2×1 000 MW 火电机组循环水泵选型及节能运行研究

徐 正， 龙礼国， 邵 睿

（1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031；2.河北省电力勘测设计工程技术研究中心，河北 石家庄 050031）

0 引言

循环水泵（以下简称为循泵） 是火力发电厂内一项非常重要的辅机，它关系到汽轮发电机组运行的安全性和经济性，因此对循泵形式的选择、每台汽轮机配置循泵的台数以及循泵主要工作参数的确定，是火电厂冷端设计的一个重要组成部分[1]。

西南地区某火力发电厂规划建设一座装机4×1 000 MW 等级的超超临界燃煤纯凝发电机组，第一期计划安装2×1 000 MW 超超临界燃煤火力发电机组，主机冷却系统拟采用带自然通风逆流式冷却塔的循环供水系统，补给水取自地表河水。

本文针对2×1 000 MW 机组循环水系统水量大的特点，对循泵的选型进行了研究，目的是选择结构合理、性能优良、管理维护方便的水泵配置方案和水泵类型，以保证电厂循环水系统能安全可靠、经济合理地运行。

表1 西南地区多年月平均气象资料

1 工程基础性参数资料

西南地区多年月平均气象资料见表1[2]。已确定的主汽轮机主要参数见表2。优化计算中的主要经济参数如下[3]：利用小时数5 000 h；自然塔年固定分摊率16.5%；循泵效率85%；煤价900 元/t；基准热耗值7 315 kJ/（kW·h）；自然通风塔单价0.6 万元/m2。优化后的冷却塔主要参数如下：有效淋水面积11 500 m2；淋水面直径121.04 m；淋水填料高度1.75～1.25 m，平均高度1.5 m；冷却塔总高173 m；供水高度16.2 m。

表2 汽轮机主要参数

2 循泵形式和台数的选择原则

《大中型火力发电厂设计规范》（GB 50660—2011）中17.3.7 条规定：单台汽轮发电机组的容量为300 MW 的，以及容量大于300 MW 的火电厂，供水系统宜用单元制或扩大单元制。每台汽轮机可设2～3 台循泵，根据工程情况优化确定，其循泵总水量等于机组的夏季工况最大用水量。当设备制造难度低且经过技术经济论证合理时，循泵可采用叶片可调或者变速电动机（双速、变频、液力耦合器等） 驱动。当供水系统采用单元制或者扩大单元制时，每台机组宜采用1 条进水管道、1 条排水管沟[4]。电力行业标准《火力发电厂水工设计规范》（DL/T 5339—2006）5.1.6 条也有类似的规定[5]。

考虑到循泵在火力发电厂运行中的重要地位，本文对循泵的泵型和台数的选择依照以下原则进行技术经济比较后确定：第一，设备成熟可靠，运行安全稳定；第二，泵体的结构简单、合理，安装、检修方便；第三，当冷却水的温度及机组的负荷变化时，可以方便地调节水量，运行经济节能；第四，设备配置经济、合理，工程建设的初投资、年运行费用和年费用值较低。

3 循环水泵形式的比选

3.1 水泵形式选择

从叶轮的形式上来分，水泵可分为离心泵、混流泵（斜流泵）、轴流泵3 种[6]。离心泵最大流量较小，无法满足百万机组的需要。立式轴流泵扬程较低，效率相对较低，在火电厂中往往用于雨水泵而不作为循环水泵使用。大型立式涡壳混流泵目前也有600 MW 级电厂采用，但尚未实际运行。

混流泵（斜流泵） 的性能特点：第一，泵效率高，一般η 在88%～92%之间，高效率区间宽。第二，轴功率—流量曲线平缓，它既不会像离心泵那样水泵轴功率随流量增大而不断地增大，也不会像轴流泵轴功率随流量的增大而快速下降。所以，斜流泵不容易出现由于偏离工况点而导致超电流的情况出现。第三，泵的汽蚀性能较好。火电厂循泵一般都采用湿井式水槽吸入形式，其吸入流态好，运行中水泵不易发生汽蚀。第四，目前国内斜流泵性能范围为流量0.2～20 m3/s、扬程8～70 m。因此，国内生产的斜流泵完全能满足1 000 MW 机组循泵的需要。

因此，推荐采用斜流泵，且采用立式湿坑斜流泵，安装方式为常用的机泵直联单基础安装（见图1），吐出口在基础层之下。

图1 立式湿坑斜流泵安装示意图

3.2 水泵材质选择

循泵的主要零部件一般包括叶轮、轴、泵体等，这些零部件的材料要根据循环水水质的物理化学性质进行选取[7]。对于电厂水源为淡水，水质条件较好的工程而言，推荐材质见表3。

表3 循环水泵主要部件推荐材质

4 循环水泵节能运行方案技经分析

4.1 运行费用计算方法

冷端优化中采用的“热耗法”和“微增功率法”都可以正确地反映经济性，但“热耗法”仅考虑汽轮发电机组和循环水系统的热耗，不考虑输煤系统、化学水系统、锅炉辅机系统等，与实际运行情况更加接近，故本文运行费用的计算方法采用“热耗法”。

式中：μa为年运行费，包括循环水系统电耗、汽轮机微增出力变化的燃料费，万元/年；P1i为第i月循泵功率，kW；P0为发电机组在额定背压下的满发功率，kW；Ti为第i月机组对应的利用小时数，h；qi为第i月机组实际运行的热耗，kJ/kW·h；q0为基准热耗，kJ/kW·h；Q为标准煤的额定热值，取29 400 kJ/kg；η1为管道效率，%；η2为锅炉保证效率，%；M0为设计煤种到厂价格，万元/kg。

4.2 系统运行成本计算比较

通过对循环水系统采用一机两泵、一机三泵等不同组态的运行费用的比较，得出较优的循泵配置数量及各月投运台数。不同循泵配置方案及各月运行台数的情况如表4 所示。

说明：表4 中一机三泵方案与一机两泵方案中的单泵流量不一致，但是总循环水量一致，例如一机三泵方案中6 台泵的总流量与一机两泵方案中4 台泵高速运行时的流量一致。“2 高”表示2 台机组的2 台循泵高速运行；“3 低”表示2台机组的3 台循泵低速运行。表4 中每个月循泵运行的台数是在冷却塔配置、凝汽器配置一定的情况下，经过优化比选而得。

从表4 中可以看出：5—9 月的总循环水量相同，说明环境温度达到20 ℃以上时，循环倍率达到设计值时机组整体的运行经济性较好。几种循泵的配置方案对运行经济性的差异主要体现在春、秋、冬季，主要是由于此时的环境温度低，若运行循环泵台数过多，汽轮机微增出力不足以弥补循泵消耗的功率；但是若运行台数过少，汽机背压过高，机组整体的煤耗较高[8]。所以存在表4中经济的循泵运行台数组合。

确定了每种方案循泵的运行台数之后，再进行运行费用的对比。由于采用热耗法计算得出的数值较大，所以方案比选仅比较相对值即可，图2 是以“一机三泵（单元制）”方案绘制的各月运行费用的差异对比，图3 是年运行费用差异图。

表4 不同水泵配置方案最优的循泵运行台数（2 台机） 台

图2 的依据是：以一机三泵（单元制） 的方案为基准，其他方案与基准方案对比（基准方案为被减数，其他方案为减数，差值的代数值越大，说明方案越优）。可以看出，一机两泵（定速泵）方案各月的经济性较差，除了1 月、2 月、12 月之外，各月的运行成本均高于一机三泵（单元制）方案。

从图3 可以看出，一机三泵（扩大单元制）方案的运行成本最低，比一机三泵（单元制） 方案可以节约110.24 万元/年；一机两泵（双速泵）方案次之，可以节约61.52 万元/年；一机两泵（定速泵） 方案最差，每年多出6.46 万元/年的运行费用。

4.3 与水泵选型有关的初投资对比

与循泵选型有关的费用差异主要有循泵房及流道土建费用、循泵设备费用、滤网设备费用、起吊设备费用等[9]。综合考虑以上因素后，不同水泵选型方案的年固定分摊费用如下：一机二泵（进口） 年固定分摊费用840.18 万元，一机二泵（国产） 年固定分摊费用523.18 万元，一机二泵（双速） 年固定分摊费用538.39 万元，一机三泵（扩大单元制） （国产） 年固定分摊费用602.43 万元，一机三泵（单元制） （国产） 年固定分摊费用599.89 万元。

由上述可以看出，进口循泵方案价格明显高于其他方案价格。目前国内大型循泵的制造技术非常成熟，其性能完全可以满足百万机组的功能要求。国产的一机双泵（双速） 与一机双泵（定速） 方案的投资相差很小，而运行费用却相差67.98 万元/年。综合比较，国产的一机双泵（双速） 年费用值比一机两泵（定速） 节约52.77 万元/年，比一机三泵（单元制） 方案节约12.78 万元，所以推荐采用一机双泵（双速） 的循环水泵方案。即2×1 000 MW湿冷纯凝发电机组配置4 台循泵（双速电机），泵和配套电机的参数如下：流量Q=13.92 m3/s，扬程H=28.9 m，配套电机功率P=5 000 kW，电压U=6 000 V。

图2 不同循泵配置方案的月运行成本比较

图3 不同循泵配置方案的年运行成本比较

5 结论

2×1 000 MW 燃煤湿冷纯凝火力发电机组宜配置4 台双速循泵；循泵的运行应与环境气象条件相适应，低温季节合理调配循泵运行台数，以期获得最大的净发电量；采用一机两泵（双速泵） 的配置方案年费用值最低。