国电泰州发电厂1000MW机组防止给水流量波动大的方法探析

国电泰州发电厂1000MW机组 防止给水流量波动大的方法探析 吴东黎 （国电泰州发电有限公司，泰州市高港区永安洲镇，邮编：225327） 【摘要】本文介绍了国电泰州发电有限公司一期2×1000MW超超临界机组，通过对热工逻辑和运行操作两个方面的优化，减小给水泵切换时给水流量波动的方法，从而实现给水泵的并泵与切换更加简单和安全。 【关键词】1000MW  超超临界  给水流量  一、 系统介绍 1、 锅炉：国电泰州电厂一期工程2×1000MW机组锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司与日本三菱重工业株式会社联合制造的。其型号为：HG-2980/26.15-YM2,系超超临界参数、变压垂直管屏带中间混合集箱直流炉、单炉膛、反向双切圆燃烧方式、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、Π型锅炉，主要参数：最大连续蒸发量（B-MCR）为2980t/h，锅炉出口蒸汽参数26.25MPa(a)/605/603℃。 2、 汽机：主汽轮机是由哈尔滨汽轮机有限责任公司与日本东芝联合设计制造的。根据我国规定的汽轮机型号标准为：CLN1000-25.0/600/600，其东芝型号为TC4F－48，蒸汽参数为主汽压25MPa，主再热汽温度均为600℃，是超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、冲动凝汽式、八级回热抽汽式汽轮机，最大连续出力为1037.411MW，机侧蒸汽参数25MPa(a)/600/600℃。 3、 给水及锅炉启动系统：给水系统配置2×50%容量的汽泵组+30%容量的电泵组。启动系统为带再循环泵系统，设置两只立式内置式汽水分离器，在启动阶段，锅炉负荷小于25%BMCR的最低直流负荷时，启动系统为湿态运行。流程如图1（锅炉启动系统2101）： 4、 给水系统设备介绍 1) 电泵：是德国KSB公司生产的CHTD6/5型离心泵，为卧式、水平、五级筒体式离心泵。其密封型式为机械密封。最大工况点处的流量为1015t/h,扬程为3231m,转速为6043rpm,电机额定电压为10KV,额定电流为865A。 2) 电泵前置泵：是德国KSB公司生产的KRHA300 600型离心泵，为水平、单级轴向分开式低速离心泵，内衬巴氏合金的径向轴承，自由端装有自位瓦块式双向推力轴承，采用压力油润滑，通过具有柔性与刚性兼有的金属迭片式联轴器与电机相连。其密封型式为机械密封。                        3） 汽泵：是德国KSB公司生产的CHTD7/5型离心泵，为卧式、水平、五级筒体式离心泵。其密封型式为机械密封。最大工况点处的流量为1640.8t/h,扬程为3184m,转速为5985rpm。 4） 汽泵前置泵：是德国KSB公司生产的KRHA400 710型离心泵，为水平、单级轴向分开式。其密封型式为机械密封。 二、 问的提出 直流炉与汽包炉相比较，在对给水系统的要求上存在以下特点：一是有最小流量保护，直流锅炉在运行时，省煤器入口流量不能低于一最小流量（552 t/h），这是保证水冷壁水动力特性的需要。二是水煤比的变化直接影响到中间点温度的变化，进而造成主汽温度的变化。从近几年投产的600MW超临界机组来看，普遍存在汽、电泵切换过程中发生给水流量的大幅度扰动，当锅炉处于湿态时会造成分离器水位的波动和水冷壁壁温超限，当锅炉处于干态时，会使中间点温度发生变化，进而造成主汽温度的波动，尤其是在低负荷阶段第一台汽泵并入系统时，甚至会使给水流量小于锅炉最小流量，造成锅炉MFT保护动作，对机组的安全运行造成严重威胁。在汽、电泵切换过程中如何才能使给水流量的波动尽量小，是大型直流炉对我们提出的一个难题。 三、 给水泵在切换过程中给水流量波动大的原因 正常情况下，给水泵都是多级离心泵，设置再循环系统，以保证其最小流量。以电泵为例，图2为泰州电厂电泵的特性曲线，图中给出了电泵的最小流量曲线，即Q-min曲线，运行中如果电泵工作点落在Q-min曲线左侧，就会发生左边界越限，也就是“打闷泵”，容易发生电泵汽化的故障。设置再循环系统，就是使再循环调节阀正常开出时，即使在电泵出口电动阀和旁路调节阀全关的情况下，也能保证电泵的最小流量。另外，为了更好地防止给水泵在运行时左边界越限，在逻辑上还考虑以下三个联锁和保护功能： （1）再循环调节阀自动调节功能：在投自动的情况下，在循环调节阀的气动执行机构根据给水泵入口流量的变化自动调节再循环调节阀的开度，以保证给水泵流量不低于对应转速下的最小流量。 （2）再循环调节阀的超驰开启功能：当前给水泵入口流量低于某一值时，电磁执行机构超驰动作，迅速开启再循环调节阀，在很短时间内再循环调节阀全开（一般5S左右），以保证给水泵流量不低于对应转速下的最小流量。 （3）给水泵的小流量保护：当给水泵运行时，其入口流量低于某一值，经过延时跳给水泵。 图2  电泵特性曲线（包括前置泵在内） 在给水泵在切换时，操作员要通过加减汽泵或电泵的转速，逐渐实现给水流量的转移，过程中由于给水泵再循环调节阀的参与调节，不可避免地会造成给水流量的波动。尤其是退出给水泵的再循环调节阀如果超驰动作，在很短时间内突然全开，对给水流量的扰动非常大。另外，操作员的操作手法不当，过快过猛，也是造成给水流量大幅波动的重要原因。 四、几种给水泵切换方式，对给水流量扰动程度和机组安全性影响的分析 对于泰州电厂配备的2×50%容量的汽泵组+30%容量的电泵组的给水系统，在正常的启动及停机过程中主要有以下几种典型的给水泵切换方式： 1、启动过程中第一台汽泵并入系统（电泵可带一定出力，也可全部退出）。此时机组处于低负荷阶段（200-300MW），给水流量比较小，接近于锅炉最低流量（552t/h）,电泵再循环调节阀开启造成的给水流量的波动占总流量的比例较大，所以扰动也比较大,如在湿态情况下容易造成分离器贮水箱水位的波动，在干态下容易造成水煤比失调，主汽温度的波动和水冷壁壁温的超限。另外给水流量的波动还容易造成锅炉最低流量保护的动作，MFT发生。 2、启动过程中第二台汽泵并入系统。此时机组负荷在500-550MW左右，锅炉已处于干态方式，给水流量比较大（大概1300t/h左右）,第一台汽泵的再循环调节阀开启造成的给水流量的波动占总流量的比例较小，所以对主汽温度扰动也比较小，也不容易造成锅炉水冷壁壁温的超限和最低流量保护的动作。 3、停机过程中电泵并入系统，第一台汽泵退出系统。此方式为第2种方式的反向操作。对给水流量的扰动程度和机组安全性的影响同第2种方式。 4、停机过程第二台汽泵退出系统。此方式为第1种方式的反向操作。对给水流量的扰动程度和机组安全性的影响同第1种方式。 根据以上分析可知，最危险的工况发生在1和4两种方式。在启停机过程中的低负荷阶段，汽、电泵切换是最容易出问题的，容易造成分离器贮水箱水位的波动、主汽温度的波动和水冷壁壁温的超限，甚至还可能造成锅炉MFT。其直接原因就是给水泵切换过程中再循环调节阀的开启与关闭对给水流量的扰动比较大。 四、 问题的解决 1、给水泵小流量保护设置 根据KSB厂家提供的给水泵性能曲线中的Q-min曲线与不同转速曲线的交点，确定给水泵不同转速下的小流量保护定值。当给水泵流量低于对应转速下的最小流量，保护动作跳闸，这样可以保证给水泵运行时不致左边界越限。 对于防止给水泵右边界越限，由于在逻辑上很难实现，且容易造成误动，所以没有设置右边界越限保护。另外，正常情况下汽泵在200MW以后才并入系统，此时锅炉分离器出口压力已经在8.5MPa以上了，在3000rpm以上并入系统是不会发生右边界越限的（由图7的汽泵性能曲线可以看出）。至于电泵，运行中可由操作员根据电泵特性曲线进行控制，在锅炉上水和低负荷时谨防其右边界越限。 2、给水泵再循环调节阀通流量的确定 为了使给水泵循环调节阀的开启与关闭不致影响给水流量过大，必须使再循环调节阀在全开状态下，既能保证给水泵的最小流量，但又不能流量太大，因为再循环的通流量占给水泵总流量的比例就比较大，一旦再循环调节阀开启，尤其是超驰开启，会使给水流量下降非常多，扰动必然很大。 以电泵为例，在电泵单泵调试时，我们可以绘制出电泵的“再循环工况曲线”，也就是电泵在出口电动阀和旁路调节阀全关、再循环电动阀和调节阀全开的情况下，不同转速对应的工作点所连成的一根平滑曲线（如图2）。确定电泵的再循环调节阀的通流量，就是要使电泵的再循环工况曲线在Q-min曲线右侧，但不能离得太远。针对不同的给水泵，具体方法：一是在再循环调节阀选型时要考虑到这一点，一般可选择给水泵再循环通流量为总流量的25%左右；二是如果在给水泵单泵调试时发现通流量过大，再循环工况曲线离Q-min曲线太远，可以由热工通过改变再循环调节阀的最高限位的方法，改变通流量，确保再循环工况曲线在合适位置。 3、再循环调节阀控制逻辑的设置 如果控制逻辑设置不好，即使给水泵再循环调节阀的通流量是合适的，也不能发挥其正常的保护和调节功能。图3为泰州电厂给水泵再循环调节阀控制逻辑图，包括汽泵和电泵再循环调节阀的控制逻辑，其中有两个主要部分需要进行确定： （1） 给水泵再循环调节阀的气动执行机构控制函数的确定 正常情况下，给水泵再循环调节阀是由气动执行机构按照其控制逻辑来进行控制的（如图3），由电泵再循环控制逻辑可知，选大器所对应的函数为F1(x),选小器所对应的函数为F2(x),根据电泵的额定流量，设置其函数图像如图4，这样电泵再循环调节阀在投自动时的控制情况如下：当电泵在加出力过程中，流量增加到310t/h,再循环调节阀开始自动关小，当流量增加到500t/h，再循环调节阀全部关闭；当电泵在减出力过程中，流量减小到440 t/h，再循环调节阀开始自动开出，当流量减小到250t/h，再循环调节阀全部开启。在整个加出力或减出力过程中，再循环调节阀的调节目标是使工作点始终位于F1(x)曲线和F2(x)之间，当工作点位于F1(x)曲线和F2(x)之间时，再循环调节阀保持不动，只有当工作点触及F1(x)曲线和F2(x)时，再循环调节阀才开始调节，使工作点回到两根曲线之间。如图4所示，采用两根曲线对再循环调节阀进行控制，形成了60 t/h的流量“死区”,这样可以避免再循环调节阀因给水泵流量的扰动频繁调节。                                        图3  给水泵再循环调节阀控制逻辑图 图4 电泵再循环调节阀控制函数图像 同样，根据汽泵的额定流量，设置其再循环调节阀控制函数图像如下：（图5） 图5 汽泵再循环调节阀控制函数图像 由于只是函数F1(x)和F2(x)有所不同，所以汽泵再循环调节阀在投自动时的控制情况基本和电泵再循环调节阀相同，具体如下：当汽泵在加出力过程中，流量增加到520t/h,再循环调节阀开始自动关小，当流量增加到740t/h，再循环调节阀全部关闭；当汽泵在减出力过程中，流量减小到680 t/h，再循环调节阀开始自动开出，当流量减小到460t/h，再循环调节阀全部开启。在整个加出力或减出力过程中，再循环调节阀的调节目标是使工作点始终位于F1(x)和F2(x)两曲线之间，当工作点位于F1(x)和F2(x)曲线之间时，再循环调节阀保持不动，只有当工作点触及F1(x)和F2(x)曲线时，再循环调节阀才开始调节，使工作点回到两根曲线之间。F1(x)和F2(x)两根曲线也形成了60 t/h的流量“死区”。 （2）给水泵再循环调节阀超驰开启函数的确定 由于再循环调节阀的超驰开启是通过电磁执行机构来实现的，动作时间只有5S左右，其功能是为了防止给水泵因再循环调节阀的气动执行机构故障而发生左边界越限，通过快速开启再循环调节阀，提供最小流量，避免给水泵因小流量保护动作跳闸。 图6 电泵再循环调节阀超驰开启曲线 由上面的分析可知，给水泵再循环调节阀超驰开启，对给水流量的扰动是最大的，所以必须避免再循环调节阀不必要的超驰开启。在再循环调节阀的气动执行机构正常，其自动调节正常的情况下，是完全能够避免给水泵的工作点发生左边界越限的，这种情况下就没有必要让再循环调节阀超驰动作。为了使给水泵再循环调节阀的电磁执行机构能够合理地动作，其超驰开启的定值就不应是一个恒定的流量值，而应该是随给水泵转速变化而变化的流量曲线，根据实际情况，我们在电泵性能曲线图中将Q-min曲线向右平移50 t/h，作为为电泵再循环调节阀超驰开启曲线（如图6），该曲线与某一转速曲线的交点对应的流量，即为该转速下电泵再循环调节阀超驰动作的流量定值，这样就可以设定出函数F3(X)。                同样，我们可以得到汽泵再循环调节阀的超驰开启曲线（如图7），并设置出汽泵在循环调节阀的超驰动作逻辑。这样就使再循环调节阀的气动和电磁两个执行机构在动作时配合得更加合理，正常情况下由气动执行机构按照其逻辑发挥调节功能，对给水流量的扰动较小，适应了直流炉的实际运行要求，只有在气动执行机构故障，给水泵入口流量进一步减小的情况下，给水泵工作点移动至再循环调节阀超驰曲线左侧时，其电磁执行机构才会超驰动作，迅速开启在循环调节阀，保证给水泵最小流量，使给水泵工作点不致移动到Q-min曲线左侧，因小流量保护动作而跳闸。 图7 汽泵再循环调节阀超驰开启曲线 4、防止给水泵切换时给水流量波动过大的运行    （1）启机过程中，建议在锅炉转直流后，负荷在300MW左右进行第一台汽泵的并泵。原因如下： a) 如果在锅炉处于湿态的情况下进行汽泵的并泵，此时锅炉的用水量较小，只有700t/h左右，如将第一台汽泵并入系统，会使两台泵的分担出力均较小，汽泵的转速比较小，调节特性不好。 b) 在200MW—300MW期间，锅炉处于干湿态转换阶段，锅炉启动系统的监视操作的点比较多，如分离器贮水箱水位、炉水泵出口BR阀的控制、WDC阀的控制、电泵出口调节阀的控制等等，如果在这一阶段进行汽泵的并泵和汽电泵的切换，一方面监控点过多，不利于操作；另一方面操作不好容易造成锅炉干、湿两态反复转换，水冷壁很可能超温。 c) 锅炉转为直流之后，分离器已是干态，炉水泵退出系统，此时的监控点已减少，只需要监视给水流量、中间点温度和水冷壁壁温。此时进行第一台汽泵的并泵，操作将是非常轻松的，其实只需要保持给水流量的波动在较小范围就可以了。 （2）进行第一台汽泵并泵的操作时，负荷在300MW左右，给水流量接近锅炉最低流量保护定值（552t/h），所以并泵时要防止给水流量的大幅波动，其操作要领是： a) 要“慢”。加汽泵转速和减电泵勺管均要慢，每发一次指令都要停一下，监视给水流量的变化不要过大，另外也是等汽泵和电泵的再循环调节阀进入稳态。 b) 在电泵出力下降至440 t/h，其再循环调节阀开始自动开出，此时给水流量开始波动，应引起重视，但该调节阀并不是就此一直开到100%，只要操作量较小，它会停在中间位置，这样对给水流量的扰动就得已控制。 c) 汽泵流量上升至520t/h时，其再循环调节阀将开始自动关小，其控制逻辑和电泵再循环调节阀的逻辑相同，只是定值不同而已。 （3）从安全方面考虑，建议启机时第一台汽泵并泵后，电泵不要停运，而是旋转备用，直到负荷500MW，第二台汽泵并入系统后再将电泵停运做备用。停机时在550MW将电泵启动并入系统，退出并停运一台汽泵。 （4）对于第二台汽泵的并泵，其操作要领是一样的，只是更加容易些。 （5）停机过程中同样建议在300MW以上锅炉干态情况下退出第二台汽泵。切换过程中，在汽泵流量降低至680t/h时，其再循环调节阀开始自动开出，此时给水流量开始波动，应引起足够重视。 五、结论 通过以上逻辑上的优化，和操作措施的制定，国电泰州电厂#1机组的给水系统在整组启动和168试运以及后来的商业运行过程中，没有发生因给水泵切换操作造成给水流量的大幅波动的情况，给水流量的扰动基本可以控制在±80t/h以内，且切换操作简单易行、便于掌握，说明给水系统从硬件到软件均适应了1000MW超超临界直流锅炉的运行要求。 参考文献 【1】 德国KSB厂家提供的CHTD6/5型电泵和CHTD7/5型汽泵的特性曲线。 【2】 国电泰州发电有限公司《集控运行规程》。