羅方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐曉康

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

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直接空冷汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案探討

羅方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐曉康

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000）

摘要：隨著節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，給水泵配置方案的重要性日益顯現(xiàn)。文章主要介紹了國(guó)外給水泵由汽輪機(jī)主軸直接驅(qū)動(dòng)的方案，并分析對(duì)比該方案與目前國(guó)內(nèi)所普遍采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。探討給水泵主軸驅(qū)動(dòng)在大功率直接空冷機(jī)組中的應(yīng)用方案，以供同類機(jī)組設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：給水泵，主軸驅(qū)動(dòng)，直接空冷機(jī)組，驅(qū)動(dòng)方案

1　給水泵主要驅(qū)動(dòng)方案的比較

目前國(guó)內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組的給水泵驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)及小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)2種。早期的大型空冷機(jī)組多采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案，由于電泵能耗巨大，消耗的廠用電率可達(dá)到機(jī)組額定發(fā)電功率的3%～4%。由于對(duì)上網(wǎng)電量的影響，目前執(zhí)行的工程已較少采用。采用小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案的直接空冷機(jī)組，通常都為小汽機(jī)配置了單獨(dú)的凝汽器和冷卻塔，采用濕冷方式或者采用間冷方式。由于環(huán)境保護(hù)的壓力，新建空冷發(fā)電工程的水耗指標(biāo)被日益壓縮，直接空冷機(jī)組目前已有一些工程采用了小汽機(jī)排汽直接排入大機(jī)排汽裝置的方式。采用小機(jī)直排方案時(shí)，與小汽機(jī)單設(shè)凝汽器方案相比，雖然具有系統(tǒng)配置簡(jiǎn)化、工程造價(jià)降低、水耗指標(biāo)也能較好控制的優(yōu)點(diǎn)，但是小汽機(jī)的背壓需考慮到排汽管道的壓損，比大機(jī)背壓更高，而且易受到大機(jī)背壓變化的影響。與濕冷小汽機(jī)相比，空冷小汽機(jī)采用直排方案時(shí)，夏季工況至設(shè)計(jì)工況的背壓變化范圍更大；通常直接空冷機(jī)組都要求夏季滿發(fā)，此時(shí)小汽機(jī)出力最大；直排方案的空冷小汽機(jī)，為滿足給水量調(diào)節(jié)的要求，設(shè)流設(shè)計(jì)裕量往往偏大，導(dǎo)致全年大部分時(shí)間運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)工況，使得整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不高。對(duì)于大功率直接空冷機(jī)組，給水泵采用主軸直接驅(qū)動(dòng)，可很好地避免上述方案的不足之處。

2　汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案簡(jiǎn)介

汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵的方案，就是在運(yùn)轉(zhuǎn)層機(jī)頭側(cè)由汽輪機(jī)主軸通過(guò)聯(lián)軸器、齒輪箱、調(diào)速傳動(dòng)裝置帶動(dòng)給水泵運(yùn)行。主軸通過(guò)齒形聯(lián)軸器或膜片式聯(lián)軸器與齒輪箱連接，通過(guò)齒輪箱將轉(zhuǎn)速由3 000 r/h減速至1 500 r/h。齒輪箱與給水泵間設(shè)置調(diào)速裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速滿足給水泵運(yùn)行要求。給水泵配置可選擇2臺(tái)50%容量或1臺(tái)100%容量。當(dāng)配置2臺(tái)50%容量給水泵時(shí)，通過(guò)齒輪箱將汽機(jī)主軸功率分別傳至2個(gè)給水泵。從1960年代到1970年代，歐州國(guó)家的許多電廠采用了汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵的方案。調(diào)速裝置通常選用帶行星齒輪耦合器的“調(diào)速之星”，該裝置含液力變速耦合器、液力變矩器、制動(dòng)裝置、固定行星輪和旋轉(zhuǎn)行星輪，完全可滿足給水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的要求。主軸驅(qū)動(dòng)方案與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比，省去了高壓廠用變壓器、電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，廠用電率與汽泵方式相當(dāng)。與小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比，在節(jié)能節(jié)水、簡(jiǎn)化給水泵系統(tǒng)、優(yōu)化廠房布置、降低工程造價(jià)等方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。因給水泵所需功率來(lái)自大汽輪機(jī)，且其功率傳遞為機(jī)械傳動(dòng)，所以效率更高；而且機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，不存在大汽輪機(jī)供小機(jī)抽汽壓力低而需要切換汽源的問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn)可靠。對(duì)大功率機(jī)組而言，汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案是一種理想的選擇，如圖1所示。

圖1　汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案圖

3　采用主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案時(shí)汽機(jī)設(shè)計(jì)的主要變化

圖2　給水泵主軸驅(qū)動(dòng)汽機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置

由于汽機(jī)機(jī)頭側(cè)連接給水泵及傳動(dòng)裝置，故需在汽機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)取消軸驅(qū)主油泵及機(jī)械式危急遮斷器等部件，前軸承箱結(jié)構(gòu)也需相應(yīng)改進(jìn)。汽機(jī)與齒輪箱間的聯(lián)軸器選擇，需考慮機(jī)組啟停膨脹時(shí)將出現(xiàn)的較大軸向位移以及少量的中心線偏移，聯(lián)軸器需具備位移補(bǔ)償功能，因而選擇齒形聯(lián)軸器較為適宜。借助齒形聯(lián)軸器較強(qiáng)的軸向膨脹吸收能力，滑銷系統(tǒng)可沿用常規(guī)機(jī)組的成熟設(shè)計(jì)方案。汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案對(duì)軸系穩(wěn)定性是否存在不利影響，是決定該方案可靠性的關(guān)鍵因素。因而要求聯(lián)軸器及“調(diào)速之星”在傳遞功率的同時(shí)，應(yīng)能保證兩端設(shè)備的沖擊和振動(dòng)不相互傳遞；確保在極端工況下，某一設(shè)備故障不致于通過(guò)軸系傳遞而破壞其他設(shè)備。以東方超臨界350 MW為分析對(duì)象，調(diào)速之星選擇德國(guó)VOITH 的RW14-13 F8型號(hào)，給水泵選擇某匹配型號(hào)；通過(guò)軸系的初步連算分析來(lái)看，臨界轉(zhuǎn)速和扭振頻率均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，該方案基本可行。考慮到主機(jī)泵傳動(dòng)路線的復(fù)雜性，以后還需對(duì)該方案的建模及計(jì)算方法進(jìn)行深入的研究，以便得到更為精確的判斷。

給水泵主軸驅(qū)動(dòng)汽機(jī)總體結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

4　主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案對(duì)汽機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的分析

汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案與小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)方案相比，原來(lái)從大汽輪機(jī)抽出驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)的這部分蒸汽量繼續(xù)在主機(jī)中膨脹做功。對(duì)熱力系統(tǒng)的影響主要有2個(gè)方面：（1）原來(lái)小汽機(jī)抽汽這部分工質(zhì)在主機(jī)中膨脹做功，大機(jī)的通流效率較高，故系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)有所提高；（2）大機(jī)低壓缸排汽流量增大約10%，對(duì)主機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及末葉選型有一定的影響。針對(duì)這兩點(diǎn)變化，以超臨界350 MW某直接空冷機(jī)組為例，假設(shè)了相應(yīng)的工程邊界條件，對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案經(jīng)濟(jì)性作了如下簡(jiǎn)要分析。

目前給水泵驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率約為80%～81%，對(duì)小機(jī)直排方案，其蒸汽流量約為61 t/h；采用主軸驅(qū)動(dòng)方案后，這部分工質(zhì)繼續(xù)在大機(jī)中膨脹做功，其膨脹效率約為89%～90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小機(jī)效率?？紤]汽機(jī)主軸與給水泵之間的傳動(dòng)效率約93.4%，則此部分工質(zhì)的當(dāng)量膨脹效率約為83.1%～84.1%，仍然略高于小汽機(jī)效率。經(jīng)計(jì)算，采用汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案后，從工質(zhì)膨脹效率提高角度來(lái)看，整機(jī)熱耗將下降約9～10 kJ/kW·h；當(dāng)小汽機(jī)效率每升高1%時(shí)，對(duì)應(yīng)熱耗降低約3 kJ/kW·h。由于驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)的抽汽繼續(xù)在大汽輪機(jī)通流中做功，導(dǎo)致大機(jī)排汽流量增大約10%。末葉的排汽環(huán)形速度上升，致使排汽損失增大、低壓缸效率降低，對(duì)機(jī)組熱耗產(chǎn)生不利影響。但是采用該方案后，部分負(fù)荷工況、高背壓工況以及供熱機(jī)組的抽汽工況下，由于流量的增加機(jī)組熱耗又可得到明顯改善。因此，對(duì)于該部分流量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響，需結(jié)合具體工程條件，如是否供熱、年平均負(fù)荷率、背壓及末葉選擇等進(jìn)行綜合分析。

5　結(jié)論

汽機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案作為1種經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證的成熟方案，具有簡(jiǎn)化給水泵系統(tǒng)配置、運(yùn)行可靠方便、降低常用電率、節(jié)約用水等優(yōu)勢(shì)，在降低機(jī)組熱耗方面也有一定的潛力。綜合考慮，該方案在大功率直接空冷機(jī)組及空冷供熱機(jī)組中有著廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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［2］趙紅斌，楊德榮，馮宇亮，等.直接空冷機(jī)組給水泵配置方案［J］.發(fā)電技術(shù)，2012，34（1）:70-74.

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Scheme Discussion of Direct Air Cooling Turbine Main Shaft Drive Feed Water Pump

Luo Fang，Shi Xuanping，Tang Qingzhou，Wang Song，Guo Yong，Xu Xiaokang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:With the development of energy saving and emission reduction technology，the configuration scheme of the feed water pump becomes more important.This paper mainly introduces the scheme that the feed water pump is directly driven by the turbine main shaft in abroad，analyzes advantages and disadvantage of the motor driving and small turbine driving schemes which are usually used in China.The scheme of feed water pump main shaft driving which applys to high-power direct air cooling unit is discussed，and pro?vides a reference for similar units design.

Key words:feed water pump，main shaft drive，direct air cooling turbine，drive scheme

中圖分類號(hào)：TK14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）02-0014-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.004

作者簡(jiǎn)介：羅方（1982-），男，本科，2003年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院，現(xiàn)從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。