600 MW亞臨界空冷機組電動給水泵改造方案探討

沈 峰， 郝 飛， 譚 銳

(國電科學技術研究院， 南京 210031)

600 MW亞臨界空冷機組電動給水泵改造方案探討

沈 峰， 郝 飛， 譚 銳

(國電科學技術研究院， 南京 210031)

為了提高600 MW亞臨界空冷機組電動給水泵經濟性，結合電動給水泵改汽動給水泵、液力耦合器改調速變頻器這兩種主要的給水泵改造技術路線，分別計算在不同改造方案下，機組對應不同負荷的改造效果。同時結合場地條件、負荷率、運行方式、投資等因素，針對不同的機組選擇合適的改造方案。

亞臨界空冷機組； 給水泵汽輪機； 液力耦合器； 變頻器； 供電煤耗

Abstract： To improve the economy of a 600 MW subcritical air-cooling unit driven by electric feed pumps, there are in total two main technical strategies. One way is to use steam feed pump instead of electric feed pump, the other is to adopt frequency conversion instead of fluid coupling. Retrofit effects of the unit at different loads were calculated respectively for both the strategies. Considering the area conditions, load rate, operation mode and investment factors, appropriate retrofit schemes were proposed for the electric feed pump in different units.

Keywords： subcritical air-cooling unit; steam turbine for feed-water pump; fluid coupling; frequency converter; coal consumption of power supply

大容量空冷機組由于其背壓高、且參數變化較大，按照GB 50660—2011 《大中型火力發電廠設計規范》規定，300 MW及以上直接空冷機組的給水泵配置為調速電動給水泵。在操作響應上，電動給水泵有著明顯的優勢。

汽動給水泵由于其較高的能量轉化效率使之成為空冷機組的新選擇。在運行操作及安全性上，汽動給水泵已完全可以滿足大容量直接空冷機組的需求，且無論是單臺100%容量，或者2臺50%容量的布置方式均可以實現。

近些年來，機組負荷率呈逐年下降趨勢，隨著負荷的降低，液力耦合器調速損耗增大，轉換效率降低，其經濟性較差的缺點也越來越明顯。而調速變頻器在中低負荷下仍具有較高的轉換效率，大大降低電動給水泵的耗電量。給水泵液力耦合器改調速變頻器也成為節能降耗改造的一個方向。

1 600 MW直接空冷機組給水泵改造方案

1.1 機組概況

某600 MW亞臨界直接空冷凝汽式汽輪機型號為NZK-600-16.7/538/538，機組配置3臺50%容量電動給水泵。中壓缸排汽參數為0.81 MPa/334.82 ℃。600 MW亞臨界機組汽動給水泵進汽參數壓力一般為0.7～0.8 MPa，溫度為330～340 ℃，該機組中排參數滿足給水泵汽輪機進汽源設計需要。

1.2 電動給水泵改汽動給水泵

根據改造汽泵的容量，改造方案可采用單臺100%容量或者兩臺50%容量汽動給水泵配置，同時，根據給水泵汽輪機的排汽壓力，可以選擇直接空冷或者水冷兩種方案。直接空冷是將給水泵汽輪機的排汽直接進入主機排汽管道，給水泵汽輪機背壓與主機相同，均為15 kPa。水冷方案需要增加凝汽器系統，包括機力通風冷卻塔，系統較復雜，給水泵汽輪機設計背壓取6 kPa。

電動給水泵改汽動給水泵受場地影響較大。同時，在現有條件下，應盡量降低施工難度，減少機組停運時間。根據該機組的實際情況，綜合考慮各項因素，選擇兩臺50%容量汽動給水泵配置方式，冷卻方式可采用兩種方案進行切換。

1.3 給水泵液力耦合器改變頻調速

選取其中的兩臺A、B給水泵，將原來的液力耦合器替換為增速箱，并取消冷油器、工作油泵、潤滑油泵、輔助油泵等。前置泵與給水泵電動機脫開，為前置泵配置定速的驅動電動機，A、B給水泵電動機使用高壓變頻調速系統。其改造方案基本不受場地影響，施工難度相對容易。

2 電動給水泵改造經濟性分析方法

電動給水泵改汽動給水泵，雖然廠用電率下降，但是主機的熱耗率提高，機組供電煤耗的變化并不能直觀判斷。

2.1 相對效率分析法

在主機設計完成后，給水泵的進、出給水參數均已確定，通過計算可得到給水泵有效功率。因此，同一機組對應相同的給水參數下，如果汽動方式的抽汽量對應的相對效率高于不抽汽時這部分抽汽量在主機中繼續做功時的相對效率，則表明汽動方式經濟性更高；反之，則電動給水泵方式經濟性更高[1]。

汽動給水泵運行方式下，相對效率為：

ηst=ηsηmHlex/H2ex

(1)

式中:ηs為給水泵汽輪機效率，%；ηm為給水泵汽輪機機械效率，%，取98%；Hlex為給水泵汽輪機的有效焓降，kJ/kg；H2ex為主機低壓缸的有效焓降，kJ/kg。

電動給水泵運行方式下，相對效率為：

ηet=ηzηfmηfηbηdηvηo

(2)

式中：ηz為主機低壓缸內效率，%；ηfm為發電機組機械效率，%，取97%；ηf為發電機效率，%，取99%；ηb為變壓器及輸電效率，%，取98%；ηd為電動機效率，%，取97%；ηv為齒輪效率，%，取96%；ηo為液力耦合器效率，%。

簡化式(2)，可得：

ηet=0.876 3ηzηo

(3)

相對效率比值為：

(4)

式中：hi為進汽焓，kJ/kg；h1p、h2p分別為給水泵汽輪機、主機實際排汽焓，kJ/kg。

根據汽輪機缸效計算可知：

hi-h1p=ηs(hi-h1s)

(5)

hi-h2p=ηz(hi-h2s)

(6)

式中：h1s、h2s分別為給水泵汽輪機、主機等熵排汽焓，kJ/kg。

將式(5)、(6)帶入式(4)中，簡化計算后：

(7)

以設計額定參數計算，主機低壓缸效率89%，給水泵汽輪機效率81%，液力耦合器效率90%，主機、給水泵汽輪機排汽壓力均為15 kPa，以及主機、給水泵汽輪機排汽壓力分別為15 kPa、6 kPa時，效率相對比值分別為1.03、1.19，汽動給水泵經濟性更好。

在實際運行過程中，機組主機低壓缸效率、給水泵汽輪機效率與設計值均有一定差距。同時，液力耦合器勺管開度與設計并不完全相同，造成液力耦合器的效率也有變化。通過相對效率分析法，可以快速判斷經濟性更好的驅動方式。

2.2 不同驅動方式節能計算模型

通過不同的模型，可以定量計算不同驅動方式的經濟性影響。汽動給水泵運行時，相對于電動給水泵，抽汽量進入給水泵汽輪機驅動給水泵，造成進入低壓缸流量降低。在鍋爐側吸收相同熱量的條件下，即主、再熱蒸汽參數，以及汽輪機高、中壓缸均不受影響，低壓缸進汽流量減小造成發電功率降低。由于無電動給水泵功耗，機組廠用電也降低。

2.2.1 電動給水泵指標計算

汽輪機熱耗：

(8)

式中：HR為熱耗率，kJ/(kW·h)；W為電動給水泵運行下發電機功率，kW；Q為汽輪機總吸熱量，kJ/h。

發電煤耗：

(9)

式中：B為發電煤耗，g/(kW·h)；qb為標煤熱值，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，%；ηgd為管道效率，%。

廠用電率：

(10)

式中：φ為廠用電率，%；Wf為輔機總耗電功率，kW。

2.2.2 汽動給水泵指標計算

汽輪機熱耗:

(11)

式中： ΔW為汽動給水泵進汽造成低壓缸做功減少值，kW，ΔW=FH2exηfmηf，F為給水泵汽輪機進汽流量，kg/s，H2ex為主機低壓缸有效焓降，kJ/kg，若不考慮抽汽后對主機低壓缸效率的影響，可簡化計算低壓缸損失功率，ΔW=F(hi-h2s)ηzηfmηf。

發電煤耗：

(12)

廠用電率：

(13)

式中:Wp為電動給水泵的耗功，kW。

2.3 液力耦合器改變頻器節能計算

在不同負荷下，調速變頻器轉換效率均高于液力耦合器[2]，液力耦合器轉換效率見圖1。改造后機組的廠用電率下降，而系統其他部分基本沒有變化，因此，供電煤耗呈下降趨勢。

圖1 變頻器與液力耦合器調速效率

在同一負荷下，液力耦合器與變頻器最終的給水泵有用功是不變的，即Wpηet為定值。

Wp變頻=Wp液耦ηet液耦/ηet變頻

(14)

給水泵廠用電率：

(15)

機組鍋爐效率以及汽輪機熱耗不變，發電煤耗為定值，僅給水泵廠用電率發生變化，因而可以得到改造后的供電煤耗。

3 改造后機組節能效果

3.1 電動給水泵改汽動給水泵后的煤耗指標

通過計算，得到在不同的負荷工況下，不同背壓運行方式的主要經濟指標(見表1)，其中，給水泵汽輪機效率取600 MW水冷機組的試驗平均值。

表1 電動給水泵改汽動給水泵后不同負荷下主要參數指標

電動給水泵改汽動給水泵后，濕冷方式下給水泵汽輪機效率更高，較空冷方式節煤量更大。隨著負荷的降低，節煤量逐漸增大。

3.2 液力耦合器改變頻器后節能指標

由圖1所知：調速變頻器的轉換效率在40%負荷以上時均超過93%，為簡化計算，變頻器效率取93%。液力耦合器改變頻器后主要指標見表2。

表2 電泵液力耦合器改變頻后主要指標

3.3 不同改造方案的節能分析

根據計算結果，比較在不同改造方案下不同負荷的改造效果(見圖2)。

圖2 不同改造方案的經濟指標

在不同的改造方案下，電動給水泵液力耦合器改調速變頻器方案的經濟性介于汽動給水泵兩種不同冷卻方式的改造方案之間。

根據相對效率比值，不同驅動方式的經濟性主要由主機低壓缸效率、給水泵汽輪機效率，以及變頻器效率來決定。在各負荷段，主機低壓缸效率一般均高于給水泵汽輪機效率。

單臺100%容量給水泵汽輪機在大容量機組中應用已實現，機組沒有出現因單臺汽泵的配置而造成出力不足的情況，給水泵汽輪機設計裕量較大[3]，兩臺50%容量給水泵汽輪機實際裕量更大，造成給水泵汽輪機長期在偏離經濟工況下運行，負荷越低，偏離越嚴重，經濟性也越差。

在實際運行過程中，部分機組負荷調度低于50%負荷。若考慮50%以下負荷段，單臺50%容量汽動給水泵可以滿足運行需求，但由于負荷調度的波動，汽動給水泵需進行切換操作，為保證負荷響應速率以及現場安全，在50%以下負荷段，很少有機組實現僅開啟單臺50%容量汽動給水泵的運行方式，造成兩臺給水泵汽輪機的效率急劇降低。而變頻器只在出力15%以下效率急劇下降，實際運行過程中幾乎不會發生。因此，在50%以下負荷段，汽動給水泵改造并不比變頻調速改造更節能。

3.4 不同改造方案的投資分析

空冷機組所處區域一般煤價較低。調速變頻改造費用在1 000萬左右，且工期短，5年內基本可以回收成本；而汽動給水泵改造投資幾乎是變頻改造的2倍以上，停機施工時間較長，部分機組受現場條件的影響可能無法實施，回收成本超過15年[4]。

4 結語

僅考慮投資回報率，變頻改造方案更適合600 MW亞臨界空冷機組電動給水泵。若考慮節能減排，電動給水泵的改造方案可以根據現場的實際條件進行選擇。在負荷率較高、現場施工條件較好的機組，可以考慮濕冷、汽動給水泵改造方案；否則，調速變頻改造方案更加合適。

[1] 劉穎華. 300 MW機組給水泵組配置方式選擇的探討[J]. 湖南電力, 2000, 20(2): 4-5.

[2] 張文海,安立群. 火力發電廠電動給水泵液力偶合器泵輪(變頻)調速法[J]. 電力建設, 2012, 33(6): 60-63.

[3] 沈峰. 超超臨界機組100%容量給水泵汽輪機運行異常分析[J]. 發電設備, 2016, 30(2): 120-123.

[4] 趙偉光,尹賜君,閆金鈺. 元寶山發電廠電動給水泵改汽動給水泵可行性評估[J]. 東北電力技術, 2006(3): 1-5.

RetrofitSchemesfortheElectricFeedPumpofa600MWSubcriticalAir-coolingUnit

Shen Feng, Hao Fei, Tan Rui

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210031, China)

2016-10-26；

2016-12-23

沈 峰(1984—)，男，工程師，主要從事火電機組熱力系統診斷及改造研究。

E-mail: mantis09@foxmail.com

TK264.9

A

1671-086X(2017)05-0356-04