余麗萍

(中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316)

大型火電站給水泵組的配置與布置分析

余麗萍

(中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316)

大型火電站給水泵組選擇不同的配置類型、調(diào)速方式和布置方案，對(duì)廠用電、輔機(jī)耗功及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性等會(huì)形成不同影響。對(duì)國(guó)內(nèi)外和實(shí)際工作中給水泵組配置、布置方案進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為單臺(tái)100% 容量的汽動(dòng)給水泵作日常運(yùn)行配置、主給水泵和前置泵同軸異位布置是較為合理的選擇。

火電站；汽水系統(tǒng)；給水泵；汽動(dòng)泵；電動(dòng)泵；前置泵；節(jié)能降耗；變速調(diào)節(jié)

0 引言

大型火電站汽水循環(huán)系統(tǒng)是機(jī)組工藝流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié),給水泵組是汽水系統(tǒng)的重要輔機(jī)之一。隨著近年來(lái)火電機(jī)組裝機(jī)容量及規(guī)模的持續(xù)不斷增大，給水泵驅(qū)動(dòng)功率已占到主機(jī)功率的3%左右[1]，是電站耗電量最多的輔助設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性尤為重要，泵組的投資在整個(gè)電站中也占有較大比例，因此，給水泵組的地位可與三大主機(jī)相提并論。

在超低排放、節(jié)能降耗等產(chǎn)業(yè)政策大趨勢(shì)下，給水泵的變速調(diào)節(jié)應(yīng)用廣泛，通過(guò)調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)整泵的性能曲線，改變供向鍋爐的給水流量和壓力，由泵的中間抽頭向再熱器提供減溫水或事故噴水，適應(yīng)單元機(jī)組的啟停、負(fù)荷變化、定壓和滑壓復(fù)合運(yùn)行，滿足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組調(diào)峰、調(diào)頻、變負(fù)荷的需要，提高機(jī)組變工況運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全、可靠性。給水泵組的調(diào)速配置主要有汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵調(diào)速、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液力偶合器調(diào)速和交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速等[2]。第1種調(diào)速方式又可根據(jù)機(jī)組要求的不同，配置不同容量和臺(tái)數(shù)。所以，同一類型機(jī)組，給水泵組的配置類型和布置方案也有多種可供選擇。選擇不同的驅(qū)動(dòng)裝置、調(diào)速方式和布置方案，會(huì)形成對(duì)廠用電、輔機(jī)耗功及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要求的不同差異[1]。

1 給水泵組的配置類型

我國(guó)大型火電站主給水泵大多采用工業(yè)小型汽輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱小汽機(jī))驅(qū)動(dòng)方式，工業(yè)小汽機(jī)以主汽輪機(jī)抽汽為介質(zhì)驅(qū)動(dòng)給水泵旋轉(zhuǎn)，直接利用動(dòng)能，不耗費(fèi)廠用電負(fù)荷，熱效率高。改變小汽機(jī)的進(jìn)汽量進(jìn)行變速調(diào)節(jié)，能充分適應(yīng)大機(jī)組負(fù)荷變化，減少節(jié)流損失。從目前電網(wǎng)按發(fā)電機(jī)端輸出功率進(jìn)行調(diào)度的特點(diǎn)來(lái)看，汽動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱汽動(dòng)泵)比電動(dòng)給水泵(以下簡(jiǎn)稱電動(dòng)泵)節(jié)約了占主機(jī)功率3%左右的廠用電，可增加機(jī)組的凈供電量，提高經(jīng)濟(jì)性和能源利用效率。

1.1 國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組給水泵組典型配置

結(jié)合中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司生產(chǎn)的2 000臺(tái)套以上給水泵組配置分布情況，分析國(guó)內(nèi)大多數(shù)大型火電機(jī)組給水系統(tǒng)配置現(xiàn)狀如下。

1.1.1 300 MW機(jī)組等級(jí)

泵組配置1臺(tái)100% 容量的汽動(dòng)泵作為運(yùn)行泵，1臺(tái)50% 容量(相對(duì)于最大給水量，下同)的電動(dòng)調(diào)速給水泵(以下簡(jiǎn)稱電調(diào)泵)作啟動(dòng)備用泵[3]，有華能珞璜電廠、淮陰電廠、達(dá)拉特電廠等；泵組配置2臺(tái)50% 容量的汽動(dòng)泵并聯(lián)運(yùn)行，1臺(tái)50% 容量的電調(diào)泵作啟動(dòng)備用，有云南開(kāi)遠(yuǎn)電廠、哈爾濱熱電廠、四川白馬電廠等；泵組配置3臺(tái)50% 容量的電調(diào)泵作主給水泵，機(jī)組在額定負(fù)荷下，2臺(tái)給水泵運(yùn)行，1臺(tái)泵備用[4]，備用容量大，系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，有太原第二熱電廠、山西宏光電廠等。

1.1.2 600 MW機(jī)組等級(jí)

給水系統(tǒng)常規(guī)為單元制，給水泵組一般配置為2臺(tái)50% 容量的汽動(dòng)泵并列運(yùn)行,另設(shè)1臺(tái)50% 容量或25%～35% 容量的啟動(dòng)備用電動(dòng)泵組，該配置方式運(yùn)行靈活,不因泵組故障或檢修影響主機(jī)運(yùn)行[3]，如華電長(zhǎng)沙電廠、安徽宿州電廠、云南黔東電廠等；泵組配置1臺(tái)100% 容量的汽動(dòng)泵和1臺(tái)30% 容量的電動(dòng)泵，有華電邵武電廠等；泵組配置3臺(tái)50% 容量的電調(diào)泵，如山西漳山電廠、安徽田集電廠二期等；泵組配置1臺(tái)100% 容量的汽動(dòng)泵和1臺(tái)50% 容量的電動(dòng)泵，有濮陽(yáng)龍豐電廠、寧夏棗泉電廠等；亞臨界機(jī)組泵組配置2臺(tái)50% 容量的汽動(dòng)泵和1臺(tái)15%容量的電動(dòng)泵，有新疆北一電廠、華電常德電廠、金元茶園電廠等；泵組配置2臺(tái)50% 容量的汽動(dòng)泵，并且和驅(qū)動(dòng)給水泵的小汽機(jī)配置各自獨(dú)立的凝汽器[3]，不另設(shè)電動(dòng)泵，有華電貴港電廠、山西華光電廠等。

1.1.3 1 000 MW機(jī)組等級(jí)

給水泵組配置一般為1臺(tái)100% 容量的汽動(dòng)泵，另設(shè)1 臺(tái)小容量的啟動(dòng)電動(dòng)泵，有華電長(zhǎng)興電廠、國(guó)電哈密大南湖電廠、華電邵武電廠三期等；泵組配置2臺(tái)50% 容量的汽動(dòng)泵和1臺(tái)30%容量的電動(dòng)泵，有華電句容電廠、華潤(rùn)賀州電廠、中電投平圩電廠等；也有泵組配置2臺(tái)50%容量的電調(diào)泵和1臺(tái)30%容量的電動(dòng)泵。

1.2 國(guó)外大型火電機(jī)組給水泵組配置

目前歐、美、日大型火力發(fā)電機(jī)組給水系統(tǒng)配置現(xiàn)狀：大型機(jī)組泵組一般配置1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)泵作主泵，2臺(tái)50%容量的電動(dòng)泵作啟動(dòng)備用，多泵聯(lián)合運(yùn)行[1]，如英國(guó)500 MW機(jī)組、法國(guó)600 MW機(jī)組采用1臺(tái)100%容量的給水泵作主泵，2臺(tái)50%容量或2臺(tái)25%容量的電動(dòng)泵作備用泵；德國(guó)近年來(lái)在1 000 MW級(jí)超(超)臨界機(jī)組給水泵組均采用1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)泵作日常運(yùn)行，2臺(tái)40%容量的電動(dòng)泵作啟動(dòng)備用，典型代表有NIEDERAUSSEM電廠K機(jī)組、Lippendorf電廠、Boxberg電廠和黑泵電廠[5]；德國(guó)目前在大型超(超)臨界火電技術(shù)領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，其800～1 000 MW等級(jí)發(fā)電機(jī)組采用100%容量給水泵組的運(yùn)行相當(dāng)穩(wěn)定[5]，與美國(guó)Mountaineer電廠1 300 MW機(jī)組相當(dāng)。美國(guó)1 000 MW超超臨界機(jī)組泵組多配置2臺(tái)50%容量的汽動(dòng)泵、2臺(tái)60%容量的汽動(dòng)泵或1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)泵作日常運(yùn)行，不設(shè)電動(dòng)泵組[1]，如AEP集團(tuán)有6臺(tái)1 300 MW超臨界機(jī)組配置了1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)鍋爐給水泵組，不設(shè)置電動(dòng)泵，分別是Gavin1，Gavin2，Amos3，Rockport1，Rockport2電廠，Mountaineer1[5]，至今運(yùn)行情況良好。 AEP集團(tuán)早在20世紀(jì)50年代末就采用單臺(tái)給水泵, 成功經(jīng)驗(yàn)豐富[5]。日本大多數(shù)火電廠600 MW機(jī)組典型的泵組配置情況與中國(guó)傳統(tǒng)的配置方案一樣，為2臺(tái)50%容量的汽動(dòng)泵作日常運(yùn)行，1臺(tái)25%容量的電動(dòng)泵作啟動(dòng)用[1]。

1.3 國(guó)外大型機(jī)組單臺(tái)給水泵組配置

美國(guó)Mountaineer電廠于1980年9月投入運(yùn)行,執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù), 負(fù)荷控制在500～1 325 MW之間，運(yùn)行至今,雖曾因給水泵及小汽機(jī)附屬設(shè)備引起6次機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī),但給水泵未發(fā)生過(guò)重大故障[5]。

綜上所述，通過(guò)國(guó)內(nèi)外大型機(jī)組給水泵組配置的一般分析比較，單臺(tái)100%容量的汽動(dòng)泵作日常運(yùn)行，配小容量泵作啟動(dòng)的模式，是給水泵組配置的一個(gè)推薦發(fā)展方向。

2 給水泵組布置方案比較

下面根據(jù)實(shí)際工作中的案例，分析各種布置方案的差異。

2.1 汽動(dòng)泵組布置

大型火電站汽動(dòng)泵組一般采用多泵聯(lián)合運(yùn)行方式，在容量上有1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)泵或2臺(tái)50%容量的汽動(dòng)泵等配置方式；在排汽冷卻方式上有濕冷、間接空冷和直接空冷3種方式；在布置上有汽機(jī)房0 m層布置、運(yùn)轉(zhuǎn)層布置和汽機(jī)房0 m層、運(yùn)轉(zhuǎn)層分層布置3種方式；在運(yùn)行方式上有給水泵與前置泵串接的單套給水運(yùn)行系統(tǒng)，給水泵與電動(dòng)前置泵串接、兩套串接再并聯(lián)的雙套給水運(yùn)行系統(tǒng)等[4]。

2.1.1 主給水泵與前置泵異軸布置(方案1)

給水泵由調(diào)速型工業(yè)汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，布置在汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)前置泵單獨(dú)布置在0 m層，目前國(guó)內(nèi)的300～1 000 MW機(jī)組多采用此種布置方式。此方案布置可不設(shè)暖泵系統(tǒng)，機(jī)組啟動(dòng)前僅需開(kāi)啟前置泵20～30 min，保證上下筒體溫差15 ℃以下，即可直接啟動(dòng)主給水泵。軸向距離短，維護(hù)方便。但是，由于前置泵驅(qū)動(dòng)需獨(dú)立的動(dòng)力源，需要配置前置泵電機(jī)和配套電氣系統(tǒng)，大大增加了投資和運(yùn)行廠用電。

2.1.2 主給水泵與前置泵同軸異位布置(方案2)

小汽機(jī)采用雙出軸，一端驅(qū)動(dòng)主給水泵，另一端通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)前置泵，布置在汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層。該布置方式雖然省去了電動(dòng)機(jī)，節(jié)省了廠用電，但因與主泵一同布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層，除氧器至前置泵入口的靜壓頭降低，使得有效汽蝕余量(NPSHa)大大降低，泵組的安全性不如方案1，且前置泵由小汽機(jī)一同帶動(dòng)，故無(wú)法預(yù)先開(kāi)啟前置泵保證主泵筒體溫差，所以，此種方案下建議設(shè)置簡(jiǎn)易的預(yù)暖系統(tǒng)。

前置泵是否同軸對(duì)除氧器布置層高的影響：當(dāng)機(jī)組在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況甩負(fù)荷時(shí)，前置泵入口NPSHa會(huì)出現(xiàn)最小值，其小于必須汽蝕余量(NPSHr)時(shí)，前置泵會(huì)發(fā)生汽蝕。為避免出現(xiàn)這種情況，除氧器布置層高選擇時(shí)應(yīng)確保BMCR工況甩負(fù)荷運(yùn)行時(shí)前置泵入口壓力滿足NPSHr要求。常規(guī)布置中，給水泵與汽輪機(jī)布置在汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層，前置泵由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)布置在汽機(jī)房的0 m層，除氧器層標(biāo)高24 m，但是當(dāng)前置泵由給水泵汽輪機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層時(shí)，要保證前置泵的汽蝕余量，經(jīng)暫態(tài)計(jì)算，除氧器層的標(biāo)高提高到30 m。其他條件一致時(shí)，同軸比不同軸布置的土建費(fèi)用有了增加[6]。

表1 某2×660MW機(jī)組前置泵異軸、同軸布置比較[6]

2.1.3 主給水泵與前置泵同軸鄰位布置(方案3)

主給水泵采用雙出軸，一端連接小汽機(jī)，另一端通過(guò)減速箱連接前置泵(如圖1所示)，布置在汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層。該布置方式與方案2有相同的優(yōu)缺點(diǎn)，且檢修也較為不便，因目前大容量機(jī)組給水泵均采用雙殼體筒體泵，在檢修時(shí)軸向需要一定的空間來(lái)抽取芯包(建議檢修距離約4 m)，在檢修時(shí)需拆去主泵與前置泵間的減速箱和聯(lián)軸器，大大增加了檢修時(shí)間。前置泵與主泵同軸布置，省去了電動(dòng)機(jī)，因而每臺(tái)機(jī)組廠用電可減少 1 200 kW，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。某電廠2×660 MW 超臨界純凝燃煤發(fā)電機(jī)采用單機(jī) 2×50%容量的汽動(dòng)泵組[6]，前置泵異軸、同軸布置比較見(jiàn)表1。

圖1 主給水泵與前置泵同軸鄰位布置示意

按表1數(shù)據(jù)，2臺(tái)機(jī)組年節(jié)約103.70萬(wàn)元[6]，但汽動(dòng)泵初投資較大，與電動(dòng)泵相比設(shè)備較多，各種設(shè)備及管道占用場(chǎng)地面積大。

2.2 電動(dòng)泵組布置方案[7]

電動(dòng)泵不但初投資小，而且裝置簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，同時(shí)布置靈活、占用場(chǎng)地小、檢修方便，在這些方面比汽動(dòng)泵要好，但機(jī)組功率變大后，啟動(dòng)容量相應(yīng)增大，廠用電量會(huì)相應(yīng)增加。目前的電動(dòng)泵功率一般不超過(guò)6 MW，限制了電動(dòng)泵在大功率機(jī)組上的使用。電動(dòng)泵組采用液力偶合器調(diào)速還是以變頻交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，必須針對(duì)不同機(jī)組的不同需求，考慮可靠穩(wěn)定性和調(diào)速準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，分類適配，設(shè)計(jì)選擇經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)速裝置。

2.2.1 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵布置

電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵，大型電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速只有1 500 r/min和3 000 r/min，受此限制，該方案給水泵只能作啟動(dòng)沖管用。

2.2.2 采用液力偶合器調(diào)速的布置

采用液力偶合器調(diào)速的電動(dòng)泵組主要有電動(dòng)機(jī)、主給水泵、液力偶合器、前置泵等組成。目前國(guó)內(nèi)外主流布置形式如圖2所示。

圖2 國(guó)內(nèi)外主流布置形式

電動(dòng)泵組的給水泵由電動(dòng)機(jī)一端通過(guò)液力偶合器驅(qū)動(dòng)，前置泵由電動(dòng)機(jī)另一端同軸驅(qū)動(dòng)；前置泵、給水泵、電動(dòng)機(jī)、液力偶合器安裝于各自的底座，固定在一個(gè)共同的混凝土基礎(chǔ)上，布置在汽機(jī)房0 m層。液力偶合器作為節(jié)能設(shè)備，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況通過(guò)轉(zhuǎn)矩的傳遞而改變給水泵轉(zhuǎn)速，這種方式工作平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變化輸出轉(zhuǎn)速。給水泵在部分負(fù)荷工況下，與節(jié)流式相比節(jié)省了相當(dāng)大的功率損失。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流小，可選用較小容量的電動(dòng)機(jī)，節(jié)省投資。工作輪間無(wú)機(jī)械聯(lián)系，通過(guò)液體傳遞扭矩，隔振效果良好，能大大減緩兩端設(shè)備的沖擊負(fù)荷。

根據(jù)液力偶合器效率特性曲線，偶合器傳動(dòng)效率等于其傳動(dòng)比，從偶合器工作輪本身來(lái)講，長(zhǎng)期處于高傳動(dòng)比下工作，才能獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益[8]，如需長(zhǎng)期在降負(fù)荷工況運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。電泵組效率計(jì)算公式如下：

η電機(jī)×100% 。

可以看出，在降負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，電泵的整體效率很低。

2.2.3 采用交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的布置

交流電動(dòng)機(jī)變頻(以下簡(jiǎn)稱變頻電機(jī))調(diào)速是一種無(wú)附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)節(jié)方式，在火電機(jī)組給水系統(tǒng)中應(yīng)用，可根據(jù)負(fù)荷變化高效地改變出力，節(jié)約大量電能，獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益[2]。這種調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)在于可使給水泵平穩(wěn)無(wú)級(jí)變速，啟動(dòng)能耗低，調(diào)速效率高，調(diào)速范圍較寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)給水泵軟啟動(dòng)并始終處于高效點(diǎn)運(yùn)行，具有顯著的節(jié)能效果[4]。變頻電機(jī)的布置示意如圖3所示。

圖3 變頻電機(jī)的布置示意

可以看出，采用變頻電機(jī)的布置較為復(fù)雜，主要原因如下：在低轉(zhuǎn)速工況下，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，如變頻電機(jī)采用雙出軸與前置泵直連，前置泵出口壓力就不能滿足主泵的NPSHr，會(huì)發(fā)生汽蝕。故前置泵需單獨(dú)配置小電機(jī)，使前置泵轉(zhuǎn)速保持在2 985 r/min。變頻電機(jī)最高變頻轉(zhuǎn)速在3 600 r/min左右，若要滿足主泵的工作轉(zhuǎn)速(5 000 r/min)，需布置增速齒輪箱，并需加入稀油站為泵組提供潤(rùn)滑油。另外，變頻調(diào)速設(shè)備最大的缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，初始投資較高，尤其是高壓變頻器，并且對(duì)電網(wǎng)有干擾，需要較高水平的使用和維護(hù)技術(shù)[2]；受環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等因素影響較大，易受干擾不穩(wěn)定，柜內(nèi)元器件散熱要求高，相對(duì)可靠性低，還不能在大型機(jī)組上廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

給水泵組的配置與布置方案是業(yè)主與給水泵組制造廠重點(diǎn)討論的內(nèi)容，電站給水系統(tǒng)的選型配置、設(shè)計(jì)布置以及節(jié)能改造，應(yīng)充分綜合系統(tǒng)的給水壓力、除氧器安裝高度、給水泵汽蝕、機(jī)組調(diào)峰需求、檢修方便、初期投資和后續(xù)投入、運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益等要素，分析研究運(yùn)行實(shí)例和節(jié)能效果，考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值和技術(shù)先進(jìn)性，選擇配置最優(yōu)、最合理的給水泵組配置與布置方案。

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TK 223.5+2

B

1674-1951(2017)12-0004-04

2017-11-30；

2017-12-06

(本文責(zé)編：白銀雷)

余麗萍(1966—)，女，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，從事火電站鍋爐給水設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)工作(E-mail:yulp1126@163.com)。