大容量空冷机组主汽轮机同轴驱动给水泵方式研究

1、大容量空冷机组主汽轮机同轴驱动给水泵方式研究中国电力工程顾问集团东北电力设计院二一一年十月 北京大容量空冷机组主汽轮机同轴驱动给水泵方式研究批准：郭晓克审核：崔占忠校核：孙 丰编制：石志奎 穆江宁中国电力工程顾问集团东北电力设计院2011年10月 北京目 录1概述12直接空冷机组给水泵常规驱动方式22.1国内外600MW和1000MW等级直接空冷机组现状22.2给水泵电动驱动方式配置及特点22.3给水泵汽动驱动方式配置及特点53主汽轮机同轴驱动给水泵方式73.1技术方案83.2给水泵同轴驱动方式的设备配置方案113.3给水泵同轴驱动方式的主机改造方案123.4给水泵传动装置及调速装置配置方案1

2、73.5主机热经济性213.6设备布置方案253.7主汽轮机同轴驱动方式的特点264控制和电气系统方案274.1控制系统274.2电气系统315给水泵同轴、电动和汽泵驱动方式技术经济比较325.1技术经济比较的设定条件325.2主厂房布置方案比较325.3初投资比较405.4运行经济性比较（按相同的汽机进汽量）435.5运行经济性比较（按相同的汽机发电功率）475.6各方案的年费用比较526结论557附图55大容量空冷机组主汽轮机同轴驱动给水泵方式研究1 概述近年来我国许多大型空冷机组相继投产，空冷机组因其卓越的节水性能而倍受青睐。通辽国产化示范项目大容量、高参数的600MW亚临界直接空冷机组

3、2007建成（2008年并网），我国首台超临界直接空冷机组华能上安电厂三期2×600MW机组2008投入运行，世界首台超超临界空冷发电机组华电宁夏灵武二期2×1000MW机组已经于2008年开工建设，2010年12月28日华电宁夏灵武发电有限公司二期（2×1000MW）工程#3机组圆满通过168小时满负荷性能考核试验。百万千瓦级超超临界空冷机组在宁夏正式投产，展示了我国在百万千瓦空冷机组设计方面的技术领先优势，大容量超（超）临界空冷机组已经成为现在空冷机组的发展方向。锅炉给水泵是机组重要辅机设备之一，对于600MW和1000MW的超（超）临界直接空冷机组，已投运及

4、在建的机组大多采用了系统简单并对空冷机组运行影响甚小的电动调速给水泵，部分电厂则采用了汽动给水泵配置。当采用电动给水泵配置时，其电泵消耗的厂用电将达到机组额定发电功率的34，能耗巨大；当采用汽动泵配置时，因主机背压受外部条件的影响变化幅度大，给水泵汽轮机多单独设置空冷凝汽设备，系统复杂、投资较大。故研究开发新型的给水泵驱动方式来降低厂用电、简化给水泵系统、减少相关设备初投资已成为发展大容量超（超）临界直接空冷机组的重要研究课题之一，本报告主要介绍一种新型的给水泵驱动方式：给水泵与主汽轮机同轴驱动。2 直接空冷机组给水泵常规驱动方式2.1 国内外600MW和1000MW等级直接空冷机组现状目前，

5、国内外运行的600MW及1000MW等级直接空冷机组的给水泵驱动方式为电动驱动或小汽机驱动，因直接空冷机组的运行特点，其中600MW等级直接空冷机组基本均按电动泵设计，华电宁夏灵武1000MW直接空冷机组考虑到电动泵的容量及调速装置的选型及在现有电网调度原则下降低厂用电率，选择了小汽机驱动配独立间冷凝汽器。国外已经投运的十几台600MW亚临界直接空冷机组，全部采用3台50%容量电动给水泵方案，如马廷巴、肯达尔、怀渥达克电厂等。国内建设及投运的600MW亚临界直接空冷机组，基本也都采用3台50%容量电动给水泵方案，如漳山二期、漳泽、榆社、古交、大同二厂、正蓝、运城、武乡、通辽二期、霍林河、大板等

6、。国内的超临界600MW直接空冷机组首台投运机组华能上安电厂5、6号机已建成投运，其余的项目也将陆续投运，如浦城660MW超临界直接空冷机组、白城660MW超临界直接空冷机组、鄂温克600MW超临界直接空冷机组等，其给水泵均采用电动给水泵组。2.2 给水泵电动驱动方式配置及特点2.2.1 1000MW机组电动给水泵主要配置形式其电动给水泵方案的配置按电泵的容量可以分以下4种配置：1) 3×50容量，2运1备；2) 2×50容量，不设备用；3) 3×35容量，不设备用；4) 4×25容量，不设备用。2.2.2 600MW机组电动给水泵主要配置形式其电动给水

7、泵方案的配置按电泵的容量可以分以下3种配置：1) 3×50容量，2运1备；2) 2×50容量，不设备用；3) 3×35容量，不设备用。2.2.3 推荐的配置600MW亚临界机组的50容量的单台电动给水泵的电机容量已超过10000kW（霍林河为11000kW、漳山二期为11000kW），对于660MW级超临界机组 ，给水压头增加至30MPa，相对于亚临界的22MPa增加了约35，当采用3×35%BMCR容量电泵时，单泵电机容量也达到11000kW，和亚临界2×50%配置的电机容量相当。对于1000MW级超超临界机组，由于给水压头增加至33MPa，

8、相对于亚临界的22MPa增加了约45，当采用2×50配置时，给水泵轴功率将达22000kW 左右。配套电机功率将达24000kW；当采用3×35配置时，给水泵轴功率将达15200kW左右。配套电机功率将达17000kW；当采用4×25配置时，给水泵轴功率将达11000kW左右，配套电机功率将达12200kW。故从设备情况及运行经济性考虑，1000MW直接空冷机组给水泵电泵方推荐按4×25容量，不设备用；600MW空冷机组电动给水泵推荐按3×35容量，不设备用。2.2.4 相关系统设备配置表2-1 2×1000MW超超临界直接空冷机组电

9、动给水泵系统配置表序号设备名称规范数量备注1电动给水泵3520mH2O，860t/h8每台25BMCR容量2集中供油装置润滑油及工作油冷却器83电动给水泵前置泵140mH2O，860t/h84给水泵驱动电机12000kW85行星齿轮传动机构12000kW8进口表2-2 2×600MW超临界直接空冷机组电动给水泵系统配置表序号设备名称规范数量备注1电动给水泵3385mH2O，761t/h635BMCR容量2集中供油装置润滑油及工作油冷却器63电动给水泵前置泵88.6mH2O，780t/h64给水泵驱动电机10300kW6 5液力耦合器10300kW6进口2.2.5 电动给水泵方案特点1

10、) 系统较简单，运行操作方便可靠；2) 维护工作量较少，但其检修高度受中间层高的限制，在布置设计时应充分考虑；3) 单台电动机容量大于10000kW，厂用电要增加34%。高压厂用电系统必须提高至10kV，增加了相关设备投资；4) 电泵方案的厂房布置，因无小汽机及相关附属设备，在汽机中心线至B排的横向尺寸上相较汽泵方案可缩短1米，汽机房尺寸小。2.3 给水泵汽动驱动方式配置及特点2.3.1 1000MW机组汽动给水泵主要配置形式1) 1×100容量汽动给水泵+1×25容量启动电动给水泵 ；2) 2×50容量汽动给水泵+1×25容量启动电动给水泵；3) 1&

11、#215;100容量汽动给水泵，不设启动电动给水泵；4) 2×50容量汽动给水泵 ，不设启动电动给水泵。2.3.2 600MW机组汽动给水泵主要配置形式1) 1×100容量汽动给水泵+1×25容量启动电动给水泵 ；2) 2×50容量汽动给水泵+1×25容量启动电动给水泵；3) 1×100容量汽动给水泵，不设启动电动给水泵；4) 2×50容量汽动给水泵 ，不设启动电动给水泵2.3.3 推荐的配置从目前国内外投运和正在设计的600MW及1000MW等级超（超）临界湿冷机组来看，这几种配置均有采纳。但对于空冷机组，600MW等级直

12、接空冷机组基本采用的为电泵系统，采用汽泵的机组极少；1000MW等级直接空冷机组，华电宁夏灵武二期工程从降低厂用电率考虑，最终采用汽泵方案，小汽机采用独立的间接空冷凝汽器及冷却塔。考虑到600MW及1000MW等级机组在区域电网中的重要作用，故推荐汽动给水系统采用2台50汽动给水泵的配置方案。启动电动给水泵组鉴于汽动泵较高的运行安全系数，从减小厂用电压等级及节省初投资的角度考虑，可采用定速的只有起动及事故备用的电动泵，而不考虑运行备用。空冷机组配2×50%BMCR容量小汽机，就其小汽机的凝汽器形式主要有两种方案：1) 小汽机配置独立的小凝汽器，外设冷却塔及相关设备，湿冷凝汽器年耗水量

13、较大，故从节水角度考虑，小汽机配置的独立凝汽器考虑采用间冷凝汽器+空冷冷却塔；2) 将小汽机排汽直接排入大机空冷凝汽器，节省相关的设备投资。对于600MW超临界及以上等级的机组，锅炉形式为直流炉，在给水调节上对小汽机的要求更高，难以适应主机空冷背压随环境条件剧烈变化的运行工况。 故推荐600MW及1000MW超（超超）临界空冷机组的汽泵方案为：2×50%汽泵（配间冷凝汽器+空冷冷却塔）+25启动事故备用定速电动泵。2.3.4 相关系统设备配置表2-3 2×1000MW超超临界直接空冷机组汽动给水泵方案配置表序号设备名称规范数量备注1给水泵汽轮机单轴、单缸、反动式、纯冷凝42

14、汽动给水泵3520mH2O，1710t/h450BMCR容量3集中供油装置润滑油及工作油冷却器44汽动给水泵前置泵140mH2O，1710t/h4 泵驱动电机950KW45小机凝汽器冷却面积：3400m24 6小机机械真空泵75kW47小机凝结水泵25kW，210 m3/h，25mH2O4 8电动给水泵组1610mH2O，860m3/h，5200kW225容量，定速泵9空冷冷却塔总散热面积532780m21供小汽机10循环水泵Q=4400m3/h，H=25m，N=280kW4供小汽机表2-4 2×600MW超临界直接空冷机组汽动给水泵方案配置表序号设备名称规范数量备注1给水泵汽轮机单

15、轴、单缸、反动式、纯冷凝42汽动给水泵3355mH2O，1140/h450BMCR容量3集中供油装置润滑油及工作油冷却器44汽动给水泵前置泵140mH2O，1160t/h4 泵驱动电机580kW45小机凝汽器 冷却面积：3000m246小机机械真空泵75kW47小机凝结水泵30kW，140 m3/h，50mH2O48电动给水泵组1010mH2O，650m3/h，2200kW230BMCR容量9空冷冷却塔 总散热面积351636m21供小汽机10循环水泵Q=2900m3/h，H=25m，N=280kW4供小汽机2.3.5 汽动给水泵方案特点1) 此方案排除了主机背压变化对小汽机的影响，但对汽泵系

16、统而言，与常规湿冷机组相同，运行成熟可靠；2) 以中电联发布的2008年300 MW以上机组给水泵运行可靠性指标看，汽泵的非计划停运率为0.22，电泵为0.71，汽泵的运行可靠性相对较高。但给水泵汽轮机相关系统较复杂，需要增加独立间冷小凝汽器、空冷冷却塔、真空泵、循环泵、凝结水泵等相关设备，增加了部分厂用电率，较大的设备初投资，且运行操作复杂，维护工作量较多；3) 较低的厂用电率，可多供电。3 主汽轮机同轴驱动给水泵方式600MW及1000MW超（超）临界直接空冷机组常规的汽动与电动驱动方式各有其优缺点，电动泵方式虽总体经济技术效益较汽动为好，但其驱动电机高达34的厂用电率减少了电厂的对外供电

17、。而汽动驱动方式初投资大，虽多供电但总体经济效益较电泵差，且系统复杂，检修维护工作量较多。从提高机组热经济性及节省初投资的角度考虑，我们引入一种新型的给水泵驱动方式，即与主机同轴驱动的给水泵驱动方式。采用此种给水泵驱动方式，在减少厂用电的同时，可简化系统、减少设备初投资并提高机组热经济性，此方案的可行性及经济性将在下面做详细论述。3.1 技术方案主汽轮机同轴驱动方式，就是在运转层汽轮机机头侧，由汽机主轴通过连轴器、齿轮箱、调速装置等传动装置带动给水泵运行，调速装置推荐采用调速之星。连轴器可采用膜盘联轴器，与主机连接属于刚性连接，但不同于简单的刚性联轴器，它不是对主汽轮机主轴的延伸，联轴器以后的

18、轴系可以不计入汽轮机主轴临界转速校核。该连轴器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。此种配置可配备1×100容量的给水泵或2×50%容量的给水泵，当配置2台50容量给水泵时，通过齿轮箱将一个汽机主轴做功分传至两个给水泵主轴。当配置1×100%给水泵也推荐采用独立齿轮箱，调速之星的选型要求输入转速在15002000转之间，更高的输入转速造成转子叶尖线速度过高，对材质要有更高的要求以保证设计使用寿命，故推荐配置独立齿轮箱。下图为主机驱动2×50%配置给水泵的布置示意图，从左至右依次是主汽轮机、连轴器、分轴齿轮箱、调速之星（Vorec

19、on）、给水泵。图3-1 主汽轮机同轴驱动2×50%配置给水泵示意图基于这一方案的电厂在国外已经有超过三十年的安全运行经验。国外不同的用户选择这一方案所基于的技术和经济背景与我们国家目前的情况不尽相同，但这一技术方案本身是切实可行的可靠方案。类似的方案在电厂以外的其他行业也有不少应用，从不同角度验证了这一方案的技术可行性。下表为采用主汽轮机同轴驱动方式的一些电厂列表：表3-1 采用主汽轮机同轴驱动方式电厂年份数量驱动机械功率(kW)转速(rpm)电厂国家19631锅炉给水泵30153000HEW HafenGermany19634锅炉给水泵41202920La Spezia,Ital

20、ia19651锅炉给水泵93402923ChivassoItaly19678锅炉给水泵78805270Hibernia-Scholven,Germany1968 4锅炉给水泵88006116München-SüdGermany19756锅炉给水泵219904904Buer-Scholven,Germany19823锅炉给水泵53703503Pepco-Dickerson,USA19831锅炉给水泵61305094FKW-BuerGermany1985 2锅炉给水泵171505905HLP, Robinson StationUSA1994 2锅炉给水泵17003097HKW-

21、Leuna 2000Germany下图为1975年投产的德国 Scholven电厂600MW机组给水泵驱动部分的现场照片，两台给水泵的设计最大过载轴功率21990KW，设计转速4904转/分钟。图3-2 德国 Scholven电厂600MW机组给水泵驱动部分照片Scholven电厂为1975年投产，已经有超过三十年的安全运行经验。该机组现为日调峰机组，即朝启夜停。德国政府最近十年兴建了大量风力发电机组，为了推广使用风电，当地政府强制大型火电厂在夜间深度调峰，夜间供电以风电为主。因此，这台600MW机组从八年前开始至今，每天都做一次深度调峰，迄今主机泵系统经历了无数次大范围调节的严酷考验，迄今非

22、常安全可靠。运行三十多年没有因同轴调速机构原因停机。下面是给水系统配置情况。表3-2 主汽轮机同轴驱动给水泵系统配置序号设备名称数量形式及型号参数1传动齿轮箱1G-173/2传输功率：17000kW进/出转速：3000/3450 r/min2调速机构2R 111 KGS传输功率：12415kW进/出转速：3450/4900 r/min3主给水泵2主机同轴驱动2×50%扬程：28.9MPa，流量：1210t/h转速：4900r/min4减速机2H 16702传输功率：408kW进/出转速：4900/1575 r/min5主给水泵前置泵2主泵同轴驱动YNKn 500/350扬程：175m

23、H2O，流量：1125t/h转速：1575 r/min6启动电动给水泵组2 2×25%布置在机头前零米3.2 给水泵同轴驱动方式的设备配置方案3.2.1 1000MW等级直接空冷机组主机同轴驱动方式，可配置1×100%容量或2×50%容量两种形式，从运行安全及相关设备配置的角度考虑，推荐采用2×50%给水泵的设备配置（1台机组）。表3-3 1000MW机组2×50%给水泵的设备配置（1台机组）序号设备名称规范数量备注1给水泵及配套设施3520mH2O，1710t/h2每台50容量2分端输出齿轮箱48000kW13给水前置泵140mH2O，171

24、0t/h24行星齿轮传动机构24000kW25启动电动给水泵组1610mH2O，860m3/h，5200kW125容量，定速泵注明：当除氧器高位布置，且汽蚀余量足够时，也可采用同轴布置的给水前置泵。3.2.2 600MW等级直接空冷机组表3-4 600MW 机组2×50%给水泵的设备配置（1台机组）序号设备名称规范数量备注1给水泵及配套设施3355mH2O，1140/h2每台50容量2分端输出齿轮箱31000kW13给水前置泵140mH2O，1140t/h24行星齿轮传动机构15500kW25启动电动给水泵组1010mH2O，650m3/h，2200kW130容量，定速泵注明：当除氧

25、器高位布置，且汽蚀预量足够时，也可采用同轴布置的给水前置泵。3.3 给水泵同轴驱动方式的主机改造方案3.3.1 主机与给水泵同轴连接方式如前图所示，主机高压主轴通过分轴齿轮箱（给水泵2×50%配置）或减速齿轮箱（给水泵1×100%配置），与给水泵系统相连接，将给水泵驱动所需功率通过联轴器传至给水泵系统，而常规设置在主机轴端的同轴主油泵是通过小轴与高压主轴相连接的，因此取消了常规汽轮机前端的小轴及相应的同轴主油泵， 为了简化前箱中的部套，取消了离心式主油泵而采用外置式的电动主油泵；在1轴承外侧设置了可以传递较大扭矩的接长轴，接长轴通过螺栓与主轴连接，在这个接长轴上安装机械保安

26、装置危急遮断器，如下图所示。由于主油泵外置，1000MW汽轮机前轴承箱的轴向尺寸可以缩短约700mm。图3-3 主油泵外置前箱结构示意图图3-4 汽轮机前箱原结构示意图3.3.2 膜盘联轴器高压主轴与位于汽轮机前轴承箱外侧的齿轮箱输入端之间的联轴器不同于常规的刚性联轴器。由于与主汽轮机轴头联接，联轴器除了能够传递足够大的扭矩这一最基本的功能之外，需要考虑到两方面安全问题，一方面，采用主机泵方案的轴系长度较长，理论上由于安装或者膨胀等原因，有可能出现较大的轴向窜动量或者中心线偏离；另一方面，轴系中位于联轴器两端的设备的冲击和振动不应互相传递，以确保极端状况下，某一设备的故障不至于通过轴系传递，破

27、环其他设备。考虑到上述要求，此处采用双膜盘的膜盘联轴器，如下图。图3-5 膜盘联轴器示意图膜盘联轴器的核心部分为特殊材质的铁饼状的空腔膜盘，由于采用特殊材质设计，空腔膜盘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，这一特殊性能确保联轴器能彻底吸收轴系的冲击振动和中心线偏离。这样就使汽轮机主轴与同轴驱动的一系列设备成为两个单独的刚性轴系，从而保证了汽轮机轴系振动特性及振动独立性。同时，根据不同项目的具体情况，可以选择在同一联轴器上采用单膜盘或者双膜盘。一般来说，采用纯齿形联轴器比单膜盘的联轴器成本略低，单膜盘联轴器比双膜盘的联轴器成本略低。 实际采用主机同轴驱动给水

28、泵方式的德国夏文电厂（scholven PP）采用的是齿形联轴器。齿形联轴器具有结构简单成本低，同时吸收轴向膨胀能力非常强的优势。但在对夏文电厂的现场考察过程中，电厂的技术人员反映齿形联轴器吸收冲击振动的表现一般，虽然迄今没有出现过事故，但由于整个轴系长度很大，对安装和转子对中的要求极高。图3-6 齿形联轴器示意图膜盘联轴器的国内类似应用可以参考宁波北仑电厂，北仑电厂1000MW机组引风机通过改造，将原有的电机驱动改为小汽机驱动，其中为了降低小汽机转速，在小汽机与引风机之间使用了一套齿轮箱将小汽机转速降低到引风机适宜的转速。在该设计方案中，联接汽轮机与引风机的联轴器采用的膜盘联轴器 。哈汽厂经

29、过强度核算，汽轮机高压转子前端部联轴器切应力满足机组安全运行要求。3.3.3 保安系统由于保留了机械超速保护的危急遮断器，从而避免采用电超速保护，充分保证了保安系统的安全性。3.3.4 电动主油泵系统汽轮机高压转子前端由于连接分轴齿轮箱的联轴器，从而取消了主油泵小轴，因此油系统采用电动主油泵系统。电动主油泵系统同主轴驱动主轴泵系统比，其特点主要表现在：1) 系统效率高：电动主油泵系统采用电动机直接驱动油泵，其效率在50%以上，而主轴驱动主油泵系统是同汽轮机驱动主油泵，再带动射油器或油涡轮，其综合效率只有15%左右；2) 系统简化：电机驱动油泵直接向轴承等供油，取消汽机前箱中的主油泵及进出油管道

30、、取消了射油器或油涡轮及相应的复杂管道；3) 减少投资：系统取消了前箱主油泵、射油器或油涡轮及大量管道，汽机前箱缩短，机组轴向尺寸减小；4) 减小噪音：由于电动主油泵中没有射油器，大大减小了噪音；5) 维护方便：电动主油泵系统中，一般采用一备一用，可以实现泵的在线维护；6) 运行方便：电动主油泵的运行不受汽机转速的限制，可以随时启、停。润滑油升压后经冷油器后进入轴承。采用这种方式的润滑油系统，电泵出口压力都比较高，一般在0.5MPa以上，系统加入了调压装置。压力油经过压力调节后满足轴承的进油压力（0.1MPa左右）的需要。其提高泵出口压力的目的是为了有利于事故工况备用泵的切换，使切换过程中轴承

31、进油压力不至于低到机组跳闸的值。图7-13的系统采用双交流双直流油泵的配置方式，增加了一只压力调节阀，使系统得到了简化。图7-14为另一种压力调节式润滑油系统，润滑油在进入机组每一个轴承前分别进行压力调节。它采用的双交流润滑油泵加一直流事故油泵，同样润滑油由交流润滑油泵升压，经过冷油器、过滤器、减压阀后进入轴承，系统很简洁。 3.4 给水泵传动装置及调速装置配置方案3.4.1 齿轮箱对于给水泵2×50%配置时，主汽轮机主轴通过分轴齿轮箱的转接，分别连接驱动两台给水泵，同时降低输入给水泵调速系统的转速；当给水泵1×100%配置时，齿轮箱只起到降低输入给水泵调速系统的转速的作用

32、。齿轮箱将主汽轮机转子的转速从恒定的3000rpm降低到1500rpm左右。从给水泵的调速装置(调速之星)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。 分轴齿轮箱主要由一根输入轴和两根输出轴构成，根据布置的需要，有可能还需要两根传递轴以获得合理的输出轴中心距。从传递形式上属于平行轴齿轮箱，但箱体内可能需要多达五根传动轴，属于多轴齿轮箱。考虑到传递功率较高，对于660MW机组大约24MW，对于1000MW机

33、组，传递功率将近40MW，一方面需要采用双斜齿的设计以传递大功率并平衡轴向推力，另一方面需要合理的齿面设计以保证通过五根轴的传递仍保证较高的传递效率。福伊特多轴齿轮箱有大量应用于高功率的业绩，并能确保经过多轴传递仍保证传递效率不低于96.5%。图3-7 多轴齿轮箱外形照片3.4.2 调速设备采用主机同轴驱动给水泵方式，给水泵常规设置为2×50%或1×100%，对于1000MW机组，给水泵功率将分别达20000kW和40000kW，在此传输功率的等级上，液力耦合器不能选型，调速装置推荐采用调速之星。调速之星调速装置具有以下几方面的特点：1) 调速之星采用电液执行机构（VEHS

34、），相比传统电动执行机构，具有调速精度高，响应时间快等优势。采用电液执行机构（VEHS）的调速装置从静止到满转速之间为5秒，并且转速调节精度高达0.1%； 2) 当两台主机驱动给水泵中一台在线运行，另一台停机检修的情况下，调速装置需要让给水泵平稳的降到零转速，否则无法确保给水泵正常检修吊装过程的安全。传统调速型液力偶合器本身无法满足这一安全要求，因为即便将液力偶合器工作腔室内的工作油完全排空，也会由于泵轮和涡轮之间鼓风的作用，给水泵仍会有一个较低的转速。而调速之星具有液力刹车功能，首先排空调速之星工作油，然后通过液力刹车将给水泵转速完全降低到零转速，方便用户安全的检修给水泵。调速之星内部结构图

35、参见下图。图3-8 调速之星内部结构图3) 调速装置的输入轴和输出轴应尽可能保持同一条中心线。一方面照顾轴系布置，尽可能与汽轮机中心线对称，以减少轴系水平方向的推力；另一方面，主机泵方案下，两套泵组平行布置，泵组之间的距离受到齿轮箱两根输出轴之间轴距的限制，空间比较紧凑，对于600MW超临界机组，如果选择传统液力偶合器调速，两台泵组之间的空档在200毫米左右，实际运行当中由于操作空间过小，不具备现场检修和观察就地控制面板的条件。 采用了调速之星的布置图上可以看到，齿轮箱两输出轴中心距为3300mm，两套泵组之间距离大于600mm，具备比较充裕的检修操作空间，参见附图；图3-9 齿轮箱与调速之星

36、组合布置图4) 调速装置在低负荷下具备较高的传动效率。液力偶合器在泵组70%负荷时传动效率大约84%左右，而调速之星效率为95%左右，当负荷进一步下降到50%的时候，传统液力偶合器效率下降到74%左右，而调速之星的效率仍维持在92%左右。对于功率20000kW以上的锅炉给水泵来说，节能效果是非常明显的。调速之星和液力偶合器的效率曲线见附图。图3-10 调速之星和液力偶合器的效率曲线目前国内投产的调速之星最大功率为30MW，用于沈阳鼓风机厂压缩机试验台。电厂用户包括华电蒲城电厂2×660MW超临界直接空冷机组和中广核台山核电站2×1600MW机组等，都是用于锅炉给水泵的调速驱

37、动。 其中华电蒲城电厂2×660MW电厂投产的四台调速之星（型号RWE14F8）已经连续安全运行超过两年，各项监测指标均优于设计要求，用户对设备的可靠性和节能效果均非常满意。3.5 主机热经济性汽轮机厂热平衡计算是按下式计算汽轮发电机组的热耗率q：汽轮发电机热耗率q kJ/kWh式中：Wt 主蒸汽流量kg/hWr 再热蒸汽流量kg/hHt 主汽门入口主蒸汽焓kJ/kgHr 经再热器的蒸汽焓差kJ/kgHf 最终给水焓kJ/kgKWg 发电机终端输出功率kW 当采用静态励磁、电动主油泵时各项所消耗的功率我们可以将热耗率理解为： q式中：q汽轮机净热耗率kJ/kW.h；NG发电机端功率k

38、W，NG =kWg-kWi ；B锅炉效率；TU管道效率；QH锅炉燃煤发热量kJ/h。QHBTU = Wt（Ht-Hf）+Wr（Hr）对于电泵方案，与汽泵方案（同轴给水泵方案属于特殊的汽泵方案）比较热耗率时占有明显优势，因为给水泵电动机的耗功是由厂用电供给的，它所多消耗的燃煤发热量没有计入锅炉燃煤发热量QH，或者发电机端功率NG没有扣除给水泵电动机的耗功Ng。为三种方案热耗率比较公平起见，电泵方案热耗率公式中的发电机端功率NG应扣除给水泵电动机的耗功Ng并折算到发电机端。即： q q 其中 Ng为给水泵电动机折算到发电机端的耗功。Ng=给水泵电动机耗功/t/M/e 电动机效率：M=0.98；变压

39、器及输电效率：t=0.99； 发电机效率：e=0.98。以上q即是电泵方案的可比热耗率。3.5.1 按相同进汽量比较热耗率采用同轴驱动方式给水泵的主机热耗好于采用汽动泵方式的主机热耗率，也好于采用采用电泵方式的主机可比热耗率；在相同TMCR进汽量下三种方式的汽机发电功率按给水泵驱动方式分别为电泵方式、同轴驱动给水泵方式、汽泵方式的顺序排列，此处以机组TMCR下发电功率为机组铭牌功率。1）1000MW等级机组TMCR工况热平衡主要数据表3-5 1000MW机组TMCR工况热平衡主要数据序号项目单位同轴驱动给水泵电动给水泵汽动给水泵1汽机进汽量t/h2962296229622汽机热耗kJ/kW.h

40、7586.67394.5(7632.3)76313发电功率kW103190710587081026609* 带（）的是q，为电泵方案的可比热耗率。从上表可以看出，电泵方案可比热耗和汽泵方案汽机热耗非常接近，汽泵方案比电泵方案仅低1.3kJ/kW.h。同轴方案最低，比汽泵方案低44.4 kJ/kW.h，其热经济性最好。2）600MW等级机组TMCR工况热平衡主要数据表3-6 600MW等级机组TMCR工况热平衡主要数据序号项目单位同轴给水泵电动给水泵汽动给水泵1汽机进汽量t/h1919.391919.391919.392汽机热耗kJ/kW.h7975.67759.6(8027.2)8011.13

41、发电功率kW642254.9660134.4640435.8* 带（）的是q，为电泵方案的可比热耗率。从上表可以看出，电泵方案可比热耗和汽泵方案汽机热耗比较接近，汽泵方案比电泵方案低16.1kJ/kW.h。同轴方案最低，比汽泵方案低35.5 kJ/kW.h，其热经济性最好。3.5.2 按相同发电功率比较热耗率采用同轴驱动方式给水泵的主机热耗好于采用汽动泵方式的主机热耗，也好于采用采用电泵方式的主机可比热耗率。1）1000MW等级机组THA工况热平衡主要数据表3-7 1000MW等级机组THA工况热平衡主要数据序号项目单位同轴给水泵电动给水泵汽动给水泵1汽机进汽量t/h2851.792765.5

42、62869.52发电功率kW1000015 10000001000000 3汽机热耗kJ/kW.h 7595.37410.6(7646)*7638.5* 带（）的是q，为电泵方案的可比热耗率。从上表可以看出，电泵方案可比热耗和汽泵方案汽机热耗比较接近，汽泵方案比电泵方案低7.5 kJ/kW.h。同轴方案最低，比汽泵方案低43.2 kJ/kW.h，其热经济性最好。2）600MW等级机组THA工况热平衡主要数据表3-8 600MW等级机组THA工况热平衡主要数据序号项目单位同轴给水泵电动给水泵汽动给水泵1汽机进汽量t/h1751.371718.61774.262汽机热耗kJ/kW.h7918.37

43、795(8037.7)*8015.53发电功率kW600003.6600006.4600004.8* 带（）的是q，为电泵方案的可比热耗率。从上表可以看出，汽泵方案比电泵方案要好些，比电泵方案低22.2 kJ/kW.h。同轴方案最低，比汽泵方案低97.2 kJ/kW.h，其热经济性最好。3.6 设备布置方案主汽轮机同轴驱动方式的给水泵布置在运转层，其前置泵及启动电动给水泵布置在除氧间零米。1000MW空冷机组主机同轴驱动给水泵方式，机组运转层的布置示意图如下： 图3-11 1000MW机组主机同轴驱动给水泵运转层布置示意图如图所示，汽机机座在机头侧增加1跨布置2台给水泵，机头侧中间层及零米布置

44、的主汽、再热、冷段、开、闭式式水等管道的布置将受到影响，可在常规布置的基础上进行调整，汽机房纵向长度增加1跨10米。汽机房跨度与电动泵方案相同，较汽动泵方案缩短1米。600MW空冷机组主机同轴驱动给水泵方式，运转层的布置示意图如下：图3-12 600MW机组主机同轴驱动给水泵运转层布置示意图如图所示，汽机机座在机头侧增加1跨布置2台给水泵，机头侧中间层及零米布置的主汽、再热、冷段、开、闭式式水等管道的布置将受到影响，可在常规布置的基础上进行调整。主厂房纵向长度可不变。汽机房跨度与电动泵方案相同，较汽动泵方案缩短1.5米。3.7 主汽轮机同轴驱动方式的特点如上论述，主轴驱动给水泵方式同常规汽动和

45、电泵方式相比较，具有如下特点：1) 给水泵由汽机主轴驱动，无电动给水泵方式的较大厂用电消耗，厂用电率和采用汽泵方式相当；2) 全部蒸汽通过主汽机做功，保证了较高的做功效率，汽机热耗低于汽泵方案，同样低于电泵方案的可比热耗率；3) 负荷调节灵活。主汽机保持3000转不变，通过调速之星来调节给水泵转速，调节范围较宽，简单灵活；4) 厂用电等级可采用6kV，与汽泵方案相同。而电泵方案需要配10kV的主变压器；5) 和汽动泵系统比较，同轴驱动方式系统简单，维护工作量小；6) 此方案相当于将小汽机的蒸汽流量并入主汽轮机低压缸，改善了主汽轮机低负荷下的热经济性。相应提高了机组的实际运行的热效率。4 控制和

46、电气系统方案4.1 控制系统4.1.1 可控性分析目前600MW等级的直接空冷机组给水系统成熟的方案主要由电泵方案（3×35%电泵）、汽泵加电泵方案（2×50%汽泵+1×25%电泵）、主机同轴泵加电泵方案组成（2×50%同轴泵+1×25%电泵）；1000MW等级的空冷机组给水系统成熟的方案主要由电泵加汽泵方案（2×50%汽泵+1×25%电泵）、电泵加同轴泵方案（2×50%同轴泵+1×25%电泵）组成。其中同轴泵方案在国外发达国家早有应用，而国内目前还没有运行案例。给水控制的目的对于汽包炉，是维持汽包水位在

47、正常范围内；对于直流锅炉，启动阶段的控制目的是维持汽水分离器水位在正常范围内，负荷大于定值后保证经修正后的“煤水比”。下面对1000MW机组给水泵配置方案的控制方式做以简单介绍。a）电泵方案的控制方式（4×25%电泵）1）启动阶段，单台给水泵定速运行，调节给水管道上的调节阀开度。实现汽包水位单冲量控制或分离器液位控制。2）正常运行阶段，四台电泵同时运行，通过调节给水泵转速，实现汽包水位三冲量控制或保证“煤水比”。当并泵时，应保持运行电泵的自动运行，手动启将要启动的电泵，逐渐升高给水泵转速，同时检查原运行电泵的转速应同时降低，以便维持汽包水位或汽水分离器水位正常，当泵之间的转速差小于某

48、一定值时，将该电泵置于自动，完成并泵。当停运一并列运行的泵时，应将准备停运的泵手动逐渐降低转速，并打开再循环门，延迟一段时间后便可以停运。b）电泵加汽泵方案（1×启动/备用电泵+2×50%汽泵）的控制方式1）启动阶段，直流炉与汽包炉相似，启动备用给水泵启动后，初期以最低转速运行，给水以再循环返回除氧器水箱。如机组负荷上升，水泵出口调节阀根据汽包或启动分离器水位信号，对给水量进行控制。当负荷继续上升，可加大给水泵转速，并由调节阀改为给水泵转速调节，来控制给水量。当机组负荷升到X时启动两台汽动给水泵前置泵，投入最小流量再循环自动。手操启动第一台汽动给水泵，并投入最小流量再循环自

49、动。给水泵启动初期给水以再循环方式运行。给水泵由手动或自动升速。进一步增加汽动给水泵的转速，启动备用给水泵的转速即随汽包或启动分离器水位控制而自动下降。到最低转速（或设定转速）时，出口调节阀开始关闭，开度到某一定值时该阀切换到手动操作。汽动给水泵转速调节切换到自动。当机组负荷增加时，汽动给水泵转速随给水调节而自动升速。这时启动备用给水泵继续运行，直到第二台汽动给水泵启动为止。在机组继续升负荷到约40负荷时，手动操作启动第二台汽动给水泵。当转速超过可以与运行给水泵分担负荷的转速时，运行给水泵转速自动降低,当两台汽动给水泵转速相等时，第二台给水泵切换到自动调节。这时，启动备用给水泵出口调节阀慢慢手

50、动关闭，直至水泵停止运行。2）正常运行阶段，给水系统按照汽轮机和锅炉确定的不同负荷工况下运行。给水流量按机炉控制系统要求对给水泵汽轮机转速进行控制。此时启动备用给水泵处于自动备用状态。c）电泵加同轴泵方案（1×25%电泵+2×50%同轴泵）的控制方式1）启动阶段，启动备用给水泵启动后，以定速运行，给水以再循环返回除氧器水箱。如机组负荷上升，水泵出口调节阀根据汽包或启动分离器水位信号，对给水量进行控制。当机组负荷升到X时，手操启动第一台同轴泵，并投入最小流量再循环自动。同轴泵通过调速之星升速，进一步增加同轴泵的转速，启动备用给水泵的转速即随汽包或启动分离器水位控制而自动下降，

51、到最低转速（或设定转速）时，出口调节阀开始关闭，开度到某一定值时该阀切换到手动操作。当机组负荷增加时，同轴泵转速随给水调节而自动升速。这时启动备用给水泵继续运行，直到第二台同轴泵启动为止。在机组继续升负荷到约Y负荷时，手操启动第二台同轴泵，并投入最小流量再循环自动。同轴泵通过调速之星升速，当两台同轴泵转速相等时，第二台同轴泵切换到自动调节。这时，启动备用给水泵出口调节阀慢慢手动关闭，直至水泵停止运行。2）正常运行阶段，给水系统按照汽轮机和锅炉确定的不同负荷工况下运行。给水流量按机炉控制系统要求对同轴泵转速进行控制。此时启动备用给水泵处于自动备用状态。3）当汽轮机事故跳机或甩负荷时，同轴给水泵则

52、应立即停止运行，此时要求备用泵应立即启动，确保锅炉上水及运行要求，因此要求该启动备用泵应具有快启功能。对于同轴给水泵方案，目前国外已有很多成功运行的机组，国内尚无运行经验，因此在控制方面还需要做更进一步深入的研究。4.1.2 监控范围电动给水泵方案：电动给水泵系统的监控信息首先包含泵组及电机本体的金属温度、振动、转速、水温、油温、水压，其次包括液力耦合器系统的工作油/润滑油温度、压力监控以及勺管控制，其控制主体及人机界面为单元机组的分散控制系统（DCS）。汽动给水泵方案：汽动给水泵系统的监控信息除了包含了泵组本体的常规监测点以外，主要包括给水泵汽机系统的监控，如汽机本体蒸汽温度/压力、金属温度

53、、EH 油/润滑油温度/压力监控、转速控制、机械量监控（轴位移、偏心、振动、转速）。给水泵汽机系统的监控主体是由给水泵汽机厂配套提供的控制系统（MEH）和汽机检测系统（MTSI），而MEH 作为DCS 的一个子功能站早已是很成熟的技术，所以此方案的监控主体和人机界面仍为单元机组的分散控制系统（DCS）。由于小汽机排汽采用间接空冷方案，除了以上提到的监控范围外，还应包含给水泵汽轮机凝汽器及其抽真空系统、凝结水泵系统、冷却塔的监控。同轴给水泵方案：同轴给水泵系统的监控信息首先包含泵组的金属温度、振动、转速、水温、油温、水压，其次包括分轴齿轮箱和调速之星系统的工作油/润滑油温度、压力监控，其控制主体

54、及人机界面为单元机组的分散控制系统（DCS），而调速之星本身的保护系统随设备本体供货。综上所述，采用汽泵方案，监控范围和监控点数要大于电泵方案和同轴给水泵方案，控制系统也要复杂一些，但考虑到MEH/ MTSI均由给水泵汽机厂成套提供，技术经济比较时可以算在给水泵汽轮机的成本中，所以就控制系统的造价而言，三个方案没有太大的区别。4.2 电气系统对 1000MW 超超临界机组，当采用电动给水泵方案时，4 台25%的电动给水泵一般单台容量在9400kW。其厂用电率在9.5%左右。由于电动给水泵容量较大，厂用高压变压器容量和起动/备用变容量相应较大，厂用高压变压器若采用两台分裂变，其容量将达到70/4

55、5-45MVA，若每台机采用一台起/备变，起/备变容量将达70/45-45MVA 。若高压厂用电电压采用6kV，开关设备的额定电流、开断水平等均不满足要求。电动机起动时母线压降也无法保证。此时高压厂用电电压需采用10kV 才可满足要求。若给水泵汽轮机采用间冷方案或主机驱动同轴给水泵方案，此时备用电动给水泵的容量为5520kW，其厂用电率在6.5%左右。高压厂用变可选用两台容量为50/31.5-31.5MVA 的变压器，起/备变可选用两台同容量的变压器。高压厂用电电压可采用6kV。小结：1）由上述分析可知，无论采用何种给水泵驱动方式，电控设备及系统均可满足其安全运行的要求；2）对于控制系统，电动给水泵方案和同轴给水泵方案的监控范围均小于汽动给水泵方案；3）电动给水泵方案需采用10kV 高压厂用电，汽动给水泵方案和同轴给水泵方案均可采用6kV高压厂用电。5 给水泵同轴、电动和汽泵驱动方式技术经济比较5.1 技术经济比较的设定条件按两种方式进行各方案的技术经济比较，比较的设定条件如下：a）按相同的汽机进汽量情况1） 按照新的空冷机组工况定义，3个方案所配套的锅炉额定蒸发量相同，汽机TMCR工况为铭牌工况，其出力为机组铭