1000MW超超临界机组主机泵选型探讨

张晓东（华电莱州发电有限公司，山东烟台261400）



1000MW超超临界机组主机泵选型探讨

张晓东
（华电莱州发电有限公司，山东烟台261400）

摘要：通过国内尚未成功应用的主汽轮机驱动给水泵与小汽轮机泵在国内某1000MW新建工程上，进行选型优化比较。本文认为：相对于小汽轮机泵主汽轮机泵提高火电机组的热经济性、系统更为简单、维护更为方便等优势，建议在国内的1000MW新建机组得到进一步的普及。

关键词：1000MW；火电机组；给水泵；主汽轮机驱动

0　引言

我国1000MW等级发电机组锅炉的给水泵驱动方式常规有两种：电机驱动和汽轮机驱动。电机驱动的给水泵主要应用于空冷机组，其厂用电率消耗特别大。汽轮机驱动给水泵是湿冷1000MW等级机组的主流配置，目前国内外的汽轮机驱动给水泵方式主要为工业汽轮机驱动（简称小机泵）和主汽轮机驱动（简称主机泵）两种。因主机泵在国内尚无成功应用的基础，通过对国外成功应用的主机泵的经验，与目前小机泵进行对比，为国内新建1000MW等级湿冷机组给水泵选型提供参考。

1　主机泵主要技术特点

主机泵目前在国内还没有成功应用的先例，现对主机泵的主要特点进行介绍。主汽轮机驱动的给水泵指的是火电机组锅炉给水泵由主汽轮机驱动，即于主汽轮机同轴拖动，给水泵布置在主汽轮机头侧，由主汽轮机主轴通过联轴器、齿轮箱、调速装置等带动锅炉给水泵运行[1～3]。主机泵与小机泵两种配置方案从直观上判断，主汽轮机的内效率比工业汽轮机内效率高，主机泵系统比小机泵系统更加简洁（无工业汽轮机的蒸汽系统、润滑油系统以及循环水冷却系统等）。主机泵目前在国内无成功应用的实例，但在国外有多年成功运行的业绩。德国Scholven电厂主汽轮机驱动给水泵从1975年投运至今，已安全运行四十多年。

2　主机泵技术方案分析

下面用某电厂扩建机组为例，对主机泵的技术方案进行论证分析。某电厂规划6×1000MW超超临界火电机组；一期工程2×1000MW超超临界燃煤发电机组已建成投产，本期工程扩建2×1000MW级超超临界燃煤发电机组，同步建设烟气脱硫、脱硝装置。该电厂二期工程拟采用1×100%BMCR容量汽轮机驱动给水泵组配置方案，给水泵组设计参数为：

主给水泵流量：3105/2890t/h；

主给水泵扬程：1650/4250m；

主给水泵轴功率：40500kW；

本工程主给水泵轴功率约为41MW，汽轮机驱动给水泵方案按主给水泵和前置泵不同轴布置考虑。考虑二期为扩建工程，小机泵配置方案为1×100%BMCR容量汽轮机驱动给水泵组；主机泵配置方案为1×100%BMCR容量汽轮机驱动给水泵+1×30%BMCR容量电动启动定速给水泵组。

2.1主机泵方案给水泵布置位置选择

主机泵有两种布置方案（如图1所示），方案一：给水泵组同轴布置在汽轮机高压缸侧（或叫机头侧），方案二：给水泵组同轴布置在发电机侧（或叫机尾侧）。两种方案均需要主机厂进行核算，下面将对汽轮机的机头和发电机的机尾进行分析，判断给水泵与主机连接方案的可行性。

2.2主机泵技术方案选择

主机泵方案在国外电厂均采用方案一（即给水泵与主机同轴布置在汽轮机机头侧，由汽轮机转子直接拖动，给水泵与主机之间通过齿轮箱和调速装置连接），该主机泵方案配置的设备主要有：与主汽轮机同轴相连的联轴器、分轴齿轮箱、调速装置以及给水泵组等。本工程计划用100%容量给水泵配置方案，其平面布置如图2所示，与主汽轮机同轴相连的联轴器、调速装置以及给水泵组等。

2.3技术方案中需要注意和解决的问题

2.3.1对汽轮机机头侧的影响

给水泵布置于汽轮机机头侧，针对上海机组，机头侧原布置为高速液压盘车装置（60rpm），现则需要改变现有的盘车方式或改变现有液压盘车的位置[4]。

1）可将原液压盘车方式改为传统的电动盘车，布置在机组某个轴承座侧面实现连续盘动转子。超超临界机组采转子之间通过靠背轮直接连接无垫片，如改为电动盘车，需要在靠背轮之间增设一个盘车齿轮盘，对轴系以及联轴器的连接方式均将带来不利影响，需要全部重新设计。同时现有机组为单轴承支撑方式，轴承座落地结构，轴系短，汽缸之间结构紧凑，根据现有的布置情况，没有布置电动盘车的空间，改为传统的电动盘车方式实现难度十分巨大。

2）可将现有的液压盘车移至主发电机的励磁机侧，保持原有的技术风格，理论上是可行的。

2.3.2轴系的影响

给水泵与超高压缸之间的膜盘联轴器不但能传递巨大扭矩，同时可以在轴向、径向、角向等任意方向拉伸、弯曲、扭转。根据现有资料可以认为给水泵轴系和主机轴系是相互独立的，仅仅通过膜盘联轴器进行扭矩的传递。但膜盘联轴器是否有作用力作用在主机轴系上还需要膜盘联轴器厂家提供相关说明及数据进行后续配合及计算，经汽轮机厂初步分析，如果采用挠性膜盘联轴器（如BHSTwinTors膜盘联轴器），则由于该联轴器要具备一定的吸收中心线偏差能力，同时具备较强的吸收轴向膨胀的能力，因此，泵组轴系对主汽轮机轴系的影响可降至很小，可达到不计入汽轮机主轴稳定性复核的程度。

2.3.3调速装置方案确定

将主汽轮机转子的转速从恒定的3000rpm通过齿轮箱转接，是否降低到1500rpm左右。从调速装置的选型经验看，1500rpm左右的输入转速是调速机构最适宜的输入转速。输入转速的增高将相应增加调速设备转子的叶尖速度，转子结构需要做相应的设计以确保适应更高的输入转速，随之而来的是不必要的设备生产成本增加、技术风险提高和交货周期的延长等问题需要进一步与制造厂沟通。

调速装置与汽轮机之间应装设离合器，实现冲转、暖机、启机以及甩负荷等各个工况下的解列功能。

3　主机泵与小机泵经济技术分析

经过上述初步分析，主机泵方案基本可行，下面针对主机泵与小机泵两种方法的经济性进行分析比较。

3.1主机泵与小机泵系统配置分析

主机泵方案为主汽轮机驱动，调速装置调节；小机泵是工业汽轮机驱动，工业汽轮机调节[2]。两种方案的具体配置图如图3和图4所示。

从配置方案可以看出，两种方案的能效比较在于小机内效率与主机内效率的比较以及连接设备的能耗的比较。

3.2主机泵与小机泵经济性比较

本次能效分析的基础是按照汽轮机厂家提供的小机泵方案热平衡图，因主机泵方案厂家未提供热平衡图，经济分析时暂按照小机泵方案热平衡图进行延伸，其假设条件为：主机泵与小机泵方案中的汽轮机的主蒸汽进气量相同；超高压缸、高压缸、中压缸的效率均相同；主机泵的低压缸进行增容（能接纳原小机泵去工业汽轮机的蒸汽），并且效率与小机泵低压缸效率相同[3]。

通过上述假定条件，可得出能效分析见表1。

表1　能效分析

通过表1可看出小机泵方案年热耗=7079kJ/kWh；主机泵方案年平均热耗=7063.6kJ/kWh；两个方案全年平均热耗相差15.4kJ/kWh，约节约标煤0.56ceg/kWh，上述条件按设备利用小时5500h进行分配。

综上分析可得出主机泵方案在能效方面年平均热耗低15.4kJ/kWh，主机泵每年将节约标煤6160t，约493万元（按年利用小时数5500h，标煤单价800元/t计算）。

因系统简单，主机泵检修工作量小，日常维护和大小修费用也将每年节省近百万元。

由于主机同轴布置汽泵，在电网调度同样负荷下，主机实际工况将相应提高约35MW，由于负荷率提高，机组实际运行负荷点上移，主机热耗将下降，根据主机厂提供的100%工况和75%工况热平衡图，热耗将平均下降约15kJ/kWh，发电煤耗将下降0.55g/kWh，年节约标煤约6050t，年节省燃料费用约484万元。

综上所述，主机泵较小机泵方案在不考虑维护费用减少的情况下，年节约燃料费用约977万元。

3.3主机泵与小机泵造价分析

主机泵方案和小机泵方案的设备造价分析见表2。

表2　设备造价分析

通过表2可知，主机泵比小机泵的设备费用基本降低660万元；若考虑本工程使用一期的电动启动给水泵，设备初投资可节约1280万元。

主机泵和小机泵方案的布置变化影响主厂房体积变化，主机泵方案的汽机房跨度将减小，但长度将增加，主厂房的变化和方案的变化将影响设备的费用、设备基础和主厂房等土建费用、四大管道的费用等，具体数据见表3。

主机泵与小机泵方案的投资基本相当。考虑利用一期电动启动给水泵和不计汽轮机设计修改费用，主机泵比小机泵方案节约初投资约960万元。

表3　方案费用比较汇总

4　总结

4.1主机泵与小机泵在系统配置、运行等方面各有优势

（1）采用主机泵系统简化，取消了工业汽轮机，减少了系统管路预暖，汽源切换、小机冲转相关工作，提高设备响应速度，同时整个控制调速系统的取消，减少了控制油管路泄漏风险与遮断、阀门活动试验时引发的设备隐患，正常运行中减少了小机相关定期工作，大大减少了运行工作量。

（2）主机泵取消小机润滑油系统，附属油系统试验等相关工作，同时大大降低了因润滑油系统故障，如管路泄漏、油泵起压慢等，造成的设备故障。

（3）采用主机泵，工业汽轮机的取消，减少了凝汽器系统真空的泄漏点，大大提高了主机真空运行可靠性。减少了供汽管路暖管疏水、阀门内漏造成的热量损失以及大量的操作工作。

（4）设备检修工作量和备品备件减少。

4.2主机泵的风险点

（1）国外最近投运机组已满20年，最近国外无新建机组，主机泵方案的发展趋势不掌控。建议国内新建机组加强对国外已投运机组调研，全面掌握其发展趋势和运行中存在的问题。

（2）主机厂与给水泵同轴的轴系核算以及汽轮机盘车和危机遮断器等设备维修存在的风险因素。

（3）调速装置的输入转速若降为1500r/mim，其高负荷经济效率与小机泵方案略高，但低负荷（低于50%）将低于小机泵方案。国内目前投产超超临界机组要求的调峰能力是50%～100%，低于50%负荷的工况只出现在启停机阶段，此缺点可以不考虑。

（4）主机泵偶然工况对主机的影响以及控制需要进一步研究。

5　结语

综上所述在技术上目前1000MW等级的汽轮机组选择主汽轮机给水泵方案是可行的，从国外的四十多年的运行经验来看主机泵在长时间运行来看是可靠的；对于目前国内常用的小汽轮机给水泵相比较，主汽轮机给水泵的热经济性要更好；考虑目前国内节能环保的需求，在新建的1000MW等级的火电机组上选用主汽轮机泵的方案，可以提高火电机组的热经济性，且热力系统更为简单，运行维护费用更低，建议在国内1000MW新建机组进行推广。

参考文献：

[1]朱瑾，付焕兴，马爱萍. 1000MW湿冷机组主汽轮机驱动给水泵研究[J].中国电力，2011，45（11）：22～27.

[2]崔占忠，郭晓克，石志奎，等.大容量空冷电厂主汽轮机同轴驱动给水泵技术研究[J].中国电机工程学报，2012，32（29）：66～71.

[3]冯伟忠. 1000MW超超临界机组给水泵及系统优化[J].中国电力，2010，43（8）：26～30.

[4]翟慎会，胡训栋，高永芬，等.汽轮机同轴驱动给水泵传动装置的研究[J].电站工程系统，2014，2（1）：46～50.

修回日期：2016-01-25

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Analysis on Type Selection of Turbine Drive Feed Water Pump for 1000MW Ultra-supercritical Unit

ZHANG Xiao-dong
（Huadian Laizhou Power Generation Co.，Ltd，Yantai 261400，China）

Abstract：Through domestic not yet successful application of the main steam turbine driven feed pump and small steam turbine pump in a domestic 1000MW new project，the selection and optimization of comparison. This paper argues that：compared to the small turbine pump turbine pump to improve the thermal power units thermal economy，system is more simple，maintenance is more convenient，and other advantages，it is recommended in domestic 1000MW new unit further popularization

Key words：1000MW；thermal power unit；feed water pump；main turbine drive

收稿日期：2015-12-29

作者简介：张晓东（1977-），男，福建仙游人，工程硕士，工程师，主要从事火力发电厂集控运行值长工作。

中图分类号：TM621

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0039-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.009