660MW級(jí)直接空冷機(jī)組給水泵配置研究.doc

660MW級(jí)直接空冷機(jī)組給水泵配置研究 張濤王光林 （山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆綎|濟(jì)南250013） 【摘要】通過(guò)分析直接空冷機(jī)組的特點(diǎn)，研究各種給水泵配置方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)比較，建議直接空冷機(jī)組采用主機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案，既能實(shí)現(xiàn)降低廠用電率的目的，又兼具電泵方案系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行靈活的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞直接空冷；主機(jī)泵；發(fā)電機(jī)組 概述 鍋爐給水泵是電廠中重要的輔機(jī)設(shè)備之一，其投資在全廠輔機(jī)中占有相當(dāng)大的比例。與此同時(shí)，給水泵的功率很大，運(yùn)行費(fèi)用高。因此，選擇合理的給水泵配置方案對(duì)于整個(gè)發(fā)電廠的造價(jià)及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到非常重要的作用。 給水泵按驅(qū)動(dòng)方式可以分為電動(dòng)給水泵方案、汽動(dòng)給水泵方案以及主機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案。目前我國(guó)300MW以上容量濕冷或間接空冷機(jī)組大都采用汽動(dòng)給水泵，而近年來(lái)已投產(chǎn)的直接空冷機(jī)組多采用電動(dòng)給水泵。主機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案在國(guó)內(nèi)尚沒有業(yè)績(jī)，但在德國(guó)Scholven電廠、Munchen-Sud電廠、Fkw-Buer電廠，意大利的LaSpezia電廠、Chivasso電廠，美國(guó)的HlpRobinson等10多家電廠均有應(yīng)用業(yè)績(jī)，其中Scholven電廠600MW容量等級(jí)機(jī)組采用該方案可靠運(yùn)行超過(guò)30年，其新建機(jī)組仍采用主機(jī)泵驅(qū)動(dòng)方案。 1給水泵主要配置方案 本文在目前國(guó)內(nèi)外660MW級(jí)直接空冷機(jī)組給水泵配置方案的基礎(chǔ)上，按給水泵的驅(qū)動(dòng)方式分類，對(duì)每一種驅(qū)動(dòng)方式列舉了不同的給水泵配置方案，并敘述各方案的技術(shù)特點(diǎn)： 方案一：電動(dòng)給水泵方案；分別有250%容量與335%容量?jī)煞N配置。 方案二：汽動(dòng)給水泵方案；分別有1100%容量與250%容量?jī)煞N配置。 方案三：主機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案；分別有1100%容量與250%容量?jī)煞N配置。 1.1電動(dòng)給水泵方案 直接空冷機(jī)組采用電動(dòng)給水泵方案，具有運(yùn)行靈活、簡(jiǎn)單可靠、檢修維護(hù)工作量小、整體壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且給水系統(tǒng)與主機(jī)排汽系統(tǒng)是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，不受主機(jī)背壓變化的影響，電動(dòng)給水泵由液力偶合器進(jìn)行調(diào)速，以滿足機(jī)組啟動(dòng)和各種工況的需要。缺點(diǎn)是采用電泵方案后廠用電率增加，會(huì)降低電廠的售電收益。 電動(dòng)給水泵方案目前有兩種配置方案： 1.1.1250%容量電動(dòng)調(diào)速泵 此方案單泵軸功率（含前置泵）約為13500kW，電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到約15500kW，采用一級(jí)液耦調(diào)速。若考慮加設(shè)備用泵，設(shè)備成本增加；若不設(shè)備用泵，在一臺(tái)電泵事故的情況下，機(jī)組負(fù)荷降低至55%60負(fù)荷下運(yùn)行。 1.1.2335%容量電動(dòng)調(diào)速泵 此方案單泵軸功率（含前置泵）約為9200kW，電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到約11000kW，采用一級(jí)液耦調(diào)速。正常時(shí)，三臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行，在一臺(tái)事故時(shí)，機(jī)組負(fù)荷降至80%左右。此方案電泵利用率高，耦合器和電機(jī)在電力行業(yè)很常見，國(guó)產(chǎn)率高，整體造價(jià)低于250%電泵方案，且運(yùn)行靈活，非滿負(fù)荷工況下經(jīng)濟(jì)性更高。 對(duì)于直接空冷機(jī)組，若采用電泵方案時(shí)推薦335%容量電動(dòng)調(diào)速泵。 1.2汽動(dòng)給水泵方案 空冷機(jī)組的主要特點(diǎn)是汽輪機(jī)背壓高,且變化幅度大?？绽錂C(jī)組的設(shè)計(jì)與濕冷機(jī)組存在較大的區(qū)別。對(duì)于直接空冷機(jī)組，給水泵汽輪機(jī)（小汽機(jī)）的冷卻方式主要有：直接空冷、間接空冷和獨(dú)立濕冷三種方式。 1.2.1直接空冷小汽機(jī) 空冷機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵，如果小汽機(jī)排汽直接進(jìn)入空冷系統(tǒng)，則小汽機(jī)也必須是高背壓、變背壓的汽輪機(jī)。由于空冷系統(tǒng)對(duì)氣溫和風(fēng)速的敏感性強(qiáng)，主機(jī)正常運(yùn)行背壓變化范圍大,要求小汽輪機(jī)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(jī)背壓高,要維持一定的功率，則主汽輪機(jī)需加大進(jìn)汽量,而小汽輪機(jī)為維持給水泵所需的功率，也必須加大進(jìn)汽量，出現(xiàn)了小機(jī)與大機(jī)爭(zhēng)奪汽量的問(wèn)題，并且加大對(duì)空冷裝置容量的要求。在非正常工況，不利風(fēng)向的風(fēng)速引起背壓突升的瞬變過(guò)程中，小機(jī)調(diào)速系統(tǒng)很難維持給水泵所需的功率變化要求，擴(kuò)大了整機(jī)瞬態(tài)過(guò)程的不安全性。 鍋爐給水泵要求給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速、大范圍的變轉(zhuǎn)速、雙汽源、變進(jìn)汽參數(shù)等不利條件下。如果給水泵汽輪機(jī)采用直接空冷，則背壓將更高，末級(jí)變工況范圍更大，尾部運(yùn)行條件更加惡劣，使得給水泵汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)難度加大。 目前，該方案在國(guó)內(nèi)600MW等級(jí)及以上機(jī)組尚無(wú)投運(yùn)業(yè)績(jī)，在300MW等級(jí)機(jī)組上有投運(yùn)業(yè)績(jī)，但效果不佳。因此給水泵汽輪機(jī)不宜采用直接空冷。 1.2.2間接空冷小汽機(jī) 間接空冷式小汽機(jī)需要設(shè)置一套獨(dú)立的小汽機(jī)間接空冷系統(tǒng)。這幾年空冷機(jī)組發(fā)展較快，不同的空冷系統(tǒng)，在工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、安裝調(diào)試和運(yùn)行檢修各方面都有不同的技術(shù)特點(diǎn)，需要逐步摸索掌握。同一臺(tái)機(jī)組上采用兩種不同的空冷系統(tǒng)，無(wú)疑會(huì)增加運(yùn)行的難度，降低電廠的可靠性。 間接空冷小汽機(jī)的配置方式，不僅初投資增加較大，而且使本已復(fù)雜的系統(tǒng)更趨復(fù)雜。如前所述，空冷小汽機(jī)存在一定的設(shè)計(jì)難度，采用間接空冷小汽機(jī)可使設(shè)計(jì)難度有所降低，可靠性提高，但所有問(wèn)題依然存在，僅是程度不同而已。 因此當(dāng)主機(jī)采用直接空冷系統(tǒng)時(shí),給水泵不宜采用間接空冷小汽機(jī)的配置方式。 1.2.3獨(dú)立濕冷小汽機(jī) 如果采用獨(dú)立的濕冷小汽機(jī)系統(tǒng)，為小汽機(jī)單獨(dú)設(shè)置凝汽器，則繞開了設(shè)計(jì)空冷小汽機(jī)的難題，在理論上、實(shí)際運(yùn)行中都是可行的。采用獨(dú)立濕冷小汽機(jī),需要增設(shè)小機(jī)凝汽器及獨(dú)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(jī)循環(huán)水泵。 通過(guò)上面的對(duì)比，在不考慮節(jié)水指標(biāo)的前提下，本工程最為合理可行的方案就是采用獨(dú)立濕冷汽動(dòng)給水泵。 xx年電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策規(guī)定的空冷機(jī)組設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)為0.12m3/s.GW；大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范按17.8.12節(jié)“空冷系統(tǒng)”中明確“當(dāng)空冷機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵時(shí)，其冷卻方式宜采用間接空冷系統(tǒng)”。 汽動(dòng)給水泵濕冷方案設(shè)備多，系統(tǒng)復(fù)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(jī)組的用水指標(biāo)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(jī)組，因此不推薦直接空冷機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵方案。 1.3主機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案 主機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案是直接由主汽輪機(jī)的主軸通過(guò)撓性聯(lián)軸器、調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)給水泵。該方案是對(duì)汽泵方案和電泵方案優(yōu)勢(shì)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(jiǎn)單可靠，運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢(shì)。這種方式利用了主機(jī)的高效率及簡(jiǎn)潔的動(dòng)力傳動(dòng)鏈，理論上也是非常經(jīng)濟(jì)有效的。圖1是主軸驅(qū)動(dòng)鍋爐給水泵的原理圖。 采用主機(jī)泵方案時(shí)，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(guò)Vorecon的變矩器到達(dá)行星齒輪副的行星輪，大部分功率則通過(guò)Vorecon的機(jī)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(jìn)行功率的矢量疊加。調(diào)速行星齒輪，在國(guó)內(nèi)電力項(xiàng)目應(yīng)用不多，目前陜西華電蒲城電廠2660MW機(jī)組已采用。 主機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案主要有1100%容量主機(jī)泵和250%容量主機(jī)泵兩種。 1.3.11100%容量主機(jī)泵方案 配置1100%容量主機(jī)給水泵時(shí)，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(huì)造成轉(zhuǎn)子葉尖線速度過(guò)高，為保證設(shè)計(jì)使用壽命而對(duì)材質(zhì)要有更高的要求，推薦配置獨(dú)立齒輪箱。 1.3.2250%容量主機(jī)泵方案 當(dāng)采用250%容量主機(jī)給水泵時(shí)，需通過(guò)一個(gè)齒輪箱將主汽輪機(jī)主軸做功分傳至2個(gè)調(diào)速裝置，再傳給2個(gè)給水泵主軸。圖2是按主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)250%配置給水泵的布置示意圖，從左至右以此是主汽輪機(jī)、分軸齒輪箱、調(diào)速裝置、主給水泵。 兩種方案在技術(shù)上都是可行的，但主機(jī)泵方案在國(guó)內(nèi)尚無(wú)運(yùn)行業(yè)績(jī)，缺少運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)，從機(jī)組可靠性方面考慮，推薦采用250%容量主機(jī)泵設(shè)置。 2給水泵配置方案比選 通過(guò)上文所述，對(duì)660MW級(jí)直接空冷機(jī)組，較為合適的給水泵配置方案為250%容量主機(jī)泵方案和335%容量電動(dòng)調(diào)速泵方案兩種，其中采用主機(jī)泵方案時(shí)需設(shè)置30%容量的電動(dòng)啟動(dòng)泵，下文將針對(duì)這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)比較。 2.1初投資比較（按兩臺(tái)機(jī)組計(jì)） 注：電動(dòng)給水泵按芯包國(guó)產(chǎn)計(jì)列費(fèi)用；采用主機(jī)泵方案后，汽機(jī)房長(zhǎng)度加長(zhǎng)約5m，跨度減少約3m； 2.2運(yùn)行費(fèi)用比較（按兩臺(tái)機(jī)組計(jì)） 注：35%容量電動(dòng)給水泵軸功率按9200kW/臺(tái)計(jì)列，主機(jī)泵前置泵軸功率按500kW臺(tái)計(jì)列；本表比較基于年發(fā)電量相同。 我國(guó)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(jī)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(jī)組運(yùn)行收益。由上表可以看出，雖然主機(jī)泵方案機(jī)組熱耗較電泵方案高，但主機(jī)泵方案廠用電率低，供電量大，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。 2.3方案比較結(jié)果 采用用動(dòng)態(tài)投資回收期法計(jì)算本方案與基準(zhǔn)方案投資差額的回收年限。 設(shè)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(zhǔn)相比投資增加的費(fèi)用(萬(wàn)元)，為5520萬(wàn)元； B本方案帶來(lái)的收益（萬(wàn)元），為6840萬(wàn)元； i為年