超超临界1000MW机组凝结水泵深度变频分析

吾明良，郑卫东，陈敏

(华能玉环电厂，浙江省台州市 317604)

0 引言

华能玉环电厂目前装机容量为4×1 000 MW，采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司(三菱重工业株式会社提供技术支持)设计制造的超超临界变压运行直流锅炉，型号为HG－2953/27.56－YM 1;采用上海汽轮机厂(德国西门子公司提供技术支持)设计制造的一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，型号为N1000－26.25/600/600。每台机组配备2台100%容量的凝结水泵，1台运行1台备用。

4台机组投产以来，先后多次对A凝结水泵进行变频改造(B凝结水泵保持工频)［1-2］。此后由于受汽动给水泵密封水供水压力、汽轮机旁路系统减温水压力等因素的影响，凝结水压力有所下降，但凝结水上水主阀并未完全开足，节能潜力仍有待进一步挖掘。本文提出了增加汽动给水泵密封水升压系统、解除减温水压力约束汽轮机低压旁路开启的方案，为凝结水泵深度变频创造了条件。通过不同机组负荷条件下的试验，确定了凝结水泵深度变频的最终方案。

1 机组设备相关参数

汽轮机主要技术参数［1］见表1。

表1 汽轮机主要参数Tab.1Main parameters of turbine

2台凝结水泵均为苏尔寿公司产品，型号为BDC500－510 D3S，立式、筒袋式结构，配备电机功率为2 700 kW。主要技术参数［2］见表2。

表2 凝结水泵技术参数Tab.2Technical parameters of condensate pump

2 凝结水泵深度变频的制约因素

制约凝结水泵深度变频的因素主要有2个:汽动给水泵密封水压力低和汽轮机低压旁路减温水压力约束。

凝结水泵变频改造后，第1阶段凝结水系统压力降至2.6 MPa。但是由于原系统设计汽动给水泵密封水取自凝结水杂用水，而汽动给水泵要求密封水泵入口压力为0.8～1.5 MPa［3］，且必须确保密封水回水温度为50～55℃，因此凝结水母管压力无法进一步降低。汽轮机低压旁路减温水也取自凝结水杂用水，原逻辑设计减温水压力低于1.6 MPa时，低压旁路阀将无法自动开启。

3 汽动给水泵密封水压力低解决方案

3.1 初步方案确定

汽动给水泵主泵轴端密封方式为迷宫式密封，前置泵采用机械密封，主泵及前置泵的密封冷却水均采用凝结水。凝结水泵深度变频后低负荷时凝结水压力将无法满足给水泵密封冷却的需要，因此需要对此凝结水进行升压。

3.2 密封水升压系统配置

密封水升压系统配置通常有2种方式。

方式一。在原密封水管路上增加管道泵直接升压密封水。这种方式的优点是可以降低升压泵所需的扬程，可选用单级泵，避免级数过多带来的泵结构方面的缺陷。缺点是该系统压力受凝结水系统运行压力的影响而造成波动较大。

方式二。对常压水进行升压，系统入口设置水箱。这种方式的优点是系统相对独立，缺点是系统入口需要配备较大水箱，占地较大。

综合各方面优缺点，针对玉环电厂实际情况，决定选方式一，升压泵为“一用一备”。

3.3 密封水升压系统参数确定

(1)流量。现场用手持式流量计实测4台机组汽动给水泵密封水流量，结合理论计算［4-5］，确定目前单台机组2台汽动给水泵共需密封水流量约14 t/h。考虑到迷宫式密封可能存在的长期运行磨损，间隙变大而造成密封水流量增加的实际情况，选用单台密封水升压泵流量为20 t/h。

(2)压力。根据给水泵厂家说明书要求，考虑到机组低负荷时凝结水泵出口压力接近0.9 MPa，结合目前给水泵正常运行时密封水泵入口的实际压力，并考虑一定裕量，选择泵的压力为1.1 MPa。

(3)压强。考虑到凝结水泵工频运行时升压泵入口压力极端工况下接近3.8 MPa，选用泵设计压强为5.0 MPa，泵入口管路设计压强为4.0 MPa，泵出口管路设计压强为5.0 MPa。

3.4 密封水升压系统布置

每台机组配备2台密封水升压泵(“一用一备”)，设置在汽机房0 m，并列布置，设旁路，2台泵入口设母管。水源取自机组凝结水杂用母管，出口母管接至汽动给水泵密封水滤网组入口，如图1所示。

图1 汽动给水泵密封水升压泵系统Fig.1Booster pump of seal water for steam feed pump

结合泵制造厂选型手册，最终选用密封水升压泵流量为22 t/h，压力为1.1 MPa。系统中每台升压泵配置再循环管路，旁路系统配备止回阀，当2台升压泵都停运时，凝结水杂用水可以通过2台泵进出口管路、旁路系统同时向汽动给水泵供密封水，系统安全可靠。

4 凝结水降压后汽轮机低压旁路开启解决方案

供汽轮机低压旁路减温水的凝结水压力低于1.6 MPa时，低压旁路将发关闭信号，低压旁路无法自动开启，事故状态时必须手动开启，给运行操作带来安全隐患。解决方案是取消减温水压力对低压旁路自动开启的约束，当低压旁路开启时凝结水泵能超驰到工频泵运行。

5 凝结水泵深度变频后凝结水系统运行方式试验

5.1 初步设想

(1)原先的除氧器上水辅助调节阀不再投用。

(2)机组正常运行阶段(负荷＞400 MW)，除氧器上水主阀维持在一个固定开度，由凝结水泵变频器控制除氧器水位。调节阀的固定开度随着负荷(凝结水流量)变化而变化，目的是确保凝结水泵变频器的输出频率处于可调且经济的范围。

(3)在机组的启动阶段或当其他汽轮机低压旁路需要开启时，凝结水泵超驰至工频泵运行，除氧器上水主阀速关至当前负荷对应下的阀位开度后，释放控制除氧器水位。

(4)汽动给水泵正常运行，密封水升压泵跳闸后，凝结水泵变频控制凝结水母管压力，母管压力定值为2.5MPa，除氧器上水主阀处于节流状态，除氧器上水主阀速关至当前负荷对应下的阀位开度后，释放控制除氧器水位。

5.2 试验目的

(1)确定不同负荷下凝结水泵最低频率输出时，除氧器上水主阀的开度。

(2)确定不同负荷下凝结水泵最高频率输出时，除氧器上水主阀的开度。

(3)确定不同负荷下凝结水泵以最高频率(等同于工频)输出时，稳定工况下除氧器上水主阀的开度。

(4)凝结水泵变频控制除氧器水位的调节器参数整定。

(5)凝结水泵变频控制凝结水母管压力的调节器参数整定。

(6)除氧器上水主阀在凝结水管路压力为2.5 MPa和变频器工频输出模式下，水位控制调节器参数整定。

(7)检验凝结水泵变频压力控制和除氧器水位控制模式之间的切换。

(8)检验除氧器上水主阀处于“自动”情况下凝结水泵变频与工频之间的切换。

(9)检验在凝结水系统异常(汽轮机低压旁路快开、变频变工频等)工况下，凝结水泵变频自动控制与除氧器上水主阀自动控制水位。

5.3 试验过程

5.3.1 除氧器上水主阀开度试验(变频器工频输出)

机组自动发电量控制(automatic generation control，AGC)撤出，保持负荷稳定;观察除氧器上水主阀最终的稳定开度，并记录。该试验从500 MW一直延续到1 000 MW，每100 MW为1个断点。

5.3.2 除氧器上水主阀开度试验(变频模式下密封水升压泵运行)

(1)机组AGC撤出，保持负荷稳定。(2)除氧器上水主阀全开切手动。

(3)手动操作凝结水泵变频输出至较低。

(4)观察除氧器水位情况，如果除氧器水位无法稳定或凝结水泵出口母管压力过低，由运行人员手动适当关小除氧器水位主调节阀;凝结水泵振动大或变频不稳定，由运行人员手动适当增加变频输出或切至工频泵运行。

该试验从1 000 MW一直延续到500 MW，每100 MW为1个断点，负荷最低降至470 MW。

5.3.3 变频控制凝结水母管压力的调节器参数整定

(1)机组AGC撤出，保持负荷稳定。

(2)手动改变凝结水母管压力设定值，观察除氧器水位变化情况，待除氧器水位、凝结水母管压力稳定后，再将凝结水母管压力恢复至原设定值(设定值每次变化±0.1 MPa)。

(3)根据除氧器实际水位波动情况，重新整定除氧器上水主阀调节器参数。

(4)观察除氧器水位、凝结水母管压力波动情况，严密监视凝结水管道、凝结水泵振动情况，如果出现异常立即停止试验，由运行人员手动处理。

5.3.4 除氧器上水主阀开度试验(变频模式下密封水管泵全部停运)

试验前，凝结水泵变频投自动控制除氧器水位，除氧器上水主阀处于自动，汽泵密封水升压泵单台运行。

(1)机组AGC撤出，保持负荷稳定。(2)除氧器上水主阀全开切手动。

(3)由运行人员手动停运所有密封水升压泵。

(4)观察除氧器水位情况，如果除氧器水位无法稳定或凝结水泵出口母管压力过低，手动适当关小除氧器水位主调节阀。

(5)凝结水泵振动大或变频不稳定，手动适当增加变频输出或切至工频泵运行。

该试验从7 00 MW一直延续到500 MW，每50 MW为1个断点，负荷最低降至477.8 MW。

5.3.5 凝结水泵变频泵与工频泵切换试验

本试验分2步进行，一为变频泵转速手动升至工频泵转速，启动工频泵，停运变频泵，除氧器上水主阀控制水位;二为重新启动变频泵，停运工频泵，变频泵投自动调节控制水位。

(1)手动将变频转速提高，最终升至工频转速。

(2)手动启动工频泵B，稳定2 min后，停运变频泵A。

(3)由运行人员将变频泵A投备用。

(4)工频泵稳定运行10 min后观察除氧器水位情况，如果除氧器水位无法稳定或凝结水泵出口母管压力过低，由运行人员手动适当关小除氧器水位主阀。

(5)凝结水泵振动大或变频不稳定，由运行人员手动适当增加变频输出或切至工频泵运行。

5.3.6 凝结水系统故障时凝结水泵变频调节试验

在凝结水系统异常(汽轮机低压旁路快开、变频变工频等)工况下，凝结水泵变频自动控制除氧器上水主阀。试验尽量减小对除氧器水位的扰动。试验模拟低压旁路请求开信号。

(1)模拟低压旁路请求开信号。

(2)凝结水泵变频自动提升至工频转速，同时除氧器主上水主阀将超驰关至凝结水泵工频运行时当前负荷对应下的开度，此后凝结水泵变频继续控制除氧器水位。

(3)释放低压旁路请求开信号。

(4)除氧器上水主阀逐渐全开(由当前负荷对应下变频运行时的开度曲线决定)，凝结水泵变频转速逐渐下降，凝结水泵变频全程控制除氧器水位。

5.4 试验结果及分析

5.4.1 除氧器上水主阀开度试验(变频器工频输出)

试验前凝结水泵一直在工频模式下运行，通过调用历史曲线，可以拟合得到负荷对应的除氧器上水主阀开度曲线［6］，如图2所示。

图2 工频模式下负荷对应除氧器上水主阀开度曲线Fig.2Opening curves of water-feeding main valve in deaerator with different load under power frequency mode

5.4.2 除氧器上水主阀开度试验(变频模式下密封水升压泵运行)

该试验每次降负荷50 MW左右，凝结水泵变频全程自动控制除氧器水位。随着负荷下降，凝结水泵变频转速与泵机电流均明显下降。负荷最低降至471.2 MW，凝结水泵转速降至863 r/min，泵机电流降至41.6 A，凝结水泵出口母管压力最低为1.1 MPa。整个试验过程中除氧器上水主阀一直保持全开，凝结水流量最低为944 t/h，能保证机组稳定运行。

通过试验可以得到变频控制水位过程中负荷对应上水主阀开度曲线［6］，如图3所示。

图3 变频模式下负荷对应除氧器上水主阀开度Fig.3Opening curves of water-feeding main valve in deaerator with different load under frequency conversion mode

5.4.3 变频控制凝结水母管压力调节器参数整定

试验时机组负荷稳定在500 MW，除氧器水位设定值为2 900 mm，通过输入模拟信号，强制凝结水泵变频控制出口母管压力，凝结水泵变频全程控制除氧器水位。当凝结水泵出口母管压力低于0.9 MPa时自启动凝结水泵B，凝结水泵出口母管压力低于1.05 MPa时自启动密封水升压泵。压力设定值改变过程中，凝结水泵变频转速及电流变化较大，除氧器水位最高波动为2 946 mm，最低为2 876 mm。

通过试验可以看出，凝结水母管压力变化时，除氧器水位波动较大，同时控制方式相对繁琐。经讨论，直接取消该控制方式。

5.4.4 除氧器上水主阀开度试验(变频模式下密封水升压泵全部停运)

为了进一步达到节能效果，尝试将2台密封水升压泵均停运，测试是否能满足汽动给水泵运行要求。从前面的试验中可以看出，机组负荷在600 MW以上时，停运2台密封水升压泵能满足汽动给水泵的要求。此次试验需要将负荷降至更低，在保证机组稳定前提下争取找到临界点。试验初始负荷700 MW，逐渐降负荷，负荷最终降至477.8 MW。

通过试验可以看出，负荷下降过程中，凝结水泵变频转速、电流、出口母管压力没有出现明显波动，汽动给水泵密封水供水正常。

5.4.5 凝结水泵变频泵与工频泵切换试验

本试验模拟机组正常运行时变频泵与工频泵的切换，需要尽量降低对机组的扰动及降低除氧器水位波动。

通过试验可以看出，变频凝结水泵升转速至工频转速、保持变频凝结水泵和工频凝结水泵同时运行、停运和启动变频凝结水泵的过程中，除氧器水位、汽动给水泵密封水回水温度等参数基本稳定。

5.4.6 凝结水系统故障时凝结水泵变频调节试验

本试验模拟汽轮机低压旁路开信号，当变频转速迅速超驰至工频转速的同时，除氧器水位主阀也超驰关至凝结水泵工频运行的当前负荷下的开度(19%);当取消低压旁路开信号后，除氧器水位主阀又逐渐开至凝结水泵变频运行时当前负荷下的开度(100%)，凝结水泵变频转速同时逐渐降低。

整个试验过程中，除氧器水位波动较小，机组负荷稳定，凝结水系统运行稳定。

6 凝结水泵深度变频后经济效益分析

凝结水泵深度变频后凝结水管道压力进一步降低，不同凝结水泵控制方式下的参数对比如表3所示。

表3 不同凝结水泵控制方式下的参数对比Tab.3Comparison of condensate pump parameters under different control mode

从表3可以看出，凝结水泵采取变频方式后电流下降明显，但是由于受汽轮机低压旁路及汽动给水泵供水要求制约，除氧器主阀并未完全开启。而采取深度变频方式后，除氧器主阀完全开启，节流损失降到最低，凝结水泵电流和转速得到进一步下降，节能效果显著。从表3还可以看出，机组低负荷时凝结水泵电流递减值最大，变频优势尤为显著。

7 结语

随着我国“节能减排”政策执行力度的与日俱增，各电厂对于节能减排工作的重视程度也不断提高。玉环电厂经过不断探索和实践，在凝结水泵变频技术方面取得较大的成绩，本文提出的凝结水泵深度变频的最终方案可供其他电厂凝结水泵变频改造参考。

［1］华东电力设计院.华能玉环电厂工程施工图［R］.上海:华东电力设计院，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火力发电厂设计规程［S］.北京:中国电力出版社，2000.

［5］DL/T 5054—1996火力发电厂汽水管道设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，1996.

［6］罗志浩.华能玉环电厂3号机组凝泵变频改造后试验报告［R］.杭州:杭州意能电力技术有限公司，2012.

(编辑:杨大浩)