汽泵再循環(huán)系統(tǒng)的靈活性改造研究及經(jīng)濟(jì)性分析

黃新長(zhǎng)，譚 銳

(國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210023)

為了在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，需要進(jìn)行一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)性變革，其中“十四五”、“十五五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期和窗口期，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。2021年10月國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)文要求“十四五”期間靈活性改造完成2億kW，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力(3000～4000)萬(wàn)kW，促進(jìn)清潔能源消納。

為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，提高機(jī)組的上網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力，某電廠擬開展汽泵再循環(huán)系統(tǒng)靈活性改造項(xiàng)目，解決深度調(diào)峰汽泵再循環(huán)內(nèi)漏的問題，調(diào)研了多種改造技術(shù)，也為同類型機(jī)組改造提供參考[1]。

1 汽輪機(jī)設(shè)備概況

某電廠汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N630-16.7/538/538亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、四缸、四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)；給水泵采用2臺(tái)50%BMCR容量的汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)30%BMCR容量電動(dòng)啟備泵。汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表 1。小汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表 2。

表1 汽輪機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 小汽輪機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2 汽泵再循環(huán)系統(tǒng)的改造技術(shù)研究

2.1 汽泵再循環(huán)閥內(nèi)漏原因

汽泵再循環(huán)系統(tǒng)主要包括小流量再循環(huán)閥和前后截止閥，安裝在給水泵組出口處，和除氧器相連；鍋爐給水泵將水從除氧器送往鍋爐，為防止給水泵低流量下葉輪產(chǎn)生摩擦熱不能被給水及時(shí)帶走，并因此產(chǎn)生汽蝕，給水泵的流量在任何情況下都必須大于最小流量。當(dāng)鍋爐給水需要的流量小于給水及小汽輪機(jī)安全運(yùn)行的最小流量時(shí)，需要及時(shí)打開汽泵再循環(huán)最小流量閥，使一部分給水回流到除氧器，以保證給水泵組的安全運(yùn)行。目前常規(guī)設(shè)計(jì)采用的給水泵組再循環(huán)流量調(diào)節(jié)閥都是選用的30%BMCR工況設(shè)置最小流量閥，此閥門在運(yùn)行中存在閥前后壓差為全廠最大，在小開度情況下極易產(chǎn)生空化汽蝕。

由于該閥關(guān)閉狀態(tài)前后壓差大,且在低負(fù)荷區(qū)域頻繁動(dòng)作，由于密封面存在細(xì)小顆粒，導(dǎo)致密封效果不佳時(shí)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)閉力和汽蝕造成閥芯和閥座密封面嚴(yán)重?fù)p壞，閥籠等部件損傷嚴(yán)重，由此產(chǎn)生嚴(yán)重內(nèi)漏[2]。

2.2 改造要求

由于再循環(huán)流量調(diào)節(jié)閥門經(jīng)常處于0～40%范圍內(nèi)運(yùn)行，閥內(nèi)組件更容易造成損壞，使用周期非常短暫，大多采用進(jìn)口產(chǎn)品，檢修維護(hù)成本和泄漏的流量損失非?？捎^。改造需要解決深度調(diào)峰下汽泵再循環(huán)閥經(jīng)常小開度開啟產(chǎn)生的磨損。

2.3 改造技術(shù)

2.3.1 改裝氣動(dòng)隔離閥

a.技術(shù)原理

給水流量<520 t/h，再循環(huán)調(diào)閥初步開啟的閥位設(shè)置在20%，減少小開度時(shí)閥芯吹損；將再循環(huán)調(diào)閥后手動(dòng)閥改成快速氣動(dòng)隔離閥，在給水流量≥520 t/h，關(guān)閉氣動(dòng)隔離閥，使再循環(huán)調(diào)閥前后壓力為零，以避免再循環(huán)調(diào)閥前后壓差過大而加速閥芯的吹損。

具體改造范圍：再循環(huán)調(diào)閥后手動(dòng)閥更換成快速氣動(dòng)隔離閥，并進(jìn)行相關(guān)邏輯修改及運(yùn)行要求。在汽動(dòng)給水泵異常跳泵時(shí)汽泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)隔離閥同時(shí)動(dòng)作開啟，啟停機(jī)和運(yùn)行時(shí)2個(gè)閥需要關(guān)閉時(shí)先關(guān)調(diào)節(jié)閥再關(guān)氣動(dòng)閥、2個(gè)閥需要開啟時(shí)先開氣動(dòng)閥再開調(diào)節(jié)閥。

b.技術(shù)特點(diǎn)

給水流量降低時(shí)初始再循環(huán)開度較大，有利于減小對(duì)小開度時(shí)閥芯吹損；但同時(shí)也增加了給水泵的功率和汽耗，降低了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

再循環(huán)調(diào)閥后手動(dòng)閥改成快速氣動(dòng)隔離閥，可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷時(shí)隔離閥常關(guān)狀態(tài)，極大減小了調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行時(shí)前后壓差，有利于減輕小開度下調(diào)節(jié)閥閥芯的空化汽蝕和吹損；但事故跳泵時(shí)需要自動(dòng)開啟氣動(dòng)隔離閥，對(duì)氣動(dòng)隔離閥的可靠性要求變高，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 優(yōu)化控制邏輯

a.技術(shù)原理

原有邏輯減負(fù)荷過程中，給水流量<520 t/h，即開始開啟再循環(huán)閥，給水流量<420 t/h，再循環(huán)閥開度達(dá)26%，給水通過再循環(huán)閥回流帶來的損失非常大；加負(fù)荷過程中，給水流量≥520 t/h， 再循環(huán)閥才開始關(guān)閉，此前一直處于微開狀態(tài)，閥門吹損嚴(yán)重。

汽泵在額定轉(zhuǎn)速下入口、出口最小流量為 281 t/h，在其他轉(zhuǎn)速下的最小流量則根據(jù)如下公式計(jì)算: 實(shí)際最小流量=額定最小流量×實(shí)際轉(zhuǎn)速 ÷額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)此計(jì)算公式，計(jì)算出在不同轉(zhuǎn)速下的汽泵最小流量值[3]，見表3。

表3 汽泵不同轉(zhuǎn)速下最小流量設(shè)計(jì)值

根據(jù)廠家意見，運(yùn)行時(shí)最小流量要留有20%的裕量，修改汽泵最小流量保護(hù)值為轉(zhuǎn)速的函數(shù)值，表3數(shù)據(jù)乘以系數(shù)1.2；在轉(zhuǎn)速<3 000 r/min 時(shí)，保護(hù)定值取固定值183 t/h; 在轉(zhuǎn)速>5500 r/min時(shí)，保護(hù)定值取固定值338 t/h。

再循環(huán)閥控制邏輯修改后，減負(fù)荷時(shí)閥門開啟值由520 t/h降至338 t/h，可以保證汽泵在各轉(zhuǎn)速下的汽蝕裕量安全。汽輪機(jī)40%THA工況下(額定給水流量728 t/h)再循環(huán)門無需開啟。

b.技術(shù)特點(diǎn)

如果深度調(diào)峰到40%THA負(fù)荷，只有在汽泵啟動(dòng)、停運(yùn)過程中再循環(huán)閥才需要放置在手動(dòng)方式并打開，其他正常運(yùn)行時(shí)，再循環(huán)閥都無需開啟，再循環(huán)閥以微開狀態(tài)造成汽蝕為零，機(jī)組運(yùn)行中汽泵再循環(huán)閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，閥門內(nèi)漏的現(xiàn)象能夠得到改善。

如果電網(wǎng)要求深調(diào)到30%THA甚至更低負(fù)荷，則在低負(fù)荷下再循環(huán)門還需開啟，存在閥門吹損的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 加裝汽泵再循環(huán)小旁路

a.技術(shù)原理

對(duì)原來再循環(huán)主閥芯進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，采用對(duì)沖節(jié)流降壓結(jié)構(gòu)。加裝與機(jī)組深度調(diào)峰相適應(yīng)的汽泵再循環(huán)小旁路，旁路閥門的流量取最小流量再循環(huán)閥門流量的30%～40%。小旁路位于原來再循環(huán)旁路2個(gè)截止閥之間，對(duì)邏輯進(jìn)行優(yōu)化修改，正常運(yùn)行時(shí)采用汽泵再循環(huán)小旁路調(diào)節(jié)給水，調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)，小旁路調(diào)節(jié)開度都在40%以上，有效避免了再循環(huán)閥在小開度情況下產(chǎn)生的空化汽蝕。再循環(huán)主閥只參與保護(hù)動(dòng)作，平時(shí)運(yùn)行時(shí)不開啟，也就不會(huì)有磨損。

b.改造計(jì)算

給水泵再循環(huán)閥泄漏，將造成給水泵組汽耗量增加，進(jìn)而影響供電煤耗[4]。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，改造前機(jī)組2臺(tái)給水泵最小流量合計(jì)泄漏按照40 t/h計(jì)算，根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算方法和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算改造后煤耗降低0.2 g/kWh，年節(jié)約標(biāo)煤600 t，年節(jié)煤收益48萬(wàn)元。運(yùn)維成本降低：每年節(jié)約閥門修理費(fèi)用21萬(wàn)元(含密封件更換)。改造收益年約69萬(wàn)元。項(xiàng)目投資192萬(wàn)元，3年可收回成本。

c.技術(shù)特點(diǎn)

汽泵再循環(huán)小旁路因?yàn)楣艿澜孛婷娣e較主路小，可以實(shí)現(xiàn)正常全負(fù)荷深度調(diào)峰時(shí)在大開度反復(fù)調(diào)節(jié)，減少小開度時(shí)閥芯吹損；同時(shí)主路截止門隔離后也方便小旁路檢修。再循環(huán)主閥僅參與啟停機(jī)和事故跳泵的保護(hù)邏輯，能有效減小再循環(huán)閥的泄漏。

3 結(jié)語(yǔ)

改裝氣動(dòng)隔離閥在低負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)閥開度仍然較大，給水泵耗功較大，不建議采用此技術(shù)。優(yōu)化控制邏輯可以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰到40%THA負(fù)荷運(yùn)行過程汽泵再循環(huán)閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，減小內(nèi)漏，但無法滿足進(jìn)一步的深度調(diào)峰需求。汽泵再循環(huán)小旁路可以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰到30%THA甚至更低時(shí)對(duì)給水流量的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，且能最大限度減小給水再循環(huán)閥泄漏和損壞問題，達(dá)到了節(jié)能改造和靈活性改造的雙重效果。綜合分析，選擇汽泵再循環(huán)小旁路改造技術(shù)作為改造方案經(jīng)濟(jì)合理可行。