1 000 MW二次再熱機組高壓給水系統優化研究

於震躍，黃靖乾，任淵源，李成軍，徐紅波

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310007；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

1 000 MW超超臨界二次再熱技術代表了目前火力發電技術領域發電效率最高、發電標準煤耗最低的先進技術。二次再熱機組的給水系統是整個發電系統流程中最為關鍵的環節，而給水泵和高壓加熱器作為高壓給水系統中最為重要的設備，其配置的經濟性和運行的可靠性對整個電廠的生產和效益顯得十分重要[1]。本文對1 000 MW二次再熱機組的給水泵組配置方案和高壓加熱器系統配置方案從布置方案、設備可靠性、系統經濟性等方面進行分析比較，從而確定經濟可靠的給水系統配置方案。

1 高壓給水系統配置現狀

1.1 給水泵組配置現狀

由于1 000 MW等級機組的給水泵揚程大、流量大、功率大，而電機驅動的能量轉換環節過多效率較低，電機及斷路器、配電系統造價高，增加廠用電率，無論從運行的熱經濟性和可靠性，還是從設備的初投資方面，主給水泵采用小汽輪機驅動都要明顯優于采用電機驅動[2]。國內外已運行的1 000 MW及以上機組給水泵配置，主要有2×50%容量汽動給水泵和1×100%容量汽動給水泵兩種方式[3]。

日本1 000 MW火力發電廠為提高給水系統的可靠性，除個別電廠外，幾乎都采用2×50%容量汽動給水泵方案，再加上1×25%或1×30%的電動給水泵作為啟動和備用泵。歐洲的電廠多采用1×100%容量汽動泵，再加上2×35%或2×40%的電動給水泵作為啟動/備用泵。美國電廠以上2種配置都有采用，但是基本不再設置電動給水泵[4]。

我國在早期投運的1 000 MW等級機組除外高橋三期工程采用了1×100%容量汽動給水泵外，其余電廠大多都采用2×50%汽動給水泵配置，再加上1×(25%～30%)的電動給水泵作為啟動和備用泵[5]。近年來，隨著國內600 MW級別機組采用1×100%容量汽動給水泵配置的數量逐漸增多，在1 000 MW級別機組上采用1×100%容量汽動給水泵配置的方案也越來越多，如重慶神華萬州電廠、神華永州電廠等。

1.2 高壓加熱器配置現狀

高壓加熱器采用表面式換熱的型式，按照換熱管的形狀，主要分為U形管換熱器和蛇形管換熱器兩種型式[6]。按照高壓加熱器的容量，主要分為單列式和雙列式兩種形式。由于U形管換熱器傳熱計算模型簡單、換熱管加工程序簡單、生產制造成本低，我國大部分高加制造商推出的產品均為U形管。蛇形管換熱器加工制造難度大，設備費用較U形管換熱器更高[7]。目前，我國只有少數幾家設備制造商通過引進德國某公司的蛇形管技術，開始制造蛇形管高壓加熱器[8]。近年來，我國投運的一次再熱1 000 MW機組大多都采用了單列、U形管高壓加熱器。由于二次再熱機組的汽水參數提高，導致高壓加熱器的設計參數進一步提高，若采用單列式的U型管高加系統，高壓加熱器的管板厚度將達到700～800 mm，制造難度極大。因此，目前國內投運的二次再熱機組的主要U形管高壓加熱器普遍采用雙列式系統。

2 給水泵和高壓加熱器配置方案的比較

2.1 給水泵配置方案的比較

根據目前國內1 000 MW機組的給水泵組配置狀況，本文對方案一1×100%容量泵組和方案二2×50%容量泵組兩種方案進行比較。

2.1.1 可靠性比較

方案一由于只配置了1臺給水泵，當給水泵因為故障停運時，會造成整個機組被迫停運。方案二在一臺主給水泵組故障時，機組仍能依靠另一臺給水泵保持在部分負荷下運行。單從系統配置的角度看，方案二較方案一的可靠性更高。但根據對國內外配置1×100%汽動給水泵的1 000 MW機組的運行情況統計，國內的二次再熱機組從投運至今未發生因為給水泵故障而造成機組停運事故。德國的1 000 MW機組中，因給水泵故障引起的機組強迫停機率僅0.186 8%。由此可見，方案一的方案配置可靠性雖不及方案二，但也保證了非常高的運行可靠性。

2.1.2 經濟性比較

國內投產的1 000 MW二次再熱機組的采用2×50%容量配置方案，給水泵多采用給水泵的芯包進口，泵體國產，以降低給水泵組的初投資。而采用1×100%容量配置方案，為提高設備運行可靠性，給水泵多采用全進口。兩個容量配置方案配套的給水泵汽輪機均可采用國產小汽輪機，小汽輪機及其排汽系統的配置分別為1×100%給水泵方案配置1套小汽輪機、小凝汽器及其循環水系統，2×50%給水泵方案配置2套小汽輪機及其排汽系統，不單獨設置獨立凝汽器。根據對國內主要的設備制造商對兩種方案的設備報價對兩種方案進行初投資比較，見表1所列。

表1 單臺機組的給水泵配置方案初投資比較 萬元

對于給水泵效率，在相同的設計和設備加工水平下，設備容量加大后各動靜間隙基本不變，相對泄漏量減少，因此1×100%容量配置的泵效率相較于2×50%容量配置的泵效率更高。針對兩種給水泵配置方案，結合國內近兩年1 000 MW機組典型的運行工況，進行運行經濟性比較，見表2和表3所列，其中機組年利用小時數為5 000 h，標煤價格按800元/t，鍋爐效率按95%考慮。

表2 單臺機組的給水泵配置方案運行煤耗比較

表3 單臺機組的給水泵配置方案運行經濟性比較

雖然1×100%容量配置方案初投資比2×50%容量配置方案高出500萬元，但由于泵組的效率更高使得機組的運行經濟性更高，每年可節省燃料費用約146.5萬元，使得綜合總年費可降低約95.6萬元。綜上可知，1×100%容量給水泵的配置方案可靠性較高，且運行經濟性較2×50%容量方案更優，因此推薦采用1×100%容量給水泵的配置方案。

2.1.3 布置方案比較

給水泵組根據前置泵與主給水泵是否同軸可分為同軸和分軸布置。同軸布置又可分為給水泵布置在主廠房的中間層和運轉層兩種方案。由于機組甩負荷工況時，除氧器的運行壓力瞬間會大幅下降，若前置泵入口給水壓力低于其必須汽蝕余量時，會發生汽蝕。根據除氧器暫態計算分析，當前置泵布置在主廠房0 m時，除氧器宜布置在 24 m及以上；當前置泵布置在中間層(8 m)時，除氧器宜布置在31 m及以上；當前置泵布置在運轉層(16 m)時，除氧器宜布置在39 m及以上。不同的布置方案會引起主廠房土建費用的變化。前置泵與主給水泵不同軸布置相比同軸布置方案，可以將前置泵布置在0 m層，減少除氧器的布置標高，從而降低主廠房的土建費用。同時分軸布置方案因為小汽輪機的進汽量減少可以降低機組的熱耗，從而降低發電煤耗，但需要增加電動機、中低壓給水管道等設備初投資和運行電費。對同軸布置(給水泵組布置在中間層和運轉層)的兩個方案和分軸布置方案進行初投資和運行費用的經濟性比較，見表4所列。

表4 單臺機組的給水泵布置方案投資和經濟性比較

由表4可知，從運行經濟性角度看，同軸布置較分軸布置每年能節約100萬元以上，經濟性更好。而同軸布置中，給水泵組布置在中間層較布置在運轉層方案，每年可節省15萬元。

綜合上文的比較，從運行經濟性和可靠性角度看，給水泵組同軸布置在主廠房中間層的1×100%容量配置方案最優。

2.2 高壓加熱器配置方案的比較

2.2.1 可靠性比較

對于1 000 MW二次再熱機組的高壓加熱器系統采用雙列U形管高加系統和單列蛇形管高加系統都是可行的。從系統角度看，單列高加系統較雙列高加系統的設備、管道、閥門數量均減少了一半，因此單列高加系統更加簡單。國內投運的二次再熱機組以雙列高加系統為主，近兩年投運的華能瑞金電廠和大唐東營電廠首次采用了蛇形管單列高加系統。雙列U形管高加系統在國內外二次再熱機組上已得到長期運行的實踐驗證，可靠性較高。蛇形管單列高加系統在國內投運時間僅2 a左右，但在歐洲等地的電廠中運行多年，其可靠性與穩定性也能夠滿足實際運行的要求。采用雙列高加系統，當任一高壓加熱器故障時，同列其余高加同時退出運行，給水快速切換到給水旁路運行，此時運行的另外一列高加系統仍可通過60%左右的給水流量，能保證良好的機組熱經濟性。采用單列高加系統，當任一高壓加熱器故障時，所有的高加均從系統中退出，給水快速切換到給水旁路運行，此時機組的熱經濟性較差。

但對于采用U形管技術，由于高壓加熱器的管板較厚，管板與殼體的連接處的熱應力集中，當機組頻繁調峰時，在溫度變化頻繁的情況下容易產生裂紋，影響設備的使用壽命。對于采用蛇形管的單列高壓加熱器，由于管束的連接方式解決了U形管熱應力集中的問題，負荷變化的適應性較好。

2.2.2 經濟性比較

由于單列高加系統較雙列高加系統更加簡單，因此單列高加系統方案的主廠房土建費用、給水系統、抽汽系統、疏水系統的管道和閥門數量更少，初投資更低。但蛇形高加設備由于加工制造成本高加上引進技術費，設備的初投資比U形管雙列高加高約1 800萬以上。從運行經濟性角度看，雙列高加的抽汽管道長度長，雙列高加系統的抽汽管道的壓降比單列高加系統的壓降大0.7%，由此引起的機組熱耗會增加約1 kJ/kWh，發電標煤耗較單列高加高0.04 g/kWh。根據設備制造商的報價，兩種系統配置的費用比較見表5所列，其中機組利用小時數按5 000 h，標煤價格按800元/t。

表5 單列蛇形管高加和雙列U形管高加比較

由表5的比較結果可知，雙列U形管高加系統的初投資較單列蛇形管高加系統初投資低約650萬元。單列高加系統的運行經濟性稍好于雙列高加，每年可節省燃料費用16萬元。若考慮高加故障退出運行的情況，則雙列高加系統的運行經濟性更好。從總的經濟費用角度看，雙列U形管高加系統更優，每年可節省費用約50萬元。因此，從當前的蛇形管制造成本和運行經濟性角度看，雙列U形管高加系統更占優勢。

未來，若單列蛇形管高加隨著國產化進程的深入，相應的配套加工生產工藝不斷成熟，蛇形高加與U形管高加的初投資差價若能低于1 300萬元，則經濟性更優。

3 結論

1)對于給水泵組配置方案，1×100%容量配置方案和2×50%容量配置方案均有大量的機組運行實踐驗證，兩種方案均較為可靠。從運行經濟性角度看，1×100%容量配置方案比2×50%容量配置方案每年可節省燃料費用約146.5萬元，使得綜合總年費可降低約95萬元，經濟性更好，因此推薦采用1×100%容量給水泵的配置方案。

2)對于給水泵組的布置方案，通過對比同軸布置和分軸布置的經濟性可知，同軸布置較分軸布置每年能節約100萬元以上，經濟性更好。而同軸布置中，給水泵組布置在中間層較布置在運轉層方案每年可節省15萬元。因此推薦給水泵組同軸布置主廠房中間層方案。

3)雙列U形管高加系統技術上成熟可靠，在切除一列高加運行時，仍能保持較好的機組經濟性。單列蛇形高加系統在機組頻繁調峰時，對機組負荷變化的適應性好。兩種配置方案均在大量的二次再熱機組中使用，可靠性均較高。雙列U形管高加經濟性較單列蛇形管高加系統更優，每年可節省費用約50萬元。現階段在蛇形管高加設備費用沒有明顯下降的前提下，推薦采用雙列U形管高加系統。

對于1 000 MW二次再熱機組的高壓給水系統推薦采用每臺機組配備1×100%容量汽動給水泵組，汽動給水泵組同軸布置在主廠房的中間層，高加系統采用雙列U形管高壓加熱器。