給水泵汽輪機的熱經濟性分析

【摘要】本文提出在火電廠內采用小型汽輪機，帶動鍋爐給水泵做功后，將其排汽與經減溫減壓后的鍋爐出口蒸汽相混合，加熱進入熱力除氧器的軟化水。并通過對電動機帶動水泵+變頻器調速、電動機帶動水泵+液力耦合調速、汽輪機帶動水泵+電液調速這3種帶動調速方案的經濟性進行了比較，得出最終的結論：汽輪機帶動水泵+電液調速系統的經濟性最優，最具有節能效益。

【關鍵詞】火電廠;汽輪機;給水泵;經濟性

1.前言

近年來，能源緊張成為困擾全球的難題。尤其是近幾年來，我國火電廠的生產成本大幅增加。而另一方面，上網電價、熱價增長有限，使火電廠利潤下滑，甚至虧損。在這種背景下，火電廠應充分發揮自身能動性，在內部進行技術革新，進一步節能降耗，提高效益。其中，運用背壓式工業汽輪機帶動鍋爐給水泵，其工作原理簡單易行，可以節約電能，也更增強了鍋爐運行的安全系數，是火電廠實施技術革新的一條有效途徑。本文即對火電廠汽輪機帶動鍋爐給水泵的可行性進行探討。

2.工藝流程、調速系統及設備的集成化

（1）工藝流程

鍋爐出口蒸汽主要用于發電，出口蒸汽進入發電主汽輪機，做功發電后排汽，經冷凝器凝結后進人熱力除氧器，經除氧后用鍋爐給水泵將凝結水輸入鍋爐，循環使用。由于熱力除氧器所需蒸汽壓力、溫度均低于鍋爐出口蒸汽的壓力、溫度，因此若不考慮增設汽輪機帶動鍋爐給水泵，則需將鍋爐出口蒸汽減溫減壓后供人熱力除氧器。這樣，蒸汽的焓會被消耗掉。若增設小型汽輪機帶動鍋爐給水泵，把鍋爐出口蒸汽引入小型汽輪機， 將做功后的排汽引入熱力除氧器，可實現能源的梯級利用。熱力除氧器用汽量往往大于小型汽輪機的排汽量，這時不足的蒸汽量由鍋爐出口蒸汽經減溫減壓后補足，這樣可把能耗降到最低。

（2）調速系統

為使火電廠供熱量滿足外界負荷變化并達到節能降耗要求，電動機帶動水泵時，可采用變頻調速系統或液力耦合系統，滿足調速要求。汽輪機帶動水泵時，采用電液調節系統即可滿足調速要求，只需配備一套信號與反饋控制裝置。控制原理為：反饋器將采集信號傳送給調速器，調速器根據采集信號自動調節汽輪機主汽閥連桿行程，改變汽輪機主汽閥相對開度，調節蒸汽流量，控制汽輪機轉速，從而改變鍋爐給水泵的流量和揚程。電液調節系統的調速范圍較寬，一般在50%～100%。

（3）汽輪機帶動設備的集成化

對于工業汽輪機帶動水泵，目前大多數工業汽輪機廠家都有成套設備供應，包括工業汽輪機、水泵以及相應的控制調速和冷卻系統。設計單位只需提供水泵的參數及汽輪機進出口蒸汽參數，可大幅降低設計工作強度，提高設計效率。采用集成化方式，簡化了設備的布置。將汽輪機的油箱、油冷卻器布置在汽輪機本體的下部， 在其上方直接安裝汽輪機本體、調速器及水泵，占地面積小，安裝使用方便。

3.技術性分析

（1）設備選型

在供熱量和設備規模一定的條件下，熱力除氧器的用汽量是一定的。當汽輪機的排汽量超過熱力除氧器用汽量時，多余的排汽因壓力低無法利用，只能排空。不僅造成能源浪費、工質損失，還污染環境（噪聲和熱污染）。因此，小型汽輪機的排汽量應小于火電廠最小工況下熱力除氧器用汽量，使小型汽輪機能穩定、安全運行，不足的蒸汽量由鍋爐出口蒸汽經減溫減壓后補足。

下面以某市火電廠4*75t/h循環流化床中壓蒸汽鍋爐為例進行計算和比較。循環流化床蒸汽鍋爐出口蒸汽參數：質量流量75t/h，壓力3.82MPa、溫度450℃。外供蒸汽參數：質量流量250t/h，壓力1.60MPa、溫度300℃。熱力除氧器進汽參數：質量流量50t/h、壓力0.2MPa、溫度250℃。為提高能源的利用率，決定部分鍋爐給水泵采用小型汽輪機帶動。若小型汽輪機所能帶動的水泵流量不能滿足鍋爐的供水需要，則不足的部分可由電動水泵供給。根據鍋爐出口蒸汽參數和熱力除氧器進汽參數，確定小型汽輪機的設計參數。小型汽輪機的具體設計參數見表1。

表1 小型汽輪機的設計參數

進汽壓力/MPa 3.82

進汽溫度/℃ 450

排汽壓力/MPa 0.3

排汽溫度/℃ 250

額定轉速/min-1 2980

額定功率/kW 400

（2）熱力除氧器用汽量

由小型汽輪機設計參數可得到，小型汽輪機的進汽比焓為3333.47kJ/kg，排汽比焓為2967.93kJ/kg，小型汽輪機總效率為0.55，包括機械、散熱、潤滑油系統損失等。熱力除氧器的進水最小質量流量為100t/h，進水溫度為40℃，進水比焓為167kJ/kg。出水溫度為104℃，出水比焓為440kJ/kg。

根據熱平衡原理，有以下等式：

（1）

式中：

qm，d，w—熱力除氧器進水最小質量流量，t/h

h4—熱力除氧器出水比焓，kJ/ kg

h3—熱力除氧器進水比焓，kJ/kg

qm，d，s—熱力除氧器的用汽量，t/h

h2—熱力除氧器進汽比焓，kJ/kg，即小型汽輪機排汽比焓

將已知數據代人式（1），計算得：

qm，d，w=10.8t/h

（3）小型汽輪機用汽量

小型汽輪機單位功率用汽量qm，s的計算式為：

（2）

式中：

qm，s—小型汽輪機單位功率用汽量，kg/（h.kW）

h1—小型汽輪機進汽比焓，kJ/kg

—小型汽輪機總效率，取0.55

將已知數據代人式（2）計算得：

qm，s=19.69kg/（h.kw）

經計算得，小型汽輪機總用汽量為8t/h。由以上計算可知，小型汽輪機用汽量小于熱力除氧器用汽量。

因此，該工程可以采用小型汽輪機帶動鍋爐給水泵。不足部分由鍋爐出口蒸汽經減溫減壓后補足。

4.經濟性分析

（1）帶動及調速方式

該火電廠鍋爐給水泵的帶動及調速方式有3種方案：

方案1，電動機帶動水泵+變頻器調速;

方案2，電動機帶動水泵+液力耦合調速;

方案3，汽輪機帶動水泵+配套調節系統。

這三種方案的特點見表2。

表2 3種方案的特點

方案 方案1 方案2 方案3

帶動方式 電動機帶動 電動機帶動 汽輪機帶動

調速方式 變頻 液力耦合 電液調節

調速范圍 0～100% 30%～97% 50%～100%

節能效果 較好 一般 好

維護檢修難以程度 較易 易 易

（2）設備造價

方案1，電動機造價為12.5萬元，變頻器造價為40萬元，總設備造價為52.5萬元。方案2，電動機造價為12.5萬元，液力耦合調速裝置造價為12.5萬元，總設備造價為25萬元。方案3的總設備造價為48萬元。

在經濟性分析中，只考慮主要設備的造價，輔助設備未計在內。例如電纜、輸變電設備、 蒸汽管道、各種閥門等。一般情況下，方案1、2的輔助設備造價較高，因此不計人輔助設備造價更能體現方案3的經濟性。

（3）運行費用

對于方案1、2，電動機額定功率為400kW，電價按0.51元/（kW.h）計算。假設在設計負荷下電動機工作功率為額定功率，計算得每臺水泵單位時問運行費用為204元/h。年運行時問按5500h/a計算，此時方案1、2的年運行費用為112.20萬元。對于方案3，假設在設計負荷下小型汽輪機工作功率為額定功率，每臺水泵單位時間運行費用的計算式為：

（3）

式中：

f-每臺水泵單位時問運行費用，元/h

qm—小型汽輪機總用汽量，t/h，為8t/h

PS—蒸汽單價，元/GJ，取32元/GJ

將已知數據代入式（3），計算得到f=94元/h。年運行時間按5500h/a計算，方案3的年運行費用為51.7萬元。

（4）經濟性分析

表3 3種方案的設備造價及年運行費用

方案 方案1 方案2 方案3

設備造價/萬元 52.5 25 48

年運行費用/（萬元） 112.2 112.2 51.7

3種方案的設備造價及年運行費用見表3。方案1無論設備造價還是年運行費用都比方案3高。方案2雖然設備造價比方案3低23萬元，但年運行費用比方案3高60.5萬。項目投產1年后方案3的經濟性就可超過方案2，并收回投資成本。

5.結束語

火電廠采用工業汽輪機帶動鍋爐給水泵，具有極好的節能效果和經濟效益，更有社會效益，具有廣泛的應用前景。應大力推廣這項技術在火電廠的應用，促進火電廠的節能水平、 經濟效益的進一步提高。

參考文獻

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