汽动给水泵组效率在线监测方法及应用.pdf

第 5 5卷 第 6期 2 0 1 3年 l 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY Vo 1 5 5 No 6 De c 2 0 1 3 汽动给水泵组效率在线监测方法及应用 李 勇， 李仁杰 ， 曹丽华， 张炳文 ( 东北电力大学能源动力工程学院 ， 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘要： 汽动给水泵组作为汽轮机的重要辅助设备 ， 其运行经济性受到了运行部门的普遍重视。提出了汽动给水泵 组效率的计算和在线监测方法。同时， 考虑到给水流量的测量误差比较大 ， 以除氧器入 口凝结水流量为基准计算 给水流量， 以便提高计算精度。对于辅助流量( 高加旁路泄漏量 、 给水泵密封水泄漏量 、 除氧器水位变化当量流量) 也进行了适当修正计算。将汽动给水泵组效率监测模型应用于某 6 6 0 MW机组， 结果表明， 该模型可以实时采集和 处理数据， 泵组效率的监测精度较高， 可以用来分析预测汽动给水泵组的性能变化。 关键词 ： 汽动给水泵组 ； 效 率 ； 在线监测 ； 经济性诊断 分类号 ： T M6 2 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 5 8 8 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6 - 0 4 0 8 - 0 3 On 1 i n e E f f i c i e n c y Mo n i t o r i n g Me t h o d a n d i t s Ap p l i c a t i o n o f T u r b i n e Dri v e n B o i l e r F e e d P u mp S e t L I Y o n g ， L I R e n -j i e ， C A 0 L i - h u a ， Z H A N G B i n g - w e n ( S c h o o l o f E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N o r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y ， J i l i n 1 3 2 0 1 2 ， C h i n a ) Abs t r a c t： As a n i mpo r t a n t a u x i l i a r y e q ui p me nt o f s t e a m t u r b i ne， t h e o p e r a t i ng e c o no my o f t h e t ur b i ne d riv e n bo i l e r f e e d p u mp s e t h a s a t t r a c t e d w i d e s p r e a d a t t e n t i o n f r o m t h e o p e r a t i o n d e p a r t me n t An O i l l i n e e f f i c i e n c y mo n i t o ri n g a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f t u r b i n e d ri v e n b o i l e r f e e d p u mp s e t i s p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r b y v e ri f y i n g t h e f e e d wa t e r fl o w wi t h t h e d e a e r a t o r e n t r a n c e c o n d e n s a t e f l o w a s t h e c ri t e ri o n c o n s i d e rin g t h a t t h e me a s u r e me n t e r r o r o f f e e d w a t e r fl o w i s l a r g e e n o u g h w h i c h c a n n o t b e n e g l e c t e d A p p r o p ri a t e c o rr e c t i o n o f t h e a u x i l i a r y fl o w( 1 e a k a g e o f t h e h y d r a u l i c b y p a s s s y s t e m o f H P h e a t e r s ， l e a k a g e o f s e a l i n g w a t e r fr o m f e e d w a t e r p u m p ， e q u i v a l e n t f l o w o f d e a e r a t o r w a t e r l e v e l c h a n g e s )w e r e a l s o p r o c e e d e d t o i mp r o v e t h e c a l c u l a t i o n a c c u r a c y T h e n e w c a l c u l a t i o n me t h o d h a s b e e n a p p l i e d i n o n e 6 6 0 MW s t e a m t u r b i n e u n i t ， t h e r e s u l t s s h o ws t h a t t h e s a i d me t h o d h a s t h e c a p a b i l i t y o f r e a l t i me a c q u i ri n g a n d p r o c e s s i n g d a t a wi t h h i g h e r a c c u r a c y w h i c h c a n b e u s e d t o a n a l y s e a n d f o r e c a s t c h a ng e s o f t h e t ur b i ne d riv e n b o i l e r f e e d pu mp s e t Ke y wo r d s ： t u r b i n e d r i v e n b o i l e r f e e d p u m p s e t ；e ffi c i e n c y；o n - l i n e mo mt o nn g；e c o n o my d i a g n o s i s 0 前言 汽轮发电机组的运行经济性不仅依赖于主汽轮机的效 率 ， 同时还 取决 于热力 系统 中各个辅 机 的配置 和运 行性 能。 随着火电机组单机容量和蒸汽参数的提高， 辅机的配置和运 行性能对机组热经济性的影响越来越大。作为火力发电厂 中重要辅助设备的汽动给水泵及其驱动汽轮机构成的汽动 给水泵组已经引起 了业内人士的广泛重视 。采用小汽轮 机驱动是给水泵驱动方式之一， 其具有安全可靠性高、 经济 性好 、 使用灵 活 等特 点 ， 我 国 3 0 0 MW 及 以上湿 冷 火 电机 组 中， 已大部 分采用小 汽轮机驱动 。 由于驱动给水泵的小汽轮机属于纯凝汽式 汽轮机 ， 无 回 热抽汽 ， 导致小 汽轮机 的排汽焓 无法 准确确定 ， 从 而 引起 小 汽轮机的相对内效率和给水泵效率均无法准确地实现在线 监 测。 我 国 现 行 的 测 试 标 准 G B 3 2 1 6 8 9 、 D L T 8 3 9 2 0 0 3 l 2 提出采用热力学方法测量给水泵效率， 但热力学方 法在计算给水泵效率时也存在着一定的问题 。一是测量 仪表精度等级不统一。一般地 ， 即使在相同的效率精度下 对于不同的测试场合所要求的测量仪表精度也不同， 有时甚 至相差很大； 二是即使测量仪表精度较高， 但由于安装 、 操作 以及读数等方面 的人为 因素 ， 也会影 响到测 量结果 。同时 ， 给水泵效率计算时还需要一些经验值或者能量损失率的估 计值等， 在一定程度上影响到给水泵效率的计算精度和汽动 给水泵组 的经济性评价 。 针对上述问题， 本文结合汽轮机及给水泵的工作原理， 提出采用汽动给水泵组效率作为评价指标， 并给出汽动给水 泵组效率的在线监测方法。同时， 基于凝结水流量确定给水 流量， 并计算汽动给水泵组的效率。最后， 对汽动给水泵组 效率的监测 进行 了应用检验 。 1 汽动给水泵组性能诊断方法 1 1 汽动给水泵组能量平衡方程 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 - 2 8 基金项 目： 吉林省科技 发展计划重点项 目( 2 0 1 1 0 4 0 9 ) 。 作者简介 ： 李勇( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 现主要从事火力发 电厂热经济性诊 断等方面的教学和科研工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李勇等 ： 汽动给水泵组效率在线监i 贝 0 方法及应用 4 0 9 汽动给水泵组 的能量平衡方程可表示 为 鲁专 。 ( ) 即 P ：P 叼 m 叩 叼 ( 2 ) 式中， P 。 为给水泵组的有效功率， 即给水泵输出功率 ， k W； P 为小汽轮机理想 内功率， k W； P 为小汽轮机实际 内功率， k W； P 为小汽轮机轴端功率， k W； 叼 为小汽轮机的相对内 效率； 7 为小汽轮机的机械效率 ； 研 为给水泵效率。 将汽动给水泵、 传动部件以及小汽机作为一个汽动给水 泵组， 则泵组效率定义为给水泵的有效输出功率与小汽轮机 输入功率之比， 即 P k= = m 叼 P ( 3 ) 式中， 叼 为泵组效率。 由于 目前小汽轮机相对内效率、 传动效率及给水泵效率 尚无成熟、 准确的在线监测方法， 这里， 对汽动给水泵组效率 进行监测 。 1 2 汽动给水泵组热力 系统分析 这里 ， 选择 以前 置泵 出 口为 人 口断面 、 给水 泵 出 口为 出 12 1 断面构建开口热力系统。如图 1中虚线框内图示。 图 1 6 6 0 MW 机组给水系统 在所选开 口热力 系统 中 ， 进入给水泵 的流量为 除氧器 出 口水流量， 包括凝结水流量、 除氧器抽汽流量、 高压加热器疏 水流量。出口水流包括进入高压加热器的主给水、 水泵出口 引出的过热器减温水和从给水泵中间抽头引出的再热器减 温水 。 小汽轮机的蒸汽汽源一般分为高压汽源和低压汽源。 正常运行时 ， 采用第 四级抽汽作为汽源， 为低压汽源。小汽 轮机的输入功率为蒸汽在小汽轮机 内的理想 内功率， 亦即假 定小汽轮机通流部分无任何损 失时的内功率 ， 即 P =D A h ( 4 ) 式中， D 为小汽机进汽量， k g s ； a h 为小汽轮机等熵 比焓 降 ， k J k g 。 汽动给水泵组的有效输出功率为 P p：D u ( P 。 一P p ， )+D ” t ， ( P 一 P ) ( 5 ) 其 中 D =D m +D ( 6 ) D”= Dm + D + D 。 ( 7 ) -U p： ( 8 ) -U n= ( 9 ) 式中， D 和 D ” 分别为以中间抽头为分界的泵高、 低压段水流 量， k g s ； -U 和 ” 分别为泵高、 低压段内水的比容， m k g ； p p 。 和p 分别为水泵出口压力、 中间抽头压力和水泵进 口压 力 ， k P a ； D 为给水流量 ， k g s ； D 为过热器减温水流量 ， k g s ； D 。 ， 为再热器减温水流量， k g s ； -U -U p 和 ” 分别为给水泵 出 口、 中间抽头和水泵进 E l 处水 的比容 ， m k g 。 2 汽动给水泵组效率在线监测系统 2 1 汽水流量在线核算 由式( 3 )一式( 5 ) 可知， 影响泵组效率计算精度的主要 因素是给水流量以及相关压力数据的准确度。而压力测量 装置的精度和工作稳定性都很高， 因此降低在线监测误差的 重点在于提高给水流量的测量精度。汽动给水泵组效率在 线监测流程如 图 2所示 。 图 2 泵组效率在线监测 系统 由电厂 的分 散控 制 系 统 ( D i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m， D C S ) ， 能够很方便地获得电厂运行的实时数据， 对实时数据 的测量误差进行检测和校正 ， 是机组性能监测和能损诊断急 需解决的问题 J 。随着机组容量增大、 参数提高， 直接测量 给水流量在技术上有很大的困难 ， 也存在相当的误差 。这 是由于给水温度普遍超过 1 5 0 C， 在一定程度上影响了给水 流量测量装置 的变形量 ， 并增加了 由于高雷诺 数引起 的流 量 系数的外推量 。同时， 考虑到凝结水流量表计的准确性较 高， 因此， 采用由凝结水流量导出给水流量的方法。本文以 除氧器人 口实测主凝结水流量作为流量的基准值 ， 通过高压 加热器、 除氧器的能量平衡和质量平衡确定出监测模型中相 关主、 辅汽水流量， 包括主给水流量、 四级加热器抽汽流量。 2 2基于凝结水流量确定给水流量 汽轮机性能试验时一般选择在进入除氧器的凝结水水 平直管段上加装流量测量装置， 并以此流量为基准计算给水 流量 ， 进而确定汽轮机组其它流量数值 。本文选取除氧器 凝结 水进 口与高压加热 器 出 口之 间的 回热 系统构 建开 口热 力系统， 以低压加热器出口实测的凝结水流量为基准， 调用 D C S中高压加热器和除氧器的温度、 压力测点的在线监测数 据， 得到锅炉给水流量。 1 号高压加热器热平衡方程式 Dl q 1=D 1 ( 1 0 ) 式中， D。 为 1号高压加热器内抽汽流量( 也即疏水流量 ) ， k g s ； g 为 1 号高压加热器内抽汽放热量， k J k g ； 为1号高 压加热器内给水比焓升， k J k g 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 0 汽轮机技术 第 5 5卷 2号高压加热器热平衡方程式 D1 y 2+D 2 q 2=Dm r 2 ( 1 1 ) 式中， ：为2号高压加热器内疏水放热量， k J k g ； D ：为2号 高压加热器内抽汽流量， k s ； q 为 2号高压加热器内抽汽 放热量 ， k J k g ； z 2 为 2号高压加热器内给水 比焓升， k J k g 。 3号高压加热器热平衡方程式 ( Dl +D 2 ) 3+D 3 q 3：D r 3 ( 1 2 ) 式中， 为 3号高压加热器内疏水放热量， k J k g ； D ，为 3号 高压加热器内抽汽流量， k g s ； q 为 3号高压加热器内抽汽 放热量， k J k g ； 7 ， 为3号高压加热器内给水比焓升， k J k g 。 除氧器热平衡方程式 4 D 4+D 4 q 4=D f 4 ( 1 3 ) 暑T 式中， D 为除氧器 内抽汽流量， k g s ； 为除氧器内疏水放 热量， k J k g ； q 为除氧器内抽汽放热量 ， k J k g ； D出为除氧器 内疏水流量( 也即出口水流量) ， k s ； r 为除氧器内给水 比 焓升， k J k g 。 除氧器质量平衡方程式 4 D =( D d 4 一 D m 5 ) ( 1 4 ) 式中， D 表示 5号低压加热器出口凝结水流量， k g s 。 由式( 1 O )式( 1 4 ) 中5个线性非相关方程计算 5个未 知数， D ( i =1 ， 2 ， 3 ， 4 ) 为计算过程量； D m 为待求量， 方程组有 唯一解。确定出给水流量， 代入式( 5 ) 中即可计算出汽动给 水泵组的有效输出功率。 2 3 小汽水流量的处理 ( 1 ) 高压加热器旁路阀的泄漏流量 高压加热器系统的给水侧通常设有旁路管道， 正常运行 计算中考虑。首先， 对给水管道与旁路管道的交叉点列出平 衡式 ， 确定给水泄漏流量占总给水流量的比例 ： L 二 ( 1 S ) h 1一 n“ 式中， h 为 1 号高压高压加热器出口水 比焓值 ， k J k g ； 为 管道交叉点给水比焓值 ， k J k g ； h 为除氧器出口水 比焓值 ， k J k g 。 然后， 在式( 1 0 ) 式( 1 2 ) 中用 D ( 1 一X) 代替 D ， 解 出D 即为给水流量。 ( 2 ) 给水泵密封水漏入给水的流量 给水泵的密封方式， 般有机械密封系统 ( 其密封水不 进入系统) 和注入式密封系统( 如迷宫式密封， 其密封水进入 系统) 两种。第一种的密封水为冷却用水， 与给水是不接触 的， 因此， 漏水量为零； 第二种通常有一定流量的密封水进入 给水或给水漏入密封水， 因此计算中必须考虑密封水漏水流 量 的影响。 ( 3 ) 除氧器水位变化当量流量 在文中建立的回热系统中， 需要考虑存水量变化的储水 容器主要是除氧器的水箱 ， 可以用实际标定的方法来确定存 水量变化与水位的关系曲线 ； 也可以结合结构尺寸通过计算 来求得。 3 计算实例 应用本文提出的效率计算模型， 调用某 6 6 0 MW 电厂汽 动给水泵组相关运行数据， 进行数值计算和分析， 结果见表 1 。 由表 1 可见， 采用式( 3 )一式( 5 ) 计算得到的汽动给水 泵组效率能很好地反映机组各工况下泵组的运行经济性， 而 时旁路系统隔离。如果旁路阀不严密会发生给水泄漏 ， 应在 且泵组效率整体上与机组负荷的变化趋势一致。 表 1 某 时间段 内泵组效率数值 ( 下转第 4 2 6页 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 6 汽轮机技术 第 5 5卷 咖I ； 汽轮机功率 ，Mw ( ) 二拖一 咖I 20 0 图 5 抽凝模式 汽轮机功率与供热蒸汽量的关 系 关系曲线是计算得到的。从图5中可以看出， 在抽凝工况下 加 ， 机组群负荷是逐渐降低的； 二拖一抽凝模式运行时， 最大 当燃机负荷率不变时， 随着供热蒸汽量的增加， 汽轮机负荷 供热量为1 7 6 9 G J h ； 一拖一抽凝模式运行时， 最大供热量为 逐渐减少 ； 在 背压 模式 下 ， 供热 蒸 汽量 越多 ， 汽 轮 机功 率越 7 8 0 G J h 。 大。 ( 4 ) 抽凝模式下， 当供热量一定时， 机组群存在最大功率 4 结论 以北京地区某 F级燃气 一 蒸汽联合循环机组为例， 通过 试验确定了背压模式下联合循环机组的最大、 最小供热量， 并以背压模式下的试验数据为基础， 建立了抽凝模式下机组 群负荷 、 供热量的数学模型， 得到了抽凝模式下联合循环机 组的供热性能和调峰性能。所得结论如下： ( 1 ) 背压模式下 ， 机组群负荷越高， 供热能力越大； 二拖 一 背压运行时， 供热量的范围为1 3 3 0 G J h一2 4 1 7 G J h ； 一拖 一 背压运行时， 供热量的范围为6 0 0 G J h 1 0 9 9 G J h 。 ( 2 ) 当环境温度和供热量一定时， 背压运行的联合循环 机组不具备调峰能力。 ( 3 ) 抽凝模式下， 当燃机负荷率不变时， 随着供热量的增 和最小功率 ； 随着供热量的增大 机组群的最大功率与最小 功率之差越来越小， 联合循环机组的调峰能力变差。 参 考 文 献 1 王永志 ， 陈元锁S 2 0 9 F A型机组“ 二拖一 ” 供热方 式下 的运行 优化研究 J 燃气轮机技术 ， 2 0 1 2， 2 5( 4 ) ： 5 4 5 7 2 叶东平 ， 杨其 国， 张宏涛 ， 等F级燃气 一蒸汽联 合循环中的热 电联供汽轮机 J 汽轮机技术， 2 0 0 6 ， 4 8 ( 3 ) ： 1 8 4 1 8 6 3 张壮 ， 马悦供热联合循 环机组性 能优 化分析 J 电力 建设 ， 2 0 1 2， 3 3 ( 1 0) ： 6 36 6 4 王永志 ， 何剑联合循 环电厂 汽轮机 供热 运行 的若干 问题 J 燃气轮机技术 ， 2 0 0 9 ， 2 2( 3 ) ： 6 1 6 3 5 朱宪然 ， 张清峰 ， 赵振宁7 0 0 MW 级多轴燃气蒸汽联 合循环机 组调 峰和启动特性 J 中国电力 ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 5 ( 上接 第 4 1 0页 ) 整个模型的计算迭代过程简单 ， 调用的测点数据少， 计 算结果准确度高， 可以实现给水泵组效率在线监测。 4 结论 ( 1 ) 本文提出一种在线计算汽动给水泵组效率的方法， 并将其应用于某 6 6 0 M W 汽轮机组 的汽动给水泵组 的在线监 测 中 ， 取得 了良好的效果 。 ( 2 ) 本文提出方法计算汽动给水泵组效率， 所需测点少， 原理简单， 简化了汽动给水泵组效率的计算过程； 且能通过 基准流量参数结合相关压力、 温度参数对相关汽水流量进行 在线确定， 保证了计算精度。 参 考 文 献 1 张艾萍 ， 刘桂华 ， 张宏学 汽动 给水泵组运行 特性对机组 热经 济性的影响 J 化工机械 ， 2 0 0 9， 3 6 ( 6 ) ： 5 5 8 5 6 1 2 D L T 8 3 9 2 0 0 3 大型锅 炉给水 泵性 能现 场试验 方法 S 2 0 0 3 3 赵伟光 ， 赵玉姿 ， 王九崇采用 温差法对 8 0 0 M W 机组汽动 给水 泵组效率测定及计算分析 J 汽轮机技术 ， 2 0 0 8 ， 5 0 ( 3) ： 2 3 0 2 3 3， 2 3 7 4 安连锁 ， 王松岭 ， 秦培义用热力学法对泵教率 、 流量进 行标测 定及在线监测的应 用研究 J 中国电机工程 学报 ， 1 9 9 2， 1 1 ( 2)： 3 642 5 刘福 国， 王学同 ， 苏相河 ， 等基于系统测量冗余 的电厂异常运 行数据检测与校正 J 中国电机工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 (7 ) ： 2 0 4 2 0 7 6 西安热工研 究所汽轮机热力实验 M 北京 ： 电力工业 出版 社 ， 1 9 8 2 ： 9 3 9 5 7 美国机械工程 师协会 汽轮机性能试验规程 S AS ME P T C 6 8 李勇 ， 王建君 ， 曹 丽华汽轮机主蒸汽 流量在线监 测方法研 究 J 热力发电 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 4 ) ： 3 3 3 6 ， 4 O w M一 鲫 解 吨 柏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m