直接空冷汽轮机主轴驱动给水泵方案探讨

罗方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐晓康

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）



直接空冷汽轮机主轴驱动给水泵方案探讨

罗方，史宣平，唐清舟，王松，郭勇，徐晓康

（东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

摘要：随着节能减排技术的发展，给水泵配置方案的重要性日益显现。文章主要介绍了国外给水泵由汽轮机主轴直接驱动的方案，并分析对比该方案与目前国内所普遍采用的电机驱动及小汽机驱动方案的优缺点。探讨给水泵主轴驱动在大功率直接空冷机组中的应用方案，以供同类机组设计参考。

关键词：给水泵，主轴驱动，直接空冷机组，驱动方案

1　给水泵主要驱动方案的比较

目前国内汽轮发电机组的给水泵驱动方式主要有电机驱动及小汽机驱动2种。早期的大型空冷机组多采用了电机驱动给水泵方案，由于电泵能耗巨大，消耗的厂用电率可达到机组额定发电功率的3%～4%。由于对上网电量的影响，目前执行的工程已较少采用。采用小汽机驱动给水泵方案的直接空冷机组，通常都为小汽机配置了单独的凝汽器和冷却塔，采用湿冷方式或者采用间冷方式。由于环境保护的压力，新建空冷发电工程的水耗指标被日益压缩，直接空冷机组目前已有一些工程采用了小汽机排汽直接排入大机排汽装置的方式。采用小机直排方案时，与小汽机单设凝汽器方案相比，虽然具有系统配置简化、工程造价降低、水耗指标也能较好控制的优点，但是小汽机的背压需考虑到排汽管道的压损，比大机背压更高，而且易受到大机背压变化的影响。与湿冷小汽机相比，空冷小汽机采用直排方案时，夏季工况至设计工况的背压变化范围更大；通常直接空冷机组都要求夏季满发，此时小汽机出力最大；直排方案的空冷小汽机，为满足给水量调节的要求，设流设计裕量往往偏大，导致全年大部分时间运行偏离设计工况，使得整个汽轮发电机组系统运行经济性不高。对于大功率直接空冷机组，给水泵采用主轴直接驱动，可很好地避免上述方案的不足之处。

2　汽机主轴驱动给水泵方案简介

汽轮机主轴驱动给水泵的方案，就是在运转层机头侧由汽轮机主轴通过联轴器、齿轮箱、调速传动装置带动给水泵运行。主轴通过齿形联轴器或膜片式联轴器与齿轮箱连接，通过齿轮箱将转速由3 000 r/h减速至1 500 r/h。齿轮箱与给水泵间设置调速装置，调节转速满足给水泵运行要求。给水泵配置可选择2台50%容量或1台100%容量。当配置2台50%容量给水泵时，通过齿轮箱将汽机主轴功率分别传至2个给水泵。从1960年代到1970年代，欧州国家的许多电厂采用了汽轮机主轴驱动给水泵的方案。调速装置通常选用带行星齿轮耦合器的“调速之星”，该装置含液力变速耦合器、液力变矩器、制动装置、固定行星轮和旋转行星轮，完全可满足给水泵转速调节范围的要求。主轴驱动方案与电机驱动方案相比，省去了高压厂用变压器、电动机等环节，系统简单可靠，厂用电率与汽泵方式相当。与小汽机驱动方案相比，在节能节水、简化给水泵系统、优化厂房布置、降低工程造价等方面都有一定的优势。因给水泵所需功率来自大汽轮机，且其功率传递为机械传动，所以效率更高；而且机组在低负荷下运行时，不存在大汽轮机供小机抽汽压力低而需要切换汽源的问题，系统运行更平稳可靠。对大功率机组而言，汽机主轴驱动给水泵方案是一种理想的选择，如图1所示。

图1　汽轮机主轴驱动给水泵方案图

3　采用主轴驱动给水泵方案时汽机设计的主要变化

图2　给水泵主轴驱动汽机总体结构布置

由于汽机机头侧连接给水泵及传动装置，故需在汽机设计时取消轴驱主油泵及机械式危急遮断器等部件，前轴承箱结构也需相应改进。汽机与齿轮箱间的联轴器选择，需考虑机组启停膨胀时将出现的较大轴向位移以及少量的中心线偏移，联轴器需具备位移补偿功能，因而选择齿形联轴器较为适宜。借助齿形联轴器较强的轴向膨胀吸收能力，滑销系统可沿用常规机组的成熟设计方案。汽机主轴驱动给水泵方案对轴系稳定性是否存在不利影响，是决定该方案可靠性的关键因素。因而要求联轴器及“调速之星”在传递功率的同时，应能保证两端设备的冲击和振动不相互传递；确保在极端工况下，某一设备故障不致于通过轴系传递而破坏其他设备。以东方超临界350 MW为分析对象，调速之星选择德国VOITH 的RW14-13 F8型号，给水泵选择某匹配型号；通过轴系的初步连算分析来看，临界转速和扭振频率均能满足相关规范的要求，该方案基本可行。考虑到主机泵传动路线的复杂性，以后还需对该方案的建模及计算方法进行深入的研究，以便得到更为精确的判断。

给水泵主轴驱动汽机总体结构布置如图2所示。

4　主轴驱动给水泵方案对汽机经济性影响的分析

汽机主轴驱动给水泵方案与小汽机驱动方案相比，原来从大汽轮机抽出驱动小汽机的这部分蒸汽量继续在主机中膨胀做功。对热力系统的影响主要有2个方面：（1）原来小汽机抽汽这部分工质在主机中膨胀做功，大机的通流效率较高，故系统的经济性应有所提高；（2）大机低压缸排汽流量增大约10%，对主机的经济性及末叶选型有一定的影响。针对这两点变化，以超临界350 MW某直接空冷机组为例，假设了相应的工程边界条件，对主轴驱动给水泵方案经济性作了如下简要分析。

目前给水泵驱动小汽机实际运行效率约为80%～81%，对小机直排方案，其蒸汽流量约为61 t/h；采用主轴驱动方案后，这部分工质继续在大机中膨胀做功，其膨胀效率约为89%～90%，远远高于小机效率。考虑汽机主轴与给水泵之间的传动效率约93.4%，则此部分工质的当量膨胀效率约为83.1%～84.1%，仍然略高于小汽机效率。经计算，采用汽机主轴驱动给水泵方案后，从工质膨胀效率提高角度来看，整机热耗将下降约9～10 kJ/kW·h；当小汽机效率每升高1%时，对应热耗降低约3 kJ/kW·h。由于驱动小汽机的抽汽继续在大汽轮机通流中做功，导致大机排汽流量增大约10%。末叶的排汽环形速度上升，致使排汽损失增大、低压缸效率降低，对机组热耗产生不利影响。但是采用该方案后，部分负荷工况、高背压工况以及供热机组的抽汽工况下，由于流量的增加机组热耗又可得到明显改善。因此，对于该部分流量对机组经济性影响，需结合具体工程条件，如是否供热、年平均负荷率、背压及末叶选择等进行综合分析。

5　结论

汽机主轴驱动给水泵方案作为1种经运行验证的成熟方案，具有简化给水泵系统配置、运行可靠方便、降低常用电率、节约用水等优势，在降低机组热耗方面也有一定的潜力。综合考虑，该方案在大功率直接空冷机组及空冷供热机组中有着广泛的应用前景。

参考文献

［1］赵恩婵，刘利，俞保国.300 MW直接空冷机组给水泵配置及其汽轮机排汽冷却方案探究［J］.热力发电，2010，39（12）: 65-67.

［2］赵红斌，杨德荣，冯宇亮，等.直接空冷机组给水泵配置方案［J］.发电技术，2012，34（1）:70-74.

［3］邓成刚，范永春，张鹏.660 MW超超临界燃煤机组给水泵配置选型分析［J］.发电技术，2012，33（3）:56-59.

Scheme Discussion of Direct Air Cooling Turbine Main Shaft Drive Feed Water Pump

Luo Fang，Shi Xuanping，Tang Qingzhou，Wang Song，Guo Yong，Xu Xiaokang
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:With the development of energy saving and emission reduction technology，the configuration scheme of the feed water pump becomes more important.This paper mainly introduces the scheme that the feed water pump is directly driven by the turbine main shaft in abroad，analyzes advantages and disadvantage of the motor driving and small turbine driving schemes which are usually used in China.The scheme of feed water pump main shaft driving which applys to high-power direct air cooling unit is discussed，and pro⁃vides a reference for similar units design.

Key words:feed water pump，main shaft drive，direct air cooling turbine，drive scheme

中图分类号：TK14

文献标识码：A

文章编号：1674-9987（2016）02-0014-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.004

作者简介：罗方（1982-），男，本科，2003年毕业于西安交通大学能动学院，现从事汽轮机设计工作。