新建600MW機(jī)組熱網(wǎng)首站循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)動(dòng)力選配優(yōu)化分析

勝利發(fā)電廠 張振 丁厚東

勝利發(fā)電廠三期熱電工程新建600MW機(jī)組熱網(wǎng)首站對(duì)其配套五臺(tái)循環(huán)泵一改傳統(tǒng)的全電機(jī)驅(qū)動(dòng)，首次采用“三臺(tái)工業(yè)汽輪機(jī)+兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)”驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式。文中闡述了工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性及電泵存在的必要性；論證了采用“三臺(tái)汽泵+兩臺(tái)電泵”配置能夠保證熱網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全性的同時(shí)能夠提高熱電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

供熱機(jī)組；循環(huán)泵 ；工業(yè)汽輪機(jī)；電動(dòng)機(jī)；三汽兩電配置；安全經(jīng)濟(jì)

近年來(lái)，隨著城市采暖供熱等重大民生工程的快速發(fā)展和國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的加強(qiáng)，城鎮(zhèn)冬季供熱由原來(lái)的高能耗、高排放、污染嚴(yán)重的小型采暖鍋逐步由熱電廠集中供熱代替，供熱首站利用汽輪機(jī)抽汽加熱循環(huán)水，循環(huán)水由循環(huán)水泵送至二級(jí)換熱站進(jìn)行熱交換后，最終送到用戶。驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵的動(dòng)力設(shè)備傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式為電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)功率大、耗能高。隨著電力發(fā)展腳步的加快，特別是近期煤電機(jī)組產(chǎn)能過(guò)剩，等效可利用小時(shí)數(shù)下降，為減少?gòu)S用電率，降低煤耗，在發(fā)電指標(biāo)內(nèi)盡可能的多供電以提高發(fā)電效益，本工程借鑒火電廠給水泵等大型設(shè)備使用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式以達(dá)到降低耗能的經(jīng)驗(yàn)，首次提出了熱網(wǎng)循環(huán)泵由傳統(tǒng)的全部電泵運(yùn)行模式，改為采用“三臺(tái)汽泵+兩臺(tái)電泵”（以下簡(jiǎn)稱“三汽兩電”）供熱運(yùn)行模式，從而達(dá)到在確保熱網(wǎng)供熱安全可靠的前提下提高機(jī)組效益的目的。

1 熱網(wǎng)首站汽水系統(tǒng)介紹

勝利發(fā)電廠（以下簡(jiǎn)稱“勝電”）三期熱電工程新建的1×600MW級(jí)抽汽凝汽式發(fā)電供熱機(jī)組，其熱網(wǎng)首站設(shè)計(jì)有四臺(tái)加熱器，配套五臺(tái)循環(huán)泵進(jìn)行熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)供水。建成后預(yù)計(jì)供熱面積1400萬(wàn)m2，供熱量達(dá)到年供熱508萬(wàn)GJ。供熱所需采暖蒸汽來(lái)自中壓缸五段抽汽，蒸汽進(jìn)入各加熱器，與熱網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行換熱。加熱器疏水返回主機(jī)凝汽器，參與新一輪熱力循環(huán)。熱網(wǎng)首站采用單元制配置，循環(huán)水70℃回水經(jīng)全自動(dòng)過(guò)濾器過(guò)濾除污后，由熱網(wǎng)循環(huán)水泵加壓進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，與蒸汽進(jìn)行換熱升溫至130℃后進(jìn)入供水總管，進(jìn)而輸送至城市供暖干線，換熱后的熱網(wǎng)循環(huán)水返回?zé)峋W(wǎng)加熱器吸熱，繼續(xù)參與循環(huán)。熱網(wǎng)循環(huán)泵配套6 kV電機(jī)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將大量損耗廠用電，對(duì)其合理的優(yōu)化以促進(jìn)機(jī)組能耗的降低具有較大的實(shí)際意義。熱網(wǎng)首站汽水流程示意圖見(jiàn)圖1。

2 循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)方式選用分析

2.1工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)

在工業(yè)生產(chǎn)中，直接用汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)大型的機(jī)械設(shè)備，這種用途的汽輪機(jī)稱為工業(yè)汽輪機(jī)，近年來(lái)，隨著節(jié)能降耗的需求日益加大，工業(yè)汽輪機(jī)得到了更加廣泛的應(yīng)用。在電廠生產(chǎn)中，合理的利用汽輪機(jī)做功后所產(chǎn)生的乏汽直接驅(qū)動(dòng)工業(yè)汽輪機(jī)做功，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，目前大型電廠中給水泵等設(shè)備已多用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)功率大、耗能多的特點(diǎn)，合理的利用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)具有較大優(yōu)勢(shì)。

圖1 熱網(wǎng)首站汽水流程示意圖

2.1.1 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)

表1 四段抽汽與五段抽汽之間的熱力特性

熱網(wǎng)循環(huán)泵使用電動(dòng)機(jī)為6 kV設(shè)備，所使用的電能是汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電后，廠用電進(jìn)一步作用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵，即“蒸汽-發(fā)電-電動(dòng)-做功”的形式。而工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)可直接使用汽輪機(jī)做功后產(chǎn)生的乏汽即從抽汽直接做功，即“蒸汽-做功”方式，減少了功能傳遞環(huán)節(jié)。利用背壓機(jī)的特點(diǎn)，將做功后乏汽直接排入加熱器系統(tǒng)進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán)，無(wú)汽水損耗，提高乏汽利用功效。

2.1.2 調(diào)節(jié)性更好

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵需采用變頻電機(jī)或采取機(jī)械耦合器配套以實(shí)現(xiàn)泵運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速調(diào)解的目的，實(shí)現(xiàn)過(guò)程繁瑣，工藝相對(duì)復(fù)雜，維護(hù)難度較高。而工業(yè)汽輪機(jī)能夠直接驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)流程中的泵，通過(guò)汽門(mén)對(duì)于工業(yè)汽輪機(jī)進(jìn)汽量的調(diào)解，可平穩(wěn)、靈敏的與這些被驅(qū)動(dòng)機(jī)械相互協(xié)調(diào)進(jìn)行變速運(yùn)行，以適應(yīng)生產(chǎn)流程工況條件的變化，調(diào)速范圍較寬，工藝實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.1.3 采購(gòu)成本更低

依照目前市場(chǎng)價(jià)格比對(duì)，相同輸出功率的工業(yè)汽輪機(jī)相較同功率的電動(dòng)機(jī)及變頻器（或者液力耦合器）價(jià)格更低，節(jié)約初投資費(fèi)用。

2.1.4 發(fā)電收益更大

目前調(diào)度指標(biāo)為發(fā)電量，在較優(yōu)熱耗的情況下，大范圍的采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，將大大降低廠用電率，加大售電量，提高機(jī)組運(yùn)行效益。

2.2 本工程采用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的其他有利條件

2.2.1 汽輪機(jī)分段抽汽為采用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)提供可行性

本期工程汽輪機(jī)為四缸、八段抽氣布置，即高壓缸、中壓缸、兩臺(tái)低壓缸，其中一、二段抽汽于高壓缸抽汽，三、四、五段抽汽于中壓缸抽汽，六、七、八段抽汽于低壓缸抽汽，供熱汽源由五段抽汽提供。從本機(jī)組四段抽汽、五段抽汽的熱力特性（表1）可以看出，在冬季抽汽工況下的壓差及溫差，存在選用背壓式工業(yè)汽輪機(jī)形式、動(dòng)力汽源采用四抽汽源供給、做功后乏汽（與五抽匹配）直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器的可能。本期工程擬工業(yè)汽輪機(jī)汽源流程圖見(jiàn)圖2。

2.2.2 熱網(wǎng)首站設(shè)置在主廠房?jī)?nèi)減少建設(shè)成本及運(yùn)行損耗

本期工程在建設(shè)時(shí)，首次采用600 MW級(jí)供熱機(jī)組熱網(wǎng)首站主廠房?jī)?nèi)模塊化布置，將熱網(wǎng)首站布置于主廠房?jī)?nèi)。汽輪機(jī)位于主廠房13.7 m層，除氧器位于主廠房南側(cè)28 m層，熱網(wǎng)加熱器布置于其正下面6.9 m層，熱網(wǎng)循環(huán)泵布置與于主廠房零米南側(cè)熱網(wǎng)加熱器正下方，布局緊湊。循環(huán)泵與四抽管道及五抽至熱網(wǎng)加熱管道距離較近，四抽至循環(huán)泵汽輪機(jī)進(jìn)汽及循環(huán)泵汽輪機(jī)排汽至五抽至加熱器管道較短，建設(shè)進(jìn)、排汽管道費(fèi)用更低，蒸汽在管道運(yùn)行過(guò)程中損耗更少。

2.3 電泵存在的必要性

2.3.1 加熱器不可無(wú)水進(jìn)汽

熱網(wǎng)啟動(dòng)應(yīng)在熱網(wǎng)循環(huán)水壓力正常后，方可投用熱網(wǎng)加熱器。如全部采用汽泵啟動(dòng)循環(huán)水泵方案，加熱器內(nèi)部無(wú)水，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)排汽直接進(jìn)入加熱器供汽，造成加熱器干燒，不符合加熱器安全運(yùn)行要求。在啟動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)先用電泵進(jìn)行加熱器上水，待循環(huán)水壓正常后，方可采用汽泵運(yùn)行。

2.3.2 失汽后的需電泵運(yùn)行

在機(jī)組打閘緊急停機(jī)時(shí)，汽泵瞬間失去汽源，熱網(wǎng)循環(huán)水管道內(nèi)部水流速發(fā)生突然變化，壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，將導(dǎo)致“水錘效應(yīng)”,對(duì)系統(tǒng)閥門(mén)及管道造成嚴(yán)重破壞，需電泵使循環(huán)水源持續(xù)運(yùn)行。

在機(jī)組正常停運(yùn)時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直至外部二級(jí)換熱站升壓泵停運(yùn)及溫度緩慢達(dá)到停運(yùn)水平以避免造成加熱器及其他設(shè)備損壞。機(jī)組停運(yùn)，工業(yè)汽輪機(jī)失去汽源，汽泵不能運(yùn)行，需要電泵使循環(huán)水持續(xù)運(yùn)行。

圖2 工業(yè)汽輪機(jī)汽源流程圖

2.3.3 機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)妥

目前，在本期同類機(jī)組中，尚無(wú)熱網(wǎng)循環(huán)泵采用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，考慮到工業(yè)汽輪實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的不確定性，電泵作為成熟的技術(shù)，有存在的必要。

表2 循環(huán)泵參數(shù)

3 循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)設(shè)備的配置

3.1 循環(huán)泵配置

本期工程新建熱網(wǎng)首站設(shè)計(jì)最大供熱負(fù)荷為588 MW，平均為412 MW，最小為283 MW,循環(huán)水泵揚(yáng)程不低于115 mH2O，為滿足熱網(wǎng)大流量、高揚(yáng)程要求，機(jī)組采用為5臺(tái)臥式單機(jī)雙吸軸向中開(kāi)蝸殼式水泵，正常狀態(tài)下運(yùn)行4臺(tái)水泵，1臺(tái)作為備用。循環(huán)泵參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 驅(qū)動(dòng)裝置配置分析

根據(jù)上述內(nèi)容的分析，可以得出如下結(jié)論，在機(jī)組建設(shè)中，汽泵的選用將使機(jī)組運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)，而電泵在目前熱網(wǎng)首站建設(shè)中具有不可或缺的作用，如何更優(yōu)化配置才能達(dá)到既安全穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)高效的目的，是機(jī)組選型中的重中之重。在配置選型中，我們按照使用電泵能夠保證安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能多的使用汽泵的原則進(jìn)行配置。

3.2.1 四臺(tái)汽泵一臺(tái)電泵運(yùn)行

四臺(tái)汽泵能夠滿足熱網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下均使用汽泵運(yùn)行，相較于使用電泵經(jīng)濟(jì)性突出。但實(shí)際運(yùn)行中，首先，一臺(tái)電泵作為備用泵，安全系數(shù)偏低，特別是在事故停機(jī)狀態(tài)下，單臺(tái)電泵不能滿足事故停機(jī)時(shí)熱網(wǎng)對(duì)循環(huán)水流量的要求，將對(duì)整個(gè)熱網(wǎng)運(yùn)行造成較大的事故；其次，汽泵汽源由四抽供給，四臺(tái)汽泵同時(shí)運(yùn)行，抽汽量大，機(jī)組供給難度大；同時(shí)，考慮熱網(wǎng)進(jìn)行大水量沖洗時(shí)，單臺(tái)電泵也難以滿足要求。

3.2.2 三臺(tái)汽泵兩臺(tái)電泵運(yùn)行

目前根據(jù)理論分析及計(jì)算，三臺(tái)汽泵加兩臺(tái)電泵既能夠滿足熱網(wǎng)運(yùn)行的安全性同時(shí)又可提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。首先，電泵存在完全能夠滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行及停開(kāi)機(jī)期間運(yùn)行需求；其次，兩臺(tái)電泵客觀上存在電泵一用一備的能力，熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行安全系數(shù)將大大提升；再次，三臺(tái)汽泵的運(yùn)行能夠達(dá)到在條件允許范圍能最大使用汽泵以提高經(jīng)濟(jì)型的目的。

3.3 工業(yè)汽輪機(jī)選型

根據(jù)四抽及五抽所體現(xiàn)的壓差與溫差，配套工業(yè)汽輪機(jī)選用進(jìn)、排汽參數(shù)分別與四抽、五抽參數(shù)相匹配，并滿足循環(huán)泵所需功率要求的機(jī)型。本機(jī)組采用的工業(yè)汽輪機(jī)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 熱網(wǎng)循環(huán)泵工業(yè)汽輪機(jī)參數(shù)

4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

4.1 節(jié)約投資

根據(jù)測(cè)算，三臺(tái)工業(yè)汽輪機(jī)配置相較三臺(tái)電動(dòng)機(jī)配置可節(jié)約投資180余萬(wàn)元。

4.2 供電收益

同類發(fā)電指標(biāo)條件下，可增供電量為供暖期為4個(gè)月，采用三臺(tái)氣泵每臺(tái)功率為1000 kW，共計(jì)節(jié)約廠用電量為：

5 結(jié)語(yǔ)

勝電三期熱電工程新建600 MW機(jī)組熱網(wǎng)首站循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力首次采用“三臺(tái)汽泵+兩臺(tái)電泵”運(yùn)行模式，是保證熱網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行條件下提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的一種創(chuàng)新嘗試。經(jīng)計(jì)算其可節(jié)約初次投資180余萬(wàn)，并在發(fā)電指標(biāo)確定時(shí)，為發(fā)電企業(yè)每年增加369萬(wàn)元收益。其對(duì)熱電廠新建供熱機(jī)組熱網(wǎng)首站循環(huán)泵節(jié)能配置設(shè)計(jì)和老機(jī)組熱網(wǎng)首站循環(huán)泵節(jié)能改造具有示范效應(yīng)（對(duì)于具體機(jī)組熱網(wǎng)循環(huán)泵的改進(jìn)模式及采用汽泵與電泵的配置比例，需根據(jù)機(jī)組的熱平衡情況、熱網(wǎng)首站的設(shè)置情況及效能分析進(jìn)行選擇），代表科技發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)節(jié)能減排具有重大深遠(yuǎn)的意義，同時(shí)有著廣泛的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

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