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某1000 MW二次再热机组给水流量波动原因及处理
摘要：针对某100%全容量单汽动给水泵配置的1000 MW二次再热机组，在部分负荷工况下给水流量波动的问题，从影响给水泵运行的内部和外部因素两个方面进行了分析，指出部分负荷工况下给水泵特性曲线平缓是内因，主汽压力受自动控制品质、一次调频影响而波动是外因。同时提供了运行临时解决措施和彻底解决问题的方案，以提高机组低负荷运行时的经济性和安全性。
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随着制造能力的提高，运行业绩的增多，1×100%全容量汽动给水泵因其具有较高的综合效益和可靠性，被越来越多的大容量、高参数机组所采用[1,2,3,4]。制造厂在设计上，过多地追求满负荷工况给水泵的高效率运行，而忽视了部分负荷工况的运行性能，使得机组投运后在部分负荷工况下，出现了给水流量波动大的问题，严重地影响机组安全、经济运行[5,6,7]。
1、设备概况及给水流量波动情况
1.1 设备概况
某公司1000 MW二次再热机组配置一台100% BMCR容量、变速、卧式汽动给水泵组，最大功率为41 MW。前置泵与给水泵同轴布置，小汽轮机双出轴，给水泵由小汽轮机直接驱动，前置泵由小汽轮机通过减速箱驱动。给水泵具体技术规范表1。
1.2 给水流量波动情况
机组部分负荷工况，给水流量波动问题具体表现为：在50%THA～75%THA负荷工况(给水流量1200～1800 t/h)运行时，给水流量产生波动。其中在50%工况时，波动幅度大约400 t/h; 在75%THA工况时，波动幅度大约600 t/h; 在高于75%THA工况运行时，给水泵运行稳定无流量波动问题，详细情况见图1、图2。
表1 汽动给水泵设备规范
图1 机组部分负荷工况的给水流量
图2 机组额定负荷工况的给水流量
1.3 同类型机组情况
针对这一问题，调研了国内部分单汽动给水泵的百万机组企业，在部分负荷工况运行时，给水流量均存在波动，属于共性问题，详细情况见表2。
表2 百万机组单汽动给水泵流量波动情况
2、给水流量波动原因分析
2.1 给水泵性能和工作点
我们知道给水泵的运行性能不仅取决于给水泵本身的性能，还取决于与之共同工作的管路性能。把给水泵的性能曲线和管路的性能曲线按相同的比例绘在同一张图上，则两条性能曲线的交点成为工作点[8]。
以给水泵进口和出口截面为研究对象，给水泵的扬程如公式(1):
式中：E1、E2分别为进口和出口截面处单位质量液体所具有的能量；P1、P2分别为给水泵进口和出口截面处的压强；γ1、γ2分别为给水泵进口和出口截面处给水的重度；z1、z2分别为给水泵进口和出口截面到基准面(地面)的垂直距离；C1、C2分别为给水泵进口管和出口管中水流速。
在给水泵出口和汽轮机主汽阀截面列出伯诺里方程，则有：
式中：P0为主汽阀前截面处蒸汽的压强；γ0为主汽阀前截面处蒸汽的重度；z0为主汽阀前截面到基准面(地面)的垂直距离，考虑是蒸汽近似为“0”;C0为主汽阀前截面处蒸汽的流速；hw为系统中的流体的水力损失。
管路系统中流体水力损失与管路中速度的平方成正比，即与流量的平方成正比，可表示为
hw=kQ2 (3)
式中：Q为流体在管道中流量。
根据公式(1)～(3),给水泵扬程可写成
对于公式(4),z0-z1是给水泵输送的静扬程，取决于主汽阀截面和给水泵入口截面的位置，其值为一常数；而在一定的负荷下，给水泵入口压力变化很小，因此，影响给水泵扬程主要因素是主汽压力和给水流量(即系统中给水水力损失)。
2.2 给水流量波动的原因分析
图3为给水泵性能曲线和管路水力性能曲线，其中曲线1～5为给水泵在50%THA、75%THA、100%THA、TRL、VWO负荷工况对应转速下的流量—扬程性能曲线，另外一条曲线为管道水力损失曲线，二者交点对应负荷工况的给水泵运行工作点。
图3 给水泵性能曲线及管路水力性能曲线
从理论上讲，在机组主汽压力、负荷一定的情况下，给水泵运行的工作点是稳定的，给水流量不存在波动问题。然而，机组在实际运行中，给水泵受内部和外部因素的影响，在部分负荷工况下给水流量发生大幅波动(见图1)。内因方面，如图3所示给水泵在75%THA～50%THA负荷工况，给水泵“流量—扬程”特性曲线比较平缓，扬程的微小变化，即带来给水流量的大幅度波动；外因方面，受机组一次调频、主汽压力自动调整等方面的影响，机组主汽压力是在一定的范围内波动的，这将导致给水泵扬程发生变化，故给水流量大幅波动。
以70%THA负荷工况为例，给水泵设计运行工况点为流量1738 t/h、扬程2671 m, 在此工况下，给水泵流量和扬程对应情况见表3。从表中可以看出，给水流量变化240 t/h(1618～1858 t/h),扬程变化39 m(相当于压力变化约为0.273 MPa)。即当主汽压力波动0.3 MPa时，给水流量波动约240t/h(压力波动瞬间，忽略流量变化导致水力损失影响)。
表3 70%THA工况给水泵流量、扬程对应表
3、给水流量波动的解决措施
对于给水流量波动问题，解决的方案有两个方向：一是改变给水泵性能；二是改变系统管道水力特性，使给水泵性能曲线和管道水力特性曲线变“陡”,加大给水流量变化对运行工况点的影响。
3.1 改变给水泵运行工况点
(1) 改变管道阻力
机组给水系统没有流量调整门，在特定负荷工况下，只能通过改变超高压缸主汽调节门开度，增加或减小管道的阻力。
图4是某一特定负荷给水泵性能曲线的示意图。对于工况点1,减少超高压缸主汽调节门开度，可增加管道阻力，在给水流量一定的情况下，给水泵扬程增加而使得给水泵转速升高，工况点处于新的特性曲线的1’点，避开了特性曲线的平缓区，可避免或减缓给水流量的波动。带来的问题是，机组的节流损失增加，降低机组运行经济性。
对于工况点2,增大超高压缸主汽调节门开度，可减少管道阻力，在给水流量一定的情况下，给水泵扬程下降而使得给水泵转速下降，工况点处于新的特性曲线的2”点，避开了特性曲线的平缓区，可避免或减缓给水流量波动。采取减小管道阻力的方式存在两个问题：一是如机组运行时主汽调节门已全开，完全采用滑压方式变负荷，则没有减少管道阻力的手段；二是开大主汽调节门，机组负荷响应能力变差，机组一次调频和AGC调整不满足电网的要求。
给水运行工况点在1和2之间，无论是增加或是减小管道阻力，工况点可能仍然落到给水泵特性曲线的平缓区，给水流量仍然存在波动问题，但增加管道阻力可以使管道阻力特性曲线变陡，给水流量波动情况相对要好一些。
图4 给水泵流量与扬程特性曲线示意图
(2) 增加给水泵运行流量
调整给水泵再循环调整门开度，增加给水泵运行流量，可避免给水流量的波动。以工况点2为例，开启给水泵再循环调整门后，对给水管道而言，由于机组负荷、主汽压力一定，给水流量没有发生变化，管道阻力基本没有发生变化，即给水泵扬程基本没变；对给水泵而言，再循环开启后，虽然扬程基本没有变化，但给水流量增加，给水泵转速升高，特性曲线随着转速上移，给水泵运行工况点至2’点，避开了给水泵特性曲线的平缓区，给水流量稳定。
在机组部分负荷工况，给水泵再循环调整门保持一定的开度运行，加剧了再循环调整门芯的冲刷磨损，严重时发生泄漏影响机组安全稳定运行；同时也造成给水泵耗汽量大，降低机组的运行经济性。
(3) 优化自动控制，减少主汽压力波动
前面提及，机组运行中主汽压力如保持稳定，给水泵运行工作点处性能曲线即使平缓，其给水流量也不会发生波动。因此，优化机组自动控制逻辑，提高主汽压力抗干扰的能力，对减少给水流量的波动是有益的。考虑到机组要进行一次调频，运行中减少主汽压力的波动是有限的。
(4) 小结
综上所述，虽然采取调整机组主汽调节门开度方式、调整给水泵再循环调整门开度方式和优化自动控制，可以解决当前给水流量波动问题，但是无法解决其衍生的经济性差、负荷响应差、存在安全风险方面的问题。因此，真正行之有效的解决这一问题，只能对给水泵进行改造，消除其特性曲线的平缓区域。
3.2 改变给水泵运行特性
为了获得稳定给水流量，给水泵改造遵循两个原则：一是保持原有给水泵筒体不变，仅对给水泵芯包进行改造；二是把给水泵汽轮机允许的最大连续运行的转速作为机组最大工况的设计转速，使给水泵性能曲线更陡。
按照上述原则，制造厂拟采用Nq29系列水力组别，相比原Nq33系列，其关闭点扬程提高约300 m。仍然以70%THA负荷工况为例，改造后给水泵给水流量变化240 t/h, 扬程变化由39 m提高至100 m, 给水泵性能曲线明显变陡，给水流量波动问题得到解决。改造后给水泵在70%THA工况的流量和扬程的关系见表4。
表4 70%THA工况给水泵改造后流量、扬程对应表
4、结束语
(1) 调研多台单汽泵配置的1000 MW机组，其给水泵在部分负荷均存在给水流量波动的问题，属于共性问题。
(2) 给水流量波动的主要原因是制造商在设计理念上，主要保证了满负荷高效区工况的性能，忽视了部分负荷工况的运行性能，使得部分负荷工况给水泵性能曲线平缓，给水泵在此运行，流量波动大。
(3) 运行中采取调整给水泵再循环调整门开度、增加系统水力损失等方式，虽然可避免或减缓给水流量波动问题，但是影响机组安全、经济运行。
(4) 在新型电力系统中，机组调峰任务日益加重，制造厂应重视部分负荷工况给水流量波动的这一问题，研发出适应机组宽负荷运行的给水泵水力组别，以提高机组运行经济性和安全性。
参考文献:
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文章来源:付振春.某1000 MW二次再热机组给水流量波动原因及处理[J].电站系统工程,2024,40(01):40-42+47.
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2024-03-13我要评论
期刊名称：电力与能源
期刊人气：830
主管单位：上海科学院
主办单位：上海市能源研究所上海市电力公司上海市工程热物理学会
出版地方：上海
专业分类：电力
国际刊号：2095-1256
国内刊号：31-2051/TK
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2024-01-04
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