火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能研究

陈 洪

（国能（泉州）热电有限公司，泉州 362800）

1 火力发电厂汽轮机驱动给水泵的简介和原理

火力发电厂主要是通过利用煤或者其他可燃物作为发电的动力燃料，再借助各种设备将燃料燃烧过程中所产生的热能进行一系列的转化，最终变为电能的工厂。火电厂生产过程中的能量转化形式为：通过加热水形成高温水蒸气将化学能转化成热能，再通过高温水蒸气膨胀产生的压力来带动小型汽轮机旋转，这一过程完成了热能转变成机械能的能量形式过渡，最后通过汽轮机转动带动发电机旋转完成机械能转变成电能。大型火力发电厂通常使用燃气轮机和蒸汽机作为化学能转热能的原动机，小型火电厂一般使用内燃机作为原动机，但其工作原理相同，都是由高温、高压的蒸气和燃气，并利用冷凝水或平透技术来降压发电。

在大容量和高参数的超临界机组中，依靠其可靠的安全性能够保证电站设备安全运行。然而，由于行业内对给水泵汽轮机的负荷适应性、自动化水平、安全性等方面有很高的要求，百万千瓦等级的汽轮机只有少数公司能够制造。给水泵汽轮机的工作情况与凝气设备、主机的热力系统和被驱动的给水泵有关。火电厂使用的汽轮机包括驱动给水泵的小型汽轮机在内，其作用都是为了将燃烧的热能转换为推动部件运行的机械能，所包含的组成部件有气缸、隔板、气阀、调节阀、轴承和转子等，其样式以凝气模式、背压模式和背压抽气模式这3种形式为主。

给水泵汽轮机指的是驱动给水泵部件的汽轮机，它与主汽轮机不同，但都是火电站热电循环系统的重要部件之一。然而，给水泵汽轮机与主汽轮机在工作要求上有着本质区别，给水泵汽轮机的任务主要是驱动给水泵，因此要确保锅炉的供水。给水泵汽轮机与主汽轮机相比，需要在工作中动态地改变功率、转速、参数等，在主汽轮机压缸抽气基础之上，将水蒸气排入冷凝器，这一过程发出的功率就是驱动给水泵的动力。给水泵实图如图1所示，汽轮机给水泵结构图如图2所示。

图1 给水泵实图

图2 汽轮机给水泵结构图

2 火力发电厂汽轮机的耗能影响因素

在火电厂中，给水泵汽轮机和主汽轮机都属于重要的发电运行设备。汽轮机的构成复杂，组成部件繁多，在实际的工作运行中容易受大量因素影响而使其耗损量大大增加。从整体上看，火力发电厂给水泵汽轮机的能源损耗因素主要为以下3点。第一，损耗意识因素。在汽轮机实际工作中，部分工作人员缺乏减少设备损耗的观念，不重视设备损耗的相关问题，不严格按照条文规范对汽轮机进行日常的组件维护、设备维修以及系统更新，同时缺少技术方面的引进与投入，从而使本就老旧的汽轮机在工作运行中的能耗问题愈发严重。这种情况一方面会导致多余能源的损耗，另一方面会使得给水泵汽轮机的工作效率大幅度降低，从而无法达到预期标准。第二，员工素质因素。部分相关工作人员缺乏全面观察汽轮机工作状态的意识，没有结合实际工作对汽轮机相关参数进行科学性的优化和调试，导致汽轮机运行时产生参数和负荷量不匹配的问题，使仪器部件经常高压运行，从而影响汽轮机日常的运行状态，同时也增大了能耗量，降低了火电厂整体的效益。另外，在日常运行中，汽轮机部件中的真空泵在高温环境下容易出现因温差变化导致凝汽器真空度超过阈值和热循环效率降低等问题，从而产生一些不必要的能耗。第三，硬件因素。任何机械装置进行频繁的启动和关机都会对其使用寿命造成影响，汽轮机也是如此，频繁开关机会影响该设备运行，且实际工作中过长时间的暖机也会有不必要的能耗产生，这些问题都会给工作人员带来诸多烦恼[1]。

3 给水泵的特点、基本原理和优点

除了发电设备机械原件和其他小型机械的除氧器这一部件外，都不属于混合加热设备。为了能满足作业的压力需求，要在进入锅炉前进行加压引导，这一环节使用的机械小部件就是给水泵。目前，世界上的给水泵器械主要分为两种，即电动和气动[2]。两者相比较而言，电动在操作上更加简单，便于调整，适用机组启动运行，但是其增加了火电厂的使用电量；气动具有低于3 000转的低转速特点，从而导致其难以调整，但是其开机运行阶段就可以使用辅汽，在减少火电厂用电量的同时，还具有更高的安全性、可靠性，更低的事故发生率，这些特点使得气动给水泵成为了当下我国最常使用的给水泵。此外，国内外因设备质量问题导致采用的参数不同，如国外常用1×100%bmcr的给水泵，而国内常用2×50% bmcr的给水泵[3]。

给水泵的基本原理为：在电厂锅炉容量宽裕和电力供应不足的情形下，先使用进入的新气推动给水泵，后将排出的高压水蒸气并入到外供热网中，以起到减少厂用电，降低主汽轮机外在供给抽气的损耗，同时增加额外的外供电量的作用。虽然这种方式有时并不节能，如在电负荷和外供热相同的情况下使用时，整体的能耗并未减少，但是火电厂的经济效益却会随着上网电量的增多而随之增长。

随着我国科技力量的不断进步，我国火电厂的机组部件容量整体呈不断上升的发展趋势，整体的汽轮机压力和给水容量也同样呈大幅度上涨趋势。因此，在这种环境下，应该采用更为安全可靠的汽轮机驱动给水泵。首先，采用给水泵驱动的方式可以有效提高进程，其原理是该汽轮机运行功率限制条件不多，能够切实保证给水泵使用大功率机组工作的要求。其次，在锅炉进行低负荷运行时，该汽轮机能够通过系统自动控制和人为调节两种方式来减少给水阀门的能量损失。再次，给水泵与汽轮机之间的链接方式为直接连接，通过该方法能够有效地减少转换作业时的能耗，明显增加热电能源利用率以及机组整体的工作效率。最后，给水泵驱动的汽轮机的核心技术是在主汽轮机的基础上通过中枢汽轮机的运作而进行抽气和冷凝处理，因此可以明显减少电厂在进行冷凝作业时的能耗问题，从而提升经济效益[4]。

4 节能分析

节能减排是当今时代的主题，火电厂的给水泵汽轮机正是切合这一主题所诞生的产物。从节能这一主题出发，该汽轮机的节能性主要体现在以下几个方面。

第一，在工作过程中，通过关闭出口阀门的方式，可有效减少冷水泵工作时因节流而造成的损失，从而减少内部热量流失。在汽轮机进行额定功率作业时，因为蒸汽机蒸汽出口的水蒸气以额定速度排出，所以转子的转速也是匀速的。使用这种汽轮机可以通过减少转子的速度来降低汽轮机整体的能源损耗，提高火电厂给水泵的能源利用效率[2]。

第二，在抽取和引用给水泵中的水时，汽轮机的设备部件功率可以经过人为调节和系统自动控制，来确保给水泵在额定的功率内作业。火电厂的汽轮机在运转作业过程中，在液态水到锅炉加热升温转变为气态水蒸气前，要先使用给水泵获取水，再将水引入到锅炉，由调节系统控制流速，汽轮机系统自动控制作业功率，从而在确保实现水的加热这一基本功能的同时，实现对热能的高效利用[2]。

第三，通过给水泵的改造来大幅度提升使用效率，根据在实际作业中水泵的水流量容积和速度来测定给水泵中的水流量，从而依照实时数据人为调整汽轮机的功率，使整体设备作业时更加高效。根据固定算法，相关工作人员也可以在实际测量前推演出一套模拟的数据，并通过将实际参数与模拟参数相比较，根据其中的参数差异对比数值来改造设备。由于系统疏漏而产生的电力能耗问题，也可以利用实际与模拟的参数差异比较的方法来制定相应措施，从而节约发电厂在发电作业时的电力资源，增加火电厂对能源的利用率。因此，只有把握好火电厂系统中给水泵驱动汽轮机的每一个环节，才能降低火电厂运营成本，提高经济效益，节约能耗资源，充分发挥出给水泵的超高运作效率[2]。

5 案例分析

目前，火力发电厂汽轮机驱动节水泵的节能改造已经成为必然趋势，这不但是我国节能降耗的基本要求，也是火力发电厂实现可持续发展的基础。如今我国各火力发电厂在汽轮机驱动节水泵的节能改造上已经有诸多成功案例，本文将结合某火力发电企业的节能改造实例进行具体分析。

5.1 某火力发电厂现有设备概况

该火力发电厂现有30 t·h-1循环流化床4台，另有5台230 kW的电动能源给水泵专门用来为这4台循环流化床锅炉供水，同时该厂在保证用户日常生产生活用热方面所采用的是2台6 000 kW的背压机组以及2台3 500 kW的背压供热机组。在以上设备全部投入使用后，该发电厂总体的用电量较以往上升17%。分析用电上升的具体原因可以发现，整套电动给水泵采用的是工频电机来进行间接性驱动，从而导致实际运转中根本无法调整给水泵的实际转速，使其即使在供热负荷降低时仍无法使管道内的给水压力趋于稳定，同时其能源使用量也无法降低，仍然维持在一个较高水平。基于此，该发电厂必须对以上设备实施节能改造，才能有效提高电能利用率，减少不必要的电能损耗，从而达到节能的目的。

5.2 实际改造方案

在对发电厂设备进行改造的过程中，该企业先针对现有影响设备节能的各方面因素进行了综合分析，然后制定出了合理的标准对其进行改进。经过经济性分析比对后，该发电厂共研究出3套节能改造方案。

第一，采用3台200 kW的电动给水泵以及1台200 kVA的进口变频器组合，以更好地控制频率，最终实现锅炉给水量与速度的有效调节，达到减少生产用电量的目的。这套节能改造方案所需的改造成本在30万元。

第二，将原有的3台电动驱动给水泵全部替换为220 kW的汽轮机驱动给水泵，一共需3台。同时，将替换下来的电动驱动给水泵进行相应的节能改装。这种替换新设备和旧设备的改装费用总计需成本25万元。

第三，从发电机组的整体运行方式入手进行节能改造，即将上述整套设备改装成2台400 kW的汽轮机驱动给水泵，其改装所需的费用总计约20万元。

从上述3套方案的改造成本看，第三套方案的预算最少，经过最终测算，第三套方案达到了预期的节能目标，因此该电厂采用了第三套改造方案。该方案实施后，该电厂以最少的成本投入达到了理想的节能目的，是一次较为成功的节能改造案例。

6 结语

火电厂使用的给水泵驱动汽轮机实现了水泵的实时变速调节，系统热电功能的直接转换，能够降低节流能耗损失，实现高压水蒸气的梯级利用，从而降低能耗，提升经济效益。根据实际案例分析，火力发电厂气动机驱动节水泵的节能改造能够帮助众多电力企业实现节能目标，提高其经济效益，所以此项工作的研究与开展已成为一种趋势。然而，在实际运行中，若相关操作人员没有节约能耗的意识，工作能力素质较低，硬件设备未能及时得到保养检修和系统更新，就会使给水泵驱动汽轮机的节能性大打折扣，甚至低于一般的汽轮机。因此，在日常的工作中，应加强工作人员相关能耗意识和自身能力的学习和培养，重视汽轮机的日常保养和更新。