王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

(華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

1000MW級二次再熱機組汽動給水泵選型研究

王亞軍，朱佳琪，李 林，陳仁杰

(華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

本文主要介紹1000MW二次再熱機組汽動給水泵選型，從技術(shù)發(fā)展趨勢和機組更經(jīng)濟運行的角度給出二次再熱機組汽動給水泵組的選型意見。

給水泵；給水泵汽輪機；二次再熱；揚程。

1　概述

對于1000MW超超臨界二次再熱機組，給水泵揚程較高，相比常規(guī)超超臨界百萬機組給水泵增加25%，不過流量相比減少7%，軸功率相比增加12%左右，從泵的工作點來基本是現(xiàn)有成熟給水泵性能曲線的延升，曲線會更陡些。因此二次再熱機組對給水泵提出了更高要求，鑒于給水泵在電廠系統(tǒng)中具有重要的地位，給水泵組運行的可靠性與經(jīng)濟性顯得特別重要。本文主要研究火力發(fā)電廠汽動給水泵的選型及配置方案，包括：

(1) 目前國內(nèi)外同容量等級機組給水泵配置。

(2) 汽動給水泵的配置原則(包括100%容量汽泵方案可行性分析、100%容量汽泵方案與2×50%容量汽泵方案的技術(shù)經(jīng)濟比較)。

(3) 推薦適合二次再熱機組的給水泵組配置方案。

電動啟動給水泵的選型與配置與常規(guī)百萬機組類似，本文就不再論述了。

2　國內(nèi)外同容量等級機組給水泵配置

國內(nèi)目前已經(jīng)投運或在建的超超臨界1000MW火力發(fā)電機組主汽輪機和給水泵配置詳見表1(不完全統(tǒng)計)。

國際上和1000MW二次再熱機組超超臨界機組容量相近的機組主要集中在歐洲和日本，具體給水泵的配置情況見表2和表3。

3　二次再熱機組汽泵配置原則

3.1關(guān)于汽動給水泵的數(shù)量及容量

汽動給水泵的臺數(shù)和容量選擇，取決于機組容量、設(shè)備質(zhì)量、機組在電網(wǎng)中的作用、設(shè)備投資等多種因素。根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》GB50660－2011第12.3.3條要求，“對300MW及以上機組的給水泵宜配置2臺，單臺容量應(yīng)為最大給水量50%的汽動給水泵；或配置1臺，容量應(yīng)為最大給水量100%的汽動給水泵”。但從目前國際各電廠的配置來看已運行的百萬等級機組中，日本電廠多采用2×50%汽動給水泵方案，歐洲電廠多采用1×100%容量汽動泵，國內(nèi)電廠多采用2×50%汽動給水泵方案，也有個別電廠采用1×100%容量汽動泵。

表1　部分國內(nèi)1000MW火力發(fā)電機組主汽輪機和給水泵配置

表2　歐洲800MW以上機組給水泵配置

表3　日本800MW以上機組給水泵配置

配2×50%容量汽動泵，優(yōu)點是一臺汽動泵組故障時，另一臺泵仍能帶60%負荷運行，對機組負荷影響較小。正是基于可靠性高的優(yōu)點，日本百萬等級電廠的汽泵全部采用2×50%容量，而且該配置在國內(nèi)百萬等級電廠以及其他300MW、600MW亞臨界、超臨界電廠廣泛采用。該方案適用于二次再熱機組。

配1×100%容量汽動泵，單泵在機組40～100%負荷范圍，泵與主機的負荷相匹配，系統(tǒng)簡單、操作和調(diào)節(jié)比較方便。低于40%負荷，則切換至備用汽源，也能保證機組正常運行。此外，給水泵主泵、前置泵、給水泵汽輪機效率較高也是100%容量方案的一項重要優(yōu)勢，僅就汽動給水泵主泵來說，100%容量給水泵較50%容量給水泵效率高2%左右。該方案適用于二次再熱機組。

采用100%全容量汽動給水泵，可簡化系統(tǒng)，而且機組熱耗要比采用2×50%容量配置方式要低，有利于提高機組運行的經(jīng)濟性。但當100%全容量汽動給水泵組故障時，機組如設(shè)有啟動/備用功能的電動給水泵，則機組只能靠電泵維持運行，因此采用100%全容量汽動給水泵，對泵的可靠性要求很高。

國內(nèi)已投產(chǎn)或正在建設(shè)中的1000MW超超臨界濕冷機組汽動給水泵配置方案主要有2×50%和1×100%兩種型式，早期建設(shè)1000MW機組給水泵多采用 2×50%配置型式。隨著設(shè)備制造技術(shù)水平的提高并通過運行驗證，目前給水泵及給水泵汽輪機運行可靠性已較高，在近年新建的部分1000MW高效一次再熱工程中，給水泵逐步采用1×100%配置方案。

1×100%給水泵組配置方案熱經(jīng)濟性十分明顯，1000MW機組配置100%全容量給水泵組將成為國內(nèi)后續(xù)項目的主要技術(shù)發(fā)展方向。但對于給水流量和揚程、以及小機進汽參數(shù)有所不同的1000MW二次再熱機組，采用1×100%配置方案需進行深入論證。

3.2給水泵選型

3.2.1給水泵的配置

對于常規(guī)百萬機組2×50%容量的給水泵組配置方案，國外給水泵的制造廠相對較多，有Sulzer、KSB、荏原和日立等，其中目前世界上主汽壓力最高(31 MPa)的日本川越電廠給水泵為日本荏原供貨，為兩臺2×50%容量的給水泵組；國電泰州二期、萊蕪等國內(nèi)二次再熱機組均為2×50%容量的給水泵組配置，均采用芯包進口。對于國內(nèi)已經(jīng)投運的1000MW超超臨界機組，初期建設(shè)的機組2×50%容量給水泵組配置方案中的給水泵都采用進口。但是目前隨著國內(nèi)給水泵廠家的制造和設(shè)計能力的逐步提高，在采用進口芯包基礎(chǔ)上，上海電力修造總廠有限公司、上海凱士比泵有限公司、沈陽水泵廠、山東荏原博泵廠、大連蘇爾壽已經(jīng)開始設(shè)計和制造50%容量的給水泵，并有相應(yīng)的國內(nèi)工程運行業(yè)績。二次再熱機組給水泵揚程較高，相比常規(guī)超超臨界百萬機組給水泵增加25%，不過流量相比減少7%，軸功率相比增加12%左右，從泵的工作點來看基本是現(xiàn)有成熟給水泵性能曲線的延伸，曲線會更陡些。鑒于二次再熱機組為我國首次應(yīng)用，且給水泵揚程為目前世界最高，結(jié)合泰州二期二次再熱機組給水泵選型的特點，對于2×50%容量方案給水泵優(yōu)先考慮國產(chǎn)組裝(芯包進口)，其次考慮采用全進口。

若采用100%容量的給水泵組方案，由于國內(nèi)制造廠沒有業(yè)績因此必須進口，國外制造廠具有設(shè)計和制造單臺100%容量給水泵及給水泵汽輪機的廠家也有限，僅限于歐洲Sulzer、KSB公司及亞洲日本荏原，因此對于1×100%容量方案給水泵考慮采用全進口。

3.2.2 采用100%容量給水泵可行性分析

1000MW超超臨界二次再熱機組與1000MW一次再熱機組相比，汽機進口蒸汽參數(shù)從28 MPa/600℃/620℃提高至31 MPa/600℃/620℃/620℃，熱耗降低，鍋爐最大蒸發(fā)量有所減少。為適應(yīng)運行需求，1000MW等級二次再熱機組100%方案給水泵選型參數(shù)較1000MW一次再熱機組有所變化，二次再熱機組100%容量給水泵揚程比一次再熱機組約提高340 m左右，但給水泵流量降低約9%～10%。

由于1000MW等級二次再熱機組主機參數(shù)較一次再熱機組存在上述差異，故需對原適應(yīng)一次再熱的全容量給水泵選型進行二次再熱選型參數(shù)復(fù)核。如原型號難以適應(yīng)新的參數(shù)，則需調(diào)整泵型?？偟膩碚f，由于給水泵選型點揚程提高，相應(yīng)需提高給水泵的設(shè)計壓力和水壓試驗壓力(水壓試驗壓力通常為設(shè)計壓力的1.5倍)，由此產(chǎn)生的設(shè)計差異和影響因素主要有以下幾個方面：

(1) 因水泵揚程提高，相應(yīng)水壓試驗壓力升高，給水泵筒體、端蓋及內(nèi)殼體材料壁厚需重新復(fù)核，如超限需部分增厚泵殼等以滿足設(shè)計強度要求。

(2) 給水泵芯包承壓部件強度需提高。

(3) 需進一步復(fù)核給水泵的密封性能、并進行軸系平衡復(fù)核。

(4) 如泵型等發(fā)生較大變化，泵采購成本將有所提高(初步了解如泵型變化，較1000MW一次再熱機組全容量給水泵價格將增加20%～30%左右)。

目前，國內(nèi)制造商還沒有1000MW機組100%容量給水泵訂貨和運行業(yè)績，國外大容量給水泵制造商如英國Sulzer公司、德國KSB公司和日本荏原制作所等具備1000MW等級一次再熱機組全容量給水泵設(shè)計和制造能力。

國內(nèi)目前投運的二次再熱機組泰州二期及萊蕪工程均采用2×50%容量方案，分別由KSB及EBARA設(shè)計并供貨。針對二次再熱汽動給水泵100%容量，目前僅有神華國華廣投北海電廠采用該方案，正在由SULZER(蘇爾壽)設(shè)計，其他各家也表示可以完成設(shè)計，具體如下：

(1) SULZER(蘇爾壽)1000MW二次再熱機組汽動給水泵。

SULZER公司在20世紀80年代與美國電力研究會合作，進行了大容量鍋爐給水泵可靠性研究，其研究成果已廣泛應(yīng)用在當今的鍋爐給水泵設(shè)計中。

SULZER公司針對1000MW二次再熱機組的2×50%容量泵已參與華能萊蕪電廠投標，主泵選型型號為HPT 300-370-7s，即葉輪級數(shù)為7級，葉輪直徑370 mm。泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速5903 rpm，額定運行工況轉(zhuǎn)速5438 rpm。SULZER公司針對1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵也提供選型方案，主泵選型型號為HPT 500-505-6s/33，即與1000MW一次再熱機組100%容量汽動給水泵選型方案一致。葉輪級數(shù)為6級，葉輪直徑508 mm。泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速5280 rpm，額定運行工況轉(zhuǎn)速4700 rpm。所選泵型采用整體式芯包，所有水力部件、出口端蓋、軸承和密封為一整體，檢修時芯包可從外筒體中整體抽出，維護非常方便。整體式芯包設(shè)計可有效減少停機時間。外筒體由高強度合金鋼整體鍛造，無堆焊，適應(yīng)機組的快速起停和負荷變化，有利于長期穩(wěn)定運行。采用平衡鼓式平衡裝置，無軸向接觸的危險，應(yīng)于機組起停和負荷變化過程。

(2) KSB(凱士比) 1000MW二次再熱機組汽動給水泵。

KSB公司已在國電泰州二期1000MW二次再熱機組2×50%容量泵招標中標，主泵選型型號為CHTD-7/6 ，即筒體和葉輪直徑為第7檔，葉輪級數(shù)為6級。泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速5528 rpm，額定運行工況轉(zhuǎn)速5252 rpm。

KSB公司暫時不能提供針對1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵的具體選型數(shù)據(jù)，但經(jīng)咨詢其國內(nèi)工廠答復(fù)認為，KSB公司完全能在現(xiàn)有機型中選型，最終選型型號應(yīng)會基本與1000MW一次再熱機組100%容量汽動給水泵相同CHTD-10/6，即筒體和葉輪直徑為第10檔，葉輪級數(shù)為5級，適當提高轉(zhuǎn)速即可。

KSB給水泵結(jié)構(gòu)型式為筒形雙殼體臥式多級離心泵，筒體和泵蓋均為鉻鋼鍛件；筒體各密封面處均堆有奧氏體不銹鋼焊層，避免了高溫、高壓、高速流體的沖刷和腐蝕。軸向力的平衡采用雙平衡鼓(平衡約95%的軸向力)外加雙向推力軸承((承受約5%的軸向力)的設(shè)計。允許水泵在不拆卸殼體的殼體的情況下更換密封、軸承和平衡部件。在故障或大修時，全抽心式結(jié)構(gòu)可使泵在不影響進出口管路及主泵和驅(qū)動機對中的情況下更換芯包，能夠快速的裝配和拆卸。

(3) EBARA(荏原)1000MW二次再熱機組汽動給水泵。

EBARA公司在華能萊蕪電廠1000MW二次再熱機組2×50%容量泵招標中標，主泵選型型號為16×16×18-6StgHDB，即筒體規(guī)格為16×16×18，葉輪級數(shù)為6級。泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速5849 rpm，額定運行工況轉(zhuǎn)速5495 rpm。

EBARA針對1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵也提供選型方案，主泵選型型號為20×20×21-6StgHDB，即與1000MW一次再熱機組100%容量汽動給水泵選型方案筒體規(guī)格一致：20×20×21。葉輪級數(shù)從5級增加到6級，葉輪直徑為508 mm。泵設(shè)計工況轉(zhuǎn)速4950 rpm，額定運行工況轉(zhuǎn)速4704 rpm。

以上三家對于二次再熱汽泵100%容量雖然給出了方案，但進行施工圖設(shè)計還有一定的不可控因素，有一定的風險需要評估。1000MW二次再熱機組100%容量汽動給水泵組的通流設(shè)計、葉輪直徑、葉輪級數(shù)、筒體承壓以及配套汽輪機的最大出力、末級葉片選型等是方案實施的關(guān)鍵因素。

當然，對1000MW等級二次再熱機組，給水泵無論是采用100%容量配置方案還是50%容量配置方案，揚程均會相應(yīng)提高，上述影響因素對二次再熱機組50%配置的給水泵選型同樣不可避免。根據(jù)調(diào)研，日本川越電廠(700MW)二次再熱機組主汽壓力最高為31 MPa，配置的日本荏原設(shè)計制造的給水泵殼體設(shè)計壓力達到約51 MPa，在超高壓殼體及芯包設(shè)計制造方面積累了一定的經(jīng)驗；英國Sulzer也有4000 m揚程以上給水泵供貨業(yè)績，具備二次再熱機組超高壓給水泵設(shè)計制造能力；上海KSB公司采用泵殼國產(chǎn)，芯包進口的方式，在國內(nèi)首臺1000MW等級二次再熱機組國電泰州電廠二期工程2×50%容量超高壓給水泵已經(jīng)投運。

根據(jù)Sulzer和荏原提供的選型結(jié)果，并結(jié)合已往1000MW機組100%容量給水泵訂貨情況，1000MW等級二次再熱機組全容量給水泵較一次再熱機組在性能方面仍保持在86%以上的較高水平，主泵轉(zhuǎn)速并未提高，甚至有所下降，基本維持在5000 r/min常規(guī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，主泵軸功率～37000 kW與1000MW一次再熱機組全容量給水泵持平。

由此可見，給水泵揚程提高產(chǎn)生的制約影響有限，國外三家大容量給水泵制造商均有成熟的解決案例，在1000MW一次再熱機組100%容量成熟的給水泵型號基礎(chǔ)上，選用適用于二次再熱機組的全容量給水泵，技術(shù)方面完全可行。鑒于國內(nèi)目前還沒有1000MW等級機組100%容量給水泵制造業(yè)績，因此二次再熱機組1×100%容量方案給水泵推薦采用泵殼和芯包整體進口。

3.3給水泵汽輪機選型

3.3.1二次再熱機組給水泵汽輪機的配置

驅(qū)動給水泵的小汽機，其主要型式有背壓式、凝汽式、帶有抽汽的凝汽式、帶有抽汽的背壓式。目前廣泛采用的是凝汽式和背壓式兩種小汽機。背壓式小汽機的排汽以較高的壓力回到主機，或涉及到給水加熱系統(tǒng)，故不能承受條件劇烈變化(如甩負荷)的所有工況；凝汽式小汽輪機排汽接入主凝汽器或單獨配置的小凝汽器，它能承受條件劇烈變化的所有工況，因而得到廣泛應(yīng)用。因次推薦采用凝汽式小汽輪機驅(qū)動給水泵。

對于常規(guī)百萬機組2×50%容量的給水泵組中50%給水泵汽輪機方面：國內(nèi)杭州汽輪機股份有限公司(引進西門子和日本三菱技術(shù))、東方汽輪機廠(引進日立技術(shù))、上海汽輪機廠(引進西門子技術(shù))均有運行業(yè)績；國外如西門子、ALSTOM、三菱、東芝、日立等，均有運行業(yè)績。由于汽輪機軸功率相比僅增加12%左右，汽輪機制造難度不大，因此2×50%容量方案給水泵汽輪機按國產(chǎn)設(shè)備考慮。

目前國內(nèi)廠家無生產(chǎn)單臺100%容量給水泵和100%容量給水泵汽輪機的運行業(yè)績，但目前國內(nèi)主要給水泵汽輪機制造廠均已經(jīng)有訂貨業(yè)績；國外制造廠具有設(shè)計和制造單臺100%容量給水泵汽輪機的廠家也有限，同時僅限于歐洲的Siemens和ALSTOM公司。根據(jù)外三的工程經(jīng)驗，對于常規(guī)百萬超超臨界機組，ALSTOM的雙流100%汽輪機額定點效率保證值達到86.26%，比Siemens100%汽輪機高出1%以上。對于二次再熱配單臺100%容量給水泵汽輪機，由于參數(shù)變化，是否能達到這樣的效率，由于無實施業(yè)績也無相關(guān)方案，根據(jù)相關(guān)廠家提供選型資料，效率比50%汽輪機高出約2%。

3.3.2選用100%容量小汽機可行性分析

1000MW一次再熱機組全容量給水泵驅(qū)動小汽輪機，要求的最大功率～40MW，轉(zhuǎn)速范圍3000～6000 r/min。從英國Sulzer和荏原的給水泵選型結(jié)果可知，1000MW等級二次再熱機組100%容量給水泵軸功率與一次再熱機組稍有增加，主泵轉(zhuǎn)速仍維持在正常范圍。因此，1000MW等級二次再熱機組全容量給水泵驅(qū)動小汽輪機要求的最大輸出功率及轉(zhuǎn)速范圍，與1000MW一次再熱機組基本保持在同等水平，不同之處僅在于由主機提供的給水泵汽輪機驅(qū)動汽源參數(shù)發(fā)生變化。經(jīng)調(diào)研咨詢，國內(nèi)此三大小機廠也均能針對1000MW二次再熱機組的1×100%容量給水泵所配套的汽輪機進行選型。為降低工程造價，暫不考慮SIEMENS、ALSTOM等進口小汽輪機。

以下為國華北海電廠初設(shè)前對國內(nèi)主要給水泵汽輪機廠調(diào)研情況：

(1) 杭汽給水泵汽輪機

杭汽從20世紀70年代開始全套引進德國西門子積木塊、反動式工業(yè)汽輪機技術(shù)。分別于80年代末期和90年代末期，對原引進的技術(shù)系列進行了升級和補充，并在90年代，通過與西門子合作生產(chǎn)一系列機組，進一步完善和發(fā)展了該系列工業(yè)汽輪機技術(shù)。2007年12月已率先出口1000MW機組驅(qū)動50%容量鍋爐給水泵汽輪機至美國、韓國等發(fā)達國家。

采用雙分流汽輪機作為機型方案，繼承了SIEMENS反動式工業(yè)汽輪機產(chǎn)品型式。特點為中間進汽，蒸汽向兩邊均勻分流，分別通過兩端的低壓級組扭葉片排入冷凝器，汽缸的兩端和內(nèi)部的通流部分為鏡面對稱，其結(jié)構(gòu)特點類似于大汽輪機的雙分流低壓缸。

杭汽已有神華萬州、大唐三門峽三期、華能銅川二期1000MW一次再熱100%全容量小汽機訂貨業(yè)績，華能萊蕪電廠1000MW二次再熱2×50%容量小汽機訂貨業(yè)績，其中神華萬州已經(jīng)投運，運行情況良好；針對1000MW機組二次再熱100%容量小汽機，經(jīng)咨詢確定的配套汽輪機機型為WK 71/2.1型，即為雙缸凝汽式，外缸輪室內(nèi)半徑檔位71、末級轉(zhuǎn)子根徑檔位2.1，最大連續(xù)出力滿足給水泵軸功率需要，～42800 kW，選型工況效率86.9%，額定運行工況效率86.2%，目前已有神廣投北海電廠1000MW二次再熱100%全容量小汽機訂貨業(yè)績，正在設(shè)計階段。其最新開發(fā)的末級葉片最大達550 mm，完全滿足排汽壓力低的要求。

(2) 上汽給水泵汽輪機

上汽給水泵汽輪機繼承主汽輪機設(shè)計理論，均為引進SIEMENS汽輪機技術(shù)，也為反動式工業(yè)汽輪機產(chǎn)品型式。

有國電泰州二期1000MW二次再熱2×50%容量小汽機訂貨業(yè)績，目前針對1000MW機組二次再熱100%容量小汽機，經(jīng)我院咨詢確定的配套汽輪機機型為雙缸凝汽式，最大連續(xù)出力滿足給水泵軸功率需要，～42800 kW，選型工況效率86.08%，額定運行工況效率86.43%。

(3) 東汽給水泵汽輪機

東汽依托神華江西國華九江煤炭儲備(中轉(zhuǎn))發(fā)電一體化工程2×1000MW超超臨界燃煤機組項目取得了1000MW超超臨界火電機組全容量給水泵汽輪機訂貨業(yè)績，所采用的G40-1.0型號汽輪機為單軸、單缸、末級雙分流、沖動式、冷凝式汽輪機，小機采用下排汽方式，G40-1.0機型在采用50%容量給水泵汽輪機現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過改進葉片型式，提高容積流量，達到全容量給水泵汽輪機最大功率輸出能力需求。

東汽1000MW機組全容量給水泵汽輪機仍采用常規(guī)噴嘴配汽方式，結(jié)構(gòu)方面改進的措施主要是壓力級采用單流型式，將壓力級葉片在50%容量機組上適當放大面積，滿足流量增加的需求；末級動葉片在1000MW超超臨界機組50%容量給水泵汽輪機末級動葉片的基礎(chǔ)上進行了改型設(shè)計，采用雙分流結(jié)構(gòu)，將末級排汽面積增加到50%機組的2.45倍，以滿足排汽容積流量增加的要求

東汽暫無二次再熱2×50%容量小汽機訂貨業(yè)績，但表示目前針對1000MW機組二次再熱100%容量小汽機制造完全沒有問題。經(jīng)我院咨詢確定的配套汽輪機機型主要有以下兩種方案可供選擇：末級雙分流方案: 單缸、單軸、末級雙分流、沖動凝汽式；通流共7級，調(diào)節(jié)級與第2～6級為單分流結(jié)構(gòu)，末級(第7級)為雙分流結(jié)構(gòu)；采用噴嘴配汽。末級葉片高度為411.2 mm(采用高頻淬火的防水蝕措施)，采用大承載樅樹型葉根、自帶冠圍帶、高負荷高效葉型。該末級葉片與我司常規(guī)1000MW機組50%容量給水泵汽輪機所用末級葉片相同，已有多個工程的數(shù)臺機組投運業(yè)績，實踐證明其安全可靠性高，應(yīng)用情況良好。

該方案的優(yōu)點是在采用50%容量給水泵汽輪機現(xiàn)有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，最大限度地利用了容量增加對機組經(jīng)濟提高帶來的好處，機組的可靠性及經(jīng)濟性均有保證。但相比單流方案而言，軸系略有加長，末半級排汽損失略有增加。

全單分流方案：單缸、單軸、單流、沖動凝汽式；通流共7級，全部采用單分流結(jié)構(gòu)；采用噴嘴配汽。末級葉片高度為630 mm(采用高頻淬火的防水蝕措施)，采用大承載樅樹型葉根、自帶冠圍帶、高負荷高效葉型。目前該630 mm末級葉片的研發(fā)工作已完成，并已通過公司專家評審，已于2014年完成動試驗。

在末級動葉片能滿足要求的今天，單分流方案應(yīng)該說是最佳方案，因其汽流不轉(zhuǎn)彎、不分流，余速利用最佳，葉型損失最小，整個通流面積增加，各級葉片高度變長，最大限度的利用了容量增加對機組經(jīng)濟提高帶來的好處；而且其軸系最短，機組的外型尺寸、重量最小。

就本體結(jié)構(gòu)而言，以上兩種方案均大致相同，均為自帶底盤的整體快裝式結(jié)構(gòu)，主汽閥、調(diào)節(jié)閥與汽缸集成為一體，放置在小機自帶的整體底盤上；均為單缸、單軸結(jié)構(gòu)；排汽口均為一個；軸承及軸承座等主要結(jié)構(gòu)部件的型式也相同。比較而言，只是單分流方案的整機尺寸更小、軸系更短、重量更輕。

最大連續(xù)出力滿足給水泵軸功率需要，～42MW，選型工況效率84.85%，額定運行工況效率85.35%。

從目前在1000MW等級高效一次再熱機組項目中已訂貨的國產(chǎn)100%容量給水泵汽輪機情況看，三大主要給水泵汽輪機生產(chǎn)廠商1000MW機組全容量給水泵汽輪機結(jié)構(gòu)均是在50%容量成熟結(jié)構(gòu)上進行了改型設(shè)計，關(guān)鍵部件如調(diào)節(jié)級以及末級葉片已在相關(guān)項目中予以使用，設(shè)備本體的安全性能及運行可靠性具有一定的保證。

根據(jù)外三的工程經(jīng)驗，滿足1000MW一次再熱超超臨界機組的ALSTOM雙流100%汽輪機保證點效率為86.7%。而國產(chǎn)1000MW一次再熱超超臨界機組全容量給水泵汽輪機額定工況內(nèi)效率設(shè)計值均在86%以上，基本接近進口給水泵汽輪機性能水平。

運行穩(wěn)定性方面，1000MW等級機組進口100%容量給水泵汽輪機已有多臺成功運行經(jīng)驗，可靠性方面有保證。國產(chǎn)100%容量給水泵汽輪機目前還沒有投運業(yè)績，運行穩(wěn)定性方面還有待工程實際運行檢驗。不過，從已往調(diào)研掌握的情況看，100%小機本體故障的幾率極低，影響穩(wěn)定性的因素主要是潤滑油、冷卻水等輔助系統(tǒng)，杭汽在重慶萬州工程采用國產(chǎn)100%容量給水泵汽輪機設(shè)計過程中，為提高給水泵小汽機運行可靠性，采取了如下措施：

(1) 輔助系統(tǒng)如軸封、油系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件配置提高一個等級選擇。油系統(tǒng)采用集裝式設(shè)計供貨，油泵出口設(shè)置蓄能器以保證油泵切換的順利進行，油系統(tǒng)管路均采用不銹鋼材質(zhì)，油系統(tǒng)在工廠內(nèi)完成油循環(huán)清洗和穩(wěn)壓性能試驗。

(2) 保護系統(tǒng)主要元器件按照三取二或冗余方式配置，并采用進口品牌產(chǎn)品，保證系統(tǒng)的安全可靠。

(3) 對機組的轉(zhuǎn)子動力學進行了詳細的分析計算，保證機組的工作轉(zhuǎn)速范圍滿足給水泵的調(diào)節(jié)需求。

(4) 轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)加工完成后將進行額定轉(zhuǎn)速的高速動平衡，動平衡精度將按照最高的標準執(zhí)行，保證機組的振動水平控制在最小的范圍內(nèi)。

(5) 嚴格完備的廠內(nèi)實驗—機組在廠內(nèi)總裝完成后將進行通蒸汽空負荷試驗，對所有的性能參數(shù)如振動、溫度、位移等加以監(jiān)測并考核，同時進行一系列的試驗，如超速跳閘試驗，油動機性能試驗等，所有指標滿足要求后才能出廠。

通過上述措施，可有效保證100%容量國產(chǎn)給水泵汽輪機運行可靠性，如本工程采用國產(chǎn)化小機，在投運時，萬州、九江等工程已經(jīng)運行一定時間，將為1000MW機組全容量國產(chǎn)給水泵汽輪機運行維護積累寶貴經(jīng)驗，從而減少本工程運行風險。

綜上分析，并與國內(nèi)幾大主要給水泵汽輪機生產(chǎn)商進行選型研究，在一次再熱機組所用全容量小機型號基礎(chǔ)上略做調(diào)整，設(shè)計制造滿足二次再熱機組要求的100%容量給水泵汽輪機無技術(shù)問題?？赏ㄟ^提高潤滑油、冷卻水等輔助系統(tǒng)設(shè)備訂貨質(zhì)量，保證國產(chǎn)給水泵汽輪機輔助系統(tǒng)運行可靠性。故二次再熱機組采用國產(chǎn)100%容量給水泵汽輪機，技術(shù)上完全可行。

3.4100%容量汽動給水泵組運行可靠性分析

1×100%容量汽動泵優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，調(diào)節(jié)方便，運行效率高。而2×50%容量汽動泵優(yōu)點是可更大范圍采用國產(chǎn)設(shè)備，運行較靈活，一臺泵故障情況下，機組可帶約60%左右負荷。

根據(jù)相關(guān)部門最新發(fā)布的全國200MW及以上容量火電機組主要輔助設(shè)備運行可靠性指標數(shù)據(jù)，我國200MW及以上機組的汽泵可用系數(shù)達到94.62%，非計劃停運率僅0.12%。這表明，我國電站設(shè)備制造和電力工業(yè)裝備水平已經(jīng)邁上了新的臺階，且國內(nèi)電站設(shè)備的運行維護和管理水平已有較大幅度的提高。因此，給水泵故障造成機組強迫停機的幾率很小，對機組的運行影響不大。

目前國內(nèi)外投產(chǎn)的1000MW等級機組，給水泵運行情況良好。2011年下半年，華東電監(jiān)局牽頭組織對華東區(qū)域內(nèi)23臺USC1000機組的運行情況進行了專題調(diào)研，調(diào)研結(jié)果表明：自2006年我國首臺USC1000機組在華能玉環(huán)電廠建成投產(chǎn)至2011年末，21臺機組(不包括國華徐州2臺機組)累計發(fā)生非計劃停運139次，鍋爐側(cè)故障是引發(fā)USC1000機組非計劃停運的首要原因 ，而汽機側(cè)沒有明顯的群發(fā)、多發(fā)故障，多是常見的、散發(fā)的故障。其中因汽機本體和輔機設(shè)備泄漏造成機組非計劃停運8次。在汽機輔機設(shè)備方面，因給水泵故障造成機組非計劃停運僅7次。

綜上所述，就給水泵組本身可靠性而言，100%給水泵與50%給水泵可用率均非常高。雖然1×100%汽動給水泵方案，由于無備用泵可用，機組故障時只能停機，但事故停機的幾率很?。欢鴮τ?0%鍋爐給水泵，當一臺泵發(fā)生故障時，RB功能理論上可以保證機組60%的發(fā)電量，但目前1000MW等級機組的實際運行中，很多電廠并未真正實現(xiàn)無準備條件下的RB功能，實際采用50%容量給水泵的電廠在一臺泵或小機跳機時，機組并不能穩(wěn)定在單泵部分負荷運行。因此，二次再熱機組采用1×100%汽動給水泵方案，通過提高輔助設(shè)備的質(zhì)量和電廠運行管理水平，機組的可靠性可以得到保證。

3.5給水泵同軸與不同軸方式的確定

關(guān)于汽動給水泵前置泵的布置有兩種方式，一種方式不同軸布置，即布置在0 m層，采用單獨的電動機驅(qū)動。另外一種方式為同軸布置，即與主泵布置在同一層標高，利用給水泵汽輪機通過齒輪箱驅(qū)動。根據(jù)最近設(shè)計的1000MW超超臨界機組的經(jīng)驗，給水前置泵的布置需要綜合除氧器的布置位置、主廠房的結(jié)構(gòu)、不同制造廠給水泵組的特性以及電氣負荷等多方面因素，選擇最優(yōu)化的方案。

汽動給水前置泵布置在0 m層和布置在主泵同層有兩種方式，主要有以下不同：

(1) 除氧器的布置位置不同，相應(yīng)主廠房除氧間的結(jié)構(gòu)不同。

不管汽動給水前置泵布置在0m層還是布置在主泵同層，給水前置泵的有效汽蝕余量必須滿足。在給水前置泵的各種運行狀況中，給水前置泵在除氧器滑壓運行暫態(tài)過程中有效汽蝕余量會出現(xiàn)最小值，這是由于除氧器壓力因事故突然下降，但給水泵進口的水溫還來不及變化，即所對應(yīng)的飽和壓力還來不及變化，因此在同一時間里，除氧器壓力和給水泵進口水溫所對應(yīng)的飽和壓力不相等，兩個數(shù)值之間產(chǎn)生一個隨時間變化的動態(tài)壓力降H。如果最大壓力降Hmax導致系統(tǒng)的有效汽蝕余量不能滿足前置泵的必須汽蝕余量，則說明給水前置泵在除氧器滑壓運行暫態(tài)過程會發(fā)生汽蝕危險。但如果除氧器的布置的足夠高，其靜壓可以抵消最大壓力降，則此問題就可以解決。

對于常規(guī)百萬千瓦電廠說，汽動給水前置泵布置在0 m層，除氧器至少需要布置在26 m以上。而汽動給水前置泵布置在運轉(zhuǎn)層，除氧器相應(yīng)需要布置在40 m以上，因此相應(yīng)的汽機房容積也要增加～30000 m3，按容積250元/m3計算，2臺機組總體增加750萬元。

與常規(guī)電廠不同的是，二次再熱機組采用10級抽汽回熱及兩級外置式蒸汽冷卻器，比常規(guī)的百萬機組多了一級高壓加熱器、一級低壓加熱器及二級蒸汽冷卻器，多余的加熱器設(shè)備需要增加足夠空間放置，若采用同軸布置，除氧層以下，可以再增加一層，放置加熱器，因此廠房投資增加額可以不計入該方案的成本。

(2) 設(shè)備、管道等投資不同。

前置泵布置在0 m層，單獨設(shè)置電動機驅(qū)動，比前置泵布置在運轉(zhuǎn)層，利用給水泵汽輪機驅(qū)動，多了電動機及相關(guān)配置，且中低壓給水管道長度要增加，總體設(shè)備、管道等投資增加，因此汽動前置泵同軸布置方案節(jié)省大約150萬元。

(3) 運行經(jīng)濟性不同。

對給水泵汽輪機來說，由于前置泵功率較小，即使功率增加，價格影響也較小。因此采用同軸給水泵，對提高機組的正常運行經(jīng)濟性有好處。相比電動機驅(qū)動，利用給水泵汽輪機驅(qū)動前置泵，盡管由于功率增加，用汽量要增加，但省略了電動機，廠用電可減少，同時減少泵組機械損失，經(jīng)濟性較好。

根據(jù)國內(nèi)同容量機組情況，汽動前置泵電動機功率約為2240 kW(1×100%給水泵)。取消汽動前置泵電動機，1臺機組廠用電將節(jié)約大約2240 kW，扣除前置泵同軸后引起汽輪機進汽量增加和凝結(jié)水泵的軸功率的增加，廠用電率下降約0.2個百分點。

因此參照泰州二期推薦給水泵組采用同軸布置方案。

4　經(jīng)濟性比較

4.1運行經(jīng)濟性比較

4.1.1給水泵效率變化對機組經(jīng)濟性影響

根據(jù)等效焓降理論，與設(shè)計工況相比，當給水泵等熵焓升不變時，給水泵效率降低引起的做功量變化有兩部分：

給水泵效率降低，給水焓升增加，利用前一級加熱器，排擠部分抽汽，使主機做功增加。

(1) 給水焓升增加，小汽機抽汽量增加使主機做功減少。

(2) 給水泵在消耗小汽機能量，產(chǎn)生額外損失的同時，也使給水獲得了焓升，用于加熱給水，排擠了一部分抽汽，使主汽機做功增加。這對機組的經(jīng)濟性影響是雙向的。

4.1.2小汽機相對內(nèi)效率變化對機組經(jīng)濟性影響

當給水泵焓升不變時，小汽機內(nèi)效率變化直接引起小汽機進汽的變化，使小汽機抽汽量增加，主機做功減少。小汽機相對內(nèi)效率變化對機組內(nèi)效率的影響大于給水泵效率變化對機組內(nèi)效率的影響，原因是給水泵效率對機組內(nèi)效率的負面影響部分被回熱系統(tǒng)回收泵焓升的正面影響所抵消。

4.1.3運行經(jīng)濟性計算

下面對兩種給水泵主泵配置方案的運行經(jīng)濟性進行比較，比較原則：

(1) 前置泵按同軸考慮。

(2) 年機組的設(shè)備利用小時數(shù)按5500 h。

(3) 標煤價格暫按：750元/t。

(4) 汽輪機熱耗數(shù)據(jù)由上海汽輪機廠根據(jù)現(xiàn)熱平衡圖計算。

(5) 100%給水泵組效率87%，2×50%泵組效率85%。

(6) 2×50%小汽輪機效率84%。

(7) ALSTOM 100%小汽輪機效率86%。

(8) 表中所列數(shù)據(jù)均為機組THA額定負荷運行時的相關(guān)給水參數(shù)。

表4　2×50%和100%給水泵配置方案運行經(jīng)濟性比較

通過以上運行經(jīng)濟性分析比較，可以看出：由于單臺100%容量的給水泵組具有較高的運行效率，在整個運行期間具有較高的運行經(jīng)濟性，使機組的熱耗率降低、發(fā)電廠的標煤耗降低。與2×50%容量給水泵方案相比，給水泵組效率增加1個百分點降低汽輪機熱耗率3 kJ/kg，小汽輪機效率增加2個百分點降低汽輪機熱耗率5 kJ/kg。單臺100%容量的給水泵方案2臺機組每年可節(jié)約標煤約3190 t，年節(jié)約燃煤成本約240萬元。

4.2投資比較

目前根據(jù)向國內(nèi)主要給水泵廠家初步詢價，二次再熱機組不同給水泵配置方案的給水泵初步報價見表5。

目前根據(jù)向國內(nèi)主要給水泵廠家初步詢價，不同給水泵配置方案的給水泵初步報價見表6。

表5　2×50%和100%給水泵價格(1臺機組)

表6　某國內(nèi)汽輪機制造廠報價(1臺機組)

表5、表6分別為：泰州二期2×50%容量汽動給水泵組(制造廠1)與北海1×100%容量汽動給水泵組的中標價格，以及咨詢相關(guān)廠家報價情況；從表5、表6可知2×50%容量與北海1×100%汽動給水泵組價格相當；后續(xù)工程咨詢相關(guān)廠家均表示兩種規(guī)格的汽動給水泵組價格不大。

結(jié)合已經(jīng)建成的外高橋三期及其他百萬工程情況，由于現(xiàn)實情況100%給水泵配套的給水泵汽輪機目前需要進口，高效率的雙分流小汽輪機目前ALSTOM處于技術(shù)壟斷，而2×50%給水泵汽輪機可以國產(chǎn)。從外高橋三期建設(shè)投資經(jīng)驗來看，總體上采用100%汽動給水泵汽輪機組比2×50%汽動給水泵汽輪機組增加投資約10000萬元左右(2臺機組)。從投資回報角度分析，100%容量的給水泵組方案靜態(tài)投資回收年限為20年左右，回收年限過長；若考慮動態(tài)投資期則回收時間可能接近電廠壽命期，因此這是投資者必須直面的問題。若選用國產(chǎn)汽輪機用100%汽動給水泵汽輪機組比2×50%汽動給水泵汽輪機組增加投資約300萬元左右(2臺機組)，從投資回報分析：100%容量的給水泵組方案靜態(tài)投資回收年限為1年左右，國產(chǎn)100%容量小機主要增加配套輔助設(shè)備及管道，但由于小機排汽不進入主機，大機凝汽器面積可以減少，針對北海冷卻水溫度較高，可以不減少大機凝汽器面積，凝汽器端差可以減少，背壓可以達到合理保證，因此實際投資年限還可能減少，但是二次再熱機組100%容量給水泵汽輪機及給水泵組，目前國內(nèi)外都沒有類似設(shè)備的投運實績，經(jīng)濟性和可靠性尚無法得到較為確切的評估，投資方在設(shè)備的選擇上需謹慎。

5　結(jié)論和建議

(1) 從國內(nèi)外現(xiàn)有的百萬容量等級機組的運行和設(shè)計經(jīng)驗來看，給水系統(tǒng)的配置多種多樣，給水泵臺數(shù)和容量的選擇，取決于機組容量、設(shè)備質(zhì)量、機組在電網(wǎng)中的作用、設(shè)備投資、技術(shù)流派等多種因素。

(2) 從運行經(jīng)濟性角度分析，由于100%容量的給水泵組效率要高于2×50%容量的給水泵組，其中小汽機相對內(nèi)效率變化對機組內(nèi)效率的影響大于給水泵效率變化對機組內(nèi)效率的影響。由于單臺100%容量的給水泵組具有較高的運行效率，在整個運行期間具有較高的運行經(jīng)濟性，使機組的熱耗率降低、發(fā)電廠的標煤耗降低。與2×50%容量給水泵方案相比，給水泵組效率增加1個百分點降低汽輪機熱耗率3 kJ/kg，小汽輪機效率增加2個百分點降低汽輪機熱耗率5 kJ/kg。

(3) 從機組給水系統(tǒng)的可靠性角度分析，對于不設(shè)備用泵工程，而汽動給水泵組故障不能完全避免，當給水泵發(fā)生故障時，對于單臺100%容量的給水泵方案必須停機；而對于2×50%容量的給水泵方案，當一臺發(fā)生故障時，可以保證60%的發(fā)電容量而不至于強迫停機。

(4) 從系統(tǒng)復(fù)雜性看，2×50%容量汽動給水泵組排汽直接進入大機凝汽器，系統(tǒng)較簡單；1×100%容量汽動給水泵組一般需要配單獨的凝汽器，因此需要增加凝結(jié)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)及膠球清洗系統(tǒng)，總體系統(tǒng)需要增加，但主給水系統(tǒng)可以簡化，啟動時不受制主機凝汽器影響，背壓可以優(yōu)化。

(5) 選用100%汽動給水泵組(汽輪機國產(chǎn)+主泵進口)比2×50%汽動給水泵組(汽輪機國產(chǎn)+芯包進口)增加投資約300萬元左右(2臺機組)，從投資回報角度分析，100%容量的給水泵組方案靜態(tài)投資回收年限為1年左右。

(6) 2×50%和1×100%容量汽動給水泵方案技術(shù)上均可行，從提高機組效率、降低機組標煤耗和廠用電，提高機組上網(wǎng)競爭力和壽命周期內(nèi)收益的角度出發(fā)，1×100%容量汽動給水泵具有一定的優(yōu)勢，從機組可靠性出發(fā)2×50%具有明顯的優(yōu)勢。

因此對于1000MW二次再熱機組采用2×50%或100%汽動給水泵組方案均是可行的。對于2×50%汽動給水泵組，芯包采用進口，其余國產(chǎn)；對于100%汽動給水泵組，主泵需要采用進口，其余國產(chǎn)。

[1] GB 50660－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S]．

[2] GB50764－2012，電廠動力管道設(shè)計規(guī)范[S]．

Feed Water Pump Selection Research for 1000MW Double Reheat Unit

WANG Ya-jun, ZHU Jia-qi, LI Lin, CHENG Ren-jie
(East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd, Shanghai 200063, China)

The article mainly introduces the selection of steam turbine driven feed water pump of double reheat for 1000MW unit. As the technical development trend and the optimal operation of units, the selection of feed pump group of double reheat units is presented.

boiler feedwater pump; boiler feedwater pump turbine; double Reheat; delivery head.

TM621

A

1671-9913(2016)05-0001-12

2016-02-17

王亞軍(1974- )，男，安徽舒城縣人，高級工程師，從事電廠熱機專業(yè)的設(shè)計。