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國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組除氧器暫態(tài)過(guò)程試驗(yàn)研究
田 豐1，徐之昌1，劉務(wù)波2
（1．廣東省電力試驗(yàn)研究所，廣東 廣州
510600；2．韶關(guān)發(fā)電廠，廣東 韶關(guān) 512132）
摘 要：大型機(jī)組除氧器暫態(tài)過(guò)程一直是機(jī)組安全運(yùn)行廣為關(guān)注的問(wèn)題。文中通過(guò)對(duì)某國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組在功率突變工況下，除氧器有關(guān)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算，利用熱力學(xué)第一定律建立了除氧器熱平衡方程，得出機(jī)組在該工況下給水泵不會(huì)發(fā)生汽蝕的結(jié)論。原因?yàn)楣┲脸跗鞯某槠麎毫﹄m然下降，其他汽源的存在阻止了除氧器壓力（給水焓值）的過(guò)快降低，給水泵密封水的回水引入前置泵入口，降低了該處水溫，使下降速度較除氧水箱水溫延緩的現(xiàn)象不明顯。指出該型設(shè)計(jì)的300MW國(guó)產(chǎn)機(jī)組除氧器的設(shè)計(jì)標(biāo)高可以進(jìn)一步降低，節(jié)省大量的土建投資。而對(duì)前置泵入口濾網(wǎng)的堵塞現(xiàn)象應(yīng)引起充分重視。
關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組；除氧器；暫態(tài)過(guò)程；給水泵組；汽蝕；試驗(yàn)研究
1 引言
隨著機(jī)組容量的增大和承擔(dān)中間負(fù)荷日益增多，除氧器滑壓運(yùn)行作為提高熱經(jīng)濟(jì)性的措施之一，在一系列技術(shù)問(wèn)題被逐一解決后，已廣泛應(yīng)用于單元機(jī)組[1]�；瑝哼\(yùn)行除氧器不僅提高了在設(shè)計(jì)工況的熱經(jīng)濟(jì)性，還顯著提高了在低負(fù)荷工況的熱經(jīng)濟(jì)性，使給水回?zé)岱峙渚鶆�，接近最佳。我�?guó)600MW亞臨界機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算表明，與定壓運(yùn)行相比，除氧器滑壓運(yùn)行，在額定負(fù)荷時(shí)，可提高機(jī)組熱效率0.12%；在70%及以下負(fù)荷時(shí)，可提高機(jī)組熱效率0.3%~0.5%[2]。但滑壓運(yùn)行除氧器亦帶來(lái)不利的影響，主要包括負(fù)荷變化時(shí)除氧效果的改變和給水泵運(yùn)行的安全性兩個(gè)方面。為此，早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)的專業(yè)工作人員對(duì)國(guó)產(chǎn)和原蘇制200MW機(jī)組上進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和計(jì)算[3]，得出一些與實(shí)際更為接近的結(jié)果。目前國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組已成為電網(wǎng)的主力機(jī)組，逐漸承擔(dān)中間負(fù)荷，參與調(diào)峰。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組，對(duì)除氧器暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
2 試驗(yàn)機(jī)組簡(jiǎn)介
試驗(yàn)在某國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組整組啟動(dòng)調(diào)試期間進(jìn)行，該機(jī)組鍋爐為W型，由于調(diào)整試運(yùn)初期，配用煤質(zhì)與原設(shè)計(jì)相差較大，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)主燃料遮斷MFT（Main
Fuel Trip），汽機(jī)快速減負(fù)荷。在負(fù)荷快速變化期間，結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行方式，進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測(cè)量和試驗(yàn)研究。經(jīng)多次試驗(yàn)，結(jié)果具有很好的重復(fù)性，可信度高。
該機(jī)型號(hào)為N300-16.7（170）/537/537-4（合缸），亞臨界中間再熱、高中壓合缸雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)。額定參數(shù)主汽壓力16.7MPa，主汽溫度537℃，再熱蒸汽壓力3.3MPa，再熱溫度537℃，額定蒸汽流量935t/h。
除氧器型號(hào)為GC-1025，額定出力1025t/h，除氧水箱型號(hào)GS-180，有效容積180m3。低壓給水系統(tǒng)采用一個(gè)軸封加熱器和4個(gè)低壓加熱器。鍋爐給水采用3臺(tái)50%容量的電動(dòng)給水泵組，每一泵組由電機(jī)、前置泵、主泵和液力偶合器組成，前置泵型號(hào)為FA1D56臥式、軸向中分泵殼型，一級(jí)雙吸葉輪，揚(yáng)程100m，必須汽蝕余量（凈正吸入壓頭Net
Positive Suction Head NPSHr）Hr3.8m，功率193kW；主泵型號(hào)為DG600-240臥式筒體芯包，6級(jí)葉輪，揚(yáng)程2381m，必須汽蝕余量32.5m，功率4354kW，轉(zhuǎn)速5410r/min，最小流量148m3/h。液力偶合器R17K.2-E，功率4613kW，給水泵電機(jī)型號(hào)YKS5500-4，功率5500kW，轉(zhuǎn)速恒定1491r/min。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 試驗(yàn)情況
試驗(yàn)進(jìn)行前機(jī)組維持負(fù)荷282MW穩(wěn)定運(yùn)行，主蒸汽壓力16.02MPa，溫度533℃，再熱蒸汽壓力2.96MPa，溫度530℃，給水泵A、B并列運(yùn)行。2001年2月6日9:30:00，鍋爐由于爐膛負(fù)壓超限MFT，汽機(jī)快速減負(fù)荷至3.3MW運(yùn)行，功率的變化過(guò)程曲線見(jiàn)圖1。從圖1看到，發(fā)電機(jī)功率在150s內(nèi)，從282.0MW快速降為19.1MW，變化速率達(dá)1.75MW/s或105.2MW/min。由于除氧器滑壓運(yùn)行，在相應(yīng)的操作下，引起暫態(tài)過(guò)程參數(shù)的變化。
3.2 除氧器含氧量
正常運(yùn)行時(shí)，除氧器含氧量小于7mg/L，在功率突然下降的過(guò)程中，除氧效果增強(qiáng)，因而，對(duì)除氧水含氧量暫不研究。
3.3 除氧器壓力和除氧水箱溫度
3.3.1 除氧器的壓力變化
除氧器壓力的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖2看到，除氧器壓力在開(kāi)始1min向下變化，從0.74MPa降為0.70MPa，變化速率0.04MPa/min，之后略有回升至0.76MPa，然后繼續(xù)下降，在前21min有兩個(gè)反復(fù)，變化幅值均較小。21min之后開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，53min后穩(wěn)定在0.40MPa水平，還未達(dá)到輔助汽源投入的壓力設(shè)定值0.245MPa。
3.3.2 除氧水箱的溫度變化
除氧水箱水溫的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3，從圖3可見(jiàn)，除氧水箱水溫度的變化趨勢(shì)則平緩得多，6min之前均維持171℃不變，之后緩慢下降，有兩段維持不變的過(guò)程。與壓力的變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，25min后開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，最后維持在148℃
。
3.3.3 汽機(jī)負(fù)荷變化的影響
汽機(jī)負(fù)荷驟然降低，各抽汽管道壓力迅速降低，幾乎降到0（見(jiàn)圖4）。低壓段抽汽為負(fù)壓，供至除氧器的4段抽汽由于壓力的降低，逆止閥快速關(guān)閉。同樣，高加疏水至除氧器逆止閥亦快速關(guān)閉。除氧器汽空間在供汽壓力突然降低的情況下，不只是蒸汽空間和金屬壁有放熱，水箱中的部分水亦發(fā)生放熱，因而阻止了壓力的快速下降，所以壓力的變化是比較緩慢的，而不是一般文獻(xiàn)表述的壓力立即瞬間降落，從試驗(yàn)結(jié)果亦得到證實(shí)。
3.3.4 關(guān)于能量方程
不考慮除氧水箱水溫度分布及與外界的熱交換，按集總參數(shù)模型，除氧器壓力pd對(duì)應(yīng)于除氧水箱的溫度td（至少水箱表面一定厚度飽和水如此），其衰減的動(dòng)態(tài)規(guī)律由給水焓id確定：
式中 d(vd pd)/did為vd
pd隨焓值id的變化規(guī)律，由水蒸汽性質(zhì)決定；did
/dt為由如下除氧器熱平衡微分方程求得。
基于熱力學(xué)第一定律：
式中
VWrd=Md為除氧水箱的貯水量，kg；V為除氧器總?cè)莘e，m3；MT為除氧器金屬質(zhì)量，kg；cT為除氧器金屬的比容，kj/(kg·℃)；T為除氧器金屬的溫度，℃；Ql、Qo、Qv、Qw、Qc分別為鍋爐連續(xù)排污量、除氧器排氧量、門桿和軸封漏汽量、給水流量和凝結(jié)水流量，kg/h；is、id、 分別為暫態(tài)過(guò)程中除氧器汽空間飽和汽氣混合物焓值、除氧水箱給水焓和對(duì)應(yīng)飽和汽焓，kj/kg；il、iv、ic分別為鍋爐連續(xù)排污焓值、門桿和軸封漏汽焓值進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水焓（4號(hào)低加出口凝結(jié)水焓值），kj/kg。實(shí)際應(yīng)用還應(yīng)考慮：
（1）一般計(jì)算時(shí)假設(shè)暫態(tài)過(guò)程中凝結(jié)水的流量Qc與給水流量Qw相等，即除氧水箱的水位保持不變，實(shí)際在工況大幅變化時(shí)，除氧水箱的“水位自動(dòng)”控制無(wú)法滿足要求，應(yīng)解除而處于手動(dòng)狀態(tài)。除氧水箱的水位出現(xiàn)較大波動(dòng)（參見(jiàn)圖5），凝結(jié)水的流量Qc和給水流量Qw并不相等。凝結(jié)水流量Qc的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖
6，從中看到，在前3min，迅速降低，從穩(wěn)定時(shí)的689t/h降為258t/h，之后在較小的值穩(wěn)定運(yùn)行，給水流量Qw由于兩臺(tái)給水泵的運(yùn)行方式不同而異，A給水泵的轉(zhuǎn)速迅速由穩(wěn)定運(yùn)行的4808r/min，降為2204r/min，于是再循環(huán)門開(kāi)啟，不再向給水母管供水；B給水泵的轉(zhuǎn)速由穩(wěn)定運(yùn)行的4776r/min，降為4056r/min，維持給水流量在268t/h左右（參見(jiàn)圖7、圖8）。
（2）另一個(gè)很重要的參數(shù)就是進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水焓ic，各國(guó)在處理凝結(jié)水焓ic時(shí)略有不同。早期的計(jì)算公式以熱井水溫作為計(jì)算依據(jù)，結(jié)果偏于保守，給水泵汽化最危險(xiǎn)時(shí)刻tmax出現(xiàn)的時(shí)間亦偏前。G.S.Liao認(rèn)為以低加出口溫度逐漸降低為熱井水溫，作為整個(gè)暫態(tài)過(guò)程進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水溫來(lái)推導(dǎo)，更為合理。溫降規(guī)律的假設(shè)有定溫、直線、折線等，我國(guó)學(xué)者提出凝結(jié)水焓ic分段線性降落規(guī)律[1,3]與實(shí)踐較為接近。但各種假設(shè)均比實(shí)測(cè)的溫度降落快，致使計(jì)算的除氧器給水焓降下降比實(shí)測(cè)值快[4~6]。4號(hào)低加出口凝結(jié)水溫的暫態(tài)過(guò)程如圖9，從圖中看到，在負(fù)荷變動(dòng)的前2min，溫降很小，從146.3℃降為145.0℃，僅下降1.3℃，溫降率為0.65℃/min。之后快速下降，再經(jīng)7min的時(shí)間從145.0℃降為91.6℃，下降53.4℃，溫降率7.63℃/min，然后溫降速度趨于平緩。
（3）門桿和軸封漏汽、排氧門和鍋爐連續(xù)排污均為一般文獻(xiàn)所沒(méi)考慮的，這樣處理的結(jié)果偏于安全。在鍋爐連續(xù)排污投入的情況下，甩負(fù)荷或大幅降負(fù)荷時(shí)，汽包壓力會(huì)升高，連續(xù)排污量Ql加大；同樣隨著主汽壓力的升高，門桿漏汽Qv亦加大，它們減緩了除氧器壓力的下降；除氧器排氧門開(kāi)度保持不變，當(dāng)汽空間壓力降低時(shí)，由于大氣壓力恒定，排除的汽氣混合物Qo減少，它亦有利于穩(wěn)定除氧器的壓力。除氧器金屬龐大的重量亦使其蓄熱的變化不可忽視，同樣對(duì)壓力的衰減起到負(fù)的作用。
（4）除氧水箱的有效儲(chǔ)水量（一般是指水箱容積的80%~85%），按我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，對(duì)于200MW及以下機(jī)組為10~15min鍋爐VWO工況時(shí)的給水消耗量；200MW機(jī)組為5~10min。本機(jī)為180m3，較大的水箱容積阻止了壓力的過(guò)快降低。
（5） 將各參數(shù)的變化規(guī)律和邊界條件（如id=i0—除氧器穩(wěn)定運(yùn)行給水焓）帶入式(2)，便得到除氧器水箱焓值id的衰減規(guī)律 。通過(guò)id和水蒸氣性質(zhì)，可求出暫態(tài)過(guò)程除氧器給水壓力的衰減規(guī)律。由于實(shí)際運(yùn)行方式與理論假設(shè)并不一致，除氧器壓力的下降要緩慢得多，對(duì)于給水泵運(yùn)行的安全性提供了保障。
3.4 給水泵
3.4.1 給水泵入口水溫
給水泵入口水溫見(jiàn)圖10、圖11，從圖中看到，A、B泵前置泵入口水溫在前2min基本保持不變，之后以一定斜率下降。A泵入口從163.3℃經(jīng)11min降為155.0℃，下降速率0.75℃/min；B泵入口從166.3℃經(jīng)6min降為162.0℃，下降速率0.72℃/min，然后基本保持不變。兩者的水溫均低于除氧水箱水溫，并未出現(xiàn)水溫滯后下降的現(xiàn)象。而除氧水箱溫度在開(kāi)始的5min之內(nèi)保持171.0℃不變，從第6min才開(kāi)始下降，經(jīng)4min后降為168.0℃，它的變化速率小于前置泵入口的給水。
3.4.2 關(guān)于能量方程
由于DG600-240型給水泵密封水設(shè)計(jì)源于凝結(jié)水母管，而回水的一部分引入前置泵進(jìn)口（回除氧器），使前置泵入口水溫t1有所降低，按下式求出：
式中 Qw為本泵給水流量，kg/h；Qm為泵密封水回水流量，kg/h；tm為密封水回水溫度（90℃以下），℃。
凝結(jié)水母管溫度為32℃左右，經(jīng)泵密封后，有一定溫升，密封水系統(tǒng)設(shè)置調(diào)節(jié)門以保證供水壓力與除氧器壓力之間壓差在30kPa以上，而回水溫度要求不大于90℃，否則保護(hù)動(dòng)作，泵跳閘。由于B泵爐MFT之后向汽包供水，流量保持給水流量Qw，大于A泵處于的再循環(huán)工況（參見(jiàn)圖
7、圖 8），Qm亦與轉(zhuǎn)速的變化有關(guān)，這就解釋了B泵入口溫度高于A泵的現(xiàn)象。
3.4.3 散熱問(wèn)題
長(zhǎng)距離（20m以上）的管道雖在保溫條件下輸送給水，可避免導(dǎo)致大量散熱損失，但亦使入口溫度偏低。
3.5 給水泵安全性分析
（1）給水泵安全性分析的一般方法為[7]，前置泵入口處的有效汽蝕余量DHa必須大于必須汽蝕余量DHr，校核暫態(tài)工況下汽蝕余量的動(dòng)態(tài)最大降落值DHmax
=max[(ps-pd)v]，其中ps為前置泵入口水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力，v為給水比容的平均值。利用式(3)計(jì)算瞬時(shí)熱焓is、id，反算出ps、pd，其計(jì)算涉及在DHmax時(shí)累計(jì)進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水量xmax。得出的結(jié)論是汽化最危險(xiǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在凝結(jié)水管系第一次換水完畢之后，凝結(jié)水管系加上下降管第一次換水完畢總時(shí)間以前的某時(shí)刻內(nèi)，汽化點(diǎn)處在下降管的區(qū)段。從上面的分析來(lái)看，該計(jì)算偏于保守。暫態(tài)過(guò)程中汽蝕余量動(dòng)態(tài)降落實(shí)測(cè)計(jì)算值見(jiàn)圖12。從中看到，在負(fù)荷變動(dòng)的前1min，有增大的趨勢(shì)，從-18.61m變?yōu)?span lang="EN-US">-15.23m，之后逐漸下降，但整個(gè)過(guò)程(ps-pd)v均小于0，它表明DHa始終大于DHr，暫態(tài)過(guò)程不會(huì)發(fā)生汽化。
（2）從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，由于主泵較低溫度的密封水較回水引入前置泵入口，使入口水溫低于除氧水箱的溫度，其對(duì)應(yīng)的飽和壓力ps與除氧器壓力pd變化的趨勢(shì)見(jiàn)圖
13、圖 14。從中可見(jiàn)，A、B泵ps總是低于入口壓力p1=Hg+Pd-v12/2g-vDp，它門的差值大于前置泵的必須汽蝕余量Hr，表示前置泵不會(huì)發(fā)生汽化，更不會(huì)汽蝕或?qū)е聰嗔泄r。但低溫的凝結(jié)水未經(jīng)加熱器的加熱，直接引入給水，降低了整個(gè)機(jī)組循環(huán)熱效率，犧牲效率換取了給水泵的安全。
（3）FA1D56前置泵為一級(jí)雙吸葉輪，揚(yáng)程100m，與單吸泵相比，汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)提高1.414倍，抗汽蝕性能好，Hr=3.8m。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，只要前置泵不發(fā)生汽蝕，主泵就不會(huì)發(fā)生汽蝕，前置泵為定速泵，主泵轉(zhuǎn)速通過(guò)液力偶合器轉(zhuǎn)速可變，暫態(tài)過(guò)程抗汽蝕性能進(jìn)一步提高。在額定工況Q0、n0下最小必須汽蝕余量為Hr(min)，則在工況Q、n下，必須汽蝕余量為：
從上式可見(jiàn)，變工況下的必須汽蝕余量Hr，1/3取決于流量的改變，2/3取決于轉(zhuǎn)速的改變。對(duì)前置泵而言，轉(zhuǎn)速雖未改變，但流量下降（參見(jiàn)圖7、圖
8），必須汽蝕余量Hr減�。粚�(duì)于主泵，轉(zhuǎn)速和流量均減小，使進(jìn)口絕對(duì)速度和相對(duì)速度均減小，必須汽蝕余量Hr下降更多，這些都改善了泵組的抗汽蝕性能。
（4）給水流量Qw下降，給水下降管壓降Dp相應(yīng)降低，尤其是對(duì)于裝有入口濾網(wǎng)管道而言，有效汽蝕余量 增加，進(jìn)一步改善抗汽蝕性能。當(dāng)然，流量Qw的減小，延長(zhǎng)了下降管中水容量的換水時(shí)間，這是不利的。
4 結(jié)論及建議
（1）通過(guò)試驗(yàn)研究和計(jì)算分析，以及對(duì)泵組本身的監(jiān)測(cè)，國(guó)產(chǎn)300MW機(jī)組在負(fù)荷突變（達(dá)105.2MW/min）的情況下，除氧器壓力下降的速度比較緩慢，前置泵入口水溫的降低并未出現(xiàn)滯后，給水泵組不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。原因是負(fù)荷突變或發(fā)生甩負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變，延緩了除氧器壓力的降低；另外設(shè)計(jì)給水泵密封水回水引入前置泵入口改善了入口處水溫的特性。
（2）實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果表明，該型機(jī)組除氧器暫態(tài)過(guò)程中汽蝕余量的動(dòng)態(tài)降落值小于0，它表示正常運(yùn)行時(shí)（假設(shè)ps=pd）給水泵不發(fā)生汽化，暫態(tài)過(guò)程亦不會(huì)發(fā)生。加上運(yùn)行工況變化，必須汽蝕余量Hr減少，除氧器設(shè)計(jì)在二十幾米高的除氧層，其安裝高度可以降低，節(jié)省土建投資。除氧層高度降低，還可使下降管的換水時(shí)間加快，有利于改善汽蝕特性。從國(guó)外的300MW、600MW機(jī)組來(lái)看，由于前置泵結(jié)構(gòu)的改善，除氧器布置在4m，9m，12m的均有。
（3）實(shí)踐表明，當(dāng)工況大幅變化時(shí)，容器和管道中的沉淀、銹蝕等容易導(dǎo)入給水管道，引起入口濾網(wǎng)的堵塞而誘發(fā)給水泵組的汽蝕。如早期在徐州電廠、荊門電廠均因入口濾網(wǎng)污物匯集堵塞濾網(wǎng)而導(dǎo)致汽化[8]，日本三菱公司在珠海電廠700MW機(jī)組4級(jí)甩負(fù)荷試驗(yàn)中，有2次均因檢測(cè)到給水泵前置泵入口濾網(wǎng)發(fā)生堵塞誘發(fā)汽蝕而停泵，進(jìn)而MFT。因而，對(duì)前置泵入口濾網(wǎng)的堵塞問(wèn)題應(yīng)引起充分重視，建議設(shè)計(jì)有效的在線沖洗裝置，并設(shè)計(jì)給水泵汽蝕跳泵的聯(lián)鎖保護(hù)。
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