1000MW超超臨界機組主機泵選型探討

張曉東（華電萊州發電有限公司，山東煙臺261400）

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1000MW超超臨界機組主機泵選型探討

張曉東
（華電萊州發電有限公司，山東煙臺261400）

摘要：通過國內尚未成功應用的主汽輪機驅動給水泵與小汽輪機泵在國內某1000MW新建工程上，進行選型優化比較。本文認為：相對于小汽輪機泵主汽輪機泵提高火電機組的熱經濟性、系統更為簡單、維護更為方便等優勢，建議在國內的1000MW新建機組得到進一步的普及。

關鍵詞：1000MW；火電機組；給水泵；主汽輪機驅動

0　引言

我國1000MW等級發電機組鍋爐的給水泵驅動方式常規有兩種：電機驅動和汽輪機驅動。電機驅動的給水泵主要應用于空冷機組，其廠用電率消耗特別大。汽輪機驅動給水泵是濕冷1000MW等級機組的主流配置，目前國內外的汽輪機驅動給水泵方式主要為工業汽輪機驅動（簡稱小機泵）和主汽輪機驅動（簡稱主機泵）兩種。因主機泵在國內尚無成功應用的基礎，通過對國外成功應用的主機泵的經驗，與目前小機泵進行對比，為國內新建1000MW等級濕冷機組給水泵選型提供參考。

1　主機泵主要技術特點

主機泵目前在國內還沒有成功應用的先例，現對主機泵的主要特點進行介紹。主汽輪機驅動的給水泵指的是火電機組鍋爐給水泵由主汽輪機驅動，即于主汽輪機同軸拖動，給水泵布置在主汽輪機頭側，由主汽輪機主軸通過聯軸器、齒輪箱、調速裝置等帶動鍋爐給水泵運行[1～3]。主機泵與小機泵兩種配置方案從直觀上判斷，主汽輪機的內效率比工業汽輪機內效率高，主機泵系統比小機泵系統更加簡潔（無工業汽輪機的蒸汽系統、潤滑油系統以及循環水冷卻系統等）。主機泵目前在國內無成功應用的實例，但在國外有多年成功運行的業績。德國Scholven電廠主汽輪機驅動給水泵從1975年投運至今，已安全運行四十多年。

2　主機泵技術方案分析

下面用某電廠擴建機組為例，對主機泵的技術方案進行論證分析。某電廠規劃6×1000MW超超臨界火電機組；一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發電機組已建成投產，本期工程擴建2×1000MW級超超臨界燃煤發電機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。該電廠二期工程擬采用1×100%BMCR容量汽輪機驅動給水泵組配置方案，給水泵組設計參數為：

主給水泵流量：3105/2890t/h；

主給水泵揚程：1650/4250m；

主給水泵軸功率：40500kW；

本工程主給水泵軸功率約為41MW，汽輪機驅動給水泵方案按主給水泵和前置泵不同軸布置考慮?？紤]二期為擴建工程，小機泵配置方案為1×100%BMCR容量汽輪機驅動給水泵組；主機泵配置方案為1×100%BMCR容量汽輪機驅動給水泵+1×30%BMCR容量電動啟動定速給水泵組。

2.1主機泵方案給水泵布置位置選擇

主機泵有兩種布置方案（如圖1所示），方案一：給水泵組同軸布置在汽輪機高壓缸側（或叫機頭側），方案二：給水泵組同軸布置在發電機側（或叫機尾側）。兩種方案均需要主機廠進行核算，下面將對汽輪機的機頭和發電機的機尾進行分析，判斷給水泵與主機連接方案的可行性。

2.2主機泵技術方案選擇

主機泵方案在國外電廠均采用方案一（即給水泵與主機同軸布置在汽輪機機頭側，由汽輪機轉子直接拖動，給水泵與主機之間通過齒輪箱和調速裝置連接），該主機泵方案配置的設備主要有：與主汽輪機同軸相連的聯軸器、分軸齒輪箱、調速裝置以及給水泵組等。本工程計劃用100%容量給水泵配置方案，其平面布置如圖2所示，與主汽輪機同軸相連的聯軸器、調速裝置以及給水泵組等。

2.3技術方案中需要注意和解決的問題

2.3.1對汽輪機機頭側的影響

給水泵布置于汽輪機機頭側，針對上海機組，機頭側原布置為高速液壓盤車裝置（60rpm），現則需要改變現有的盤車方式或改變現有液壓盤車的位置[4]。

1）可將原液壓盤車方式改為傳統的電動盤車，布置在機組某個軸承座側面實現連續盤動轉子。超超臨界機組采轉子之間通過靠背輪直接連接無墊片，如改為電動盤車，需要在靠背輪之間增設一個盤車齒輪盤，對軸系以及聯軸器的連接方式均將帶來不利影響，需要全部重新設計。同時現有機組為單軸承支撐方式，軸承座落地結構，軸系短，汽缸之間結構緊湊，根據現有的布置情況，沒有布置電動盤車的空間，改為傳統的電動盤車方式實現難度十分巨大。

2）可將現有的液壓盤車移至主發電機的勵磁機側，保持原有的技術風格，理論上是可行的。

2.3.2軸系的影響

給水泵與超高壓缸之間的膜盤聯軸器不但能傳遞巨大扭矩，同時可以在軸向、徑向、角向等任意方向拉伸、彎曲、扭轉。根據現有資料可以認為給水泵軸系和主機軸系是相互獨立的，僅僅通過膜盤聯軸器進行扭矩的傳遞。但膜盤聯軸器是否有作用力作用在主機軸系上還需要膜盤聯軸器廠家提供相關說明及數據進行后續配合及計算，經汽輪機廠初步分析，如果采用撓性膜盤聯軸器（如BHSTwinTors膜盤聯軸器），則由于該聯軸器要具備一定的吸收中心線偏差能力，同時具備較強的吸收軸向膨脹的能力，因此，泵組軸系對主汽輪機軸系的影響可降至很小，可達到不計入汽輪機主軸穩定性復核的程度。

2.3.3調速裝置方案確定

將主汽輪機轉子的轉速從恒定的3000rpm通過齒輪箱轉接，是否降低到1500rpm左右。從調速裝置的選型經驗看，1500rpm左右的輸入轉速是調速機構最適宜的輸入轉速。輸入轉速的增高將相應增加調速設備轉子的葉尖速度，轉子結構需要做相應的設計以確保適應更高的輸入轉速，隨之而來的是不必要的設備生產成本增加、技術風險提高和交貨周期的延長等問題需要進一步與制造廠溝通。

調速裝置與汽輪機之間應裝設離合器，實現沖轉、暖機、啟機以及甩負荷等各個工況下的解列功能。

3　主機泵與小機泵經濟技術分析

經過上述初步分析，主機泵方案基本可行，下面針對主機泵與小機泵兩種方法的經濟性進行分析比較。

3.1主機泵與小機泵系統配置分析

主機泵方案為主汽輪機驅動，調速裝置調節；小機泵是工業汽輪機驅動，工業汽輪機調節[2]。兩種方案的具體配置圖如圖3和圖4所示。

從配置方案可以看出，兩種方案的能效比較在于小機內效率與主機內效率的比較以及連接設備的能耗的比較。

3.2主機泵與小機泵經濟性比較

本次能效分析的基礎是按照汽輪機廠家提供的小機泵方案熱平衡圖，因主機泵方案廠家未提供熱平衡圖，經濟分析時暫按照小機泵方案熱平衡圖進行延伸，其假設條件為：主機泵與小機泵方案中的汽輪機的主蒸汽進氣量相同；超高壓缸、高壓缸、中壓缸的效率均相同；主機泵的低壓缸進行增容（能接納原小機泵去工業汽輪機的蒸汽），并且效率與小機泵低壓缸效率相同[3]。

通過上述假定條件，可得出能效分析見表1。

表1　能效分析

通過表1可看出小機泵方案年熱耗=7079kJ/kWh；主機泵方案年平均熱耗=7063.6kJ/kWh；兩個方案全年平均熱耗相差15.4kJ/kWh，約節約標煤0.56ceg/kWh，上述條件按設備利用小時5500h進行分配。

綜上分析可得出主機泵方案在能效方面年平均熱耗低15.4kJ/kWh，主機泵每年將節約標煤6160t，約493萬元（按年利用小時數5500h，標煤單價800元/t計算）。

因系統簡單，主機泵檢修工作量小，日常維護和大小修費用也將每年節省近百萬元。

由于主機同軸布置汽泵，在電網調度同樣負荷下，主機實際工況將相應提高約35MW，由于負荷率提高，機組實際運行負荷點上移，主機熱耗將下降，根據主機廠提供的100%工況和75%工況熱平衡圖，熱耗將平均下降約15kJ/kWh，發電煤耗將下降0.55g/kWh，年節約標煤約6050t，年節省燃料費用約484萬元。

綜上所述，主機泵較小機泵方案在不考慮維護費用減少的情況下，年節約燃料費用約977萬元。

3.3主機泵與小機泵造價分析

主機泵方案和小機泵方案的設備造價分析見表2。

表2　設備造價分析

通過表2可知，主機泵比小機泵的設備費用基本降低660萬元；若考慮本工程使用一期的電動啟動給水泵，設備初投資可節約1280萬元。

主機泵和小機泵方案的布置變化影響主廠房體積變化，主機泵方案的汽機房跨度將減小，但長度將增加，主廠房的變化和方案的變化將影響設備的費用、設備基礎和主廠房等土建費用、四大管道的費用等，具體數據見表3。

主機泵與小機泵方案的投資基本相當。考慮利用一期電動啟動給水泵和不計汽輪機設計修改費用，主機泵比小機泵方案節約初投資約960萬元。

表3　方案費用比較匯總

4　總結

4.1主機泵與小機泵在系統配置、運行等方面各有優勢

（1）采用主機泵系統簡化，取消了工業汽輪機，減少了系統管路預暖，汽源切換、小機沖轉相關工作，提高設備響應速度，同時整個控制調速系統的取消，減少了控制油管路泄漏風險與遮斷、閥門活動試驗時引發的設備隱患，正常運行中減少了小機相關定期工作，大大減少了運行工作量。

（2）主機泵取消小機潤滑油系統，附屬油系統試驗等相關工作，同時大大降低了因潤滑油系統故障，如管路泄漏、油泵起壓慢等，造成的設備故障。

（3）采用主機泵，工業汽輪機的取消，減少了凝汽器系統真空的泄漏點，大大提高了主機真空運行可靠性。減少了供汽管路暖管疏水、閥門內漏造成的熱量損失以及大量的操作工作。

（4）設備檢修工作量和備品備件減少。

4.2主機泵的風險點

（1）國外最近投運機組已滿20年，最近國外無新建機組，主機泵方案的發展趨勢不掌控。建議國內新建機組加強對國外已投運機組調研，全面掌握其發展趨勢和運行中存在的問題。

（2）主機廠與給水泵同軸的軸系核算以及汽輪機盤車和危機遮斷器等設備維修存在的風險因素。

（3）調速裝置的輸入轉速若降為1500r/mim，其高負荷經濟效率與小機泵方案略高，但低負荷（低于50%）將低于小機泵方案。國內目前投產超超臨界機組要求的調峰能力是50%～100%，低于50%負荷的工況只出現在啟停機階段，此缺點可以不考慮。

（4）主機泵偶然工況對主機的影響以及控制需要進一步研究。

5　結語

綜上所述在技術上目前1000MW等級的汽輪機組選擇主汽輪機給水泵方案是可行的，從國外的四十多年的運行經驗來看主機泵在長時間運行來看是可靠的；對于目前國內常用的小汽輪機給水泵相比較，主汽輪機給水泵的熱經濟性要更好；考慮目前國內節能環保的需求，在新建的1000MW等級的火電機組上選用主汽輪機泵的方案，可以提高火電機組的熱經濟性，且熱力系統更為簡單，運行維護費用更低，建議在國內1000MW新建機組進行推廣。

參考文獻：

[1]朱瑾，付煥興，馬愛萍. 1000MW濕冷機組主汽輪機驅動給水泵研究[J].中國電力，2011，45（11）：22～27.

[2]崔占忠，郭曉克，石志奎，等.大容量空冷電廠主汽輪機同軸驅動給水泵技術研究[J].中國電機工程學報，2012，32（29）：66～71.

[3]馮偉忠. 1000MW超超臨界機組給水泵及系統優化[J].中國電力，2010，43（8）：26～30.

[4]翟慎會，胡訓棟，高永芬，等.汽輪機同軸驅動給水泵傳動裝置的研究[J].電站工程系統，2014，2（1）：46～50.

修回日期：2016-01-25

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Analysis on Type Selection of Turbine Drive Feed Water Pump for 1000MW Ultra-supercritical Unit

ZHANG Xiao-dong
（Huadian Laizhou Power Generation Co.，Ltd，Yantai 261400，China）

Abstract：Through domestic not yet successful application of the main steam turbine driven feed pump and small steam turbine pump in a domestic 1000MW new project，the selection and optimization of comparison. This paper argues that：compared to the small turbine pump turbine pump to improve the thermal power units thermal economy，system is more simple，maintenance is more convenient，and other advantages，it is recommended in domestic 1000MW new unit further popularization

Key words：1000MW；thermal power unit；feed water pump；main turbine drive

收稿日期：2015-12-29

作者簡介：張曉東（1977-），男，福建仙游人，工程碩士，工程師，主要從事火力發電廠集控運行值長工作。

中圖分類號：TM621

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0039-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.009