汽轮机凝结水系统节能优化

李兴平

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002）

汽轮机凝结水系统节能优化

李兴平

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250002）

分析汽轮机变频调节凝结水系统存在的问题，提出对该系统进行改造优化的内容，详细论述采取的技术路线及改造方案，并对改造优化后的经济社会效益进行分析。

汽轮机；凝结水系统；节能改造；优化

0 引言

节能降耗是提高发电厂经济效益的最有效途径，节能减排更是火力发电企业的一项长期义务。随着我国和全球经济、能源、环保形势的不断发展变化，火力发电企业面临的经营、环保形势更加严峻，节能减排已经成为火力发电企业存在与发展的制约性因素，并列为国家对企业的约束性指标加以考核［1］，因此必须在自身设备、运行方式、技术管理等环节继续进行节能潜力挖掘，以满足国家能源管理节能减排指标要求。

汽轮发电机组凝结水系统的节能降耗、优化运行就是在此形势下提出的一项进一步挖掘机组节能潜力、提高机组经济性节能减排的优化项目之一。某1 000 MW超超临界机组凝结水系统实施改造优化后，系统阻力可下降0.8 MPa，仅此一项机组年节电可达330万kWh，按照火力发电厂2000年统计大气污染排放统计数据计算，同时可降低排放26.50 t SO2、22.77 t NOx、11.05 t烟尘和3 300 t的CO2，显然其经济、社会效益是巨大的。某600 MW亚临界机组的改造优化获得了年直接节电270万kWh的经济效果，其社会效益也是显而易见的。

1 原系统存在问题

早期的汽轮机凝结水系统，凝结水泵采用定速运行的方式，通过调整系统中的凝结水量调节阀门（或除氧器水位调节阀门），满足除氧器水位运行要求。近年来随着变频调节技术的不断完善发展，凝结水泵变频运行得到广泛的应用，并取得了显著的经济效益［2］。

但是受原有系统设备以及运行方式的影响，加入变频调节后，系统的最优运行方式以及最佳经济运行没有得到体现。比如受系统供其他用水的影响，投入变频后，凝结水量调节阀门仍参与调节，系统复杂、管件阀门附件多阻力大，凝结水泵出力不匹配等，因此必须深入研究调频凝结水系统的结构形式，进一步优化系统配置和运行方式，以最小的投入达到最优的节能效果。

对汽轮机凝结水系统进行的运行调查和现场工业试验表明，存在如下几个方面的问题。

1.1 除氧器水位调节阀门压差损失

凝结水泵变频运行后，通过凝结水量、锅炉给水流量、除氧器水位三冲量信号自动调整变频器的转速，满足机组凝水量的稳定运行要求。表1列出某600 MW机组凝结水系统的运行情况。

表1 某600 MW机组凝结水系统运行情况

从表1看出，凝结水泵变频运行，即使是在除氧水位调节阀门开度基本全开（开度99.49%）的情况下，其前后存在较大的压差，在机组满负荷情况下最大压差达到1.088 3 MPa，随着负荷的降低凝结水量减少，压差有所下降，在机组70%负荷时仍有0.5700 MPa的压差。这个压损是调节阀门的特性决定的，只要运行中凝结水流过该调节阀门，就存在此项压差损失，而且该项损失基本没有任何回收和利用。

1.2 凝结水泵供辅助用水压力低

凝结水泵出口其他用水，主要包括凝结水系统供给水泵轴封水、低旁减温水、低压轴封减温水、汽机低压缸喷水、低压阀门及其他密封用水等，凝结水泵变频运行后，如果保持除氧器水位调节阀门全开，则上述各供水压力偏低，有些系统长期低压力报警，影响了设备的正常投运。

1.3 除氧器水位调节阀门不能全开

凝结水泵改用变频调节后，为使凝结水系统压力维持某数值，除氧器水位调节阀门不得不保持某固定开度，或者凝结水泵转速以及除氧器压力调节阀门同时参与调节，以满足其他用水的压力要求。表2列出某1000 MW机组的凝结水系统的运行状况。从表2看出，机组满负荷1 000 MW运行时凝结水泵的运行转速1380 r／min，而除氧器调节阀门的开度最大也只有52%，显然系统的压力损失更大。这种现象在其他机组上也存在，只是其他凝结水的用途不同。因此应对系统加以改进，满足其他用水的压力要求。

1.4 凝结水泵的运行速率偏低

凝结水泵变频后的运行转速与工频运行转速之比称作凝结泵的运行速率，从表1、表3看出，凝结泵的运行速率在满负荷情况下在86%～88%，尚有12%的速率余量。水泵及其电机偏离其设计转速越近，其运行效率越高，多年的运行经验表明，考虑泵的老化、系统周波突降等因素，满负荷下凝结水泵有4%的转速余量足以满足机组各种工况下长期运行要求，因此凝结水泵的运行速率偏低，约使泵组损失增加1%～3%。

表2 某1 000 MW机组凝结水系统运行情况

表3 某300 MW机组凝结水泵变频运行情况

1.5 凝结水泵运行偏离设计工况

这种现象在其他类型机组中也普遍存在。表4列出某600 MW机组凝结水系统的运行情况。从表4数据可以看出，该机组在满负荷情况下运行，凝结水泵定速运行出口压力2.94 MPa，除氧器压力0.66 MPa，水位调节阀门的开度只有36%，而系统的压降达到2.28 MPa，显然由于所选凝结水泵的压力远远高于系统的要求，大量的压降损失在水位调节阀门上，增加了凝结水系统的电耗，降低了机组的经济性。同时由于系统的阻力偏离了泵的设计工况，也使凝结水泵的运行效率大幅下降。调查表明这种现象使泵的效率比正常运行低8%～15%不等。

表4 某600 MW机组凝结水系统运行情况

综上所述，需对汽轮机凝结水系统及其凝结水泵进行研究改造，提高其经济性，降低能耗水平，满足机组各项供水要求。

同时，在保持凝结水泵的安装尺寸和高可靠性部件不变的前提下，通过重新核算泵的通流部件的尺寸，调整其出力适合机组的运行要求，并解决运行低效问题。这样，一方面提高系统及其凝结泵的经济性、可靠性，另一方面充分利用现有的部件或备品备件，降低改造的工作量和改造投资，使改造更加简便易行。

2 优化研究的主要内容

研究去掉除氧器水位调节阀门的可行性，增加系统旁路，提高变频调节系统的灵敏性，达到在各种变工况下通过三冲量信号（凝结水量、锅炉给水流量、除氧器水位），实现除氧器水位的自动调节，满足机组凝结水量的稳定运行要求。

在凝结水泵上研究设计供其他用水系统的增压叶轮［3］，实现与凝结水泵同轴驱动，不增加任何设备，达到各种变工况下均能满足各项辅助用水要求。

研究汽轮机组凝结水系统的阻力特性，在保证机组满负荷运行余量足够的前提下，合理选择凝结水泵运行速率，降低系统能耗水平。

研究计算凝结水泵的通流部件，包括叶轮和导叶的型线尺寸、叶轮与导叶的最佳匹配等，达到使泵出力适宜并具有宽阔的高效运行范围，满足机组变工况运行的要求。

3 主要技术方案

3.1 实测系统阻力

2004-2007年规划，中西部23个省份新建、改扩建徐诶下7727所，在全国覆盖了953个县，其中西部地区404个县。农村义务教育经费保障机制改革涉及广泛，政策强而有力，任务十分艰巨而紧迫。各地区，各有关部门要从政治高度和全局深入对农村义务教育经费保障机制进行深化改革，认真部署和协调安排，落实各项改革政策。

在系统上增加部分压力测点，运行中通过不断调整凝结水泵的运行转速或凝结水泵的出口阀门开度，记录各测点的压力及其系统流量，实际测定系统的阻力，避免计算系统阻力引起误差。

3.2 试验选择凝结水泵性能参数

对凝结水系统运行参数进行试验分析，确定满足机组满负荷运行的水泵参数，变频运行后，泵的老化、系统周波突降等因素的余量，通过提高变频的速率来补偿。根据已知变频器额定情况下的速率，调查分析实际运行情况，选择适当的凝结水泵初投产时的运行速率余量，确定凝结水泵初投产的实际转速，核算系统的压力、流量的余量，确保满足机组长期满负荷运行要求，以此调整凝结水泵的通流部件的尺寸。

3.3 设计供其他用水系统的增压叶轮

根据机组实际参数，在凝结水泵上研究设计供其他用水系统的增压叶轮［4］，实现与凝结水泵同轴驱动，不增加任何设备，确保变频投入后系统各用水满足要求。即在原凝结水泵末端轴上，加装增压叶轮，增压后再至各用水系统，压力的提升范围可以根据用户的要求设计变动，改进前后的两路系统可互为备用，自由切换。

这样系统流程简单、可靠，对现场空间布置改动小，便于实施。系统可以根据用户的需要由DCS远方操作，也可以在就地操作。

3.4 增加旁路管道

结合电厂的实际情况，在除氧器水位调节阀门处增加旁路管道，运行中实时选择系统的水流路径，降低凝结水系统的运行阻力，实施凝结水泵全变频调节凝结水流量。

3.5 凝结水泵通流部件性能改造

实测凝结水泵的实际运行状况，根据系统的实测阻力情况，分析研究进行凝结泵的通流部件的改造，包括叶轮和导叶的型线尺寸、叶轮与导叶的最佳匹配等，确保凝结泵的运行工况与系统的匹配，提高泵的运行效率，拓宽泵的高效运行区间。

4 经济性分析［5］

1）凝结水泵直接下降耗电

式中：NΔ1为系统阻力下降后降低的功率，kW；HΔ1为系统降低的阻力，m；G为凝结水流量，kg／s。

这部分能耗下降主要包括除氧器调节阀门全开下降的系统阻力，增加凝结水调门旁路降低的系统阻力。

2）降低凝结水泵的扬程而减少的能耗

式中：NΔ2为凝结泵出力下降后降低的功率，kW；HΔ2为凝结泵降低的扬程，m；G为凝结水流量，kg／s；ηp为凝结泵的效率，%。

3）凝结泵速率提高降低的能耗

式中：NΔ3为凝结泵效率提高降低的功率，kW；ηΔp为提高的凝结泵效率，%；Np为凝结泵的输入功率，kW。

4）其他用水增压装置的耗电增加

式中：NΔ4为其他用水增压装置的耗功率，kW；Hzp为增压泵的扬程，m；Gzp为其他用水流量，kg／s；ηzp为增压泵的效率，%。

综上计算，系统总的节能降耗为

式中：ΔN为节能优化的系统总降耗，kW。

不同机组通过各项改造后，凝结水系统的节能数值不等，某600 MW亚临界机组，通过调整凝结水泵的出力，与系统匹配后，机组满负荷情况下，凝结水泵的耗电功率直接降了450 kW，机组按年运行6 000 h计算，全年节电270万kWh，按0.35元／kWh计算，折合人民币94.5万元。由于机组的负荷率在75%左右，实际统计的节电效果远远大于上述值，这是由于机组的负荷越低获得的节电效果越明显。

表2所列举的某1 000 MW超超临界机组凝结水系统实施改造后，系统阻力可下降0.8 MPa，仅此一项机组年节电可达330万kWh，折合人民币95万，其经济效益是明显的。按照火力发电厂2000年统计大气污染排放统计数据，每千瓦时产生8.03 g SO2、6.9 g NOx、3.35 g烟尘和1 kg CO2计算，同时可降低排放26.50 t SO2、22.77 t NOx、11.05 t烟尘和3 300 t CO2，显然其社会效益也是巨大的。

5 结语

汽轮机凝结水系统投入调频运行，受系统供其他用水的影响，凝结水量调节阀门仍参与调节；以及系统复杂、管件阀门附件多阻力大；凝结水泵的出力不匹配等问题，使得系统的最优运行方式以及最佳经济运行没有得到充分体现。深入研究凝结水泵及其系统投入变频后的各项技术并实施优化改造获得的经济效益是非常明显的。某600 MW亚临界机组的改造获得了年直接节电270万kWh的经济效果，其社会效益也是显而易见的。对某1 000 MW超超临界机组的凝结水系统变频投入后存在的问题进行改造优化，其经济、社会效益更加显著。

［1］吕振勇.能源法导论［M］.北京：中国电力出版社，2014.

［2］刘志真，陈洁.热力发电厂［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［3］李兴平.一种凝结水泵同轴驱动的出口增压装置：中国，ZL201320214320.8［P］.2013－09－04.

［4］李兴平.一种凝结水泵同轴驱动的出口抽头增压装置及方法：中国，201310147588.9［P］.2013－07－17.

［5］西安热工研究院.发电企业节能降耗技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

Energy-saving and Optimization of Steam Turbine Condensate System

LI Xingping
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

Existing problems in condensate system of variable-frequency adjusting steam turbine are analyzed.Objectives and contents of optimal transformation of the system are put forward.Technology roadmap and transformation scheme are demonstrated in detail.Also given is a brief discussion on the economic and social benefits of the transformation project.

steam turbine；condensate system；energy-saving；optimization

TK264.1

A

1007－9904（2015）05－0015－04

2015－04－10

李兴平（1963），男，高级工程师，从事发电厂动力设备及其系统的节能改造工作。