1000MW二次再熱發電機組全容量給水泵選型淺析

中國大唐集團有限公司廣東分公司 韓功博

發電廠中給水泵的任務是：將除氧器貯水箱內具有一定溫度的給水，通過給水泵產生足夠的壓力輸送給鍋爐。根據電能生產的特點和鍋爐運行的特殊要求，給水泵必需連續不斷的運行。這不僅關系到正常發電，還直接關系到鍋爐設備的安全。因此，鍋爐給水泵在發電廠中是最為重要的水泵[1]。二次再熱1000MW機組100%全容量汽動給水泵在設計容量、設計揚程、運行轉速上比一次再熱都有所提高，本文針對二次再熱機組1×100%全容量汽動給水泵組配置選型進行研究分析，并與2×50%容量汽動給水泵配置方案進行經濟性比較。

1 1000MW超超臨界機組給水泵配置現狀

2012年以前，國內外1000MW超超臨界一次機組主給水泵基本以2×50%容量配置方案為主。國內首批建設的1000MW超超臨界二次再熱機組的給水泵配置也采用2×50%容量配置方案，有國電泰州二期二次再熱及華能萊蕪電廠二次再熱，機組容量都是2×1000MW，主給水泵容量2×50%BMCR，主給水泵供貨廠家分別為KSB、EBARA，小汽輪機供貨廠家分別為上汽、杭汽。然而，隨著給水泵及其驅動汽輪機的制造能力的提高，以及運行業績和經驗的增多，無論是一次再熱還是二次再熱1000MW超超臨界機組，1×100%全容量配置方案逐漸成為主流[2-4]。國內外1000MW容量以上機組配置1×100%全容量的主要工程如下：

德國及歐洲的電廠除RWE-Westfalen#1～#6機機組容量1200MW外其余都是1000MW，主給水泵容量都是1×100%BMCR：TXU-Big Brown、TXU-Lake Creek、TXU-Tradinghouse、TXUMorgan Creek、TXU-Valley#1～2機、TXUMonticello、TXU-Martin Lake；我國電廠均為1000MW、1×100%BMCR，其項目及主給水泵供貨廠家、小汽輪機供貨廠家分別為：大唐雷州二次再熱/KSB/上汽、外高橋三期一次再熱/SULZER/ALSTOM、神華神東萬州一次再熱/SULZER/上汽、神華國華九江一次再熱/SULZER/東汽、神華國華壽光一次再熱/EBARA/上汽、大唐三門峽三期一次再熱/SULZER/杭汽。

從中可以看出，對于1000MW及以上容量機組汽動主給水泵，歐洲電廠比較認可1×100%容量的汽動給水泵配置方式。隨著我國全容量給水泵及配套汽輪機生產制造能力逐步提高，新建1000MW一次再熱機組工程已全面采用100%BMCR容量汽動給水泵方案，而1000MW二次再熱機組目前也有大唐雷州項目采用了100%BMCR容量汽動給水泵方案。

2 1000MW二次再熱100%容量汽動給水泵經濟技術分析

2.1 技術可靠性分析

對于1000MW容量機組的1×100%容量方案，經了解完全采用國產技術的泵廠均沒有100%容量給水泵設計方案，因此不能采用完全國內生產制造的產品，需要采購SULZER(蘇爾壽)、KSB(凱士比)、EBARA(荏原)等廠商的全進口或進口組裝產品。三個公司針對1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵均提供有選型方案。

1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵組的通流設計、葉輪直徑、葉輪級數、筒體承壓以及配套汽輪機的最大出力、末級葉片選型等是方案實施的關鍵因素。經咨詢，各廠均提供有葉輪及級數的選型方案，且葉輪級數和直徑基本與一次再熱機組100%容量或二次再熱機組50%容量選型方案基本一致；在給水泵筒體設計和制造方面，各泵廠的筒體均為鍛造結構，而二次再熱50%容量泵的筒體設計已在泰州二期、萊蕪電廠中實施，1000MW二次再熱機組100%容量給水泵筒體設計已在大唐雷州電廠中實施，其設計和制造不是問題。

對于1000MW一次再熱機組的1×100%容量給水泵所配套的汽輪機，國內杭汽、上汽和東汽均已有訂貨業績。經調研咨詢，國內此三大給水泵汽輪機廠也均能針對1000MW二次再熱機組的1×100%容量給水泵所配套的汽輪機進行選型并供貨。1000MW二次再熱機組100%容量給水泵汽輪機最大難點，一是出力需滿足給水泵需要，二是二次再熱機組抽汽供汽參數與小機選型匹配。

關于小機出力要求，1000MW二次再熱機組100%容量給水泵軸功率需求比一次再熱100%容量泵高10%，達到42.8MW，經咨詢小機廠，與一次再熱100%容量小機所選的同類機型，其最高出力可到45MW，因此完全可以滿足1000MW二次再熱機組100%容量給水泵需求；關于二次再熱機組供汽參數與小機末級葉片選型，由于二次再熱機組再熱溫度的提高，主汽輪機供給水泵汽輪機驅動用的5段抽汽過熱度較高，小機末級葉片材料選擇將不同于一次再熱機組全容量小機，但小機廠均確認，同樣的問題在二次再熱半容量小機已解決，只需將二次再熱半容量小機所選末葉材料沿用到全容量小機即可。

綜上所述，1000MW二次再熱機組100%容量泵在技術上是完全可實施的，且二次再熱50%容量和100%容量泵均需國外設計、制造，供貨周期一致。

2.2 主給水泵組投資與運行經濟性比較

2.2.1 100%與50%容量方案初投資差異

根據泰州二期和萊蕪電廠訂貨情況，1000MW二次再熱機組50%容量泵采用芯包進口方案，而100%容量方案根據大唐雷州項目訂貨情況，仍采用芯包進口方案，因此無論50%容量和100%容量進口范圍在同一水平，給水泵價格相差不大。

經詢SULZER(蘇爾壽)、KSB(凱士比)等廠商，100%全容量泵采用全進口較芯包進口方案兩臺機組設備造價增加約500～800萬。鑒于芯包進口、國內組裝方案可行性較高，且大唐雷州二次再熱項目已采用KSB(凱士比)芯包進口的全容量泵，已有同類投運業績，說明廠家確認采用芯包進口方案也可保證全容量方案的可靠性。因此100%全容量泵可采用芯包進口、國內組裝方案，下述經濟性比較亦采用此方案。如采用該方案，全容量泵組相比半容量泵組整體節省材料，兩臺機組造價可降低約200萬元。

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，小機本體和排汽系統的配置可采用以下方案：全容量100%小機宜配置獨立凝汽器（方案一）或2×50%容量小機排汽進主凝汽器方案（方案二）。方案一小機需配置循環冷卻水系統；方案二需配置排汽管道及排汽蝶閥。兩種方案整體價格差異見表1(兩臺機組)。綜合泵和配套小機及排汽系統初投資費用，與方案二相比較，若采用方案一，兩臺機組增加造價約650萬元。

表1 給水泵汽輪機投資價格比較

2.2.2 兩種方案運行經濟性比較

給水泵效率比較：經咨詢某泵廠選型，100%全容量和50%半容量汽動給水泵組在100%THA、75%THA、50%THA、40%THA工況下的效率(%)分別為87.07/85.96、83.49/82.44、75.75/74.35、71.32/70.82，可見采用100%全容量汽動給水泵組效率略高。如負荷低于50%以下時，2×50%容量配置方式采用單泵運行模式，泵組運行效率則可優于100%全容量汽動給水泵組。但實際運行中，為便于機組及時升負荷往往會將雙泵投入運行，使雙泵始終保持在可用狀態，因此100%全容量汽動給水泵組的實際運行效率總是優于50%容量泵的。

給水泵汽輪機效率比較：目前能為1000MW機組配套生產100%容量國產給水泵汽輪機的主要有杭汽、上汽和東汽三家。經咨詢小機廠，1×100%容量汽動給水泵組配置國產小機在額定負荷工況運行時，機組效率均可達到85%以上，大大優于50%小機。以下為某小機廠提供的全容量小機選型方案，與50%容量方案小機在100%THA、75%THA、50%THA、40%THA工況下的效率(%)分別為85.38/84.56、84.65/83.83、81.08/76.21、75.07/71.29。

給水泵汽輪機實際運行背壓比較：對于方案一，配置獨立式凝汽器投資增加不多，兩臺機投資較方案二僅增加約650萬，但由于小機排汽口與小凝汽器間排汽管道極短，且無需設置排汽蝶閥，流道阻力很小，只需考慮小機凝汽器與主機凝汽器傳熱端差值不同的影響，方案一小機的實際排汽背壓可取比主凝汽器背壓高約0.4kPa；對于方案二，還需考慮從小機排汽口到主凝汽器間排汽管道和蝶閥的流道阻力，因此50%容量汽動給水泵組小機的實際排汽背壓將高于主凝汽器背壓0.5～0.6kPa。

100%容量泵組小汽機排汽方案對機組背壓優化的分析：方案一（100%小機+1臺獨立凝汽器）主機凝汽器量降低了約10%，為進一步優化主機排汽背壓創造了有利條件。受凝汽器管板大小和管束長度加工、制造限制，凝汽器面積是主機冷端優化的一個主要制約因素。主機排汽量越大，凝汽器面積要求越大。反之，當100%容量給水泵汽輪機配獨立小凝汽器方案時，進主凝汽器的凝汽量減少，在相同凝汽器極限面積情況下，配合循環水系統方案主機背壓可有一定降低，有利于機組更經濟的運行。

運行經濟性比較：方案一給水泵效率（%）、給水泵汽輪機效率（%）、小機排汽背壓（kPa.a）、主機排汽背壓（kPa.a）、小機效率及排汽背壓差異對機組熱耗影響（kJ/kWh）、主凝汽器背壓差異對機組熱耗影響（kJ/kWh）、機組熱耗總差異（kJ/kWh）在100%THA工況下分別為1.11/0.82/-0.3/-0.2/-7.5/-12/-19.5，在75%THA工況下分別為1.05/0.82/-0.3/-0.21/-6/-13/-19，在50%THA工況下分別為1.4/4.87/-0.3/-0.21/-13/-13/-26，在40%THA工況下分別為0.5/3.78/-0.3/-0.21/-5/-14/-19，方案二各工況下的以上各指標均為基準。

反映到機組發電煤耗、年耗煤量的上的差異如下。如標煤價按619.2元/t計，在機組年利用小時數為5500小時情況下，對不同負荷下運行小時數加權計算，單臺機組在不同方案下的年耗煤量和燃料費用差異如表2。

表2 兩種配置方案經濟性數據差異表

從表2可看出，與方案二相比方案一每臺機組每年可節省燃料費用約292萬元，但因方案一循泵耗功每臺機比方案二多0.7MW，折合年運行費用增加約174萬元，所以方案一較方案二每臺機每年節省費用約118萬元，兩臺機組共計節省費用約236萬元。因此，采用1×100%容量給水泵組小機排汽進獨立凝汽器方案（方案一）與2×50%容量給水泵組小機排汽進主凝汽器方案（方案二）相比，兩臺機組初投資增加450萬元，但每年可節省費用236萬元。

按照機組經濟運行年限20年，方案一較方案二20年折現收益為2590萬元，因初投資較方案二增加了450萬元，所以較方案二的總收益為2140萬元。因此從運行經濟性分析，1000MW二次再熱機組采用1×100%容量汽動給水泵配獨立凝汽器方案具有優勢。