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一、开展国华台电无电泵启动节能攻关背景
在当前宏观经济形式剧烈变化,国家“节能降耗”压力不断加大的情况下,节能降耗也从一项完成国家节能的指标,转变成了企业谋求生存发展的自主选择。在我们传统的机组启动模式中,电泵需要运行很长的时间,带来比较大的能耗。为适应公司节能降耗的要求,我们可以通过技术改造,实现无电泵启动。这样可以实现机组的节能启动,在机组启动的低效率阶段,节约大量的电量,为节能减排做出贡献。
台电的五台机组均为上海汽轮机有限公司(按照美国西屋技术)生产的亚临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机,汽轮机的型号为:N600-16.7/537/537(1、2号机组)和N600-16.7/538/538(3～5号机组)。其给水系统配备为两台容量50%的汽动给水泵和一台容量为30%的电动给水泵,正常运行时两台汽泵运行,电泵备用。小汽轮机的汽源正常来自主机的第四段抽汽,低负荷时自动外切换为再热冷段蒸汽。在机组启动阶段,启动电动给水泵运行,在带负荷接近30%(180MW)时,并入第一台小机运行。
进行给水系统无电泵启动优化改造,有诸多好处:一、在机组启、停阶段,无需启用电泵,可以大幅度降低厂用电;二、在主机启动前,以辅助蒸汽冲转汽泵,有效地避免每次机组启动过程中的大机等小机现象,可以缩短启动时间;三、台山发电厂五台机组的辅助蒸汽系统互为备用,具有很高的可靠性,而电泵由于其系统复杂,故障率相对较高,给水系统优化改造后,三台给水泵在任何情况下均相互备用,机组启、停的可靠性得到极大提高。
二、效益目标
机组冷态启动中,电泵从启动到退出运行,一般情况下,需要约3天左右时间,正常停机后的热态启动也需10小时左右。而机组滑停时电泵启动时间在10小时左右,正常停机也需5个小时左右。所以估算下来,采用无电泵启动,机组的一次滑停加冷态启动约节约52万千瓦时电量,一次正常启、停机也可节约10万千瓦时电量。台电有5台机组,如果一年按三次冷态启停机和8次热态启停机计算,全年节约电量约240万千瓦时。另,每台机组每年大约有30个小时的深度调峰时间,改造后汽泵能维持低负荷运行,全厂五台机每年大概会节约电量100万千瓦时。
三、具体改造方案
3.1、汽泵出口管路改造
综合考虑汽泵出口管路以及汽泵再循环管路的现场实际情况,可以选择汽泵A作为改造对象,对其相关管路与设备进行改造,以满足无电泵启动的需要。
汽泵A出口管路与设备改造后相关管路连接如图1所示,图中虚线框内为需要新增加的设备,按水流方向,增加的设备依次为逆止门、电动调节门与电动截止门。根据现场情况设置两个支架管路,以作为新增设备与管路的支承;在最新增管路的最低点设置两路放水点,并将放水管路接到放水母管。
3.2、1～2号机组需进行除氧器加热管道改造
台电1～2号机组设计除氧器加热时只有辅汽到除氧头这一条管路,而电泵再循环管在其再循环阀后分两路各经过一个电动隔离阀后进入除氧器,其中一路进除氧水箱,一路进除氧头,进入除氧头的部分满足除氧器启动加热的要求。在设计中,汽泵再循环管只有一路,直接进除氧水箱,因此,为满足当机组使用汽泵启动时除氧器加热的需要,有如下改造方案:
将1～2号机组除氧器加热管道改造为3～5号机组除氧器加热方式,加一条再沸腾管道。如图3所示:
图3 除氧器加热管路改造示意图(1、2号机组)
进行除氧器加热管道改造后,汽泵再循环的逻辑和使用均可保持不变,具体改造方案可完全参照3~5号机组除氧器再沸腾加热管进行。
3.3、小机汽源管路
台山发电厂机组辅助蒸汽额定压力为0.893MPa,辅汽供小机用汽管路为Φ159×5,分析后认为,该蒸汽可以保证一台汽泵供机组带100MW负荷的需要,且安全性满足要求,因此,小机汽源管路不需要做改动。
另外,考虑到用辅汽冲转汽泵带负荷时,用汽量比设计时大,可能会引起管路振动等问题,必要的地方支吊架要调整加固。
3.4“无电泵启动”改造后的逻辑修改
(1)视调试情况降低小机允许投遥控的转速,暂定为2200r/min。
(2)国内汽轮机组一般都设计有锅炉MFT或汽机跳闸时给水泵汽轮机跳闸的逻辑,这将导致在锅炉点火之前,给水泵汽轮机无法挂闸,所以在机组启动前,先强制该热工逻辑。机组运行正常后,恢复该热工逻辑,当锅炉MFT或汽机跳闸时给水泵汽轮机联跳,联启电泵。
(3)机组设计有汽动给水泵入口压力低保护跳汽泵的逻辑,当除氧器冷态、汽动给水泵运行调节时容易造成给水泵入口压力低保护动作,因此该保护应暂时取消或进行修改。
(4)机组的汽包水位在低负荷时使用单冲量调节,并且调节水位的设备只限于电动给水泵,在使用汽动给水泵启动机组时,为方便汽包水位的调节,应考虑修改这部分控制逻辑,使其在汽动给水泵上也能实现。
(5)汽泵出口阀、汽泵增压级出口阀、汽泵中间抽头出口阀、电泵出口阀与省煤器进口阀等阀门相应逻辑必要时出要做相应地修改;另外,汽包水位在低负荷时的控制逻辑、给水系统RB控制回路也需要进行检查,以便确定是否需要修改;
以上逻辑的变更,可以根据实际的调试情况来做改动,其主要的目的在于保证改造后的A小机可以安全运行,另一个目的就是降低A小机允许投遥控转速控制的转速,其主要目的就是保证小机的调节转速范围更大,利于机组启动阶段,上水量比较小的控制特点,增加小机调节的范围和灵活性。
3.5、改造后的给水系统的操作思路
在机组启动过程中,拟定的给水系统运行操作方案如下:
汽包上水期间,启动汽泵前置泵,利用给水流量旁路调节阀控制锅炉上水速度,将汽包上至点火水位。锅炉点火前,一台小机用辅助蒸汽冲转至2200～2900r/min,处于比较稳定的转速。汽泵转速由低压调门控制,锅炉上水用给水流量旁路调节阀来调节。
随着燃烧量的增加,锅炉起压,汽包上水方式为汽泵定速,利用给水流量旁路调节阀控制汽包水位,并根据该调节阀的开度情况,及时将给水流量旁路调节阀切至主电动阀。汽包水位改为由转速控制,在满足相应条件后投入“锅炉给水自动”,加强汽包水位监视。流量调节阀切换过程中,须注意控制主电动阀前、后压差不要太大,防止主给水流量突增造成汽包水位的大幅扰动。
机组负荷至100MW时,用本机四抽蒸汽冲转第二台汽泵,汽泵采用低压调门控制转速;慢慢增加该泵转速至其出口压力略低于第一台汽泵出口压力,打开出口电动门,继续慢升转速至其出水,当机组负荷至200MW时,完全由第二台汽泵来给水,第一台汽泵撤出,将其汽源由辅汽切至本机四抽,汽源切换完成后,再将原第一台汽泵并入给水系统,两台汽泵并列运行,辅汽与四抽供汽电动门均处于打开状态。锅炉水位自动投入,随着给水流量的增大,汽泵再循环阀慢慢关闭并投自动,此后的机组升负荷过程,两台汽泵和给水系统的控制方式与系统改造前完全相同。
另外,第一台汽泵撤出后,当本机四抽压力大于小机低压调门前压力时,开启四抽至小机进汽电动阀,当四抽压力开始大于辅汽压力时,可自动实现由本机四抽向小机的供汽,观察在汽源切换过程中,汽泵转速的变化。如果转速变化平稳,再次进行第一台小机汽源切换时可不将给泵撤出运行。
启动和低负荷阶段,常规操作量比较大,需要摸索的是汽泵初期定速为多少比较合适,何时由给水流量旁路调节阀切至主路进口电动门,何时打开四抽供汽至第一台汽泵的电动门,何时投入锅炉水位自动等问题。
四、无电泵启动风险分析
对无电泵启动的模式我们做了初步的探讨,然而毕竟无电泵启动是非设计工况,不同于以往的启动方式,尽管很多厂已经有成功的经验,但是对于台电来说,还是一个新的课题,除去机组启动初期用汽泵控制水位比较难以外,需要我们解决的问题还有很多,以下几个问题就是我们必须要提前考虑到的:
1、相对于使用电泵启动机组,使用汽泵进行机组启动时凝汽器抽真空的时间需要适当提前,如果需要,汽轮机盘车也需要提前投入运行,因此,无电泵启动时,机组启动工序需要重新安排,以免误时;
2、使用汽泵前置泵给锅炉上水时,水流会通过汽泵本体,为防止汽泵密封漏水到油系统中,在汽泵前置泵启动之前的系统充水放气前,给泵密封水就要先行投入,并将其回水切到地沟;
3、机组启动后,要加强对新增加设备巡检,注意膨胀情况与新焊口是否有渗漏的现象;
4、机组正常运行时,电动给水泵要作为热备用,防止机组突然跳闸时,锅炉断水,应保证电泵立即自动投入使用;
5、四段抽汽逆止门工作可靠,以防止蒸汽倒流与互窜,使用辅助蒸汽冲转给水泵汽轮机前,应确认辅助蒸汽到给水泵汽轮机蒸汽管路上的逆止门工作可靠。
6、使用汽动给水泵启动机组时,初始阶段都是用辅助蒸汽冲动汽轮机。辅助蒸汽的汽源一般来自辅汽母管,这部分蒸汽参数与要求参数往往相差较大,又不太容易控制,尤其是温度表现的最为明显。辅助蒸汽温度太低时,会造成冲转蒸汽的过热度裕度不足,以至于给水泵汽轮机末级蒸汽湿度过大,这会对高速旋转的给水泵汽轮机末级叶片造成很大伤害。另外,辅助蒸汽参数不易控制,也会造成给水泵汽轮机排汽温度不稳定,如果此处温度过高,除对末级叶片有危害外,还会对排汽缸及排汽管支座产生影响,严重时会造成设备的变形。因此,使用给水泵汽轮机启动机组前,要仔细核实上述相差参数的要求,严格控制冲转参数在规定的范围内,一旦参数超限,要果断停止冲转。
以上的分析只是基于改造调试前的分析,在实际调试过程中,可能还是会遇到一些意外的情况,需要我们精心准备,全力应对,总之,可行的实施方案,周全的事故预想,细心的现场操作,严密的工作组织,能够有效提高机组无电泵启停的安全性。■
在当前宏观经济形式剧烈变化,国家“节能降耗”压力不断加大的情况下,节能降耗也从一项完成国家节能的指标,转变成了企业谋求生存发展的自主选择。在我们传统的机组启动模式中,电泵需要运行很长的时间,带来比较大的能耗。为适应公司节能降耗的要求,我们可以通过技术改造,实现无电泵启动。这样可以实现机组的节能启动,在机组启动的低效率阶段,节约大量的电量,为节能减排做出贡献。
台电的五台机组均为上海汽轮机有限公司(按照美国西屋技术)生产的亚临界、一次中间再热、四缸四排汽、单轴、凝汽式汽轮机,汽轮机的型号为:N600-16.7/537/537(1、2号机组)和N600-16.7/538/538(3～5号机组)。其给水系统配备为两台容量50%的汽动给水泵和一台容量为30%的电动给水泵,正常运行时两台汽泵运行,电泵备用。小汽轮机的汽源正常来自主机的第四段抽汽,低负荷时自动外切换为再热冷段蒸汽。在机组启动阶段,启动电动给水泵运行,在带负荷接近30%(180MW)时,并入第一台小机运行。
进行给水系统无电泵启动优化改造,有诸多好处:一、在机组启、停阶段,无需启用电泵,可以大幅度降低厂用电;二、在主机启动前,以辅助蒸汽冲转汽泵,有效地避免每次机组启动过程中的大机等小机现象,可以缩短启动时间;三、台山发电厂五台机组的辅助蒸汽系统互为备用,具有很高的可靠性,而电泵由于其系统复杂,故障率相对较高,给水系统优化改造后,三台给水泵在任何情况下均相互备用,机组启、停的可靠性得到极大提高。
二、效益目标
机组冷态启动中,电泵从启动到退出运行,一般情况下,需要约3天左右时间,正常停机后的热态启动也需10小时左右。而机组滑停时电泵启动时间在10小时左右,正常停机也需5个小时左右。所以估算下来,采用无电泵启动,机组的一次滑停加冷态启动约节约52万千瓦时电量,一次正常启、停机也可节约10万千瓦时电量。台电有5台机组,如果一年按三次冷态启停机和8次热态启停机计算,全年节约电量约240万千瓦时。另,每台机组每年大约有30个小时的深度调峰时间,改造后汽泵能维持低负荷运行,全厂五台机每年大概会节约电量100万千瓦时。
三、具体改造方案
3.1、汽泵出口管路改造
综合考虑汽泵出口管路以及汽泵再循环管路的现场实际情况,可以选择汽泵A作为改造对象,对其相关管路与设备进行改造,以满足无电泵启动的需要。
汽泵A出口管路与设备改造后相关管路连接如图1所示,图中虚线框内为需要新增加的设备,按水流方向,增加的设备依次为逆止门、电动调节门与电动截止门。根据现场情况设置两个支架管路,以作为新增设备与管路的支承;在最新增管路的最低点设置两路放水点,并将放水管路接到放水母管。
3.2、1～2号机组需进行除氧器加热管道改造
台电1～2号机组设计除氧器加热时只有辅汽到除氧头这一条管路,而电泵再循环管在其再循环阀后分两路各经过一个电动隔离阀后进入除氧器,其中一路进除氧水箱,一路进除氧头,进入除氧头的部分满足除氧器启动加热的要求。在设计中,汽泵再循环管只有一路,直接进除氧水箱,因此,为满足当机组使用汽泵启动时除氧器加热的需要,有如下改造方案:
将1～2号机组除氧器加热管道改造为3～5号机组除氧器加热方式,加一条再沸腾管道。如图3所示:
图3 除氧器加热管路改造示意图(1、2号机组)
进行除氧器加热管道改造后,汽泵再循环的逻辑和使用均可保持不变,具体改造方案可完全参照3~5号机组除氧器再沸腾加热管进行。
3.3、小机汽源管路
台山发电厂机组辅助蒸汽额定压力为0.893MPa,辅汽供小机用汽管路为Φ159×5,分析后认为,该蒸汽可以保证一台汽泵供机组带100MW负荷的需要,且安全性满足要求,因此,小机汽源管路不需要做改动。
另外,考虑到用辅汽冲转汽泵带负荷时,用汽量比设计时大,可能会引起管路振动等问题,必要的地方支吊架要调整加固。
3.4“无电泵启动”改造后的逻辑修改
(1)视调试情况降低小机允许投遥控的转速,暂定为2200r/min。
(2)国内汽轮机组一般都设计有锅炉MFT或汽机跳闸时给水泵汽轮机跳闸的逻辑,这将导致在锅炉点火之前,给水泵汽轮机无法挂闸,所以在机组启动前,先强制该热工逻辑。机组运行正常后,恢复该热工逻辑,当锅炉MFT或汽机跳闸时给水泵汽轮机联跳,联启电泵。
(3)机组设计有汽动给水泵入口压力低保护跳汽泵的逻辑,当除氧器冷态、汽动给水泵运行调节时容易造成给水泵入口压力低保护动作,因此该保护应暂时取消或进行修改。
(4)机组的汽包水位在低负荷时使用单冲量调节,并且调节水位的设备只限于电动给水泵,在使用汽动给水泵启动机组时,为方便汽包水位的调节,应考虑修改这部分控制逻辑,使其在汽动给水泵上也能实现。
(5)汽泵出口阀、汽泵增压级出口阀、汽泵中间抽头出口阀、电泵出口阀与省煤器进口阀等阀门相应逻辑必要时出要做相应地修改;另外,汽包水位在低负荷时的控制逻辑、给水系统RB控制回路也需要进行检查,以便确定是否需要修改;
以上逻辑的变更,可以根据实际的调试情况来做改动,其主要的目的在于保证改造后的A小机可以安全运行,另一个目的就是降低A小机允许投遥控转速控制的转速,其主要目的就是保证小机的调节转速范围更大,利于机组启动阶段,上水量比较小的控制特点,增加小机调节的范围和灵活性。
3.5、改造后的给水系统的操作思路
在机组启动过程中,拟定的给水系统运行操作方案如下:
汽包上水期间,启动汽泵前置泵,利用给水流量旁路调节阀控制锅炉上水速度,将汽包上至点火水位。锅炉点火前,一台小机用辅助蒸汽冲转至2200～2900r/min,处于比较稳定的转速。汽泵转速由低压调门控制,锅炉上水用给水流量旁路调节阀来调节。
随着燃烧量的增加,锅炉起压,汽包上水方式为汽泵定速,利用给水流量旁路调节阀控制汽包水位,并根据该调节阀的开度情况,及时将给水流量旁路调节阀切至主电动阀。汽包水位改为由转速控制,在满足相应条件后投入“锅炉给水自动”,加强汽包水位监视。流量调节阀切换过程中,须注意控制主电动阀前、后压差不要太大,防止主给水流量突增造成汽包水位的大幅扰动。
机组负荷至100MW时,用本机四抽蒸汽冲转第二台汽泵,汽泵采用低压调门控制转速;慢慢增加该泵转速至其出口压力略低于第一台汽泵出口压力,打开出口电动门,继续慢升转速至其出水,当机组负荷至200MW时,完全由第二台汽泵来给水,第一台汽泵撤出,将其汽源由辅汽切至本机四抽,汽源切换完成后,再将原第一台汽泵并入给水系统,两台汽泵并列运行,辅汽与四抽供汽电动门均处于打开状态。锅炉水位自动投入,随着给水流量的增大,汽泵再循环阀慢慢关闭并投自动,此后的机组升负荷过程,两台汽泵和给水系统的控制方式与系统改造前完全相同。
另外,第一台汽泵撤出后,当本机四抽压力大于小机低压调门前压力时,开启四抽至小机进汽电动阀,当四抽压力开始大于辅汽压力时,可自动实现由本机四抽向小机的供汽,观察在汽源切换过程中,汽泵转速的变化。如果转速变化平稳,再次进行第一台小机汽源切换时可不将给泵撤出运行。
启动和低负荷阶段,常规操作量比较大,需要摸索的是汽泵初期定速为多少比较合适,何时由给水流量旁路调节阀切至主路进口电动门,何时打开四抽供汽至第一台汽泵的电动门,何时投入锅炉水位自动等问题。
四、无电泵启动风险分析
对无电泵启动的模式我们做了初步的探讨,然而毕竟无电泵启动是非设计工况,不同于以往的启动方式,尽管很多厂已经有成功的经验,但是对于台电来说,还是一个新的课题,除去机组启动初期用汽泵控制水位比较难以外,需要我们解决的问题还有很多,以下几个问题就是我们必须要提前考虑到的:
1、相对于使用电泵启动机组,使用汽泵进行机组启动时凝汽器抽真空的时间需要适当提前,如果需要,汽轮机盘车也需要提前投入运行,因此,无电泵启动时,机组启动工序需要重新安排,以免误时;
2、使用汽泵前置泵给锅炉上水时,水流会通过汽泵本体,为防止汽泵密封漏水到油系统中,在汽泵前置泵启动之前的系统充水放气前,给泵密封水就要先行投入,并将其回水切到地沟;
3、机组启动后,要加强对新增加设备巡检,注意膨胀情况与新焊口是否有渗漏的现象;
4、机组正常运行时,电动给水泵要作为热备用,防止机组突然跳闸时,锅炉断水,应保证电泵立即自动投入使用;
5、四段抽汽逆止门工作可靠,以防止蒸汽倒流与互窜,使用辅助蒸汽冲转给水泵汽轮机前,应确认辅助蒸汽到给水泵汽轮机蒸汽管路上的逆止门工作可靠。
6、使用汽动给水泵启动机组时,初始阶段都是用辅助蒸汽冲动汽轮机。辅助蒸汽的汽源一般来自辅汽母管,这部分蒸汽参数与要求参数往往相差较大,又不太容易控制,尤其是温度表现的最为明显。辅助蒸汽温度太低时,会造成冲转蒸汽的过热度裕度不足,以至于给水泵汽轮机末级蒸汽湿度过大,这会对高速旋转的给水泵汽轮机末级叶片造成很大伤害。另外,辅助蒸汽参数不易控制,也会造成给水泵汽轮机排汽温度不稳定,如果此处温度过高,除对末级叶片有危害外,还会对排汽缸及排汽管支座产生影响,严重时会造成设备的变形。因此,使用给水泵汽轮机启动机组前,要仔细核实上述相差参数的要求,严格控制冲转参数在规定的范围内,一旦参数超限,要果断停止冲转。
以上的分析只是基于改造调试前的分析,在实际调试过程中,可能还是会遇到一些意外的情况,需要我们精心准备,全力应对,总之,可行的实施方案,周全的事故预想,细心的现场操作,严密的工作组织,能够有效提高机组无电泵启停的安全性。■