組配置相比，流量特性、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍等參數(shù)發(fā)生了較大變化，但給水泵制造廠家未能及時(shí)開(kāi)發(fā)合適的給水泵水力模型，導(dǎo)致中低負(fù)荷工況下流量特性與給水系統(tǒng)不匹配。

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某廠家生產(chǎn)的二次再熱機(jī)組1×100%給水泵，其設(shè)計(jì)是在一次再熱機(jī)組1×100%BMCR 容量給水泵的基礎(chǔ)上通過(guò)降低轉(zhuǎn)速、增加葉輪級(jí)數(shù)（由5 級(jí)變?yōu)? 級(jí)）來(lái)適應(yīng)二次再熱機(jī)組低流量、高揚(yáng)程要求的，而另一廠家則采用在降低轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上增大葉輪直徑的方法。此外，為滿足二次再熱1×100%BMCR 容量給水泵高揚(yáng)程、大軸功率的需求，給水泵制造廠家在其他類型的基礎(chǔ)上對(duì)軸徑尺寸、強(qiáng)度方面進(jìn)行了調(diào)整，但由此葉輪進(jìn)口流態(tài)也發(fā)生了變化，這也進(jìn)一步導(dǎo)致了部分負(fù)荷下給水泵性能的惡化。由于給水泵制造廠家未根據(jù)二次再熱機(jī)組特性開(kāi)發(fā)新的水力模型，其設(shè)計(jì)僅保證滿負(fù)荷工況要求，故機(jī)組在50%～75%中低負(fù)荷區(qū)間給水流量異常波動(dòng)。

4 優(yōu)化方案

由于給水泵流量波動(dòng)為給水泵流量特性與給水系統(tǒng)不匹配造成，可采取以下措施優(yōu)化：

4.1 優(yōu)化給水泵水力模型

改變給水泵特性曲線，在兼顧給水泵效率的同時(shí)，增加流量-揚(yáng)程曲線的陡度，具體為改造給水泵的芯包。圖5 為某制造廠家提供的給水泵改造前后流量特性曲線，從圖中可看出，改造后75%THA 工況點(diǎn)已不處于平緩區(qū)，50%THA 工況點(diǎn)略有改善。

圖5 給水泵改造前后給水泵流量特性曲線

值得注意的是，給水泵特性曲線改變后，需對(duì)給水泵關(guān)斷揚(yáng)程與設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行校核，以確認(rèn)系統(tǒng)的適應(yīng)性。校核的內(nèi)容主要包括給水泵出口至第一個(gè)關(guān)斷閥之間的閥門和管件強(qiáng)度。

給水泵改造需給水泵制造廠家進(jìn)行開(kāi)發(fā)和試制，若前期無(wú)相關(guān)基礎(chǔ)或積累，開(kāi)發(fā)周期會(huì)較長(zhǎng)，投入也會(huì)較大。

4.2 提高給水系統(tǒng)阻力

給水泵運(yùn)行點(diǎn)在給水泵組性能曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)上，提高系統(tǒng)阻力可讓管路特性曲線變“陡”，阻力可通過(guò)閥門節(jié)流的方式來(lái)改變。由于一般鍋爐上水閥不具備調(diào)節(jié)功能，故需在給水管道上合適位置增加調(diào)節(jié)門。由于給水系統(tǒng)壓力高，擬選的閥門造價(jià)也高，且改造工作耗時(shí)，最終效果需由實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，增加的管道阻力也會(huì)增加給水泵汽輪機(jī)的汽耗量，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)性，故此方案要慎重選擇。

4.3 提高給水泵額定轉(zhuǎn)速

在滿足給水泵汽輪機(jī)安全運(yùn)行裕量的前提下，適當(dāng)提高給水泵額定轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍上移。該方案需制造廠家充分校核安全性，方案對(duì)改善中低負(fù)荷段給水泵流量特性曲線陡度有一定的作用。

4.4 提高中低負(fù)荷段給水流量

增設(shè)0 號(hào)高加，并在運(yùn)行中適當(dāng)提高主調(diào)門閥位，以增加主汽流量，提高給水流量，但提高有限。

4.5 提高給水泵汽輪機(jī)二階臨界轉(zhuǎn)速

改變給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，提高二階臨界轉(zhuǎn)速，給水泵額定轉(zhuǎn)速也相應(yīng)提高。該方案對(duì)現(xiàn)役機(jī)組而言，造價(jià)過(guò)高難以實(shí)現(xiàn)。

另一方案為采用雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，給水泵汽輪機(jī)采用單流設(shè)計(jì)，由于其末級(jí)葉片短，二階臨界轉(zhuǎn)速有所提高，但該方案只適合新建機(jī)組。

綜上五種方案，對(duì)已投產(chǎn)機(jī)組，可結(jié)合4.1～4.4節(jié)措施進(jìn)行改造和優(yōu)化。對(duì)新建機(jī)組，應(yīng)總體考慮，全面布局，確保給水泵制造廠家根據(jù)機(jī)組不同負(fù)荷段運(yùn)行要求開(kāi)發(fā)水力模型并校核性能曲線，將再循環(huán)閥開(kāi)啟點(diǎn)降至50%甚至40%負(fù)荷。鑒于目前尚無(wú)成功改造案例，如何保證在40%負(fù)荷點(diǎn)無(wú)需開(kāi)啟給水泵再循環(huán)閥依然是需要深入研究的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了百萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組汽動(dòng)給水泵在運(yùn)行中存在的問(wèn)題，并從給水泵特性曲線及設(shè)計(jì)參數(shù)方面對(duì)給水流量產(chǎn)生波動(dòng)的原因進(jìn)行了分析。鑒于目前尚無(wú)成功改造案例，如何保證在40%負(fù)荷點(diǎn)無(wú)需開(kāi)啟給水泵再循環(huán)閥依然是需要深入研究的問(wèn)題。本文根據(jù)給水流量波動(dòng)原因提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，為解決問(wèn)題提供了思路。