600 MW級空冷機組給水泵配置分析

鄭國寬，李翠翠，陳廣林

（中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內蒙古 錫林浩特 026000）

600 MW級空冷機組給水泵配置分析

鄭國寬，李翠翠，陳廣林

（中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內蒙古 錫林浩特 026000）

鍋爐給水泵是電站主要輔機之一，其配置形式對機組的初投資、利用率、穩定性影響重大。以600 MW級空冷機組為模型，對電動泵方案、汽動泵同軸驅動前置泵方案和 “主機泵”方案進行技術經濟分析。通過比較，電動泵方案初投資低、廠用電率高、供電煤耗高、經濟性最差。汽動泵同軸驅動前置泵方案初投資高、系統復雜、運行維護工作量大、供電煤耗低、綜合經濟性能優越，可作為該類型機組的優選方案。“主機泵”方案具有初投資較低、傳遞能量效率高、廠用電率低等特點，可作為一種新的備選方案。

鍋爐；電動給水泵；汽動泵同軸驅動前置泵；主機泵；配置方案

0　引言

隨著火電機組蒸汽初參數的不斷提高，遠距離輸電技術成熟應用，“三北”地區在大力推廣600 MW的高效超超臨界空冷機組對解決煤炭與水資源的矛盾和電力工業穩定發展具有重要意義。鍋爐給水泵是機組的主要輔機之一，具有初投資大，運行維護費用，高的特點，如何合理配置給水泵，降低工程造價和運行維護費用成為燃煤電站研究的主要課題之一。目前600 MW級大容量鍋爐給水泵配置方式主要有電機驅動方案和小汽機驅動方案兩種配置形式，本文對給水泵電動調速配置方案、汽動調速配置方案和主汽輪機同軸驅動給水泵技術方案進行比較、分析、探討，以期為以后600 MW級機組實際工程中鍋爐給水泵的設計選型及機組設備改造升級提供參考。

1　給水泵配置模式介紹

給水系統是火力發電廠主要系統之一，給水泵合理選型對降低整機投資和確保機組安全經濟運行具有重要意義。給水泵配置形式的確定主要取決于機組的容量、機組的性質、設備的質量、初投資等諸多因數［1］。

1.1電動調速泵配置方案

目前，按照給水泵的容量劃分，電動泵配置方案主要有4種形式，即:3×50%容量的電泵，2臺運行1臺備用；2×50%容量的電泵，不設置備用泵；3×35%容量的電動泵，不設置備用泵；4×25%容量的電泵，不設置備用泵。前3種配置形式的電泵常見于600 MW級容量及以下容量的機組，只有少數1 000 MW級容量的機組配置4× 25%容量的電泵［2］。電動給水泵方案具有系統簡單、可靠性高、運行檢修維護工作量小等特點，從能源利用效率角度考慮300 MW級及以下容量機組多配置電動給水泵。

1.2汽動調速泵配置方案

從目前投運的機組的運行數據，汽動給水泵方案與電動給水泵方案在廠用電率的比較來看，汽動給水泵方案比電動給水泵方案可節約3.3%，所以，汽動給水泵在600 MW級及以上容量機組應用更為廣泛［3］。汽動給水泵配置方案常見的有以下幾種方案:2×50%容量的汽動泵，設置30%容量的電動啟動/備用調速/定速泵；2×50%容量的汽動泵，不設置備用泵；1×100%容量的汽動泵，設置30%容量的電動啟動/備用定速/調速泵；1×100%容量的汽動泵，不設置備用泵；1 ×100%容量的汽動泵，取消電動前置泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設置30%容量的電動啟動/備用定速/調速泵。

1.3主汽輪機同軸驅動給水泵配置方案

給水泵的的電動驅動方案和汽動驅動方案各有優劣，電動給水泵耗電量高，能源利用率低，而汽動給水泵初投資大，系統復雜，且運行檢修維護的工作量大。近年來，國內外提出一種新型的給水泵驅動形式，即:主汽輪機同軸驅動給水泵技術，該技術又稱 “主機泵”技術，這種配置方案是將給水泵與主汽輪機同層布置，通過聯軸器、變速箱及液力耦合器（調速之星）等裝置與主汽輪機相連，以主汽輪機作為驅動機構代替電機或小汽輪機［4］。該系統通常配置2×50%容量的給水泵，設置30%容量的電動啟動/備用定速/調速泵或配置1×100%容量的給水泵，設置30%容量的電動啟動/備用定速/調速泵。“主機泵”兼備了電動給水泵和汽動給水泵的優點，同時克服了這兩種配置方式的缺點，在降低廠用電耗，提高整機效率的同時，減少機組的初投資，使給水系統大為簡化，廠房布置更為簡單。表1給出國內外一些電廠采用 “主機泵”的情況［5］。

表1　國內外電廠采用主汽輪機同軸驅動給水泵的情況

2　3　種驅動形式給水泵技術差異比較

2.1給水泵布置

從設備的布置來看，電動給水泵均布置在汽機房0 m位置，主廠房跨度按30 m考慮。汽動給水泵主泵一般布置在汽輪機運轉層，前置泵布置在汽機房0 m位置，主廠房跨度為32 m。當汽動給水泵與前置泵同軸布置時，前置泵與主泵一起布置在運轉層，為防止前置泵氣蝕，除氧水箱高度至少要高于前置泵進水口17 m以上。“主機泵”一般布置在主汽輪機機頭位置，前置泵和啟動/備用電動給水泵布置在除氧間0 m位置，主汽門及其管道，再熱汽門及其管道，開、閉式水管道的布置在常規布置基礎上進行調整，主汽門（包含油動機）仍布置在主汽輪機機頭前端，支撐結構均無變化，只是增加主汽導汽管道的長度，由于取消了小汽輪機及其附屬系統（油系統、排汽系統、軸封系統等），汽機房的跨度比汽動給水泵方案縮短近2 m，與電動給水泵方案相同。表2給出3種配置形式汽機房的布置尺寸，可見電動給水泵方案和汽動給水泵方案在汽輪機房布置尺寸上較為接近。在基座方面，電動給水泵和汽動給水泵均采用彈簧隔振技術，而 “主機泵”基礎和主汽輪機的基礎融為一體，采用固定基礎，從而解決了沉降差別和振動頻率不協調的問題。

表2　汽輪機房布置尺寸比較

2.2傳動控制機構

2.2.1調速系統

目前，電動給水泵的調速裝置均采用液力耦合器，汽輪機油在泵輪和渦輪組成的密閉腔室內循環流動，泵輪裝在輸入軸上，渦輪裝在輸出軸上，當泵輪旋轉時，高速汽輪機油流被泵輪甩出進入渦輪后推動渦輪旋轉，進而將電機的能量傳遞給水泵，給水泵的轉速由勺管控制排油量來調節。汽動給水泵轉速由小汽輪機MEH來調節，MEH通過改變小汽輪機的進汽量來控制小汽輪機的轉速，進而改變給水泵的輸出轉速。“主機泵”的調速機構采用調速之星，該調速裝置是德國福伊特公司研發的產品，調速范圍在10%～105%之間，其高效率基于功率分流原理，轉速依靠液力變矩器來調節［6］。與液力耦合器相比，其核心部件為行星齒輪組，轉速的調節精度0.1%，泵組從靜止到滿負荷只需5 s，且只有25%左右的功率通過工作介質傳播，75%以上的功率是以純機械方式傳遞的，其能量傳遞效率高達96%。

2.2.2聯軸器

電動給水泵和汽動給水泵驅動端和主泵的一般采用剛性或半撓性聯軸器連接，其徑向偏差ΔKr小于0.03 mm，角向偏差ΔKa在水平方向和垂直方向均小于0.03 mm（KSB泵業公司數據）。機組采用 “主機泵”后，主汽輪機的主軸將向外延伸一定距離，剛性聯軸器和半撓性聯軸器對軸向位移、徑向及角向偏差的吸收度不足，會對主汽輪機軸系的穩定性產生影響。為提高整機軸系的穩定性，“主機泵”聯軸器通常采用具有吸收中心線偏差、軸向膨脹能力的膜盤聯軸器。如德國福伊特公司生產的膜盤聯軸器，該聯軸器的空腔膜盤采用特殊材質，可傳遞扭矩達1 500 000 Nm，在軸向、徑向和角向等方向有一定的拉伸、彎曲、扭轉量，轉速在8 000 r/min時，角偏差僅為0.25°［2-6］。

2.2.3超速保護系統

采用電動給水泵和汽動給水泵方案的機組，均設置機械超速保護系統，該系統由機械超速遮斷裝置（機械飛錘或機械飛環）、復位裝置和充油試驗裝置3部分組成，液壓油與潤滑油通過薄膜閥相聯系，系統復雜，可靠性較高。采用 “主機泵”方案的機組，給水泵由主汽輪機機頭的主軸直接驅動，主汽輪機機頭無法設置機械超速保護系統，省去了前軸承箱中的危急遮斷裝置和高壓油源，機組設置2套電子超速保護系統來實現整機超速保護，即:TIS超速保護系統和DEH超速保護系統。

2.3潤滑油系統

采用電動給水泵和汽動給水泵方案時，機組在啟動過程中，潤滑油的動力源自交流潤滑油泵，在穩定運行時，潤滑油由設置在汽輪機機頭的主油泵經潤滑油箱的射油器為潤滑油系統提供動力。若機組采用 “主機泵”方案，則取消主汽輪機機頭的主油泵，機組潤滑油需由交流潤滑油泵提供動力，若交流潤滑油泵失電，則啟動直流油泵為潤滑油系統提供動力，同時，“主機泵”的潤滑油也由主汽輪機潤滑油系統供給，該系統設置2臺交流油泵、2臺直流油泵，另外為保證系統油壓穩定，還需設置1臺蓄能器。

2.4廠用電系統

600 MW級及以上容量的機組給水系統采用電動給水泵方案時，其高壓廠用電電壓等級一般采用10 kV一級電壓或10 kV和6 kV兩級電壓，才能電機啟動時對電壓水平的要求，且系統電機須全部采用10 kV電壓等級，高壓廠用變容量高達75/（40-40）MVA。若采用汽動給水泵或“主機泵”高壓廠用電電壓采用6 kV一級電壓，高壓廠用變容量為50/（31.5-31.5）MVA。電動給水泵的廠用電率約為4%，汽動給水泵和“主機泵”的廠用電率分別為0.2%和0.13%，由此可見，汽動泵和 “主機泵”的廠用電率相當，“主機泵”的節能效應更為明顯。

3　經濟性分析

3.1參比條件

進行技術經濟比較時，以3臺容量為660 MW的超超臨界間接空冷機組為模型，配置3× 35%容量的電動泵，不設置備用泵為方案1，1× 100%容量的汽動泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵為方案2，“主機泵”按2×50%容量的給水泵，設置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵為方案3進行分析比較。汽輪機工況為THA工況，機組年利小時數5 500 h，機組年發電收入差值為0，標煤價為233元/t（錫林郭勒地區褐煤折算標準煤價格），上網電價為0.319 kW·h，水價為13元/t的條件下進行經濟性分析。

3.2初投資分析

針對上述3種給水泵配置方案，從初投資方面來看，其熱機主設備（包括電泵電機、給水泵汽輪機、給水泵、調速機構）、水工設備（含凝汽設備、輔機冷卻設備等）、電氣設備、主廠房結構等方面的費用存在較大的差異。表3給出3種給水泵配置方案的初投資比較，由表3可以看出，水工設備初投資大是造成方案2初投資大的主要原因。對于電氣設備，由于方案1需要采用10 kV電壓等級廠用電，使相配套的變壓器、電力電纜、電機等設備投資增加約450萬元。由于方案3給水泵和主汽輪機同軸布置，基座采用固定基礎，土建費用增加約1 260萬元。總之，從初投資角度來看，配置3×35%容量的電動泵，不設置備用泵方案具有明顯優勢［7］。

表3　初投資差異比較　萬元

3.3運行經濟性分析

3.3.1熱經濟性指標比較

機組的熱經濟性指標主要包括汽輪機的熱耗值、發電標準煤耗率、供電標準煤耗率、全廠發電熱耗率等。在汽輪機THA工況下對給水泵3種配置方案的熱經濟性進行比較分析（3種方案的鍋爐進行了系統優化，鍋爐尾部煙道均加裝低溫省煤器），表4給出3種配置方案汽輪機在50% THA工況和100%THA工況下，機組的部分熱經濟性指標［4，5］。從表4可以看出，方案2中小汽輪機采用獨立凝汽器，其冷卻塔補水量較高，約為30 t/h，方案2的水耗量高于方案1和方案3。在廠用電耗方面，方案1的廠用電率比方案2和方案3高3%～4%。當汽輪機在100%THA工況下時，方案3經濟性指標均高于方案1和方案2，方案3的全廠發電熱效率比方案2高0.3%，比方案1高1.41%，其原因是方案1中電泵耗電率高導致全廠發電熱效率低，而方案3中 “主機泵”的調速機構的綜合效率高于小汽機的內效率，使得 “主機泵”的熱經濟性好于小汽輪機驅動的熱經濟性。在50%THA工況下，方案2和方案3的熱經濟性指標基本相當，其原因是 “主機泵”的調速系統的傳導能量的效率下降幅度較大，綜合效率和小汽機內效率基本相同［5-7］。

表4　機組在不同負荷下的熱經濟性指標

3.3.2運行維護費用比較

設備的檢修維護費用是機組贏利能力的另一個重要考核指標，表5給出3種配置方案的檢修維護費用比較［8］。從表5可以看出，由于電泵方案系統相對簡單，檢修維護的工作量小，方案1的檢修維護費用最少。方案2汽泵及冷凝系統復雜，檢修維護費用要高于電泵，比方案1多86萬元/年。方案3的年檢修維護費用最高，這是由調速之星及其齒輪箱的配件及檢修費用較高造成的，比方案1高108.5萬元/年，比方案2高22.5萬元/年。在燃料費用方面，方案1的燃料費用較高，比方案2高958.34萬元/年，比方案3高369.67萬元/年。在水費方面，方案1和方案3相當，方案2多24.03萬元/年。

綜合來看，方案1的運行費用較高，比方案2 高848.31萬元/年，比方案3高261.17萬元/年。

表5　運行維護費用比較　（萬元·a-1）

3.4綜合性技術經濟比較

機組經濟運行年限為20年，采用費用現值比較法對3種方案的機組進行綜合性技術經濟比較，其中現金折現率取0.07，20年經濟運行現金值系數取10.6，計算結果見表6［9-11］。由表6可以看出，方案2和方案3的綜合經濟性要好于方案1。小汽輪機同軸驅動前置泵配置方案運行經濟性最好，“主機泵”方案經濟性居中，電泵方案經濟性較差。

表6　綜合性技術經濟比較

4　結論

3×35%容量的電動泵，不設置備用泵方案具有初投資低的明顯優勢，但液力耦合器器傳遞能量效率低、廠用電電壓等級高、廠用電率高、供電煤耗高，綜合經濟性差。1×100%容量的汽動泵，將前置泵與主泵同軸布置，并設置1臺30%容量的電動啟動/備用定速泵方案，初投資大、系統復雜、但廠用電率低、供電煤耗低，綜合經濟性好，從經濟性角度考慮，該方案可作為600 MW級以上機組給水系統的優現選配方案。“主機泵”系統簡單，油系統取消主油泵，超速系統取消機械超速裝置，具有初投資較低、傳遞能量效率高、廠用電電壓等級低、廠用電率低、供電煤耗低等特點，綜合經濟性與小汽輪機同軸驅動前置泵方案相當，且在國外有30年成熟運行經驗，在國內高效超超臨界機組的給水泵選配時，從技術創新性和經濟性方面來看，該方案可作為一種新的備選配置方案。

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Configuration Analysis of Feed Water Pump for 600 MW Air Cooling Unit

ZHENG Guokuan，LI Cuicui，CHEN Guanglin
（China Shenhua Shengli Energy Branch Company，Xilinhaote 026000，China）

Boiler feed water pump is one of the main auxiliary equipment for the unit，it’s configuration form has great influence on the initial investment，utilization ratio and stability of the unit.In this paper，based on the model of 600 MW air cooling unit，takes technical and economic analysis for electric pump scheme，stem pump coaxial drive booster pump scheme and the host pump scheme.By comparison，initial investment of electric pump scheme is lowest，power consumption rate and power supply coal consumption rate are highest，and the economic is worst in the three one.Initial investment of stem pump coaxial drive booster pump scheme is center among the three，and the systems are complex，the work of maintenance and repair is huge，power supply coal consumption rate are lower，the comprehensive economic performance is superior，so it is the optimization scheme for these type of the unit. The host pump scheme has the characteristics of low initial investment，high energy efficiency，low power consumption and so on，it can be used as a new alternative.

boiler；electric feed water pump；host pump；configuration scheme

TK261

A DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.009

2016-05-23。

鄭國寬（1983-），男，工程師，從事大型電站安全生產技術管理工作，E-mail:zgk830719@126.com。