新建600MW機組熱網首站循環泵驅動動力選配優化分析

新建600MW機組熱網首站循環泵驅動動力選配優化分析

勝利發電廠 張振 丁厚東

勝利發電廠三期熱電工程新建600MW機組熱網首站對其配套五臺循環泵一改傳統的全電機驅動，首次采用“三臺工業汽輪機+兩臺電動機”驅動運行模式。文中闡述了工業汽輪機驅動的經濟性及電泵存在的必要性；論證了采用“三臺汽泵+兩臺電泵”配置能夠保證熱網系統運行安全性的同時能夠提高熱電機組經濟性。

供熱機組；循環泵 ；工業汽輪機；電動機；三汽兩電配置；安全經濟

近年來，隨著城市采暖供熱等重大民生工程的快速發展和國家對環保工作的加強，城鎮冬季供熱由原來的高能耗、高排放、污染嚴重的小型采暖鍋逐步由熱電廠集中供熱代替，供熱首站利用汽輪機抽汽加熱循環水，循環水由循環水泵送至二級換熱站進行熱交換后，最終送到用戶。驅動循環泵的動力設備傳統的設計模式為電動機，這種電動機功率大、耗能高。隨著電力發展腳步的加快，特別是近期煤電機組產能過剩，等效可利用小時數下降，為減少廠用電率，降低煤耗，在發電指標內盡可能的多供電以提高發電效益，本工程借鑒火電廠給水泵等大型設備使用工業汽輪機驅動方式以達到降低耗能的經驗，首次提出了熱網循環泵由傳統的全部電泵運行模式，改為采用“三臺汽泵+兩臺電泵”（以下簡稱“三汽兩電”）供熱運行模式，從而達到在確保熱網供熱安全可靠的前提下提高機組效益的目的。

1 熱網首站汽水系統介紹

勝利發電廠（以下簡稱“勝電”）三期熱電工程新建的1×600MW級抽汽凝汽式發電供熱機組，其熱網首站設計有四臺加熱器，配套五臺循環泵進行熱網循環水系統供水。建成后預計供熱面積1400萬m2，供熱量達到年供熱508萬GJ。供熱所需采暖蒸汽來自中壓缸五段抽汽，蒸汽進入各加熱器，與熱網循環水進行換熱。加熱器疏水返回主機凝汽器，參與新一輪熱力循環。熱網首站采用單元制配置，循環水70℃回水經全自動過濾器過濾除污后，由熱網循環水泵加壓進入熱網加熱器，與蒸汽進行換熱升溫至130℃后進入供水總管，進而輸送至城市供暖干線，換熱后的熱網循環水返回熱網加熱器吸熱，繼續參與循環。熱網循環泵配套6 kV電機，長時間運行將大量損耗廠用電，對其合理的優化以促進機組能耗的降低具有較大的實際意義。熱網首站汽水流程示意圖見圖1。

2 循環泵驅動方式選用分析

2.1工業汽輪機驅動的特點

在工業生產中，直接用汽輪機作為原動機來驅動大型的機械設備，這種用途的汽輪機稱為工業汽輪機，近年來，隨著節能降耗的需求日益加大，工業汽輪機得到了更加廣泛的應用。在電廠生產中，合理的利用汽輪機做功后所產生的乏汽直接驅動工業汽輪機做功，已經成為一種趨勢，目前大型電廠中給水泵等設備已多用工業汽輪機驅動，產生了較大的經濟效益。針對熱網循環泵電動機功率大、耗能多的特點，合理的利用工業汽輪機驅動具有較大優勢。

圖1 熱網首站汽水流程示意圖

2.1.1 運行經濟性更強

表1 四段抽汽與五段抽汽之間的熱力特性

熱網循環泵使用電動機為6 kV設備，所使用的電能是汽輪機驅動發電機發電后，廠用電進一步作用于電動機驅動循環泵，即“蒸汽-發電-電動-做功”的形式。而工業汽輪機驅動可直接使用汽輪機做功后產生的乏汽即從抽汽直接做功，即“蒸汽-做功”方式，減少了功能傳遞環節。利用背壓機的特點，將做功后乏汽直接排入加熱器系統進行加熱，實現閉式循環，無汽水損耗，提高乏汽利用功效。

2.1.2 調節性更好

電動機驅動泵需采用變頻電機或采取機械耦合器配套以實現泵運行中的轉速調解的目的，實現過程繁瑣，工藝相對復雜，維護難度較高。而工業汽輪機能夠直接驅動生產流程中的泵，通過汽門對于工業汽輪機進汽量的調解，可平穩、靈敏的與這些被驅動機械相互協調進行變速運行，以適應生產流程工況條件的變化，調速范圍較寬，工藝實現相對簡單。

2.1.3 采購成本更低

依照目前市場價格比對，相同輸出功率的工業汽輪機相較同功率的電動機及變頻器（或者液力耦合器）價格更低，節約初投資費用。

2.1.4 發電收益更大

目前調度指標為發電量，在較優熱耗的情況下，大范圍的采用汽輪機驅動，將大大降低廠用電率，加大售電量，提高機組運行效益。

2.2 本工程采用工業汽輪機驅動的其他有利條件

2.2.1 汽輪機分段抽汽為采用工業汽輪機驅動提供可行性

本期工程汽輪機為四缸、八段抽氣布置，即高壓缸、中壓缸、兩臺低壓缸，其中一、二段抽汽于高壓缸抽汽，三、四、五段抽汽于中壓缸抽汽，六、七、八段抽汽于低壓缸抽汽，供熱汽源由五段抽汽提供。從本機組四段抽汽、五段抽汽的熱力特性（表1）可以看出，在冬季抽汽工況下的壓差及溫差，存在選用背壓式工業汽輪機形式、動力汽源采用四抽汽源供給、做功后乏汽（與五抽匹配）直接進入熱網加熱器的可能。本期工程擬工業汽輪機汽源流程圖見圖2。

2.2.2 熱網首站設置在主廠房內減少建設成本及運行損耗

本期工程在建設時，首次采用600 MW級供熱機組熱網首站主廠房內模塊化布置，將熱網首站布置于主廠房內。汽輪機位于主廠房13.7 m層，除氧器位于主廠房南側28 m層，熱網加熱器布置于其正下面6.9 m層，熱網循環泵布置與于主廠房零米南側熱網加熱器正下方，布局緊湊。循環泵與四抽管道及五抽至熱網加熱管道距離較近，四抽至循環泵汽輪機進汽及循環泵汽輪機排汽至五抽至加熱器管道較短，建設進、排汽管道費用更低，蒸汽在管道運行過程中損耗更少。

2.3 電泵存在的必要性

2.3.1 加熱器不可無水進汽

熱網啟動應在熱網循環水壓力正常后，方可投用熱網加熱器。如全部采用汽泵啟動循環水泵方案，加熱器內部無水，驅動汽輪機排汽直接進入加熱器供汽，造成加熱器干燒，不符合加熱器安全運行要求。在啟動過程中，應先用電泵進行加熱器上水，待循環水壓正常后，方可采用汽泵運行。

2.3.2 失汽后的需電泵運行

在機組打閘緊急停機時，汽泵瞬間失去汽源，熱網循環水管道內部水流速發生突然變化，壓強產生大幅度波動，將導致“水錘效應”,對系統閥門及管道造成嚴重破壞，需電泵使循環水源持續運行。

在機組正常停運時，熱網循環水系統應繼續運轉直至外部二級換熱站升壓泵停運及溫度緩慢達到停運水平以避免造成加熱器及其他設備損壞。機組停運，工業汽輪機失去汽源，汽泵不能運行，需要電泵使循環水持續運行。

圖2 工業汽輪機汽源流程圖

2.3.3 機組運行更加穩妥

目前，在本期同類機組中，尚無熱網循環泵采用工業汽輪機驅動經驗，考慮到工業汽輪實際運行狀態的不確定性，電泵作為成熟的技術，有存在的必要。

表2 循環泵參數

3 循環泵驅動設備的配置

3.1 循環泵配置

本期工程新建熱網首站設計最大供熱負荷為588 MW，平均為412 MW，最小為283 MW,循環水泵揚程不低于115 mH2O，為滿足熱網大流量、高揚程要求，機組采用為5臺臥式單機雙吸軸向中開蝸殼式水泵，正常狀態下運行4臺水泵，1臺作為備用。循環泵參數見表2。

3.2 驅動裝置配置分析

根據上述內容的分析，可以得出如下結論，在機組建設中，汽泵的選用將使機組運行更加經濟，而電泵在目前熱網首站建設中具有不可或缺的作用，如何更優化配置才能達到既安全穩定又經濟高效的目的，是機組選型中的重中之重。在配置選型中，我們按照使用電泵能夠保證安全穩定運行的前提下，盡可能多的使用汽泵的原則進行配置。

3.2.1 四臺汽泵一臺電泵運行

四臺汽泵能夠滿足熱網正常運行狀態下均使用汽泵運行，相較于使用電泵經濟性突出。但實際運行中，首先，一臺電泵作為備用泵，安全系數偏低，特別是在事故停機狀態下，單臺電泵不能滿足事故停機時熱網對循環水流量的要求，將對整個熱網運行造成較大的事故；其次，汽泵汽源由四抽供給，四臺汽泵同時運行，抽汽量大，機組供給難度大；同時，考慮熱網進行大水量沖洗時，單臺電泵也難以滿足要求。

3.2.2 三臺汽泵兩臺電泵運行

目前根據理論分析及計算，三臺汽泵加兩臺電泵既能夠滿足熱網運行的安全性同時又可提升運行經濟性。首先，電泵存在完全能夠滿足系統正常運行及停開機期間運行需求；其次，兩臺電泵客觀上存在電泵一用一備的能力，熱網循環水系統運行安全系數將大大提升；再次，三臺汽泵的運行能夠達到在條件允許范圍能最大使用汽泵以提高經濟型的目的。

3.3 工業汽輪機選型

根據四抽及五抽所體現的壓差與溫差，配套工業汽輪機選用進、排汽參數分別與四抽、五抽參數相匹配，并滿足循環泵所需功率要求的機型。本機組采用的工業汽輪機參數見表3。

表3 熱網循環泵工業汽輪機參數

4 經濟效益計算

4.1 節約投資

根據測算，三臺工業汽輪機配置相較三臺電動機配置可節約投資180余萬元。

4.2 供電收益

同類發電指標條件下，可增供電量為供暖期為4個月，采用三臺氣泵每臺功率為1000 kW，共計節約廠用電量為：

5 結語

勝電三期熱電工程新建600 MW機組熱網首站循環泵的驅動動力首次采用“三臺汽泵+兩臺電泵”運行模式，是保證熱網的安全穩定運行條件下提高機組經濟性的一種創新嘗試。經計算其可節約初次投資180余萬，并在發電指標確定時，為發電企業每年增加369萬元收益。其對熱電廠新建供熱機組熱網首站循環泵節能配置設計和老機組熱網首站循環泵節能改造具有示范效應（對于具體機組熱網循環泵的改進模式及采用汽泵與電泵的配置比例，需根據機組的熱平衡情況、熱網首站的設置情況及效能分析進行選擇），代表科技發展趨勢，對節能減排具有重大深遠的意義，同時有著廣泛的推廣價值和廣闊的市場前景。

[1] 王學義.工業汽輪機技術[M].北京：中國石化出版社.2011.

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