直接空冷汽輪機主軸驅動給水泵方案探討

羅方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐曉康

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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直接空冷汽輪機主軸驅動給水泵方案探討

羅方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐曉康

（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：隨著節能減排技術的發展，給水泵配置方案的重要性日益顯現。文章主要介紹了國外給水泵由汽輪機主軸直接驅動的方案，并分析對比該方案與目前國內所普遍采用的電機驅動及小汽機驅動方案的優缺點。探討給水泵主軸驅動在大功率直接空冷機組中的應用方案，以供同類機組設計參考。

關鍵詞：給水泵，主軸驅動，直接空冷機組，驅動方案

1　給水泵主要驅動方案的比較

目前國內汽輪發電機組的給水泵驅動方式主要有電機驅動及小汽機驅動2種。早期的大型空冷機組多采用了電機驅動給水泵方案，由于電泵能耗巨大，消耗的廠用電率可達到機組額定發電功率的3%～4%。由于對上網電量的影響，目前執行的工程已較少采用。采用小汽機驅動給水泵方案的直接空冷機組，通常都為小汽機配置了單獨的凝汽器和冷卻塔，采用濕冷方式或者采用間冷方式。由于環境保護的壓力，新建空冷發電工程的水耗指標被日益壓縮，直接空冷機組目前已有一些工程采用了小汽機排汽直接排入大機排汽裝置的方式。采用小機直排方案時，與小汽機單設凝汽器方案相比，雖然具有系統配置簡化、工程造價降低、水耗指標也能較好控制的優點，但是小汽機的背壓需考慮到排汽管道的壓損，比大機背壓更高，而且易受到大機背壓變化的影響。與濕冷小汽機相比，空冷小汽機采用直排方案時，夏季工況至設計工況的背壓變化范圍更大；通常直接空冷機組都要求夏季滿發，此時小汽機出力最大；直排方案的空冷小汽機，為滿足給水量調節的要求，設流設計裕量往往偏大，導致全年大部分時間運行偏離設計工況，使得整個汽輪發電機組系統運行經濟性不高。對于大功率直接空冷機組，給水泵采用主軸直接驅動，可很好地避免上述方案的不足之處。

2　汽機主軸驅動給水泵方案簡介

汽輪機主軸驅動給水泵的方案，就是在運轉層機頭側由汽輪機主軸通過聯軸器、齒輪箱、調速傳動裝置帶動給水泵運行。主軸通過齒形聯軸器或膜片式聯軸器與齒輪箱連接，通過齒輪箱將轉速由3 000 r/h減速至1 500 r/h。齒輪箱與給水泵間設置調速裝置，調節轉速滿足給水泵運行要求。給水泵配置可選擇2臺50%容量或1臺100%容量。當配置2臺50%容量給水泵時，通過齒輪箱將汽機主軸功率分別傳至2個給水泵。從1960年代到1970年代，歐州國家的許多電廠采用了汽輪機主軸驅動給水泵的方案。調速裝置通常選用帶行星齒輪耦合器的“調速之星”，該裝置含液力變速耦合器、液力變矩器、制動裝置、固定行星輪和旋轉行星輪，完全可滿足給水泵轉速調節范圍的要求。主軸驅動方案與電機驅動方案相比，省去了高壓廠用變壓器、電動機等環節，系統簡單可靠，廠用電率與汽泵方式相當。與小汽機驅動方案相比，在節能節水、簡化給水泵系統、優化廠房布置、降低工程造價等方面都有一定的優勢。因給水泵所需功率來自大汽輪機，且其功率傳遞為機械傳動，所以效率更高；而且機組在低負荷下運行時，不存在大汽輪機供小機抽汽壓力低而需要切換汽源的問題，系統運行更平穩可靠。對大功率機組而言，汽機主軸驅動給水泵方案是一種理想的選擇，如圖1所示。

圖1　汽輪機主軸驅動給水泵方案圖

3　采用主軸驅動給水泵方案時汽機設計的主要變化

圖2　給水泵主軸驅動汽機總體結構布置

由于汽機機頭側連接給水泵及傳動裝置，故需在汽機設計時取消軸驅主油泵及機械式危急遮斷器等部件，前軸承箱結構也需相應改進。汽機與齒輪箱間的聯軸器選擇，需考慮機組啟停膨脹時將出現的較大軸向位移以及少量的中心線偏移，聯軸器需具備位移補償功能，因而選擇齒形聯軸器較為適宜。借助齒形聯軸器較強的軸向膨脹吸收能力，滑銷系統可沿用常規機組的成熟設計方案。汽機主軸驅動給水泵方案對軸系穩定性是否存在不利影響，是決定該方案可靠性的關鍵因素。因而要求聯軸器及“調速之星”在傳遞功率的同時，應能保證兩端設備的沖擊和振動不相互傳遞；確保在極端工況下，某一設備故障不致于通過軸系傳遞而破壞其他設備。以東方超臨界350 MW為分析對象，調速之星選擇德國VOITH 的RW14-13 F8型號，給水泵選擇某匹配型號；通過軸系的初步連算分析來看，臨界轉速和扭振頻率均能滿足相關規范的要求，該方案基本可行。考慮到主機泵傳動路線的復雜性，以后還需對該方案的建模及計算方法進行深入的研究，以便得到更為精確的判斷。

給水泵主軸驅動汽機總體結構布置如圖2所示。

4　主軸驅動給水泵方案對汽機經濟性影響的分析

汽機主軸驅動給水泵方案與小汽機驅動方案相比，原來從大汽輪機抽出驅動小汽機的這部分蒸汽量繼續在主機中膨脹做功。對熱力系統的影響主要有2個方面：（1）原來小汽機抽汽這部分工質在主機中膨脹做功，大機的通流效率較高，故系統的經濟性應有所提高；（2）大機低壓缸排汽流量增大約10%，對主機的經濟性及末葉選型有一定的影響。針對這兩點變化，以超臨界350 MW某直接空冷機組為例，假設了相應的工程邊界條件，對主軸驅動給水泵方案經濟性作了如下簡要分析。

目前給水泵驅動小汽機實際運行效率約為80%～81%，對小機直排方案，其蒸汽流量約為61 t/h；采用主軸驅動方案后，這部分工質繼續在大機中膨脹做功，其膨脹效率約為89%～90%，遠遠高于小機效率。考慮汽機主軸與給水泵之間的傳動效率約93.4%，則此部分工質的當量膨脹效率約為83.1%～84.1%，仍然略高于小汽機效率。經計算，采用汽機主軸驅動給水泵方案后，從工質膨脹效率提高角度來看，整機熱耗將下降約9～10 kJ/kW·h；當小汽機效率每升高1%時，對應熱耗降低約3 kJ/kW·h。由于驅動小汽機的抽汽繼續在大汽輪機通流中做功，導致大機排汽流量增大約10%。末葉的排汽環形速度上升，致使排汽損失增大、低壓缸效率降低，對機組熱耗產生不利影響。但是采用該方案后，部分負荷工況、高背壓工況以及供熱機組的抽汽工況下，由于流量的增加機組熱耗又可得到明顯改善。因此，對于該部分流量對機組經濟性影響，需結合具體工程條件，如是否供熱、年平均負荷率、背壓及末葉選擇等進行綜合分析。

5　結論

汽機主軸驅動給水泵方案作為1種經運行驗證的成熟方案，具有簡化給水泵系統配置、運行可靠方便、降低常用電率、節約用水等優勢，在降低機組熱耗方面也有一定的潛力。綜合考慮，該方案在大功率直接空冷機組及空冷供熱機組中有著廣泛的應用前景。

參考文獻

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Scheme Discussion of Direct Air Cooling Turbine Main Shaft Drive Feed Water Pump

Luo Fang，Shi Xuanping，Tang Qingzhou，Wang Song，Guo Yong，Xu Xiaokang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:With the development of energy saving and emission reduction technology，the configuration scheme of the feed water pump becomes more important.This paper mainly introduces the scheme that the feed water pump is directly driven by the turbine main shaft in abroad，analyzes advantages and disadvantage of the motor driving and small turbine driving schemes which are usually used in China.The scheme of feed water pump main shaft driving which applys to high-power direct air cooling unit is discussed，and pro?vides a reference for similar units design.

Key words:feed water pump，main shaft drive，direct air cooling turbine，drive scheme

中圖分類號：TK14

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0014-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.004

作者簡介：羅方（1982-），男，本科，2003年畢業于西安交通大學能動學院，現從事汽輪機設計工作。