吳志祥, 焦 誠(chéng)

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246005)

1000MW火電機(jī)組主軸驅(qū)動(dòng)給水泵項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

吳志祥, 焦 誠(chéng)

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246005)

以某廠新建2×1 000 MW濕冷火電機(jī)組為例,先擬定了主軸驅(qū)動(dòng)給水泵詳細(xì)方案,運(yùn)用投資回收期法,分析比較了1×100%容量主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案與傳統(tǒng)2×50%容量小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案的經(jīng)濟(jì)性.結(jié)果表明,主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案雖然每臺(tái)機(jī)組增加初投資2 153.14萬(wàn)元,但每年運(yùn)行凈收入可增加846萬(wàn)元,貸款利率按6.00%來(lái)計(jì)算,2.9年就可收回成本,投資回收期遠(yuǎn)小于10年,因此該方案可行.

主軸驅(qū)動(dòng)給水泵; 小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵; 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

鍋爐給水泵是火力發(fā)電廠最重要、也是能耗最大的輔機(jī)之一,作為機(jī)組汽水系統(tǒng)的“心臟”,它的經(jīng)濟(jì)性與整個(gè)火電廠的經(jīng)濟(jì)性有著密切的關(guān)系.目前,從國(guó)際上來(lái)看,給水泵的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)和主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)3種,但國(guó)內(nèi)火電機(jī)組典型的鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)方式只有小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2種.

若采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式,給水泵組消耗的廠用電將達(dá)到機(jī)組額定發(fā)電功率的3%～4%,能耗巨大.在國(guó)內(nèi)機(jī)組銘牌出力定義和目前的調(diào)度模式條件下,采用電動(dòng)給水泵不利于增加上網(wǎng)電量.隨著機(jī)組容量的增大,給水泵的功率也越來(lái)越大,其廠用電消耗也會(huì)有所提高,電動(dòng)給水泵容量和臺(tái)數(shù)配置及廠用電系統(tǒng)配置均需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整.國(guó)內(nèi)300 MW以下的中小型火電濕冷機(jī)組,給水泵大部分采用相對(duì)簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式;而300 MW以上的大型火電濕冷機(jī)組,為了降低廠用電率及增加上網(wǎng)電量[1],大部分采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)方式.但實(shí)際上采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)的給水泵組供電煤耗更高,系統(tǒng)復(fù)雜,投資也高,這在文獻(xiàn)[1]中已得到了證明,特別是對(duì)于空冷機(jī)組來(lái)說(shuō),當(dāng)采用小機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí),小機(jī)還需單獨(dú)設(shè)置空冷凝汽系統(tǒng),系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,初投資也相對(duì)較大.

因此,引入新型的鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)方案來(lái)降低廠用電和供電煤耗,簡(jiǎn)化給水泵系統(tǒng),降低初投資,已是大容量超(超)臨界機(jī)組(尤其是空冷機(jī)組)的重要研究課題之一.本文主要引入主汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)給水泵[1]這一新型驅(qū)動(dòng)方式,以安徽某新建2×1 000 MW濕冷火電機(jī)組工程為例,分析1 000 MW火電機(jī)組主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

1 主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案的擬定

1.1 我國(guó)1 000 MW火電機(jī)組給水泵驅(qū)動(dòng)方式

由于1 000 MW火電機(jī)組中給水泵軸功率相對(duì)較大,國(guó)內(nèi)1 000 MW機(jī)組主流是按2×50%容量配置給水泵并用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng),給水泵組中的前置泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),也有部分電廠,比如外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司在國(guó)內(nèi)率先采用100%容量給水泵,驅(qū)動(dòng)給水泵的小汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)前置泵[2];2015年投產(chǎn)的重慶萬(wàn)州電廠、2016年投產(chǎn)的山東壽光電廠均采用了100%給水泵,說(shuō)明在1 000 MW機(jī)組中應(yīng)用100%容量給水泵已有工程實(shí)例,可靠性有保證,但數(shù)量較少.因此,本文將與小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)2×50%容量給水泵組(同時(shí)布置2×50%容量電動(dòng)前置泵)這一典型給水泵驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行比較,以便具有代表性.

1.2 主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案的特點(diǎn)

該驅(qū)動(dòng)方案由大機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵,即在大機(jī)機(jī)頭側(cè),由大機(jī)主軸通過(guò)聯(lián)軸器、液力偶合器來(lái)驅(qū)動(dòng)給水泵運(yùn)行.與常規(guī)小機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比較,采用主軸驅(qū)動(dòng),具有如下特點(diǎn):

(1) 采用主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng),其廠用電消耗要比電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式小得多;

(2) 主汽輪機(jī)低壓缸部分的內(nèi)效率一般為90%左右,要高于小汽輪機(jī)的內(nèi)效率(一般為81%左右),因此采用主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱經(jīng)濟(jì)性要高于小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng);

(3) 與小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比,其熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)單,運(yùn)行維護(hù)方便.

1.3 國(guó)內(nèi)外主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的配置情況

給水泵采用主軸驅(qū)動(dòng)方式,國(guó)內(nèi)電廠雖然還沒(méi)有工程實(shí)踐,但在國(guó)外已有多項(xiàng)應(yīng)用實(shí)例,并且已有30多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn).比較典型的有1975年投產(chǎn)的德國(guó)Scholven電廠,其600 MW機(jī)組給水泵即采用主軸驅(qū)動(dòng)方式,該給水泵的設(shè)計(jì)最大軸功率為21 990 kW,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4 904 r/min[3].國(guó)外其他情況如表1所示.

表1 鍋爐給水泵采用主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的國(guó)外電廠

1.4 主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案的最終擬定

綜合比較國(guó)外主軸驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)例,鍋爐給水泵采用主軸驅(qū)動(dòng)時(shí),在大型火電機(jī)組中可有以下兩種配置.

一是2×50%容量主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案.當(dāng)配置2×50%容量給水泵時(shí),先通過(guò)一個(gè)齒輪箱將汽輪機(jī)主軸做功分傳至兩個(gè)液力偶合器,然后再傳給兩個(gè)給水泵主軸.圖1為主機(jī)驅(qū)動(dòng)2×50%配置給水泵的布置示意圖.其中,分軸減速齒輪箱可從3 000 r/min降至1 500 r/min;高效液力偶合器采用調(diào)速之星Vorecon系列產(chǎn)品[4],輸入轉(zhuǎn)速可選為1 500 r/min;設(shè)置2×50%容量的電動(dòng)前置泵與給水泵共同組成兩套給水泵組.

為了機(jī)組啟動(dòng)需要,另設(shè)置一套30%容量電動(dòng)給水泵,同時(shí)作為備用給水泵組.

二是1×100%容量主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案.當(dāng)配置1×100%給水泵時(shí),取消獨(dú)立齒輪箱,采用調(diào)速之星Vorecon系列產(chǎn)品作為高效液力偶合器,但輸入轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,與主軸直接連接,高效液力偶合器再通過(guò)一個(gè)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)100%容量給水泵,設(shè)置1×100%容量的電動(dòng)前置泵與給水泵共同組成一套給水泵組,如圖2所示.100%容量給水泵在國(guó)內(nèi)已有工程實(shí)例,在此應(yīng)用并無(wú)困難.

為了機(jī)組啟動(dòng)需要,另設(shè)置一套30%容量電動(dòng)給水泵,同時(shí)作為備用給水泵組.

圖1 2×50%主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案布置示意

圖2 1×100%主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案布置示意

為最大限度發(fā)揮主軸驅(qū)動(dòng)給水泵項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì),本文選取1×100%容量主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案.對(duì)于1 000 MW機(jī)組,本方案設(shè)備配置情況如表2所示(1臺(tái)機(jī)組).

表2 主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案配置

2 主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案工程上應(yīng)用的可行性

對(duì)于國(guó)內(nèi)火電機(jī)組來(lái)說(shuō),鍋爐給水泵采用主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)仍是一種新型的技術(shù),無(wú)論從技術(shù)可行性方面,還是設(shè)備選型制造以及安裝運(yùn)行方面,均有一些難點(diǎn).

2.1 汽輪機(jī)改造情況

目前國(guó)內(nèi)3大汽輪機(jī)廠都未考慮在機(jī)頭端的主軸有接口以驅(qū)動(dòng)給水泵,因此采用主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案,必須考慮在工程實(shí)踐上的可行性.

經(jīng)比較,目前上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW汽輪機(jī)(TC4F型)機(jī)頭1#瓦處,僅設(shè)置了一臺(tái)液壓盤車,用液壓盤車小軸伸進(jìn)高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)盤動(dòng)整個(gè)軸系,整個(gè)轉(zhuǎn)子軸系死點(diǎn)設(shè)置在高中壓缸之間的2#瓦處,在1#瓦處高壓轉(zhuǎn)子端面僅能承受高壓轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下的膨脹量,并在中壓缸與1#低壓缸之間的3#軸承處設(shè)置了手動(dòng)盤車裝置,因此該機(jī)組比較方便采用主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案.

采用上海汽輪機(jī)廠的1 000 MW機(jī)組進(jìn)行主軸驅(qū)動(dòng)給水泵改造具有以下優(yōu)勢(shì).

(1) 主軸與高效液力偶合器連接處的改造量小.該型號(hào)的汽輪機(jī)在機(jī)頭處的高壓轉(zhuǎn)子端面已有接口,改造量小,雖然要去掉液壓盤車,但在3#瓦處有手動(dòng)盤車裝置,將手動(dòng)盤車裝置適當(dāng)改造后可做正常盤車用,而且將正常盤車點(diǎn)改在3#處,已接近整個(gè)轉(zhuǎn)子軸系的中心,對(duì)盤車運(yùn)行是有利的.

(2) 高壓主汽門與高壓調(diào)節(jié)閥不需要改造;主機(jī)潤(rùn)滑油泵已是油箱上電動(dòng)主油泵,也不需要改造.

(3) 不需要考慮取消機(jī)械超速保護(hù)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn),該型號(hào)汽輪機(jī)沒(méi)有設(shè)置機(jī)械超速.

(4) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由于采用單軸承支撐,使4缸汽輪機(jī)的跨度由35 m縮短至27 m[5],為在機(jī)頭布置100%容量給水泵提供了有利條件.

2.2 特殊聯(lián)軸器的使用

采用主軸驅(qū)動(dòng)給水泵后,將延長(zhǎng)主軸,使得整個(gè)軸系大大加長(zhǎng).工程上應(yīng)用前必須要解決兩個(gè)問(wèn)題:一是保證延長(zhǎng)后整個(gè)軸系的穩(wěn)定性;二是消除泵組軸系對(duì)主汽輪機(jī)軸系的影響.

目前,Voith Turbo BHS Getriebe GmbH生產(chǎn)的BHS TwinTors膜盤聯(lián)軸器基本可滿足此要求.該聯(lián)軸器是作為扭轉(zhuǎn)剛性、無(wú)間隙的全金屬聯(lián)軸器設(shè)計(jì)的,具有重量輕、設(shè)計(jì)精密的優(yōu)點(diǎn),能在高轉(zhuǎn)速下傳遞大扭矩,同時(shí)可以補(bǔ)償兩個(gè)相聯(lián)接軸之間的徑向、軸向和角度錯(cuò)位,且安裝簡(jiǎn)單,易于檢修,運(yùn)行中不需要潤(rùn)滑,免維護(hù)[5].

最重要的是該聯(lián)軸器要允許一定的吸收中心線偏差,同時(shí)也有較強(qiáng)的吸收軸向膨脹的能力,因此泵組軸系對(duì)汽輪機(jī)軸系的影響,可不計(jì)入汽輪機(jī)主軸穩(wěn)定性復(fù)核,從而能解決上述兩個(gè)問(wèn)題,使本項(xiàng)目的工程實(shí)踐可以成為現(xiàn)實(shí).BHS TwinTors膜盤聯(lián)軸器如圖3所示.

圖3 BHS TwinTors 膜盤聯(lián)軸器

3 經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性比較

本文采用文獻(xiàn)[6]中的數(shù)據(jù),在送入鍋爐燃料汽輪機(jī)主、再熱蒸汽流量一定的前提下,比較1 000 MW機(jī)組中1×100%容量主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案(以下簡(jiǎn)稱“方案1”)與傳統(tǒng)2×50%容量小機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵方案(以下簡(jiǎn)稱“方案2”)的上網(wǎng)功率凈值,上網(wǎng)功率凈值大的方案,熱經(jīng)濟(jì)性占優(yōu).兩種方案的上網(wǎng)凈值如表3所示.

表3 兩種方案的上網(wǎng)凈值

注:N1—方案1的上網(wǎng)功率凈值;N2—方案2的上網(wǎng)功率凈值.

一臺(tái)機(jī)組按年利用5 000 h來(lái)計(jì)算,將這5 000 h暫按100%負(fù)荷1 000 h,75%負(fù)荷3 000 h,50%負(fù)荷1 000 h來(lái)分解,結(jié)果如表4所示.

表4 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)

根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)可知,在消耗同樣燃料的前提下,方案1比方案2每年可多向電網(wǎng)輸送2.57×107kWh電量.

3.2 初投資比較

兩個(gè)方案的詳細(xì)初投資比較如表5所示.

(1) 表5中,聯(lián)軸器和調(diào)速之星設(shè)備兩項(xiàng),經(jīng)向廠家咨詢,廠家報(bào)價(jià)是:每套膜盤聯(lián)軸器為20萬(wàn)歐元;每套調(diào)速之星及其配套設(shè)備為400萬(wàn)歐元.按9.5的匯率計(jì)算,分別按190萬(wàn)元人民幣和380萬(wàn)元人民幣來(lái)計(jì)算.

(2) 表5中管道投資(含管材、支吊架及安裝、保溫等費(fèi)用)一項(xiàng),由于汽機(jī)房及汽機(jī)基礎(chǔ)在機(jī)頭側(cè)增加了1跨布置1臺(tái)主機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵組,因此主蒸汽管道、旁路管道、高壓給水管道、中壓給水管道、給水再循環(huán)管道的長(zhǎng)度有所增加.每臺(tái)機(jī)組主蒸汽管道增加約12.18 m(16.3 t),旁路管道增加約8.2 m(4.7 t),高壓給水管道增加約97.4 m(48.9 t),給水再循環(huán)管道增加約90 m(15 t),中壓給水管道增加約70 m(7.2 t).

表5 兩個(gè)方案的初投資比較(1臺(tái)機(jī)組)

(3) 表5中,由于兩個(gè)方案在廠用電等級(jí)、變壓器、工藝設(shè)備電機(jī)、電纜等方面基本相同,因此兩個(gè)方案的電氣專業(yè)設(shè)備的初投資按相同考慮.

(4) 方案1的給水泵、調(diào)速之星的基礎(chǔ)與主汽輪機(jī)的基礎(chǔ)連在一起,采用固定基礎(chǔ);方案2的給水泵與小汽機(jī)的基礎(chǔ)連在一起,采用彈簧隔振基礎(chǔ).

由表5可以看出,對(duì)于一臺(tái)1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組,方案1的設(shè)備初投資要比方案2的初投資增加2 153.14萬(wàn)元.

3.3 年運(yùn)行費(fèi)用比較

在年運(yùn)行費(fèi)用上,兩個(gè)方案的比較主要體現(xiàn)在發(fā)電收入和設(shè)備維護(hù)費(fèi)兩方面,如表6所示.

從表6可以看出,對(duì)于燃料費(fèi),方案1每年多向電網(wǎng)供電2.57×107kWh,按0.4元/kWh計(jì)算,每年可增加收入1 028萬(wàn)元,減去每年增加的182萬(wàn)元的維護(hù)費(fèi),采用方案1的年運(yùn)行凈收入可增加846萬(wàn)元.

表6 年運(yùn)行費(fèi)用差異(1臺(tái)機(jī)組)

注:年運(yùn)行凈收入=發(fā)電收入-維護(hù)費(fèi);設(shè)備年維護(hù)費(fèi),國(guó)產(chǎn)設(shè)備為設(shè)備費(fèi)用的2.5%,進(jìn)口設(shè)備為設(shè)備費(fèi)用的3%;上網(wǎng)電價(jià)按0.4元/kWh計(jì)算.

3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

由上述分析可以看出,采用主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案后,每臺(tái)機(jī)組初投資增加2 153.14萬(wàn)元,但每年運(yùn)行凈收入可增加846萬(wàn)元,按6.00%的銀行貸款利率計(jì)算,2.9年就可收回成本.火電廠壽命周期一般是30年,所以本項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好.因此,方案1的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案2.

4 結(jié) 語(yǔ)

主軸驅(qū)動(dòng)給水泵方案由于能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)較少(通過(guò)主汽輪機(jī)直接將蒸汽熱能高效地轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能并直接驅(qū)動(dòng)液力偶合器),并引入了高效的液力偶合器參與調(diào)速,使得該方案在能量轉(zhuǎn)換效率和傳動(dòng)效率這兩大重要環(huán)節(jié)上均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方案,而且通過(guò)上述論證,本方案不僅在經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的,同時(shí)也具優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,值得在工程上推廣應(yīng)用.因此,建議本工程采用該方案.

[1] 吳志祥,朱鵬安.1 000 MW火電機(jī)組給水泵驅(qū)動(dòng)方式的熱經(jīng)性比較[J].華東電力,2010(4):583-586.

[2] 俞興超.1 000 MW超超臨界火電機(jī)組給水泵配置及分析[J].華東電力,2008(9):90-93.

[3] 朱瑾,付煥興,馬愛(ài)萍.1 000 MW濕冷機(jī)組主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵研究[J].中國(guó)電力,2012 (11):22-27.

[4] 趙恩嬋.調(diào)速之星在600 MW級(jí)空冷機(jī)組給水泵中應(yīng)用分析[J].節(jié)能技術(shù),2008(5):264-266.

[5] 江哲生,董衛(wèi)國(guó),毛國(guó)光.國(guó)產(chǎn)1 000 MW超超臨界機(jī)組技術(shù)綜述[J].電力建設(shè),2007(8):6-13.

[6] 吳志祥.大型火力發(fā)電機(jī)組鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)的熱經(jīng)濟(jì)性研究[D].上海:上海電力學(xué)院,2012.

TechnicalandEconomicComparisonofSpindleDrivenFeedwaterPumpProjectin1000MWThermalPowerUnit

WU Zhixiang, JIAO Cheng

(SafetySupervisionDepartment,AnhuiAnqingWanjiangPowerGenerationCo.Ltd.,Anqing246005,China)

A new 2×1 000 MW water-cooling power plant unit is taken as an example,and the spindle feed pump with drive scheme is formulated,using the payback period method.Comparative analysis of 1×100% capacity spindle driven feedwater pump scheme with conventional 2 x 50% small capacity machine driving scheme of feed water pump is made,and it is pointed out that although main driving pump project has an increase of 21,531,400 yuan in each at the beginning of the unit investment,the annual operating net income can be increased by 8,460,000 yuan,and if the loan interest rate is calculated according to 6%,it takes 2.9 years to recover the cost,and investment payback period is far less than 10 years.So the project is feasible.

spindle driven feed pump; small machine driven feed water pump; technical economy

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.007

2017-01-09

吳志祥(1978-),男,碩士,高級(jí)工程師,安徽樅陽(yáng)人.主要研究方向?yàn)榛痣姀S技術(shù)管理.E-mail:791945126@qq.com.

TM621.7

A

1006-4729(2017)05-0445-06

(編輯 胡小萍)