热电厂汽动给水泵乏汽直排冷却方式探讨

王宏伟，杜雅丽

(山西省电力勘测设计院，太原市，030001)

0 引言

根据国家可持续发展的战略要求，在山西等富煤贫水的北方地区建设空冷电厂是发展火电节能经济的必然途径之一［1-6］。锅炉给水泵是电厂中重要的辅机设备之一，投资大、功率高、运行费用多，因此合理选择给水泵的配置方式对于整个电厂的安全经济运行起着至关重要的作用。

1 临汾河西热电厂给水泵配置

根据总图布置条件及厂址处气温、风向、风速等气象条件，在充分考虑了电厂的场地较为紧张，无法布置较大的冷却塔，且外界风向、风速对空冷总体布置影响较小，风场流态较稳定等客观因素后，山西临汾河西热电有限责任公司2×300 MW亚临界机组选择了主机排汽采用直接空冷和汽动给水泵汽机(以下简称小机)排汽同样采用直接空冷的方式。出于节省工程造价和场地大小条件的考虑，在保证汽动给水泵工作稳定性的情况下，每台机组配置1台100%锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continute rate，BMCR)容量的汽动给水泵，用于机组正常运行。另外还配置1台带液力耦合器的50%BMCR容量的电动调速给水泵，用于机组启动及备用。

给水泵汽轮机正常工作汽源采用四段抽汽，备用和启动用汽源采用再热冷段蒸汽，调试汽源来自辅助蒸汽系统。

给水泵汽轮机轴封供汽来自主汽轮机的轴封系统，轴封供汽压力、温度调节由主机轴封系统完成，轴封排汽排至主汽轮机轴封蒸汽冷却器中。

由于主汽轮机采用直接空冷汽轮机，小机排汽排入主汽轮机的空冷器中，所以小机的疏水也排入主凝汽系统中。

1．1 小机排汽采用直接空冷方式的技术特点

小机排汽3种冷却方式比较如下:

(1)湿冷方案。湿冷方案设备多，系统复杂，初投资大，水工冷却水塔占地面积较大，存在蒸发、排污损失及耗水量大的问题。

(2)间接空冷方案。该方案系统庞大，散热器管内介质为水，比直接空冷散热器(管内为蒸汽)冬季防冻更不利。由于系统庞大，所以易发生漏水等问题。

(3)直接空冷方案。该方案系统相对简单，初投资较低，耗水量小，检修维护方便。

根据上述3种冷却方式的比较结果，临汾河西热电厂小机排汽最终采用直接空冷的方式。表1分列了各种冷却方式的优缺点。

目前，表1中4种给水泵配置方式都有实际运行业绩，例如大唐托克托电厂、运城电厂等一些水资源丰富的地区采用小机排汽湿冷方案;在灵武2×1 000 MW机组、铜川2×600 MW机组等工程采用小机排汽间接空冷方案;在榆次2×300 MW机组、临汾海兹2×300 MW机组采用全电泵的方案，到目前为止，只有山西临汾河西2×300 MW热电厂采用汽动给水泵乏汽直排冷却方式，并且运行良好。

表1 冷却方式方案对比Tab.1 Comparison of cooling solutions

虽然小机排汽采用直接空冷方式系统简单，减少了水工冷却水塔、小机凝汽器等冷却设施，避免了地下水管道布置复杂的缺点，初投资省，相对湿冷和间冷方案又节约了大量的水，相对全部电泵的方案又节省厂用电，但也存在几个方面的问题:

(1)主机背压在8.5～48 kPa之间变化，报警背压为43 kPa，停机背压为65 kPa。由于小机排汽直排至主机排汽装置，因此小机应为高背压机组，其对背压的适应能力必须大于主机的背压变化范围。众所周知，低压级组叶片的蒸汽弯应力由该级组允许的最大质量流量所限制，在高背压工况时，由于容积流量较小，此时因流场的不稳定引起的动应力对低压级组叶片的正常工作不利，因此机组不允许在容积流量很小的工况下长期运行;但短时间运行，不会对机组造成损坏。长时间背压过高，排汽温度较大，使进入汽轮机的蒸汽压力升高，效率降低，同时还可能会使末级缸受热变形，破坏汽轮机动静部分中心线一致性，严重时会导致机组振动或其他事故。背压和排汽温度关系见表2。

表2 背压和排汽温度关系Tab.2 Relationship between back pressure and exhaust temperature

(2)小机排汽采用直接空冷方式直排至主机排汽装置，排汽量增大，主机空冷凝汽器面积需重新进行核算。一般小机排汽量为主机排汽量的6%～8.5%，即空冷面积增加6% ～8.5%。空冷凝汽器散热面积应满足:当大气温度为34.5℃，外界自然风风速为5 m/s，风机100%转速时，要满足汽轮发电机组汽轮机铭牌工况(turbine rating load，TRL)的运行要求，即汽轮机满发排汽压力为34 kPa。

1．2 小汽机乏汽直接排入主汽轮机空冷器的空冷平台配置

每台机组总凝汽器散热面积955 730 m2，迎面风速2.1 m/s，每台机组共分为30个单元，每单元配置1台直径9.754 m的轴流风机，每单元散热器管束分两侧呈“A”形布置安装，共312片顺流管束、48片逆流管束。顺流管束尺寸为10 750 mm×2 032 mm，逆流管束尺寸为9 750 mm×2 032 mm。每台机组散热单元分6列，每列5组布置。其中每列的3号风机为混流单元，另外4台为顺流单元。空冷岛整体列数排列顺序为1—2—3—4—5—6(从固定端起始排列)，其中3和4列为启动列(在蒸汽分配管和凝结水疏水管道上没有安装任何电动阀门装置)，其他4列为运行列。空冷平台高度为34 m。

在TRL工况下，直冷与普通空冷机组参数的比较如表3。

表3 TRL工况下2种汽轮机排冷方式的对比Tab.3 Comparison between two exhaust methods of feedwater pump turbine under TRL conditions

从表3可以看出，小机的排汽量为53.97 t/h，汽轮机的排汽量为650.17 t/h，小机的排汽量约占大机的8.3%。而本工程相对于同类大小、机型的机组的空冷散热面积增加了76 458 m2，约为总散热面积的8.0%，解决了由于排汽量增加造成冷却能力不足的问题。如表3所示，其散热量、风机消耗功率等均比普通空冷机组大。

2 小机排汽采用直接空冷系统的自动控制

汽泵乏汽直排主机排汽装置的空冷系统在集控室进行控制，并且纳入单元机组的DCS。为保证整个机组及空冷系统在各种运行工况下能够安全、稳定地运行，设计了一套完整的包括协调控制、顺序控制和机炉电联锁保护的DCS。

夏季工况:以环境温度大于2℃为界线，其中夏季工况逻辑设定的背压值为15 kPa。

冬季工况:以环境温度小于1℃为界线，其中冬季工况逻辑设定的背压值为8.5 kPa。

低负荷工况:当进入空冷系统的蒸汽流量低于25%的额定流量时，便视为低负荷工况。低负荷工况设定的背压值为25 kPa。

给水泵汽轮机排汽进入主机排汽装置，与主机排汽混合后排入空冷凝汽器。空冷凝汽器由空气直接冷却，环境温度、风速、风向、负荷变化，都要引起背压变化，背压变化较大，一般为8.5～48 kPa，因此控制空冷排汽压力(背压)是关键。

为使空冷排汽压力在启动、正常运行、停运及负荷发生突变情况下能够控制在运行负荷下的允许运行值内，以保证空冷机组的安全运行，采取了下述控制及保护措施。

在正常运行中，空冷系统主要控制的参数为排汽压力和凝结水温度、抽真空温度。在汽轮机安全运行的范围内，根据机组的发电负荷和空气温度，调整进入空冷凝汽器的空气流量(即调整风机转速和运行台数)，使排汽压力保持在最佳状态。在寒冷时期，运行中要比较排汽温度和凝结水水温/抽空气温度的差值，调整顺流风机/逆流凝汽器风机转速，进入防冻保护模式运行，并使过冷度保持在一定范围内。

在变工况运行中，负荷、环境温度和排汽量都不同，应根据排汽压力测量值与不同负荷下排汽压力期望值的差异改变风机群的转速，使排汽压力测量值与期望值一致。

2．1 夏季满负荷运行

当环境温度高于30℃，夏季满负荷运行时，所有风机按最高转速(30% ～110%)运行，必要时针对夏季环境温度极高或个别风机故障检修的情况而进行超频运行。

当机组处于夏季满发背压运行或满负荷(最高容许背压上限值48 kPa以下)运行的情况下，当风向、风速或负荷突变，背压升高超过汽机最大允许背压值48 kPa时，必须通过汽机数字电液控制系统(digital electro hydraulic，DEH)快速关小汽机调速汽门，即通过快速降负荷，控制背压迅速降到负荷对应的允许背压设定值。同时，通过汽动给水泵MEH快速关小给水泵汽轮机调速汽门，通过减少给水流量以保证锅炉在正常运行水位线运行，而且由于汽泵负荷的快速降低也控制了汽泵排汽压力回到安全运行区。在关闭大小机调速汽门降负荷的同时，为了保证锅炉系统的安全运行，协调控制系统应自动切到炉跟机运行方式，将关闭汽机调速汽门的指令采用前馈方式输入到燃料量控制系统，以保证锅炉炉膛压力运行在正常运行设定值。

图1为临汾河西热电厂2011年6月1—2日的夏季真空度运行曲线。由图1可以看出，机组真空度波动偏大，受环境和温度影响较大，但是通过背压控制和协调控制以及下述优化手段还是能在背压控制范围内安全运行。

图1 2011年6月1—2日的夏季真空度运行曲线Fig.1 Vacuum operation curve in summer from 1st to 2nd June in 2011

由于电厂地处黄土高原，春季多风多沙，加之周边环境污染严重，黄沙和杂物造成空冷散热器表面脏污，严重影响空冷系统的散热性能，进而影响机组性能。实践证明，当积灰厚度达到一定程度时，凝汽器背压将会升高，造成机组出力受阻。针对此情况，临汾河西每台空冷机组设置了高效、可靠的半自动(横向为手动、纵向为自动)的水力清洗系统，定期对空冷凝汽器进行清洗，可以在一定程度上缓解机组出力不足的问题。

同时，在空冷平台四周装设挡风墙，并封闭每一列风机单元间，防止出现热回流、倒灌与换热单元相互影响的现象。

2．2 冬季低负荷运行

冬季(环境温度低于1℃)低负荷运行时，既要保证空冷凝汽器经济运行，又要防止凝汽器冻裂。本工程设有3种防冻保护，分别是凝结水防冻保护、抽汽防冻保护和升温循环(回暖)保护。通过停止部分风机，减小换热面积，控制过冷度，根据环境温度、进汽量降低风机转速，当风机频率低于20 Hz时，以先中间后两边的顺序关闭对应排的顺流风机;通过将逆流管束风机按正转、停止、反转的顺序周期操作，使热风回流，防止凝汽器抽汽口结霜，保证凝汽器的安全运行。

启动时，采用高中压缸联合启动方式。由于高中压缸联合启动要求再热汽带压，低压旁路系统投入运行，因此高中压缸联合启动使空冷装置的排放量有所增加。高压缸冷态启动空冷装置进汽量为100～115 t/h，而高中压缸联合启动空冷装置进汽量可达到150～175 t/h(联合启动要求再热汽维持稳定压力)，可以有效地缩短启动时间，提高进入空冷散热器的蒸汽流量，降低空冷装置发生冻结的概率。

图2为临汾河西电厂2011年2月8—10日的冬季真空运行曲线，由曲线可以看出，真空度保持良好。

图2 2011年2月8—10日的冬季真空运行曲线Fig.2 Vacuum operation curve in winter from 8th to 10th February in 2011

同时，该工程配有快速抽真空阀，可以在机组启动初期快速建立真空，提高启动初期机组的真空度，从而使排向空冷凝汽器的蒸汽温度相应提高，有效增加进入空冷单元的热量，从而降低发生局部冻结的可能性。

风是建设空冷电厂最关键的气候因素，相对于温度它具有不可控性。当空冷机组在运行时突遇风向、风量的变化时，迅速控制空冷机组排汽压力成为优先的控制手段。

图3为临汾河西电厂2011年6月5—8号的真空曲线，此3天为大风天气。由曲线可以看出一般大风影响机组背压为5～10 kPa，也可能出现15～20 kPa的变化。背压变化5～10 kPa需要2～3 min，时间很快。当然，也有极个别情况，在3～5 min变化达到15～20 kPa。由此表明大风天气对小机直冷系统的影响比较明显。

图3 2011年6月5—8号的大风天气真空运行曲线Fig.3 Vacuum operation curve of windy weather from 5th to 8th June in 2011

为此，当机组在夏季和冬季低负荷运行情况下(低负荷运行背压为25 kPa):当突遇风向、风量及负荷变化，背压升高超过运行负荷下的最高允许值时，首先可通过增加空冷风机运行台数并通过变频控制提高风机转速来调节背压，使背压回到机组运行负荷下的排汽压力;必要时可通过快速降负荷(run back，RB)，控制背压迅速达到负荷对应的允许背压设定值。

3 背压保护控制

空冷机组与湿冷机组最大的不同就是前者末级叶片长时间工作在高背压、小容积流量工况下，可能引起因末级叶片动应力急剧增大，超过叶片材料的许用疲劳强度。为了保证空冷机组末级叶片在安全区运行，就要根据汽轮机制造厂提供的最高背压和小容积流量的限制值，绘出原理性背压保护特性曲线，作为热力计算背压保护及负荷自动控制特性曲线的依据。

另外，在低负荷、高背压时，由于流通部分效率低，排汽温度高，且由于小负荷、高背压时如相对容积流量过小，末级叶片产生鼓风损失，引起排汽温度进一步升高。因此必须通过低压缸喷水和保护系统来控制汽轮机的排汽温度。

通过DEH控制机组在某一背压下的负荷是空冷机组实现背压保护功能的主要途径，即自动调整汽轮机组当前的运行工况点，最大限度地保障机组的出力，并且在机组处于紧急工况区域运行时发出信号紧急自动停机。背压保护功能投入后，机组将按照功率/背压保护曲线运行。图4为临汾河西电厂的背压修正曲线图。

图4 背压限制曲线Fig.4 Limit curve for back pressure

图4 所示的曲线将机组运行工况分为几个区域，分别具有不同的运行工况要求和控制方式。ABCD线以下为可连续运行区;HGFE以上即阴影部分为限时运行停机区，运行工况点落入该区域时延时900 s跳机。当功率在20%负荷以下时，要保证背压低于20 kPa，否则 DEH将发出报警信号，要求后汽缸喷水。

当机组突遇由于温度、大风等环境因素造成背压大幅升高时，背压保护控制可以RB，背压RB条件如下:

(1)机组背压达到跳闸值，延时5 s(背压曲线)。

(2)机组背压达到报警值，且背压变化速率大于1.5 kPa/min。

(3)机组背压大于60 kPa(真空跳闸条件预留5 kPa)。

(4)背压变化速率大于4 kPa/min。

背压保护功能投入时，协调控制系统(coordinated control system，CCS)负荷控制及一次调频功能将自动切除，具有自动调节负荷、低压缸喷水控制、限时运行跳机、报警等功能。背压保护主要控制逻辑如图5所示。

图5 背压保护逻辑Fig.5 Logic of back pressure protection

4 结论

通过以上分析可以看出，小机排汽采用直接空冷进大机排汽装置方案是可以安全运行的。小机排汽进入主机直冷凝汽器的直接空冷机组相比小机独立的排汽冷却空冷机组虽然增加了很大的进气量，但机组最终的目的是一致的，就是控制背压在一定的范围内，保证机组安全、稳定运行。小机排汽采用直接进入大机直冷凝汽器的直接空冷方案，可简化多个相关的热力系统，比如可取消小机独立的凝汽冷却系统、小机独立的抽真空系统和小机凝结水系统。该方案不但布置方便，系统简单，初投资省，而且节水，厂用电率小，占地面积少，耗水指标符合国家政策，从经济性分析该方案最优。目前，此方案已真正进入了工程运行阶段。

［1］王鸿懿．热工控制系统及设备［M］．北京:中国电力出版社，2009．

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