大型火電站給水泵組的配置與布置分析

余麗萍

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

大型火電站給水泵組的配置與布置分析

余麗萍

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

大型火電站給水泵組選擇不同的配置類型、調速方式和布置方案，對廠用電、輔機耗功及機組經濟性等會形成不同影響。對國內外和實際工作中給水泵組配置、布置方案進行了技術、經濟比較，認為單臺100% 容量的汽動給水泵作日常運行配置、主給水泵和前置泵同軸異位布置是較為合理的選擇。

火電站；汽水系統；給水泵；汽動泵；電動泵；前置泵；節能降耗；變速調節

0 引言

大型火電站汽水循環系統是機組工藝流程的關鍵環節,給水泵組是汽水系統的重要輔機之一。隨著近年來火電機組裝機容量及規模的持續不斷增大，給水泵驅動功率已占到主機功率的3%左右[1]，是電站耗電量最多的輔助設備，其運行的可靠性與經濟性尤為重要，泵組的投資在整個電站中也占有較大比例，因此，給水泵組的地位可與三大主機相提并論。

在超低排放、節能降耗等產業政策大趨勢下，給水泵的變速調節應用廣泛，通過調節給水泵轉速，調整泵的性能曲線，改變供向鍋爐的給水流量和壓力，由泵的中間抽頭向再熱器提供減溫水或事故噴水，適應單元機組的啟停、負荷變化、定壓和滑壓復合運行，滿足電網對機組調峰、調頻、變負荷的需要，提高機組變工況運行的經濟性和安全、可靠性。給水泵組的調速配置主要有汽輪機驅動給水泵調速、電動機驅動液力偶合器調速和交流電動機變頻調速等[2]。第1種調速方式又可根據機組要求的不同，配置不同容量和臺數。所以，同一類型機組，給水泵組的配置類型和布置方案也有多種可供選擇。選擇不同的驅動裝置、調速方式和布置方案，會形成對廠用電、輔機耗功及機組經濟性要求的不同差異[1]。

1 給水泵組的配置類型

我國大型火電站主給水泵大多采用工業小型汽輪機(以下簡稱小汽機)驅動方式，工業小汽機以主汽輪機抽汽為介質驅動給水泵旋轉，直接利用動能，不耗費廠用電負荷，熱效率高。改變小汽機的進汽量進行變速調節，能充分適應大機組負荷變化，減少節流損失。從目前電網按發電機端輸出功率進行調度的特點來看，汽動給水泵(以下簡稱汽動泵)比電動給水泵(以下簡稱電動泵)節約了占主機功率3%左右的廠用電，可增加機組的凈供電量，提高經濟性和能源利用效率。

1.1 國內大型火電機組給水泵組典型配置

結合中國電建集團上海能源裝備有限公司生產的2 000臺套以上給水泵組配置分布情況，分析國內大多數大型火電機組給水系統配置現狀如下。

1.1.1 300 MW機組等級

泵組配置1臺100% 容量的汽動泵作為運行泵，1臺50% 容量(相對于最大給水量，下同)的電動調速給水泵(以下簡稱電調泵)作啟動備用泵[3]，有華能珞璜電廠、淮陰電廠、達拉特電廠等；泵組配置2臺50% 容量的汽動泵并聯運行，1臺50% 容量的電調泵作啟動備用，有云南開遠電廠、哈爾濱熱電廠、四川白馬電廠等；泵組配置3臺50% 容量的電調泵作主給水泵，機組在額定負荷下，2臺給水泵運行，1臺泵備用[4]，備用容量大，系統布置簡單，有太原第二熱電廠、山西宏光電廠等。

1.1.2 600 MW機組等級

給水系統常規為單元制，給水泵組一般配置為2臺50% 容量的汽動泵并列運行,另設1臺50% 容量或25%～35% 容量的啟動備用電動泵組，該配置方式運行靈活,不因泵組故障或檢修影響主機運行[3]，如華電長沙電廠、安徽宿州電廠、云南黔東電廠等；泵組配置1臺100% 容量的汽動泵和1臺30% 容量的電動泵，有華電邵武電廠等；泵組配置3臺50% 容量的電調泵，如山西漳山電廠、安徽田集電廠二期等；泵組配置1臺100% 容量的汽動泵和1臺50% 容量的電動泵，有濮陽龍豐電廠、寧夏棗泉電廠等；亞臨界機組泵組配置2臺50% 容量的汽動泵和1臺15%容量的電動泵，有新疆北一電廠、華電常德電廠、金元茶園電廠等；泵組配置2臺50% 容量的汽動泵，并且和驅動給水泵的小汽機配置各自獨立的凝汽器[3]，不另設電動泵，有華電貴港電廠、山西華光電廠等。

1.1.3 1 000 MW機組等級

給水泵組配置一般為1臺100% 容量的汽動泵，另設1 臺小容量的啟動電動泵，有華電長興電廠、國電哈密大南湖電廠、華電邵武電廠三期等；泵組配置2臺50% 容量的汽動泵和1臺30%容量的電動泵，有華電句容電廠、華潤賀州電廠、中電投平圩電廠等；也有泵組配置2臺50%容量的電調泵和1臺30%容量的電動泵。

1.2 國外大型火電機組給水泵組配置

目前歐、美、日大型火力發電機組給水系統配置現狀：大型機組泵組一般配置1臺100%容量的汽動泵作主泵，2臺50%容量的電動泵作啟動備用，多泵聯合運行[1]，如英國500 MW機組、法國600 MW機組采用1臺100%容量的給水泵作主泵，2臺50%容量或2臺25%容量的電動泵作備用泵；德國近年來在1 000 MW級超(超)臨界機組給水泵組均采用1臺100%容量的汽動泵作日常運行，2臺40%容量的電動泵作啟動備用，典型代表有NIEDERAUSSEM電廠K機組、Lippendorf電廠、Boxberg電廠和黑泵電廠[5]；德國目前在大型超(超)臨界火電技術領域具有領先優勢，其800～1 000 MW等級發電機組采用100%容量給水泵組的運行相當穩定[5]，與美國Mountaineer電廠1 300 MW機組相當。美國1 000 MW超超臨界機組泵組多配置2臺50%容量的汽動泵、2臺60%容量的汽動泵或1臺100%容量的汽動泵作日常運行，不設電動泵組[1]，如AEP集團有6臺1 300 MW超臨界機組配置了1臺100%容量的汽動鍋爐給水泵組，不設置電動泵，分別是Gavin1，Gavin2，Amos3，Rockport1，Rockport2電廠，Mountaineer1[5]，至今運行情況良好。 AEP集團早在20世紀50年代末就采用單臺給水泵, 成功經驗豐富[5]。日本大多數火電廠600 MW機組典型的泵組配置情況與中國傳統的配置方案一樣，為2臺50%容量的汽動泵作日常運行，1臺25%容量的電動泵作啟動用[1]。

1.3 國外大型機組單臺給水泵組配置

美國Mountaineer電廠于1980年9月投入運行,執行電網調峰任務, 負荷控制在500～1 325 MW之間，運行至今,雖曾因給水泵及小汽機附屬設備引起6次機組強迫停機,但給水泵未發生過重大故障[5]。

綜上所述，通過國內外大型機組給水泵組配置的一般分析比較，單臺100%容量的汽動泵作日常運行，配小容量泵作啟動的模式，是給水泵組配置的一個推薦發展方向。

2 給水泵組布置方案比較

下面根據實際工作中的案例，分析各種布置方案的差異。

2.1 汽動泵組布置

大型火電站汽動泵組一般采用多泵聯合運行方式，在容量上有1臺100%容量的汽動泵或2臺50%容量的汽動泵等配置方式；在排汽冷卻方式上有濕冷、間接空冷和直接空冷3種方式；在布置上有汽機房0 m層布置、運轉層布置和汽機房0 m層、運轉層分層布置3種方式；在運行方式上有給水泵與前置泵串接的單套給水運行系統，給水泵與電動前置泵串接、兩套串接再并聯的雙套給水運行系統等[4]。

2.1.1 主給水泵與前置泵異軸布置(方案1)

給水泵由調速型工業汽輪機直接驅動，布置在汽機房運轉層，電動機直接驅動前置泵單獨布置在0 m層，目前國內的300～1 000 MW機組多采用此種布置方式。此方案布置可不設暖泵系統，機組啟動前僅需開啟前置泵20～30 min，保證上下筒體溫差15 ℃以下，即可直接啟動主給水泵。軸向距離短，維護方便。但是，由于前置泵驅動需獨立的動力源，需要配置前置泵電機和配套電氣系統，大大增加了投資和運行廠用電。

2.1.2 主給水泵與前置泵同軸異位布置(方案2)

小汽機采用雙出軸，一端驅動主給水泵，另一端通過減速箱驅動前置泵，布置在汽機房運轉層。該布置方式雖然省去了電動機，節省了廠用電，但因與主泵一同布置在運轉層，除氧器至前置泵入口的靜壓頭降低，使得有效汽蝕余量(NPSHa)大大降低，泵組的安全性不如方案1，且前置泵由小汽機一同帶動，故無法預先開啟前置泵保證主泵筒體溫差，所以，此種方案下建議設置簡易的預暖系統。

前置泵是否同軸對除氧器布置層高的影響：當機組在鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況甩負荷時，前置泵入口NPSHa會出現最小值，其小于必須汽蝕余量(NPSHr)時，前置泵會發生汽蝕。為避免出現這種情況，除氧器布置層高選擇時應確保BMCR工況甩負荷運行時前置泵入口壓力滿足NPSHr要求。常規布置中，給水泵與汽輪機布置在汽機運轉層，前置泵由電動機帶動布置在汽機房的0 m層，除氧器層標高24 m，但是當前置泵由給水泵汽輪機同軸驅動布置在運轉層時，要保證前置泵的汽蝕余量，經暫態計算，除氧器層的標高提高到30 m。其他條件一致時，同軸比不同軸布置的土建費用有了增加[6]。

表1 某2×660MW機組前置泵異軸、同軸布置比較[6]

2.1.3 主給水泵與前置泵同軸鄰位布置(方案3)

主給水泵采用雙出軸，一端連接小汽機，另一端通過減速箱連接前置泵(如圖1所示)，布置在汽機房運轉層。該布置方式與方案2有相同的優缺點，且檢修也較為不便，因目前大容量機組給水泵均采用雙殼體筒體泵，在檢修時軸向需要一定的空間來抽取芯包(建議檢修距離約4 m)，在檢修時需拆去主泵與前置泵間的減速箱和聯軸器，大大增加了檢修時間。前置泵與主泵同軸布置，省去了電動機，因而每臺機組廠用電可減少 1 200 kW，節省運行費用。某電廠2×660 MW 超臨界純凝燃煤發電機采用單機 2×50%容量的汽動泵組[6]，前置泵異軸、同軸布置比較見表1。

圖1 主給水泵與前置泵同軸鄰位布置示意

按表1數據，2臺機組年節約103.70萬元[6]，但汽動泵初投資較大，與電動泵相比設備較多，各種設備及管道占用場地面積大。

2.2 電動泵組布置方案[7]

電動泵不但初投資小，而且裝置簡單、運行可靠，同時布置靈活、占用場地小、檢修方便，在這些方面比汽動泵要好，但機組功率變大后，啟動容量相應增大，廠用電量會相應增加。目前的電動泵功率一般不超過6 MW，限制了電動泵在大功率機組上的使用。電動泵組采用液力偶合器調速還是以變頻交流電動機變頻調速，必須針對不同機組的不同需求，考慮可靠穩定性和調速準確性等特點，分類適配，設計選擇經濟合理的調速裝置。

2.2.1 電機直接驅動給水泵布置

電機直接驅動給水泵，大型電機的同步轉速只有1 500 r/min和3 000 r/min，受此限制，該方案給水泵只能作啟動沖管用。

2.2.2 采用液力偶合器調速的布置

采用液力偶合器調速的電動泵組主要有電動機、主給水泵、液力偶合器、前置泵等組成。目前國內外主流布置形式如圖2所示。

圖2 國內外主流布置形式

電動泵組的給水泵由電動機一端通過液力偶合器驅動，前置泵由電動機另一端同軸驅動；前置泵、給水泵、電動機、液力偶合器安裝于各自的底座，固定在一個共同的混凝土基礎上，布置在汽機房0 m層。液力偶合器作為節能設備，在電動機轉速不變的情況通過轉矩的傳遞而改變給水泵轉速，這種方式工作平穩，能夠實現無級變化輸出轉速。給水泵在部分負荷工況下，與節流式相比節省了相當大的功率損失。電動機啟動電流小，可選用較小容量的電動機，節省投資。工作輪間無機械聯系，通過液體傳遞扭矩，隔振效果良好，能大大減緩兩端設備的沖擊負荷。

根據液力偶合器效率特性曲線，偶合器傳動效率等于其傳動比，從偶合器工作輪本身來講，長期處于高傳動比下工作，才能獲得最佳經濟效益[8]，如需長期在降負荷工況運行是不經濟的。電泵組效率計算公式如下：

η電機×100% 。

可以看出，在降負荷工況運行時，電泵的整體效率很低。

2.2.3 采用交流電動機變頻調速的布置

交流電動機變頻(以下簡稱變頻電機)調速是一種無附加轉差損耗的高效調節方式，在火電機組給水系統中應用，可根據負荷變化高效地改變出力，節約大量電能，獲得可觀的經濟效益[2]。這種調速方式的優點在于可使給水泵平穩無級變速，啟動能耗低，調速效率高，調速范圍較寬，動態響應速度快，可實現給水泵軟啟動并始終處于高效點運行，具有顯著的節能效果[4]。變頻電機的布置示意如圖3所示。

圖3 變頻電機的布置示意

可以看出，采用變頻電機的布置較為復雜，主要原因如下：在低轉速工況下，變頻電機轉速較低，如變頻電機采用雙出軸與前置泵直連，前置泵出口壓力就不能滿足主泵的NPSHr，會發生汽蝕。故前置泵需單獨配置小電機，使前置泵轉速保持在2 985 r/min。變頻電機最高變頻轉速在3 600 r/min左右，若要滿足主泵的工作轉速(5 000 r/min)，需布置增速齒輪箱，并需加入稀油站為泵組提供潤滑油。另外，變頻調速設備最大的缺點是技術復雜，初始投資較高，尤其是高壓變頻器，并且對電網有干擾，需要較高水平的使用和維護技術[2]；受環境溫度、濕度、振動等因素影響較大，易受干擾不穩定，柜內元器件散熱要求高，相對可靠性低，還不能在大型機組上廣泛應用。

3 結束語

給水泵組的配置與布置方案是業主與給水泵組制造廠重點討論的內容，電站給水系統的選型配置、設計布置以及節能改造，應充分綜合系統的給水壓力、除氧器安裝高度、給水泵汽蝕、機組調峰需求、檢修方便、初期投資和后續投入、運行費用、安全可靠性和經濟效益等要素，分析研究運行實例和節能效果，考慮經濟實用價值和技術先進性，選擇配置最優、最合理的給水泵組配置與布置方案。

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TK 223.5+2

B

1674-1951(2017)12-0004-04

2017-11-30；

2017-12-06

(本文責編：白銀雷)

余麗萍(1966—)，女，江蘇無錫人，高級工程師，從事火電站鍋爐給水設備的設計研發工作(E-mail:yulp1126@163.com)。