660MW級直接空冷機組給水泵配置研究.doc

660MW級直接空冷機組給水泵配置研究 張濤王光林 （山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250013） 【摘要】通過分析直接空冷機組的特點，研究各種給水泵配置方案的可行性和經(jīng)濟性。通過比較，建議直接空冷機組采用主機驅(qū)動給水泵方案，既能實現(xiàn)降低廠用電率的目的，又兼具電泵方案系統(tǒng)簡單可靠、運行靈活的優(yōu)勢。 關鍵詞直接空冷；主機泵；發(fā)電機組 概述 鍋爐給水泵是電廠中重要的輔機設備之一，其投資在全廠輔機中占有相當大的比例。與此同時，給水泵的功率很大，運行費用高。因此，選擇合理的給水泵配置方案對于整個發(fā)電廠的造價及安全經(jīng)濟運行起到非常重要的作用。 給水泵按驅(qū)動方式可以分為電動給水泵方案、汽動給水泵方案以及主機驅(qū)動給水泵方案。目前我國300MW以上容量濕冷或間接空冷機組大都采用汽動給水泵，而近年來已投產(chǎn)的直接空冷機組多采用電動給水泵。主機驅(qū)動給水泵方案在國內(nèi)尚沒有業(yè)績，但在德國Scholven電廠、Munchen-Sud電廠、Fkw-Buer電廠，意大利的LaSpezia電廠、Chivasso電廠，美國的HlpRobinson等10多家電廠均有應用業(yè)績，其中Scholven電廠600MW容量等級機組采用該方案可靠運行超過30年，其新建機組仍采用主機泵驅(qū)動方案。 1給水泵主要配置方案 本文在目前國內(nèi)外660MW級直接空冷機組給水泵配置方案的基礎上，按給水泵的驅(qū)動方式分類，對每一種驅(qū)動方式列舉了不同的給水泵配置方案，并敘述各方案的技術特點： 方案一：電動給水泵方案；分別有250%容量與335%容量兩種配置。 方案二：汽動給水泵方案；分別有1100%容量與250%容量兩種配置。 方案三：主機驅(qū)動給水泵方案；分別有1100%容量與250%容量兩種配置。 1.1電動給水泵方案 直接空冷機組采用電動給水泵方案，具有運行靈活、簡單可靠、檢修維護工作量小、整體壽命長等優(yōu)點，且給水系統(tǒng)與主機排汽系統(tǒng)是兩個獨立的系統(tǒng)，不受主機背壓變化的影響，電動給水泵由液力偶合器進行調(diào)速，以滿足機組啟動和各種工況的需要。缺點是采用電泵方案后廠用電率增加，會降低電廠的售電收益。 電動給水泵方案目前有兩種配置方案： 1.1.1250%容量電動調(diào)速泵 此方案單泵軸功率（含前置泵）約為13500kW，電動機功率達到約15500kW，采用一級液耦調(diào)速。若考慮加設備用泵，設備成本增加；若不設備用泵，在一臺電泵事故的情況下，機組負荷降低至55%60負荷下運行。 1.1.2335%容量電動調(diào)速泵 此方案單泵軸功率（含前置泵）約為9200kW，電動機功率達到約11000kW，采用一級液耦調(diào)速。正常時，三臺泵同時運行，在一臺事故時，機組負荷降至80%左右。此方案電泵利用率高，耦合器和電機在電力行業(yè)很常見，國產(chǎn)率高，整體造價低于250%電泵方案，且運行靈活，非滿負荷工況下經(jīng)濟性更高。 對于直接空冷機組，若采用電泵方案時推薦335%容量電動調(diào)速泵。 1.2汽動給水泵方案 空冷機組的主要特點是汽輪機背壓高,且變化幅度大?？绽錂C組的設計與濕冷機組存在較大的區(qū)別。對于直接空冷機組，給水泵汽輪機（小汽機）的冷卻方式主要有：直接空冷、間接空冷和獨立濕冷三種方式。 1.2.1直接空冷小汽機 空冷機組采用汽動給水泵，如果小汽機排汽直接進入空冷系統(tǒng)，則小汽機也必須是高背壓、變背壓的汽輪機。由于空冷系統(tǒng)對氣溫和風速的敏感性強，主機正常運行背壓變化范圍大,要求小汽輪機調(diào)速系統(tǒng)具有較寬的調(diào)速范圍，穩(wěn)定靈活的調(diào)速特性。 在夏季，由于主機背壓高,要維持一定的功率，則主汽輪機需加大進汽量,而小汽輪機為維持給水泵所需的功率，也必須加大進汽量，出現(xiàn)了小機與大機爭奪汽量的問題，并且加大對空冷裝置容量的要求。在非正常工況，不利風向的風速引起背壓突升的瞬變過程中，小機調(diào)速系統(tǒng)很難維持給水泵所需的功率變化要求，擴大了整機瞬態(tài)過程的不安全性。 鍋爐給水泵要求給水泵汽輪機運行在高轉(zhuǎn)速、大范圍的變轉(zhuǎn)速、雙汽源、變進汽參數(shù)等不利條件下。如果給水泵汽輪機采用直接空冷，則背壓將更高，末級變工況范圍更大，尾部運行條件更加惡劣，使得給水泵汽輪機的設計難度加大。 目前，該方案在國內(nèi)600MW等級及以上機組尚無投運業(yè)績，在300MW等級機組上有投運業(yè)績，但效果不佳。因此給水泵汽輪機不宜采用直接空冷。 1.2.2間接空冷小汽機 間接空冷式小汽機需要設置一套獨立的小汽機間接空冷系統(tǒng)。這幾年空冷機組發(fā)展較快，不同的空冷系統(tǒng)，在工程設計、設備制造、安裝調(diào)試和運行檢修各方面都有不同的技術特點，需要逐步摸索掌握。同一臺機組上采用兩種不同的空冷系統(tǒng)，無疑會增加運行的難度，降低電廠的可靠性。 間接空冷小汽機的配置方式，不僅初投資增加較大，而且使本已復雜的系統(tǒng)更趨復雜。如前所述，空冷小汽機存在一定的設計難度，采用間接空冷小汽機可使設計難度有所降低，可靠性提高，但所有問題依然存在，僅是程度不同而已。 因此當主機采用直接空冷系統(tǒng)時,給水泵不宜采用間接空冷小汽機的配置方式。 1.2.3獨立濕冷小汽機 如果采用獨立的濕冷小汽機系統(tǒng)，為小汽機單獨設置凝汽器，則繞開了設計空冷小汽機的難題，在理論上、實際運行中都是可行的。采用獨立濕冷小汽機,需要增設小機凝汽器及獨立的真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、凝結(jié)水系等，并加大輔機循環(huán)水泵。 通過上面的對比，在不考慮節(jié)水指標的前提下，本工程最為合理可行的方案就是采用獨立濕冷汽動給水泵。 xx年電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策規(guī)定的空冷機組設計耗水指標為0.12m3/s.GW；大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范按17.8.12節(jié)“空冷系統(tǒng)”中明確“當空冷機組采用汽動給水泵時，其冷卻方式宜采用間接空冷系統(tǒng)”。 汽動給水泵濕冷方案設備多，系統(tǒng)復雜，初投資大。水工冷卻水塔占地面積較大，且該方案存在蒸發(fā)、排污損失，耗水量大，難以滿足空冷機組的用水指標限制。 綜合上面所有因素，三種冷卻方式均不適用于直接空冷機組，因此不推薦直接空冷機組采用汽動給水泵方案。 1.3主機同軸驅(qū)動給水泵方案 主機同軸驅(qū)動給水泵方案是直接由主汽輪機的主軸通過撓性聯(lián)軸器、調(diào)速裝置驅(qū)動給水泵。該方案是對汽泵方案和電泵方案優(yōu)勢的綜合，既能具備汽泵方案降低廠用電率，又具有電泵方案系統(tǒng)簡單可靠，運行調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢。這種方式利用了主機的高效率及簡潔的動力傳動鏈，理論上也是非常經(jīng)濟有效的。圖1是主軸驅(qū)動鍋爐給水泵的原理圖。 采用主機泵方案時，由于調(diào)速裝置傳遞功率較大，一般建議采用行星齒輪調(diào)速裝置。調(diào)速行星齒輪Vorecon是基于功率疊加原理而工作的。部分功率通過Vorecon的變矩器到達行星齒輪副的行星輪，大部分功率則通過Vorecon的機械主軸傳遞至行星齒輪副的外圍齒圈，最后在行星齒輪內(nèi)進行功率的矢量疊加。調(diào)速行星齒輪，在國內(nèi)電力項目應用不多，目前陜西華電蒲城電廠2660MW機組已采用。 主機同軸驅(qū)動給水泵方案主要有1100%容量主機泵和250%容量主機泵兩種。 1.3.11100%容量主機泵方案 配置1100%容量主機給水泵時，由于液力調(diào)速裝置選型要求輸入轉(zhuǎn)速一般在15002000r/min，更高的輸入轉(zhuǎn)速會造成轉(zhuǎn)子葉尖線速度過高，為保證設計使用壽命而對材質(zhì)要有更高的要求，推薦配置獨立齒輪箱。 1.3.2250%容量主機泵方案 當采用250%容量主機給水泵時，需通過一個齒輪箱將主汽輪機主軸做功分傳至2個調(diào)速裝置，再傳給2個給水泵主軸。圖2是按主汽輪機驅(qū)動250%配置給水泵的布置示意圖，從左至右以此是主汽輪機、分軸齒輪箱、調(diào)速裝置、主給水泵。 兩種方案在技術上都是可行的，但主機泵方案在國內(nèi)尚無運行業(yè)績，缺少運行操作經(jīng)驗，從機組可靠性方面考慮，推薦采用250%容量主機泵設置。 2給水泵配置方案比選 通過上文所述，對660MW級直接空冷機組，較為合適的給水泵配置方案為250%容量主機泵方案和335%容量電動調(diào)速泵方案兩種，其中采用主機泵方案時需設置30%容量的電動啟動泵，下文將針對這兩種方案進行詳細的經(jīng)濟比較。 2.1初投資比較（按兩臺機組計） 注：電動給水泵按芯包國產(chǎn)計列費用；采用主機泵方案后，汽機房長度加長約5m，跨度減少約3m； 2.2運行費用比較（按兩臺機組計） 注：35%容量電動給水泵軸功率按9200kW/臺計列，主機泵前置泵軸功率按500kW臺計列；本表比較基于年發(fā)電量相同。 我國現(xiàn)有電網(wǎng)的調(diào)度模式是網(wǎng)調(diào)直接控制到入網(wǎng)機組的發(fā)電功率，在這種電網(wǎng)調(diào)度模式下，高廠用電率則意味著供電量的降低，從而降低機組運行收益。由上表可以看出，雖然主機泵方案機組熱耗較電泵方案高，但主機泵方案廠用電率低，供電量大，經(jīng)濟效益十分可觀。 2.3方案比較結(jié)果 采用用動態(tài)投資回收期法計算本方案與基準方案投資差額的回收年限。 設投資差額回收年限為n，則 n=1-log(1+i)(1Ui(1+i)/B) 式中：U與基準相比投資增加的費用(萬元)，為5520萬元； B本方案帶來的收益（萬元），為6840萬元； i為年