600 MW級空冷機(jī)組給水泵配置分析

鄭國寬，李翠翠，陳廣林

（中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

600 MW級空冷機(jī)組給水泵配置分析

鄭國寬，李翠翠，陳廣林

（中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

鍋爐給水泵是電站主要輔機(jī)之一，其配置形式對機(jī)組的初投資、利用率、穩(wěn)定性影響重大。以600 MW級空冷機(jī)組為模型，對電動泵方案、汽動泵同軸驅(qū)動前置泵方案和 “主機(jī)泵”方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。通過比較，電動泵方案初投資低、廠用電率高、供電煤耗高、經(jīng)濟(jì)性最差。汽動泵同軸驅(qū)動前置泵方案初投資高、系統(tǒng)復(fù)雜、運行維護(hù)工作量大、供電煤耗低、綜合經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越，可作為該類型機(jī)組的優(yōu)選方案。“主機(jī)泵”方案具有初投資較低、傳遞能量效率高、廠用電率低等特點，可作為一種新的備選方案。

鍋爐；電動給水泵；汽動泵同軸驅(qū)動前置泵；主機(jī)泵；配置方案

0　引言

隨著火電機(jī)組蒸汽初參數(shù)的不斷提高，遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)成熟應(yīng)用，“三北”地區(qū)在大力推廣600 MW的高效超超臨界空冷機(jī)組對解決煤炭與水資源的矛盾和電力工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。鍋爐給水泵是機(jī)組的主要輔機(jī)之一，具有初投資大，運行維護(hù)費用，高的特點，如何合理配置給水泵，降低工程造價和運行維護(hù)費用成為燃煤電站研究的主要課題之一。目前600 MW級大容量鍋爐給水泵配置方式主要有電機(jī)驅(qū)動方案和小汽機(jī)驅(qū)動方案兩種配置形式，本文對給水泵電動調(diào)速配置方案、汽動調(diào)速配置方案和主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動給水泵技術(shù)方案進(jìn)行比較、分析、探討，以期為以后600 MW級機(jī)組實際工程中鍋爐給水泵的設(shè)計選型及機(jī)組設(shè)備改造升級提供參考。

1　給水泵配置模式介紹

給水系統(tǒng)是火力發(fā)電廠主要系統(tǒng)之一，給水泵合理選型對降低整機(jī)投資和確保機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行具有重要意義。給水泵配置形式的確定主要取決于機(jī)組的容量、機(jī)組的性質(zhì)、設(shè)備的質(zhì)量、初投資等諸多因數(shù)［1］。

1.1電動調(diào)速泵配置方案

目前，按照給水泵的容量劃分，電動泵配置方案主要有4種形式，即:3×50%容量的電泵，2臺運行1臺備用；2×50%容量的電泵，不設(shè)置備用泵；3×35%容量的電動泵，不設(shè)置備用泵；4×25%容量的電泵，不設(shè)置備用泵。前3種配置形式的電泵常見于600 MW級容量及以下容量的機(jī)組，只有少數(shù)1 000 MW級容量的機(jī)組配置4× 25%容量的電泵［2］。電動給水泵方案具有系統(tǒng)簡單、可靠性高、運行檢修維護(hù)工作量小等特點，從能源利用效率角度考慮300 MW級及以下容量機(jī)組多配置電動給水泵。

1.2汽動調(diào)速泵配置方案

從目前投運的機(jī)組的運行數(shù)據(jù)，汽動給水泵方案與電動給水泵方案在廠用電率的比較來看，汽動給水泵方案比電動給水泵方案可節(jié)約3.3%，所以，汽動給水泵在600 MW級及以上容量機(jī)組應(yīng)用更為廣泛［3］。汽動給水泵配置方案常見的有以下幾種方案:2×50%容量的汽動泵，設(shè)置30%容量的電動啟動/備用調(diào)速/定速泵；2×50%容量的汽動泵，不設(shè)置備用泵；1×100%容量的汽動泵，設(shè)置30%容量的電動啟動/備用定速/調(diào)速泵；1×100%容量的汽動泵，不設(shè)置備用泵；1 ×100%容量的汽動泵，取消電動前置泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設(shè)置30%容量的電動啟動/備用定速/調(diào)速泵。

1.3主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動給水泵配置方案

給水泵的的電動驅(qū)動方案和汽動驅(qū)動方案各有優(yōu)劣，電動給水泵耗電量高，能源利用率低，而汽動給水泵初投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，且運行檢修維護(hù)的工作量大。近年來，國內(nèi)外提出一種新型的給水泵驅(qū)動形式，即:主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動給水泵技術(shù)，該技術(shù)又稱 “主機(jī)泵”技術(shù)，這種配置方案是將給水泵與主汽輪機(jī)同層布置，通過聯(lián)軸器、變速箱及液力耦合器（調(diào)速之星）等裝置與主汽輪機(jī)相連，以主汽輪機(jī)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)代替電機(jī)或小汽輪機(jī)［4］。該系統(tǒng)通常配置2×50%容量的給水泵，設(shè)置30%容量的電動啟動/備用定速/調(diào)速泵或配置1×100%容量的給水泵，設(shè)置30%容量的電動啟動/備用定速/調(diào)速泵。“主機(jī)泵”兼?zhèn)淞穗妱咏o水泵和汽動給水泵的優(yōu)點，同時克服了這兩種配置方式的缺點，在降低廠用電耗，提高整機(jī)效率的同時，減少機(jī)組的初投資，使給水系統(tǒng)大為簡化，廠房布置更為簡單。表1給出國內(nèi)外一些電廠采用 “主機(jī)泵”的情況［5］。

表1　國內(nèi)外電廠采用主汽輪機(jī)同軸驅(qū)動給水泵的情況

2　3　種驅(qū)動形式給水泵技術(shù)差異比較

2.1給水泵布置

從設(shè)備的布置來看，電動給水泵均布置在汽機(jī)房0 m位置，主廠房跨度按30 m考慮。汽動給水泵主泵一般布置在汽輪機(jī)運轉(zhuǎn)層，前置泵布置在汽機(jī)房0 m位置，主廠房跨度為32 m。當(dāng)汽動給水泵與前置泵同軸布置時，前置泵與主泵一起布置在運轉(zhuǎn)層，為防止前置泵氣蝕，除氧水箱高度至少要高于前置泵進(jìn)水口17 m以上。“主機(jī)泵”一般布置在主汽輪機(jī)機(jī)頭位置，前置泵和啟動/備用電動給水泵布置在除氧間0 m位置，主汽門及其管道，再熱汽門及其管道，開、閉式水管道的布置在常規(guī)布置基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，主汽門（包含油動機(jī)）仍布置在主汽輪機(jī)機(jī)頭前端，支撐結(jié)構(gòu)均無變化，只是增加主汽導(dǎo)汽管道的長度，由于取消了小汽輪機(jī)及其附屬系統(tǒng)（油系統(tǒng)、排汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)等），汽機(jī)房的跨度比汽動給水泵方案縮短近2 m，與電動給水泵方案相同。表2給出3種配置形式汽機(jī)房的布置尺寸，可見電動給水泵方案和汽動給水泵方案在汽輪機(jī)房布置尺寸上較為接近。在基座方面，電動給水泵和汽動給水泵均采用彈簧隔振技術(shù)，而 “主機(jī)泵”基礎(chǔ)和主汽輪機(jī)的基礎(chǔ)融為一體，采用固定基礎(chǔ)，從而解決了沉降差別和振動頻率不協(xié)調(diào)的問題。

表2　汽輪機(jī)房布置尺寸比較

2.2傳動控制機(jī)構(gòu)

2.2.1調(diào)速系統(tǒng)

目前，電動給水泵的調(diào)速裝置均采用液力耦合器，汽輪機(jī)油在泵輪和渦輪組成的密閉腔室內(nèi)循環(huán)流動，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上，當(dāng)泵輪旋轉(zhuǎn)時，高速汽輪機(jī)油流被泵輪甩出進(jìn)入渦輪后推動渦輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將電機(jī)的能量傳遞給水泵，給水泵的轉(zhuǎn)速由勺管控制排油量來調(diào)節(jié)。汽動給水泵轉(zhuǎn)速由小汽輪機(jī)MEH來調(diào)節(jié)，MEH通過改變小汽輪機(jī)的進(jìn)汽量來控制小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變給水泵的輸出轉(zhuǎn)速。“主機(jī)泵”的調(diào)速機(jī)構(gòu)采用調(diào)速之星，該調(diào)速裝置是德國福伊特公司研發(fā)的產(chǎn)品，調(diào)速范圍在10%～105%之間，其高效率基于功率分流原理，轉(zhuǎn)速依靠液力變矩器來調(diào)節(jié)［6］。與液力耦合器相比，其核心部件為行星齒輪組，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)精度0.1%，泵組從靜止到滿負(fù)荷只需5 s，且只有25%左右的功率通過工作介質(zhì)傳播，75%以上的功率是以純機(jī)械方式傳遞的，其能量傳遞效率高達(dá)96%。

2.2.2聯(lián)軸器

電動給水泵和汽動給水泵驅(qū)動端和主泵的一般采用剛性或半撓性聯(lián)軸器連接，其徑向偏差ΔKr小于0.03 mm，角向偏差ΔKa在水平方向和垂直方向均小于0.03 mm（KSB泵業(yè)公司數(shù)據(jù)）。機(jī)組采用 “主機(jī)泵”后，主汽輪機(jī)的主軸將向外延伸一定距離，剛性聯(lián)軸器和半撓性聯(lián)軸器對軸向位移、徑向及角向偏差的吸收度不足，會對主汽輪機(jī)軸系的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為提高整機(jī)軸系的穩(wěn)定性，“主機(jī)泵”聯(lián)軸器通常采用具有吸收中心線偏差、軸向膨脹能力的膜盤聯(lián)軸器。如德國福伊特公司生產(chǎn)的膜盤聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器的空腔膜盤采用特殊材質(zhì)，可傳遞扭矩達(dá)1 500 000 Nm，在軸向、徑向和角向等方向有一定的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)量，轉(zhuǎn)速在8 000 r/min時，角偏差僅為0.25°［2-6］。

2.2.3超速保護(hù)系統(tǒng)

采用電動給水泵和汽動給水泵方案的機(jī)組，均設(shè)置機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)械超速遮斷裝置（機(jī)械飛錘或機(jī)械飛環(huán)）、復(fù)位裝置和充油試驗裝置3部分組成，液壓油與潤滑油通過薄膜閥相聯(lián)系，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性較高。采用 “主機(jī)泵”方案的機(jī)組，給水泵由主汽輪機(jī)機(jī)頭的主軸直接驅(qū)動，主汽輪機(jī)機(jī)頭無法設(shè)置機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)，省去了前軸承箱中的危急遮斷裝置和高壓油源，機(jī)組設(shè)置2套電子超速保護(hù)系統(tǒng)來實現(xiàn)整機(jī)超速保護(hù)，即:TIS超速保護(hù)系統(tǒng)和DEH超速保護(hù)系統(tǒng)。

2.3潤滑油系統(tǒng)

采用電動給水泵和汽動給水泵方案時，機(jī)組在啟動過程中，潤滑油的動力源自交流潤滑油泵，在穩(wěn)定運行時，潤滑油由設(shè)置在汽輪機(jī)機(jī)頭的主油泵經(jīng)潤滑油箱的射油器為潤滑油系統(tǒng)提供動力。若機(jī)組采用 “主機(jī)泵”方案，則取消主汽輪機(jī)機(jī)頭的主油泵，機(jī)組潤滑油需由交流潤滑油泵提供動力，若交流潤滑油泵失電，則啟動直流油泵為潤滑油系統(tǒng)提供動力，同時，“主機(jī)泵”的潤滑油也由主汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)供給，該系統(tǒng)設(shè)置2臺交流油泵、2臺直流油泵，另外為保證系統(tǒng)油壓穩(wěn)定，還需設(shè)置1臺蓄能器。

2.4廠用電系統(tǒng)

600 MW級及以上容量的機(jī)組給水系統(tǒng)采用電動給水泵方案時，其高壓廠用電電壓等級一般采用10 kV一級電壓或10 kV和6 kV兩級電壓，才能電機(jī)啟動時對電壓水平的要求，且系統(tǒng)電機(jī)須全部采用10 kV電壓等級，高壓廠用變?nèi)萘扛哌_(dá)75/（40-40）MVA。若采用汽動給水泵或“主機(jī)泵”高壓廠用電電壓采用6 kV一級電壓，高壓廠用變?nèi)萘繛?0/（31.5-31.5）MVA。電動給水泵的廠用電率約為4%，汽動給水泵和“主機(jī)泵”的廠用電率分別為0.2%和0.13%，由此可見，汽動泵和 “主機(jī)泵”的廠用電率相當(dāng)，“主機(jī)泵”的節(jié)能效應(yīng)更為明顯。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

3.1參比條件

進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較時，以3臺容量為660 MW的超超臨界間接空冷機(jī)組為模型，配置3× 35%容量的電動泵，不設(shè)置備用泵為方案1，1× 100%容量的汽動泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設(shè)置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵為方案2，“主機(jī)泵”按2×50%容量的給水泵，設(shè)置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵為方案3進(jìn)行分析比較。汽輪機(jī)工況為THA工況，機(jī)組年利小時數(shù)5 500 h，機(jī)組年發(fā)電收入差值為0，標(biāo)煤價為233元/t（錫林郭勒地區(qū)褐煤折算標(biāo)準(zhǔn)煤價格），上網(wǎng)電價為0.319 kW·h，水價為13元/t的條件下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

3.2初投資分析

針對上述3種給水泵配置方案，從初投資方面來看，其熱機(jī)主設(shè)備（包括電泵電機(jī)、給水泵汽輪機(jī)、給水泵、調(diào)速機(jī)構(gòu)）、水工設(shè)備（含凝汽設(shè)備、輔機(jī)冷卻設(shè)備等）、電氣設(shè)備、主廠房結(jié)構(gòu)等方面的費用存在較大的差異。表3給出3種給水泵配置方案的初投資比較，由表3可以看出，水工設(shè)備初投資大是造成方案2初投資大的主要原因。對于電氣設(shè)備，由于方案1需要采用10 kV電壓等級廠用電，使相配套的變壓器、電力電纜、電機(jī)等設(shè)備投資增加約450萬元。由于方案3給水泵和主汽輪機(jī)同軸布置，基座采用固定基礎(chǔ)，土建費用增加約1 260萬元。總之，從初投資角度來看，配置3×35%容量的電動泵，不設(shè)置備用泵方案具有明顯優(yōu)勢［7］。

表3　初投資差異比較　萬元

3.3運行經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比較

機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括汽輪機(jī)的熱耗值、發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率、全廠發(fā)電熱耗率等。在汽輪機(jī)THA工況下對給水泵3種配置方案的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析（3種方案的鍋爐進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化，鍋爐尾部煙道均加裝低溫省煤器），表4給出3種配置方案汽輪機(jī)在50% THA工況和100%THA工況下，機(jī)組的部分熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)［4，5］。從表4可以看出，方案2中小汽輪機(jī)采用獨立凝汽器，其冷卻塔補水量較高，約為30 t/h，方案2的水耗量高于方案1和方案3。在廠用電耗方面，方案1的廠用電率比方案2和方案3高3%～4%。當(dāng)汽輪機(jī)在100%THA工況下時，方案3經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均高于方案1和方案2，方案3的全廠發(fā)電熱效率比方案2高0.3%，比方案1高1.41%，其原因是方案1中電泵耗電率高導(dǎo)致全廠發(fā)電熱效率低，而方案3中 “主機(jī)泵”的調(diào)速機(jī)構(gòu)的綜合效率高于小汽機(jī)的內(nèi)效率，使得 “主機(jī)泵”的熱經(jīng)濟(jì)性好于小汽輪機(jī)驅(qū)動的熱經(jīng)濟(jì)性。在50%THA工況下，方案2和方案3的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)基本相當(dāng)，其原因是 “主機(jī)泵”的調(diào)速系統(tǒng)的傳導(dǎo)能量的效率下降幅度較大，綜合效率和小汽機(jī)內(nèi)效率基本相同［5-7］。

表4　機(jī)組在不同負(fù)荷下的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.3.2運行維護(hù)費用比較

設(shè)備的檢修維護(hù)費用是機(jī)組贏利能力的另一個重要考核指標(biāo)，表5給出3種配置方案的檢修維護(hù)費用比較［8］。從表5可以看出，由于電泵方案系統(tǒng)相對簡單，檢修維護(hù)的工作量小，方案1的檢修維護(hù)費用最少。方案2汽泵及冷凝系統(tǒng)復(fù)雜，檢修維護(hù)費用要高于電泵，比方案1多86萬元/年。方案3的年檢修維護(hù)費用最高，這是由調(diào)速之星及其齒輪箱的配件及檢修費用較高造成的，比方案1高108.5萬元/年，比方案2高22.5萬元/年。在燃料費用方面，方案1的燃料費用較高，比方案2高958.34萬元/年，比方案3高369.67萬元/年。在水費方面，方案1和方案3相當(dāng)，方案2多24.03萬元/年。

綜合來看，方案1的運行費用較高，比方案2 高848.31萬元/年，比方案3高261.17萬元/年。

表5　運行維護(hù)費用比較　（萬元·a-1）

3.4綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行年限為20年，采用費用現(xiàn)值比較法對3種方案的機(jī)組進(jìn)行綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，其中現(xiàn)金折現(xiàn)率取0.07，20年經(jīng)濟(jì)運行現(xiàn)金值系數(shù)取10.6，計算結(jié)果見表6［9-11］。由表6可以看出，方案2和方案3的綜合經(jīng)濟(jì)性要好于方案1。小汽輪機(jī)同軸驅(qū)動前置泵配置方案運行經(jīng)濟(jì)性最好，“主機(jī)泵”方案經(jīng)濟(jì)性居中，電泵方案經(jīng)濟(jì)性較差。

表6　綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4　結(jié)論

3×35%容量的電動泵，不設(shè)置備用泵方案具有初投資低的明顯優(yōu)勢，但液力耦合器器傳遞能量效率低、廠用電電壓等級高、廠用電率高、供電煤耗高，綜合經(jīng)濟(jì)性差。1×100%容量的汽動泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設(shè)置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵方案，初投資大、系統(tǒng)復(fù)雜、但廠用電率低、供電煤耗低，綜合經(jīng)濟(jì)性好，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，該方案可作為600 MW級以上機(jī)組給水系統(tǒng)的優(yōu)現(xiàn)選配方案。“主機(jī)泵”系統(tǒng)簡單，油系統(tǒng)取消主油泵，超速系統(tǒng)取消機(jī)械超速裝置，具有初投資較低、傳遞能量效率高、廠用電電壓等級低、廠用電率低、供電煤耗低等特點，綜合經(jīng)濟(jì)性與小汽輪機(jī)同軸驅(qū)動前置泵方案相當(dāng)，且在國外有30年成熟運行經(jīng)驗，在國內(nèi)高效超超臨界機(jī)組的給水泵選配時，從技術(shù)創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)性方面來看，該方案可作為一種新的備選配置方案。

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Configuration Analysis of Feed Water Pump for 600 MW Air Cooling Unit

ZHENG Guokuan，LI Cuicui，CHEN Guanglin
（China Shenhua Shengli Energy Branch Company，Xilinhaote 026000，China）

Boiler feed water pump is one of the main auxiliary equipment for the unit，it’s configuration form has great influence on the initial investment，utilization ratio and stability of the unit.In this paper，based on the model of 600 MW air cooling unit，takes technical and economic analysis for electric pump scheme，stem pump coaxial drive booster pump scheme and the host pump scheme.By comparison，initial investment of electric pump scheme is lowest，power consumption rate and power supply coal consumption rate are highest，and the economic is worst in the three one.Initial investment of stem pump coaxial drive booster pump scheme is center among the three，and the systems are complex，the work of maintenance and repair is huge，power supply coal consumption rate are lower，the comprehensive economic performance is superior，so it is the optimization scheme for these type of the unit. The host pump scheme has the characteristics of low initial investment，high energy efficiency，low power consumption and so on，it can be used as a new alternative.

boiler；electric feed water pump；host pump；configuration scheme

TK261

A DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.009

2016-05-23。

鄭國寬（1983-），男，工程師，從事大型電站安全生產(chǎn)技術(shù)管理工作，E-mail:zgk830719@126.com。