超超臨界1000MW機組凝結水泵深度變頻分析

吾明良，鄭衛東，陳敏

(華能玉環電廠，浙江省臺州市 317604)

0 引言

華能玉環電廠目前裝機容量為4×1 000 MW，采用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司(三菱重工業株式會社提供技術支持)設計制造的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號為HG－2953/27.56－YM 1;采用上海汽輪機廠(德國西門子公司提供技術支持)設計制造的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號為N1000－26.25/600/600。每臺機組配備2臺100%容量的凝結水泵，1臺運行1臺備用。

4臺機組投產以來，先后多次對A凝結水泵進行變頻改造(B凝結水泵保持工頻)［1-2］。此后由于受汽動給水泵密封水供水壓力、汽輪機旁路系統減溫水壓力等因素的影響，凝結水壓力有所下降，但凝結水上水主閥并未完全開足，節能潛力仍有待進一步挖掘。本文提出了增加汽動給水泵密封水升壓系統、解除減溫水壓力約束汽輪機低壓旁路開啟的方案，為凝結水泵深度變頻創造了條件。通過不同機組負荷條件下的試驗，確定了凝結水泵深度變頻的最終方案。

1 機組設備相關參數

汽輪機主要技術參數［1］見表1。

表1 汽輪機主要參數Tab.1Main parameters of turbine

2臺凝結水泵均為蘇爾壽公司產品，型號為BDC500－510 D3S，立式、筒袋式結構，配備電機功率為2 700 kW。主要技術參數［2］見表2。

表2 凝結水泵技術參數Tab.2Technical parameters of condensate pump

2 凝結水泵深度變頻的制約因素

制約凝結水泵深度變頻的因素主要有2個:汽動給水泵密封水壓力低和汽輪機低壓旁路減溫水壓力約束。

凝結水泵變頻改造后，第1階段凝結水系統壓力降至2.6 MPa。但是由于原系統設計汽動給水泵密封水取自凝結水雜用水，而汽動給水泵要求密封水泵入口壓力為0.8～1.5 MPa［3］，且必須確保密封水回水溫度為50～55℃，因此凝結水母管壓力無法進一步降低。汽輪機低壓旁路減溫水也取自凝結水雜用水，原邏輯設計減溫水壓力低于1.6 MPa時，低壓旁路閥將無法自動開啟。

3 汽動給水泵密封水壓力低解決方案

3.1 初步方案確定

汽動給水泵主泵軸端密封方式為迷宮式密封，前置泵采用機械密封，主泵及前置泵的密封冷卻水均采用凝結水。凝結水泵深度變頻后低負荷時凝結水壓力將無法滿足給水泵密封冷卻的需要，因此需要對此凝結水進行升壓。

3.2 密封水升壓系統配置

密封水升壓系統配置通常有2種方式。

方式一。在原密封水管路上增加管道泵直接升壓密封水。這種方式的優點是可以降低升壓泵所需的揚程，可選用單級泵，避免級數過多帶來的泵結構方面的缺陷。缺點是該系統壓力受凝結水系統運行壓力的影響而造成波動較大。

方式二。對常壓水進行升壓，系統入口設置水箱。這種方式的優點是系統相對獨立，缺點是系統入口需要配備較大水箱，占地較大。

綜合各方面優缺點，針對玉環電廠實際情況，決定選方式一，升壓泵為“一用一備”。

3.3 密封水升壓系統參數確定

(1)流量?，F場用手持式流量計實測4臺機組汽動給水泵密封水流量，結合理論計算［4-5］，確定目前單臺機組2臺汽動給水泵共需密封水流量約14 t/h?？紤]到迷宮式密封可能存在的長期運行磨損，間隙變大而造成密封水流量增加的實際情況，選用單臺密封水升壓泵流量為20 t/h。

(2)壓力。根據給水泵廠家說明書要求，考慮到機組低負荷時凝結水泵出口壓力接近0.9 MPa，結合目前給水泵正常運行時密封水泵入口的實際壓力，并考慮一定裕量，選擇泵的壓力為1.1 MPa。

(3)壓強。考慮到凝結水泵工頻運行時升壓泵入口壓力極端工況下接近3.8 MPa，選用泵設計壓強為5.0 MPa，泵入口管路設計壓強為4.0 MPa，泵出口管路設計壓強為5.0 MPa。

3.4 密封水升壓系統布置

每臺機組配備2臺密封水升壓泵(“一用一備”)，設置在汽機房0 m，并列布置，設旁路，2臺泵入口設母管。水源取自機組凝結水雜用母管，出口母管接至汽動給水泵密封水濾網組入口，如圖1所示。

圖1 汽動給水泵密封水升壓泵系統Fig.1Booster pump of seal water for steam feed pump

結合泵制造廠選型手冊，最終選用密封水升壓泵流量為22 t/h，壓力為1.1 MPa。系統中每臺升壓泵配置再循環管路，旁路系統配備止回閥，當2臺升壓泵都停運時，凝結水雜用水可以通過2臺泵進出口管路、旁路系統同時向汽動給水泵供密封水，系統安全可靠。

4 凝結水降壓后汽輪機低壓旁路開啟解決方案

供汽輪機低壓旁路減溫水的凝結水壓力低于1.6 MPa時，低壓旁路將發關閉信號，低壓旁路無法自動開啟，事故狀態時必須手動開啟，給運行操作帶來安全隱患。解決方案是取消減溫水壓力對低壓旁路自動開啟的約束，當低壓旁路開啟時凝結水泵能超馳到工頻泵運行。

5 凝結水泵深度變頻后凝結水系統運行方式試驗

5.1 初步設想

(1)原先的除氧器上水輔助調節閥不再投用。

(2)機組正常運行階段(負荷＞400 MW)，除氧器上水主閥維持在一個固定開度，由凝結水泵變頻器控制除氧器水位。調節閥的固定開度隨著負荷(凝結水流量)變化而變化，目的是確保凝結水泵變頻器的輸出頻率處于可調且經濟的范圍。

(3)在機組的啟動階段或當其他汽輪機低壓旁路需要開啟時，凝結水泵超馳至工頻泵運行，除氧器上水主閥速關至當前負荷對應下的閥位開度后，釋放控制除氧器水位。

(4)汽動給水泵正常運行，密封水升壓泵跳閘后，凝結水泵變頻控制凝結水母管壓力，母管壓力定值為2.5MPa，除氧器上水主閥處于節流狀態，除氧器上水主閥速關至當前負荷對應下的閥位開度后，釋放控制除氧器水位。

5.2 試驗目的

(1)確定不同負荷下凝結水泵最低頻率輸出時，除氧器上水主閥的開度。

(2)確定不同負荷下凝結水泵最高頻率輸出時，除氧器上水主閥的開度。

(3)確定不同負荷下凝結水泵以最高頻率(等同于工頻)輸出時，穩定工況下除氧器上水主閥的開度。

(4)凝結水泵變頻控制除氧器水位的調節器參數整定。

(5)凝結水泵變頻控制凝結水母管壓力的調節器參數整定。

(6)除氧器上水主閥在凝結水管路壓力為2.5 MPa和變頻器工頻輸出模式下，水位控制調節器參數整定。

(7)檢驗凝結水泵變頻壓力控制和除氧器水位控制模式之間的切換。

(8)檢驗除氧器上水主閥處于“自動”情況下凝結水泵變頻與工頻之間的切換。

(9)檢驗在凝結水系統異常(汽輪機低壓旁路快開、變頻變工頻等)工況下，凝結水泵變頻自動控制與除氧器上水主閥自動控制水位。

5.3 試驗過程

5.3.1 除氧器上水主閥開度試驗(變頻器工頻輸出)

機組自動發電量控制(automatic generation control，AGC)撤出，保持負荷穩定;觀察除氧器上水主閥最終的穩定開度，并記錄。該試驗從500 MW一直延續到1 000 MW，每100 MW為1個斷點。

5.3.2 除氧器上水主閥開度試驗(變頻模式下密封水升壓泵運行)

(1)機組AGC撤出，保持負荷穩定。(2)除氧器上水主閥全開切手動。

(3)手動操作凝結水泵變頻輸出至較低。

(4)觀察除氧器水位情況，如果除氧器水位無法穩定或凝結水泵出口母管壓力過低，由運行人員手動適當關小除氧器水位主調節閥;凝結水泵振動大或變頻不穩定，由運行人員手動適當增加變頻輸出或切至工頻泵運行。

該試驗從1 000 MW一直延續到500 MW，每100 MW為1個斷點，負荷最低降至470 MW。

5.3.3 變頻控制凝結水母管壓力的調節器參數整定

(1)機組AGC撤出，保持負荷穩定。

(2)手動改變凝結水母管壓力設定值，觀察除氧器水位變化情況，待除氧器水位、凝結水母管壓力穩定后，再將凝結水母管壓力恢復至原設定值(設定值每次變化±0.1 MPa)。

(3)根據除氧器實際水位波動情況，重新整定除氧器上水主閥調節器參數。

(4)觀察除氧器水位、凝結水母管壓力波動情況，嚴密監視凝結水管道、凝結水泵振動情況，如果出現異常立即停止試驗，由運行人員手動處理。

5.3.4 除氧器上水主閥開度試驗(變頻模式下密封水管泵全部停運)

試驗前，凝結水泵變頻投自動控制除氧器水位，除氧器上水主閥處于自動，汽泵密封水升壓泵單臺運行。

(1)機組AGC撤出，保持負荷穩定。(2)除氧器上水主閥全開切手動。

(3)由運行人員手動停運所有密封水升壓泵。

(4)觀察除氧器水位情況，如果除氧器水位無法穩定或凝結水泵出口母管壓力過低，手動適當關小除氧器水位主調節閥。

(5)凝結水泵振動大或變頻不穩定，手動適當增加變頻輸出或切至工頻泵運行。

該試驗從7 00 MW一直延續到500 MW，每50 MW為1個斷點，負荷最低降至477.8 MW。

5.3.5 凝結水泵變頻泵與工頻泵切換試驗

本試驗分2步進行，一為變頻泵轉速手動升至工頻泵轉速，啟動工頻泵，停運變頻泵，除氧器上水主閥控制水位;二為重新啟動變頻泵，停運工頻泵，變頻泵投自動調節控制水位。

(1)手動將變頻轉速提高，最終升至工頻轉速。

(2)手動啟動工頻泵B，穩定2 min后，停運變頻泵A。

(3)由運行人員將變頻泵A投備用。

(4)工頻泵穩定運行10 min后觀察除氧器水位情況，如果除氧器水位無法穩定或凝結水泵出口母管壓力過低，由運行人員手動適當關小除氧器水位主閥。

(5)凝結水泵振動大或變頻不穩定，由運行人員手動適當增加變頻輸出或切至工頻泵運行。

5.3.6 凝結水系統故障時凝結水泵變頻調節試驗

在凝結水系統異常(汽輪機低壓旁路快開、變頻變工頻等)工況下，凝結水泵變頻自動控制除氧器上水主閥。試驗盡量減小對除氧器水位的擾動。試驗模擬低壓旁路請求開信號。

(1)模擬低壓旁路請求開信號。

(2)凝結水泵變頻自動提升至工頻轉速，同時除氧器主上水主閥將超馳關至凝結水泵工頻運行時當前負荷對應下的開度，此后凝結水泵變頻繼續控制除氧器水位。

(3)釋放低壓旁路請求開信號。

(4)除氧器上水主閥逐漸全開(由當前負荷對應下變頻運行時的開度曲線決定)，凝結水泵變頻轉速逐漸下降，凝結水泵變頻全程控制除氧器水位。

5.4 試驗結果及分析

5.4.1 除氧器上水主閥開度試驗(變頻器工頻輸出)

試驗前凝結水泵一直在工頻模式下運行，通過調用歷史曲線，可以擬合得到負荷對應的除氧器上水主閥開度曲線［6］，如圖2所示。

圖2 工頻模式下負荷對應除氧器上水主閥開度曲線Fig.2Opening curves of water-feeding main valve in deaerator with different load under power frequency mode

5.4.2 除氧器上水主閥開度試驗(變頻模式下密封水升壓泵運行)

該試驗每次降負荷50 MW左右，凝結水泵變頻全程自動控制除氧器水位。隨著負荷下降，凝結水泵變頻轉速與泵機電流均明顯下降。負荷最低降至471.2 MW，凝結水泵轉速降至863 r/min，泵機電流降至41.6 A，凝結水泵出口母管壓力最低為1.1 MPa。整個試驗過程中除氧器上水主閥一直保持全開，凝結水流量最低為944 t/h，能保證機組穩定運行。

通過試驗可以得到變頻控制水位過程中負荷對應上水主閥開度曲線［6］，如圖3所示。

圖3 變頻模式下負荷對應除氧器上水主閥開度Fig.3Opening curves of water-feeding main valve in deaerator with different load under frequency conversion mode

5.4.3 變頻控制凝結水母管壓力調節器參數整定

試驗時機組負荷穩定在500 MW，除氧器水位設定值為2 900 mm，通過輸入模擬信號，強制凝結水泵變頻控制出口母管壓力，凝結水泵變頻全程控制除氧器水位。當凝結水泵出口母管壓力低于0.9 MPa時自啟動凝結水泵B，凝結水泵出口母管壓力低于1.05 MPa時自啟動密封水升壓泵。壓力設定值改變過程中，凝結水泵變頻轉速及電流變化較大，除氧器水位最高波動為2 946 mm，最低為2 876 mm。

通過試驗可以看出，凝結水母管壓力變化時，除氧器水位波動較大，同時控制方式相對繁瑣。經討論，直接取消該控制方式。

5.4.4 除氧器上水主閥開度試驗(變頻模式下密封水升壓泵全部停運)

為了進一步達到節能效果，嘗試將2臺密封水升壓泵均停運，測試是否能滿足汽動給水泵運行要求。從前面的試驗中可以看出，機組負荷在600 MW以上時，停運2臺密封水升壓泵能滿足汽動給水泵的要求。此次試驗需要將負荷降至更低，在保證機組穩定前提下爭取找到臨界點。試驗初始負荷700 MW，逐漸降負荷，負荷最終降至477.8 MW。

通過試驗可以看出，負荷下降過程中，凝結水泵變頻轉速、電流、出口母管壓力沒有出現明顯波動，汽動給水泵密封水供水正常。

5.4.5 凝結水泵變頻泵與工頻泵切換試驗

本試驗模擬機組正常運行時變頻泵與工頻泵的切換，需要盡量降低對機組的擾動及降低除氧器水位波動。

通過試驗可以看出，變頻凝結水泵升轉速至工頻轉速、保持變頻凝結水泵和工頻凝結水泵同時運行、停運和啟動變頻凝結水泵的過程中，除氧器水位、汽動給水泵密封水回水溫度等參數基本穩定。

5.4.6 凝結水系統故障時凝結水泵變頻調節試驗

本試驗模擬汽輪機低壓旁路開信號，當變頻轉速迅速超馳至工頻轉速的同時，除氧器水位主閥也超馳關至凝結水泵工頻運行的當前負荷下的開度(19%);當取消低壓旁路開信號后，除氧器水位主閥又逐漸開至凝結水泵變頻運行時當前負荷下的開度(100%)，凝結水泵變頻轉速同時逐漸降低。

整個試驗過程中，除氧器水位波動較小，機組負荷穩定，凝結水系統運行穩定。

6 凝結水泵深度變頻后經濟效益分析

凝結水泵深度變頻后凝結水管道壓力進一步降低，不同凝結水泵控制方式下的參數對比如表3所示。

表3 不同凝結水泵控制方式下的參數對比Tab.3Comparison of condensate pump parameters under different control mode

從表3可以看出，凝結水泵采取變頻方式后電流下降明顯，但是由于受汽輪機低壓旁路及汽動給水泵供水要求制約，除氧器主閥并未完全開啟。而采取深度變頻方式后，除氧器主閥完全開啟，節流損失降到最低，凝結水泵電流和轉速得到進一步下降，節能效果顯著。從表3還可以看出，機組低負荷時凝結水泵電流遞減值最大，變頻優勢尤為顯著。

7 結語

隨著我國“節能減排”政策執行力度的與日俱增，各電廠對于節能減排工作的重視程度也不斷提高。玉環電廠經過不斷探索和實踐，在凝結水泵變頻技術方面取得較大的成績，本文提出的凝結水泵深度變頻的最終方案可供其他電廠凝結水泵變頻改造參考。

［1］華東電力設計院.華能玉環電廠工程施工圖［R］.上海:華東電力設計院，2005.

［2］Sulzer Pumps LTD.Use and maintenance manual of condensate pump［Z］.England:Sulzer Pumps LTD.

［3］EBARA Corporation.Installation，maintenance＆operation manual［Z］.JAPAN:EBARA Corporation.

［4］DL 5000—2000火力發電廠設計規程［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［5］DL/T 5054—1996火力發電廠汽水管道設計技術規定［S］.北京:中國電力出版社，1996.

［6］羅志浩.華能玉環電廠3號機組凝泵變頻改造后試驗報告［R］.杭州:杭州意能電力技術有限公司，2012.

(編輯:楊大浩)