第一章 电力行业

    第八节 锅炉给水泵变频调速节能改造（中）

    二、前置泵改造方案分析

    由于给水泵入口水温较高，使得给水近似饱和水，为了保证给水泵不发生汽蚀，一般高压给水泵都要设置低速前置泵。给水先通过前置泵升压后再进入主给水泵。这样就使主给水泵入口的压力大于给水温度所对应的汽化压力，避免了主给水泵的汽蚀。前置泵是在给水泵电动机直接驱动下定速运行的。给水 泵 电 动 机 变 频 调 速 改 造 后 ，前 置 泵 如 何 运 行？这是 变频改造必须要解决的问题。

    1 前置泵的运行工艺特点

    锅炉给水泵的入口水来自前置泵，前置泵的入口水来自除氧器；除氧器水箱中的水由汽轮机抽汽加热，始终处于饱和状态。如果运行工况发生变化，引起给水泵入口水的压力接近或低于饱和压力或相对水温升高超过饱和温度时，就都会发生汽化而引起给水泵汽蚀。

    前置泵入口的水不是人们在日常环境下所见到的水，而是密闭在管道中接近于饱和压力下的水，这个饱和压力就是除氧器的压力。机组正常运行时由汽轮机四段抽汽供给，对进入除氧器的水进行加热，因为是饱和水，所以其水温也对应于除氧器压力的变化而变化。当水温相对升高或压力相对降低，水都会发生汽化，这是饱和水的物理特性。

    机组运行过程中除氧器的压力随机组负荷变化而变化，对于300MW等级机组而言，在66MW～300MW区间可滑压于0.15～0.8MPa。给水泵的转速越高（满负荷时接近6000r/min 左右）接近饱和温度的水就越容易汽化而引发给水泵的汽蚀，为了确保造价昂贵的给水泵长期安全运行，配置前置泵是一种提高给水泵抗汽蚀能力的有效措施。

    前置泵的工作条件也是同样严峻的，其本身也要有针对性地增强抗汽蚀的能力，比如设计了很低的必须汽蚀余量（NPSHr），TB工况点通常在 3 m左右，较低的转速（1490r/min），特殊的抗汽蚀材质，双吸入口结构等等，而出口扬程又选择在95m左右（差不多是给水泵汽蚀余量的3倍）。所以，给水前置泵的结构、材质和参数是专门为输送饱和水而设计的，经过了几十年的运行考验和完善，技术已经非常成熟，可以适应机组的任何运行工况，即使在非常恶劣的工况下（譬如“RB”工况）仍可正常工作。

    给水泵入口压力＝除氧器压力＋除氧器与给水泵的高程差静压＋前置泵的扬程。水的汽化是引发给水泵汽蚀的重要原因之一，所以为给水泵配置一台前置泵是目前大型火电厂中锅炉给水泵组广泛采用的设计方案。前置泵选取的扬程必须高于除氧器额定压力，通常 200MW机组为 75～80 m，300MW机组为 95～100m，600MW机组 135～145m，都高于机组 ECR 工况下除氧器的压力。前置泵要达到设计扬程，就一定要在额定转速下工作，才能保证即便在除氧器压力突然大幅下降时也能维持给水泵入口压力自始至终都高于给水饱和压力，并且还要留有足够的汽蚀余量，才能防止因为水温对应于除氧器压力相对升高而引发的给水汽化。因此，无论是汽动给水泵还是电动给水泵，前置泵的转速都是定速的（1490r/min），只不过电泵的前置泵是由给水泵电动机同轴拖动，而汽泵的前置泵则是由单独的电动机驱动的。

    由于除氧器水箱容积超过100 m³，所以水温的变化速率远低于压力的变化速率，因此当机组快速降负荷工况时，给水泵入口温度不会马上发生变化，而改成了调速运行的前置泵的出口压力却会迅速降低（例如当给水泵电动机的转速降低至 80％时，前置泵出口压力会降低到额定压力的 65％左右），再加上除氧器压力也同时降低，叠加的结果直接降低了给水泵的入口压力，若给水泵入口压力低于给水温度所对应的饱和压力时就必将引发给水泵汽蚀。

    除氧器水箱的压力能随汽轮机负荷的增减快速升降，而要让100m³容积的储水降温则相对较慢。这一现象对给水泵的安全运行极为不利，尤其是当机组发生“RB”工况而快速降负荷时就更为严重。所以液偶调速的电动给水泵配置前置泵且定速运行是消除这种不利因素的重要防范措施。当然也有出于安装位置的限制的因素。如果前置泵随主泵调速运行，在机组正常运行时可能问题不大，还能够保证给水泵不发生汽蚀；如出现“RB”工况就不好说了。

    2 前置泵转速（—流量）分析

    由于前置泵与主给水泵用同一台电动机驱动，所以其转速与主给水泵一致。

    主给水泵由于系统静扬程（汽包压力）的存在，并且占到其额定扬程的比例还很大，有时甚至可达额定扬程的60～80%，故其阻力曲线不通过坐标原点，因此不再是相似曲线，其流量和扬程与转速的关系也不再符合比例定律。所以变速前后流量比不等于转速比，也就是说流量不再与转速的一次方成正比，而是流量比恒大于转速比，或流量的变化要远大于转速的变化。

    汽包压力为给水泵额定扬程的50%，当流量降低到额定流量的50%时，其转速还有额定转速的83%；若汽包压力为给水泵额定扬程的60%，当流量降低到额定流量的50%时，其转速还有额定转速的84.8%；若汽包压力为给水泵额定扬程的80%，当流量降低到额定流量的50%时，其转速还有额定转速的89.9%。而此时的前置泵，其转速与主给水泵相同，不可能像流量一样降低到50%，并且由于前置泵与给水泵之间不存在静扬程，其流量与转速的一次方成正比，分别为额定流量的83%、84.8%和89.9%，远远大于主给水泵的流量，主给水泵的作用就相当于前置泵的出口门，当出口门开度减小阻力增大，使得流量减小而压力增大，这就会使给水压力增加，平均大约可使前置泵扬程增加10%左右。前置泵的扬程与转速的二次方成正比，它们分别是额定扬程的68.89%、71.91%和80.82%。由于给水泵的入口压力等于除氧器压力、管道静压和前置泵扬程之和，若此时的除氧器压力为0.5MPa，管道静压为0.2MPa，前置泵额定扬程为0.95MPa的话，给水泵入口压力在1.6MPa以上。若此时的给水温度为173℃的话，其饱和压力为0.83MPa，考虑到给水泵的必须汽蚀余量为40m的话，还有0.5MPa的压力余量（而水泵的必须汽蚀裕量也是随着流量的减小而减小的）。这还没有计及由于前置泵流量远远大于给水泵流量而导致的给水压力增加值，而这也对防止给水泵汽蚀有利。

    3 机组正常变负荷运行分析

    当机组变负荷运行时，随着机组负荷下降→汽轮机调门关小→抽汽压力降低→除氧器工作压力下降，如果机组滑压运行的话，随着机组负荷的降低，主蒸汽压力（汽包压力）随着下降，除氧器压力降低，而温度也随之下降，给水饱和压力也会随之降低。内蒙古乌拉特发电厂有两台300MW机组, 给水泵额定扬程：2366 m，汽包压力18.5Mpa，静扬程为额定扬程的78%；额定给水温度175℃。前置泵额定扬程47.5m（只有设计值的一半），这应该是所遇到的前置泵调速运行时对给水泵汽蚀最为不利的情况了！我们来看看如果前置泵随主泵调速运行的话，情况又会是怎样的呢？当机组逐级减负荷到40% 额定负荷（120MW）时，其各种运行参数的变化如表1所示：

    表1 300MW机组变负荷运行时各级参数的变化（给水泵∕前置泵调速运行）

根据各种负荷下的给水压力余量，就可以分析出给水泵的汽蚀情况：给水压力余量为正值，表示给水泵不会发生汽蚀；等于或接近于零表示处于临界汽蚀状态，有可能发生隐性汽蚀；若给水压力余量为负值，则给水泵发生汽蚀。由表2可见，虽然本工程的前置泵扬程很低（47.5 m），如果前置泵随主泵调速运行的话，给水泵入口压力就会降低；而给水温度也是随着负荷下降而降低的，所以给水饱和压力也随着降低,在保证了给水泵的汽蚀余量后，还有足够的给水压力余量，当机组负荷降低到40%额定负荷时都不可能发生汽蚀。所以前置泵可以随主泵调速运行，不必改成定速电动机拖动。

    4 机组快速甩负荷运行（RB工况）分析

    （1）从100％ECR快速降至50％ECR时前置泵变速／定速运行参数的比较

    当前置泵处在变转速工作方式下，机组从满负荷突然快速下降到 50％ECR时（这是最为恶劣的情况，虽然此种负荷变化非常少见，但一定会有）。机组DCS系统专门配备有 RB 功能以应对这种运行工况），给水泵入口前的参数发生了较大变化（给水泵入口的压力等于除氧器压力、管道静压和前置泵扬程之和）。假设管道静压在0.2MPa基本不变，除氧器的工作压力下降到0.48MPa（机组负荷下降→汽轮机调门关小→抽汽压力降低→除氧器工作压力下降），变速前置泵因转速由主泵决定，主泵转速随机组负荷下降而降低（主泵的流量与转速的变化已不成一次方关系），当流量为50%额定流量时，转速降至80%额定转速，前置泵扬程下降到0.30MPa（泵的出口压力与转速的变化成二次方关系），给水泵入口压力接近0.98MPa，此时给水温度仍在 172℃（压力变化快温度变化慢），根据饱和蒸汽/压力对照表可知此时的饱和压力为0.83MPa 不变。虽然低于给水泵入口压力所对应的饱和温度179℃，但是还要考虑20m的汽蚀余量的话，给水泵的入口压力余量就显得不足了，有可能会发生隐性汽蚀。

    （2）从100％ECR快速降至40％ECR时前置泵变速／定速运行参数的比较

    因某种突发原因机组从100％ECR甩负荷到40％ECR，最明显的变化是给水泵的入口压力，液偶调速（前置泵定速）状态下是1.48MPa，而变频调速（且前置泵变速）状态下变成了0.88MPa，对比两种工况下的除氧器压力、管道静压，给水泵变频改造前后是相同的，可见直接影响给水泵入口压力的就是前置泵的扬程。当负荷由100％ECR快速降至40％ECR 的短时间内，锅炉给水泵入口的给水温度仍然保持在172℃（接近100％ECR负荷下除氧器的水箱水温），此时的饱和压力为0.83MPa不变。虽然水温低于入口压力下的饱和温度（174℃），但是已经没有多少汽蚀余量了，基本上处于临界汽蚀状态，并且可能已经发生汽蚀。

    而如果前置泵定速运行的话，其扬程保持在0.47Mpa不变，在50%负荷时可维持给水泵入口压力1.09MPa，还有26m汽蚀余量，设备运行十分安全；在40%负荷时，也可维持给水泵入口1.03 MPa的压力，还有20m汽蚀余量，设备运行同样十分安全。考虑到机组甩负荷工况的要求，前置泵必须改成由定速电动机驱动。表2、表3所示分别是当前置泵变速和定速运行时，机组从100%额定负荷甩负荷到各不同负荷时各级参数的变化情况。

    表2 300MW机组甩负荷运行时各级参数的变化（给水泵∕前置泵调速运行）

表3 300MW机组甩负荷运行时各级参数的变化（前置泵定速运行）

那么让我们再来看看如果按照设计规范来选择前置泵扬程（95m）的话，情况又是怎样的呢？由表4可见，在机组正常变负荷时，前置泵随主泵调速运行，存在非常大的压力余量，似乎有点浪费，给水泵运行非常安全。由表5可见，即使机组突然甩负荷至50%额定负荷，在满足了20m的汽蚀余量后，给水泵入口还有0.17MPa的压力余量，可以确保不会发生汽蚀；机组突然甩负荷至40%额定负荷时，在满足了18m的汽蚀余量后，给水泵入口还有0.07MPa的压力余量，给水泵也不会发生汽蚀。由此可以看出，火电设计规范中选择300MW机组给水前置泵的扬程为95m是有道理的：就是能够保证在机组最恶劣的甩负荷工况条件下，前置泵也可以随主泵调速运行，而不会引起给水泵的汽蚀。根本就不需要采用单独的定速电动机拖动改造。可见任何存在的东西都有它的合理性：选择扬程低的前置泵，有其运行的经济性，选择扬程高的前置泵，又有其运行的可靠性。

    表4 300MW机组正常变负荷运行时各级参数的变化（前置泵调速运行）

    表5:  300MW机组甩负荷运行时各级参数的变化（前置泵调速运行）

由于当时技术和经济条件的局限，国内电动给水泵几乎全部设计采用液力耦合器调速，而前置泵则都是利用电动机另一端的轴驱动作定速运行的，这样设计占用空间小，并且容易实现。反而想要使前置泵调速运行倒是很难实现。完全没有考虑到若干年后要改成变频调速控制的需要。由于前置泵定速运行，所以没有必要选择高扬程的前置泵，完全能够满足给水泵在机组任何工况下的运行安全性，另外扬程低了还可以节省能耗。这种现状是历史原因造成的，并不能作为前置泵必须定速运行的理由。

    5 前置泵改造方案

    （1）前置泵定速运行方案：

    就是将前置泵与主给水泵电动机脱开，配备单独电动机驱动定速运行。实现这一方案需要设计院设计前置泵电动机基础，配备一台高压电动机、一面高压开关柜、相应的电力电缆及控制电缆，这一方案造价较高，现场条件亦不许可，故难于实现。（如果供电允许，也可以采用低压电动机拖动。）

    （2）更换前置泵变速运行方案：

    更换一台扬程大一档的前置泵调速运行，将原配备的前置泵拆除，安装和改造工程量较大，更换后轴功率增加很多，会使能耗增加。（也可以采取加大叶轮的方法使扬程提高20-30%，然后随主电动机调速运行。）

    （3）不用前置泵，给水泵增加诱导轮变速运行方案：

    原前置泵不用，改造给水泵：在给水泵一级叶轮前增加一级诱导轮。给水泵芯包需要返厂改造，改造时间需要三个月，工期长费用高且改造后轴功率增加较多，影响运行的经济性，所以也不可取。

    （4）前置泵直接变速运行方案：

    前置泵不作任何改造，随主给水泵调速运行，改造工作量最小，但是必须保证改造后在机组任何运行工况下给水泵不会发生汽蚀。这就需要在改造前根据设备和机组运行参数，进行详细的技术核算，只有在确保给水泵不会发生汽蚀的情况下才能直接随主泵调速运行。

    6 本节小结

    由于火电机组大小、类型差别很大；所选用的辅机设备的参数差别也很大，这就是说在保证机组正常运行的前提下，其参数所留的余量的差别也是很大的，当需要改变运行方式时（如定速前置泵改为变速运行），就会出现很大的差别，所以不能一概而论地说“行”或“不行”。而要经过周密慎重的核算后才能确定。核算需要的数据和步骤已在上面详细介绍，以供参考。

    从以上的具体分析可见，对于大多数机组来说，并且在机组绝大部分运行工况下，前置泵变速运行是可行的。那么对于那些不经过改造就能随主泵调速运行的前置泵，又何必多此一举的进行定速驱动改造呢？要知道前置泵定速驱动改造需要增加一台高压（或低压）电动机，一面电气控制柜；另外基础和水路系统也要进行改造，不但增加改造投入，而且工作量巨大，改造周期长，不符合发电厂节能改造原则。对于发电厂以节能为目的的技术改造必须符合以下三个原则：（1）必须坚持安全可靠的原则；（2）必须坚持低投入高产出取得最佳经济效益的原则；（3）必须坚持现场适宜和改动最小的原则。