600 MW级空冷机组给水泵配置分析

郑国宽，李翠翠，陈广林

（中国神华能源股份有限公司胜利能源分公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

600 MW级空冷机组给水泵配置分析

郑国宽，李翠翠，陈广林

（中国神华能源股份有限公司胜利能源分公司，内蒙古 锡林浩特 026000）

锅炉给水泵是电站主要辅机之一，其配置形式对机组的初投资、利用率、稳定性影响重大。以600 MW级空冷机组为模型，对电动泵方案、汽动泵同轴驱动前置泵方案和 “主机泵”方案进行技术经济分析。通过比较，电动泵方案初投资低、厂用电率高、供电煤耗高、经济性最差。汽动泵同轴驱动前置泵方案初投资高、系统复杂、运行维护工作量大、供电煤耗低、综合经济性能优越，可作为该类型机组的优选方案。“主机泵”方案具有初投资较低、传递能量效率高、厂用电率低等特点，可作为一种新的备选方案。

锅炉；电动给水泵；汽动泵同轴驱动前置泵；主机泵；配置方案

0　引言

随着火电机组蒸汽初参数的不断提高，远距离输电技术成熟应用，“三北”地区在大力推广600 MW的高效超超临界空冷机组对解决煤炭与水资源的矛盾和电力工业稳定发展具有重要意义。锅炉给水泵是机组的主要辅机之一，具有初投资大，运行维护费用，高的特点，如何合理配置给水泵，降低工程造价和运行维护费用成为燃煤电站研究的主要课题之一。目前600 MW级大容量锅炉给水泵配置方式主要有电机驱动方案和小汽机驱动方案两种配置形式，本文对给水泵电动调速配置方案、汽动调速配置方案和主汽轮机同轴驱动给水泵技术方案进行比较、分析、探讨，以期为以后600 MW级机组实际工程中锅炉给水泵的设计选型及机组设备改造升级提供参考。

1　给水泵配置模式介绍

给水系统是火力发电厂主要系统之一，给水泵合理选型对降低整机投资和确保机组安全经济运行具有重要意义。给水泵配置形式的确定主要取决于机组的容量、机组的性质、设备的质量、初投资等诸多因数［1］。

1.1电动调速泵配置方案

目前，按照给水泵的容量划分，电动泵配置方案主要有4种形式，即:3×50%容量的电泵，2台运行1台备用；2×50%容量的电泵，不设置备用泵；3×35%容量的电动泵，不设置备用泵；4×25%容量的电泵，不设置备用泵。前3种配置形式的电泵常见于600 MW级容量及以下容量的机组，只有少数1 000 MW级容量的机组配置4× 25%容量的电泵［2］。电动给水泵方案具有系统简单、可靠性高、运行检修维护工作量小等特点，从能源利用效率角度考虑300 MW级及以下容量机组多配置电动给水泵。

1.2汽动调速泵配置方案

从目前投运的机组的运行数据，汽动给水泵方案与电动给水泵方案在厂用电率的比较来看，汽动给水泵方案比电动给水泵方案可节约3.3%，所以，汽动给水泵在600 MW级及以上容量机组应用更为广泛［3］。汽动给水泵配置方案常见的有以下几种方案:2×50%容量的汽动泵，设置30%容量的电动启动/备用调速/定速泵；2×50%容量的汽动泵，不设置备用泵；1×100%容量的汽动泵，设置30%容量的电动启动/备用定速/调速泵；1×100%容量的汽动泵，不设置备用泵；1 ×100%容量的汽动泵，取消电动前置泵，将前置泵与主泵同轴布置，并设置30%容量的电动启动/备用定速/调速泵。

1.3主汽轮机同轴驱动给水泵配置方案

给水泵的的电动驱动方案和汽动驱动方案各有优劣，电动给水泵耗电量高，能源利用率低，而汽动给水泵初投资大，系统复杂，且运行检修维护的工作量大。近年来，国内外提出一种新型的给水泵驱动形式，即:主汽轮机同轴驱动给水泵技术，该技术又称 “主机泵”技术，这种配置方案是将给水泵与主汽轮机同层布置，通过联轴器、变速箱及液力耦合器（调速之星）等装置与主汽轮机相连，以主汽轮机作为驱动机构代替电机或小汽轮机［4］。该系统通常配置2×50%容量的给水泵，设置30%容量的电动启动/备用定速/调速泵或配置1×100%容量的给水泵，设置30%容量的电动启动/备用定速/调速泵。“主机泵”兼备了电动给水泵和汽动给水泵的优点，同时克服了这两种配置方式的缺点，在降低厂用电耗，提高整机效率的同时，减少机组的初投资，使给水系统大为简化，厂房布置更为简单。表1给出国内外一些电厂采用 “主机泵”的情况［5］。

表1　国内外电厂采用主汽轮机同轴驱动给水泵的情况

2　3　种驱动形式给水泵技术差异比较

2.1给水泵布置

从设备的布置来看，电动给水泵均布置在汽机房0 m位置，主厂房跨度按30 m考虑。汽动给水泵主泵一般布置在汽轮机运转层，前置泵布置在汽机房0 m位置，主厂房跨度为32 m。当汽动给水泵与前置泵同轴布置时，前置泵与主泵一起布置在运转层，为防止前置泵气蚀，除氧水箱高度至少要高于前置泵进水口17 m以上。“主机泵”一般布置在主汽轮机机头位置，前置泵和启动/备用电动给水泵布置在除氧间0 m位置，主汽门及其管道，再热汽门及其管道，开、闭式水管道的布置在常规布置基础上进行调整，主汽门（包含油动机）仍布置在主汽轮机机头前端，支撑结构均无变化，只是增加主汽导汽管道的长度，由于取消了小汽轮机及其附属系统（油系统、排汽系统、轴封系统等），汽机房的跨度比汽动给水泵方案缩短近2 m，与电动给水泵方案相同。表2给出3种配置形式汽机房的布置尺寸，可见电动给水泵方案和汽动给水泵方案在汽轮机房布置尺寸上较为接近。在基座方面，电动给水泵和汽动给水泵均采用弹簧隔振技术，而 “主机泵”基础和主汽轮机的基础融为一体，采用固定基础，从而解决了沉降差别和振动频率不协调的问题。

表2　汽轮机房布置尺寸比较

2.2传动控制机构

2.2.1调速系统

目前，电动给水泵的调速装置均采用液力耦合器，汽轮机油在泵轮和涡轮组成的密闭腔室内循环流动，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上，当泵轮旋转时，高速汽轮机油流被泵轮甩出进入涡轮后推动涡轮旋转，进而将电机的能量传递给水泵，给水泵的转速由勺管控制排油量来调节。汽动给水泵转速由小汽轮机MEH来调节，MEH通过改变小汽轮机的进汽量来控制小汽轮机的转速，进而改变给水泵的输出转速。“主机泵”的调速机构采用调速之星，该调速装置是德国福伊特公司研发的产品，调速范围在10%～105%之间，其高效率基于功率分流原理，转速依靠液力变矩器来调节［6］。与液力耦合器相比，其核心部件为行星齿轮组，转速的调节精度0.1%，泵组从静止到满负荷只需5 s，且只有25%左右的功率通过工作介质传播，75%以上的功率是以纯机械方式传递的，其能量传递效率高达96%。

2.2.2联轴器

电动给水泵和汽动给水泵驱动端和主泵的一般采用刚性或半挠性联轴器连接，其径向偏差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泵业公司数据）。机组采用 “主机泵”后，主汽轮机的主轴将向外延伸一定距离，刚性联轴器和半挠性联轴器对轴向位移、径向及角向偏差的吸收度不足，会对主汽轮机轴系的稳定性产生影响。为提高整机轴系的稳定性，“主机泵”联轴器通常采用具有吸收中心线偏差、轴向膨胀能力的膜盘联轴器。如德国福伊特公司生产的膜盘联轴器，该联轴器的空腔膜盘采用特殊材质，可传递扭矩达1 500 000 Nm，在轴向、径向和角向等方向有一定的拉伸、弯曲、扭转量，转速在8 000 r/min时，角偏差仅为0.25°［2-6］。

2.2.3超速保护系统

采用电动给水泵和汽动给水泵方案的机组，均设置机械超速保护系统，该系统由机械超速遮断装置（机械飞锤或机械飞环）、复位装置和充油试验装置3部分组成，液压油与润滑油通过薄膜阀相联系，系统复杂，可靠性较高。采用 “主机泵”方案的机组，给水泵由主汽轮机机头的主轴直接驱动，主汽轮机机头无法设置机械超速保护系统，省去了前轴承箱中的危急遮断装置和高压油源，机组设置2套电子超速保护系统来实现整机超速保护，即:TIS超速保护系统和DEH超速保护系统。

2.3润滑油系统

采用电动给水泵和汽动给水泵方案时，机组在启动过程中，润滑油的动力源自交流润滑油泵，在稳定运行时，润滑油由设置在汽轮机机头的主油泵经润滑油箱的射油器为润滑油系统提供动力。若机组采用 “主机泵”方案，则取消主汽轮机机头的主油泵，机组润滑油需由交流润滑油泵提供动力，若交流润滑油泵失电，则启动直流油泵为润滑油系统提供动力，同时，“主机泵”的润滑油也由主汽轮机润滑油系统供给，该系统设置2台交流油泵、2台直流油泵，另外为保证系统油压稳定，还需设置1台蓄能器。

2.4厂用电系统

600 MW级及以上容量的机组给水系统采用电动给水泵方案时，其高压厂用电电压等级一般采用10 kV一级电压或10 kV和6 kV两级电压，才能电机启动时对电压水平的要求，且系统电机须全部采用10 kV电压等级，高压厂用变容量高达75/（40-40）MVA。若采用汽动给水泵或“主机泵”高压厂用电电压采用6 kV一级电压，高压厂用变容量为50/（31.5-31.5）MVA。电动给水泵的厂用电率约为4%，汽动给水泵和“主机泵”的厂用电率分别为0.2%和0.13%，由此可见，汽动泵和 “主机泵”的厂用电率相当，“主机泵”的节能效应更为明显。

3　经济性分析

3.1参比条件

进行技术经济比较时，以3台容量为660 MW的超超临界间接空冷机组为模型，配置3× 35%容量的电动泵，不设置备用泵为方案1，1× 100%容量的汽动泵，将前置泵与主泵同轴布置，并设置1台30%容量的电动启动/备用定速泵为方案2，“主机泵”按2×50%容量的给水泵，设置1台30%容量的电动启动/备用定速泵为方案3进行分析比较。汽轮机工况为THA工况，机组年利小时数5 500 h，机组年发电收入差值为0，标煤价为233元/t（锡林郭勒地区褐煤折算标准煤价格），上网电价为0.319 kW·h，水价为13元/t的条件下进行经济性分析。

3.2初投资分析

针对上述3种给水泵配置方案，从初投资方面来看，其热机主设备（包括电泵电机、给水泵汽轮机、给水泵、调速机构）、水工设备（含凝汽设备、辅机冷却设备等）、电气设备、主厂房结构等方面的费用存在较大的差异。表3给出3种给水泵配置方案的初投资比较，由表3可以看出，水工设备初投资大是造成方案2初投资大的主要原因。对于电气设备，由于方案1需要采用10 kV电压等级厂用电，使相配套的变压器、电力电缆、电机等设备投资增加约450万元。由于方案3给水泵和主汽轮机同轴布置，基座采用固定基础，土建费用增加约1 260万元。总之，从初投资角度来看，配置3×35%容量的电动泵，不设置备用泵方案具有明显优势［7］。

表3　初投资差异比较　万元

3.3运行经济性分析

3.3.1热经济性指标比较

机组的热经济性指标主要包括汽轮机的热耗值、发电标准煤耗率、供电标准煤耗率、全厂发电热耗率等。在汽轮机THA工况下对给水泵3种配置方案的热经济性进行比较分析（3种方案的锅炉进行了系统优化，锅炉尾部烟道均加装低温省煤器），表4给出3种配置方案汽轮机在50% THA工况和100%THA工况下，机组的部分热经济性指标［4，5］。从表4可以看出，方案2中小汽轮机采用独立凝汽器，其冷却塔补水量较高，约为30 t/h，方案2的水耗量高于方案1和方案3。在厂用电耗方面，方案1的厂用电率比方案2和方案3高3%～4%。当汽轮机在100%THA工况下时，方案3经济性指标均高于方案1和方案2，方案3的全厂发电热效率比方案2高0.3%，比方案1高1.41%，其原因是方案1中电泵耗电率高导致全厂发电热效率低，而方案3中 “主机泵”的调速机构的综合效率高于小汽机的内效率，使得 “主机泵”的热经济性好于小汽轮机驱动的热经济性。在50%THA工况下，方案2和方案3的热经济性指标基本相当，其原因是 “主机泵”的调速系统的传导能量的效率下降幅度较大，综合效率和小汽机内效率基本相同［5-7］。

表4　机组在不同负荷下的热经济性指标

3.3.2运行维护费用比较

设备的检修维护费用是机组赢利能力的另一个重要考核指标，表5给出3种配置方案的检修维护费用比较［8］。从表5可以看出，由于电泵方案系统相对简单，检修维护的工作量小，方案1的检修维护费用最少。方案2汽泵及冷凝系统复杂，检修维护费用要高于电泵，比方案1多86万元/年。方案3的年检修维护费用最高，这是由调速之星及其齿轮箱的配件及检修费用较高造成的，比方案1高108.5万元/年，比方案2高22.5万元/年。在燃料费用方面，方案1的燃料费用较高，比方案2高958.34万元/年，比方案3高369.67万元/年。在水费方面，方案1和方案3相当，方案2多24.03万元/年。

综合来看，方案1的运行费用较高，比方案2 高848.31万元/年，比方案3高261.17万元/年。

表5　运行维护费用比较　（万元·a-1）

3.4综合性技术经济比较

机组经济运行年限为20年，采用费用现值比较法对3种方案的机组进行综合性技术经济比较，其中现金折现率取0.07，20年经济运行现金值系数取10.6，计算结果见表6［9-11］。由表6可以看出，方案2和方案3的综合经济性要好于方案1。小汽轮机同轴驱动前置泵配置方案运行经济性最好，“主机泵”方案经济性居中，电泵方案经济性较差。

表6　综合性技术经济比较

4　结论

3×35%容量的电动泵，不设置备用泵方案具有初投资低的明显优势，但液力耦合器器传递能量效率低、厂用电电压等级高、厂用电率高、供电煤耗高，综合经济性差。1×100%容量的汽动泵，将前置泵与主泵同轴布置，并设置1台30%容量的电动启动/备用定速泵方案，初投资大、系统复杂、但厂用电率低、供电煤耗低，综合经济性好，从经济性角度考虑，该方案可作为600 MW级以上机组给水系统的优现选配方案。“主机泵”系统简单，油系统取消主油泵，超速系统取消机械超速装置，具有初投资较低、传递能量效率高、厂用电电压等级低、厂用电率低、供电煤耗低等特点，综合经济性与小汽轮机同轴驱动前置泵方案相当，且在国外有30年成熟运行经验，在国内高效超超临界机组的给水泵选配时，从技术创新性和经济性方面来看，该方案可作为一种新的备选配置方案。

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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。

郑国宽（1983-），男，工程师，从事大型电站安全生产技术管理工作，E-mail:zgk830719@126.com。