空冷机组给水泵分析

1、空冷机组给水泵配置分析1 概述我国已经投产十余台 300MW 、 8台 600MW 直接空冷机组。近年还会有多台大 型空冷机组投产。 大型空冷电站技术在我国还是一项新技术, 许多技术问题值得 进行深入的研究。 如:给水泵配置对主机通流能力和满发背压比较、 机组热效率、 设备可靠性和灵活性等方面带来的影响, 及其技术经济比较等, 是值得研究的问 题之一。2 湿冷机组给水泵配置方案2.1 给水泵配置方式与主机的关系300MW 级湿冷机组,给水泵驱动方式有汽动和电动两种型式。这两种方式的优劣取决于两个主要因素, 即采用不同的驱动方式会影响到机 组的净出力、 对工程初投资的影响及运行维护的差异等。 欧

2、洲国家倾向采用电动 方式, 他们认为给水泵汽轮机 (简称小汽机 的内效率几乎等于电能传递效率和 主机低压缸内效率的的乘积(即两者净出力相当 ,考虑电动方式系统简单投资 省, 故得以推荐。 而美、 日、 俄认为小汽机的内效率大于电能传递效率和主机低 压缸内效率的的乘积(即汽动方式的净出力大于电动方式 ,故认为汽泵优于电 泵。在我国, 由于主机引进美国技术而大多采用汽泵方式, 对于一些来自欧州技 术的机组则采用电泵方式(如岳阳、江油、沙角 C 工程等 。可见, 给水泵的配置与主机设计密切相关, 关键是小汽机内效率、 电能传递 效率和主机低压缸内效率的比较, 确定给水泵配置时一定要结合主机型式, 考

3、虑 低压缸效率的变化。2.2 国内外电厂给水泵配置的主要方式300MW 机组:2×50%汽动泵+50%电动泵3×50%电动调速泵2×50%汽动泵+30%电动泵100%汽动泵+30%电动泵600MW 机组:2×50%汽动泵 +1×30%电动调速泵3×50%电动调速泵1000MW 机组:2×50%汽动泵 +1×30%电动调速泵。大型机组的给水泵采用电动调速泵还是汽动泵,国内外的研究一般认为: 300MW 以下容量机组采用电动调速泵, 300MW 以上容量机组采用汽动泵经济效益 比较明显; 300MW 机组采用电动泵与汽

4、动泵方式相比经济效益差别不大,应根据 工程的具体情况,结合主机选型结果,通过综合经济分析合理选择。3 空冷机组给水泵选型的技术问题3.1 空冷机组汽动给水泵冷却方式分析空冷汽轮机背压高, 且变化幅度大, 这是空冷机组的主要特点。 若采用汽动 泵, 首先应讨论小汽机的冷却方式, 对于直接空冷机组, 汽动给水泵的冷却方式 主要有:直接空冷、独立的湿冷或者间接空冷三种方式。1 直接空冷小汽机的可行性空冷机组采用汽泵,若小汽机排汽直接进入空冷系统,则小汽机也是高背 压、变背压的汽轮机。给水泵汽轮机运行在高转速、大范围的变转速、变进汽 参数等不利条件下,使得给水泵汽轮机的设计难度加大。由于空冷系统对气温

5、和风速、风向的敏感性增强,使主机正常运行背压变 化范围大,则要求小汽轮机调速系统具有较宽的调速范围、稳定灵活的调速特 性。在非正常工况,不利风向的风速引起背压突升的瞬变过程中,小机调速系 统要满足维持给水泵所需功率的变化要求,可能扩大整机瞬态过程的不安全性。 在夏季,由于主机背压高,要维持一定的功率,则主机需加大进汽量,而 小汽轮机为维持给水泵所需的功率,也须加大进汽量,出现了小机与大机争夺 汽量的问题,且增加了对空冷装置容量的要求。目前,国外空冷机组全部采用电动泵方式,就连主张采用汽泵的美国空冷 机组也是全部采用电动泵。给水泵小汽机排汽进入主机空冷系统,系统简单,可降低工程造价,并能消除热力

6、循环中由此产生的过冷度。小汽机采用直接空冷方式从理论上是可行的,关键是目前国内外尚无配套 600MW 容量空冷机组小汽机的应用业绩和运行经验,在工程中使用要慎重。 2 间接空冷小汽机的可行性当主机采用间接空冷系统时, 给水泵采用间接空冷小汽机是可行的, 小汽机 排汽可直接排入主机凝汽器。采用间接空冷小汽机配置方式可使小汽机设计难度有所降低, 但问题依然存 在,只是程度不同。某在建的直接空冷机组工程,给水泵小汽机设置一套独立的间接空冷系统。 混凝式、表凝式间接空冷和直接空冷三种空冷系统在工程设计、设备制造、 安装调试和运行检修各方面有不同的技术特点。 同一台机组上采用两种不同的空 冷系统,使本已

7、复杂的系统更趋复杂,增加电厂运行的难度,初投资也要增加。 3 独立湿冷小汽机的可行性如果汽动给水泵采用独立的湿冷小汽机系统,对于 600MW 机组,相当于每台 机组增加两台 12MW 汽轮机系统。自带湿冷凝汽器的汽泵方式, 绕开了设计空冷小汽机的难题, 理论上、 实际 运行中都是可行的。 在水源条件允许的情况下, 小汽机与辅机冷却系统合并设计, 可使电厂辅助冷却系统相对简化。采用独立湿冷小汽机, 需要增设小机凝汽器及独立的真空系统、 循环冷却水 系统、 凝结水系统等, 并加大辅机循环水泵。 因为小机和主机背压不同, 而小汽 机凝结水需接入主机凝结水系统, 使主机热力循环的过冷度增大, 对采用独

8、立湿 冷小汽机是个不利的因素。经济比较:小汽机间接空冷的费用最高,小汽机独立湿冷居中,小汽机直 接空冷的费用最低。3.2 对汽轮机主机通流、渡夏能力及铭牌出力的影响国内 300MW 、 600MW 湿冷汽轮机是按照汽动泵设计的,如果采用电动泵,机 组通流量大约有 3%-4%的裕度,在空冷机组开发时已经利用这个通流裕度,为了 减少夏季不满发小时数,要求汽轮机厂适当加大通流能力。当空冷机组采用汽动泵时, 汽轮机通流裕度减少 3%-4%。 在 TRL (汽机能力 工况进汽量相同时,汽轮机满发背压降低,机组夏季不满发小时数将增加;在TRL 工况背压相同时,汽轮机进汽量需要加大,汽轮机 VWO 进汽量加

9、大,会引起 锅炉和主要辅机的加大,使之与 THA (汽机考核工况偏离更大,使机组热效率 降低。采用电泵, 有利于增加主汽轮机末级流量, 改善其高背压下的小容积流量工 况的性能;采用汽泵,则对主机不利。根据空冷机组机炉电匹配探讨的原则,空冷机组是参照湿冷机组,按 TRL 工况确定机组铭牌功率。湿冷机组铭牌功率已经扣除给水泵功率,而空冷机 组的铭牌功率未扣除给水泵功率。 当空冷机组采用汽泵方式时, 自然扣除给水泵 功率, 使机组铭牌功率有所减小, 但由于厂用电率减小, 机组实际可调的上网输 出功率并不减小。从汽轮机通流和性能的角度, 如果采用汽泵方式, 宜按照保持主机满发背压 不变, 铭牌进汽量适

10、当加大, 但 VWO 不再加大的原则进行。 这样存在通流裕度偏 小的问题。3.3 低压缸效率的影响给水泵配置方式的选择与主机的设计密切相关, 其中低压缸效率是非常重要 一个方面。 目前我国的空冷汽轮机是按照电泵设计的, 如果采用汽泵方式汽轮机 汽缸效率将发生变化。3.4 电网调度对给水泵配置的影响根据空冷机组机炉电匹配探讨的原则,空冷机组是参照湿冷机组,按 TRL 确定机组铭牌功率,这是对空冷机组铭牌功率的简单标定。应按照空冷机组 的特点,根据不同气温确定机组可调功率。在国外, 调度与电厂是合同关系, 签订上网合同时, 会结合空冷机组的特点, 规定气温低多发电, 气温高少发电。 如马廷巴等电厂

11、是按照全年总电量进行考核 和调度, 一般将大修都要安排在最热的季节。 这样才是充分考虑了空冷机组的特 点,可发挥其整体效益。根据空冷机组机炉电匹配、 铭牌功率标定的原则, 空冷机组的铭牌功率未扣 除给水泵功率, 使厂用电较大。 然而, 当前我国电网的调度特点是按照发电机端 的输出功率进行调度, 当发电功率相同时, 采用汽泵比采用电泵的可比输出功率 要大, 由此可增加上网电量提高电厂的经济效益。 这是部分业主希望采用汽泵的 主要出发点。目前我国空冷机组还是少数, 近两年华北地区高温季节用电负荷紧张, 电网 要求多发电, 而此时空冷机组的发电能力又受到限制。 因此, 电网会提出苛刻的 要求,要求空

12、冷机组的不满发小时数越小越好,这从经济角度显然是不合理的。 当采用汽泵时,可利用的通流裕度减少,将使夏季不满发的矛盾加剧。空冷机组的合理调度问题与给水泵的配置是相关的。 从我国目前的客观情况 分析,近期内还无法实现电网按电厂性能进行合理调度。4 300MW空冷机组给水泵配置4.1 300MW空冷机组以采用电泵方式为宜空冷机组采用电泵, 给水系统与主机排汽系统是两个独立的系统, 不受主机 背压变化的影响,系统简单,运行的可靠性较高。根据某工程设计条件, 采用最小年费用法, 按照经济使用年限 25年、 20年、 15年分别进行计算, 20年两方案年费用基本持平, 25年汽泵方案优于电泵方案, 而

13、15年电泵方案优于汽泵方案。 在投资回收期内电泵方案优于汽泵方案。 因此,300MW 空冷机组,以采用电动泵方式为宜。4.2 当采用汽泵方式时选用独立的小汽机湿冷系统300MW 空冷机组,采用独立小汽机的汽动给水泵配置,从技术上分析是可行 的, 成熟可靠的。 从经济上分析也是可行的, 因为汽泵方式在经济比较时与电泵 方式基本相当, 应根据具体工程的设计条件、 水价、 负荷模式、 主机特点等进行 详细的技术经济比较后确定。当选择汽泵时, 采用独立的湿冷小汽机, 可避开空冷小汽机带来的技术问题, 保证机组的可靠性。应按照主机技术特点, 充分考虑汽轮机通流能力和低压缸效率的影响。 因为 小机和主机背

14、压不同, 而小汽机凝结水必须接入主机凝结水系统, 必然使主机热 力循环的过冷度增大。 因此, 过冷度增大对采用独立湿冷小汽机是个不利的因素。 5 600MW空冷机组给水泵配置情况分析对于 600MW 空冷机组给水泵配置, 大火规推荐采用电泵方案。随着空冷 机组的增加,在一些工程中已经采用了汽动给水泵的配置方式。5.1 汽泵方案国内外 600MW 空冷机组给水泵组主要有 3×50%电动调速泵和 2×50%汽动泵 +1×30%电动调速泵两种配置方式。 在汽泵方案中小汽机排汽进入大机排汽装置有两种方式， 第一种方式是小机 设置单独的湿冷凝汽器，目前在亚临界空冷机组上已有

15、投运工程；第二种方式是 小机排汽通过排汽装置直接进入大机空冷凝汽器冷却， 这种冷却方式从技术上是 可行的，但目前尚无应用实绩。 5.2 经济得益 按照假定的负荷模式（100%3500 小时、75%2000 小时、50%2000 小时） ，根 据汽轮机热平衡计算，对汽泵和电泵在不同负荷下热平衡进行了初步的比较，按 照电泵扣除给水泵功率、 汽泵扣除辅机功率增量的原则，汽泵方式两台机组每年 汽泵方式两台机组每年 kWh。 可增加输出电量 2200 万 kWh。 备用电泵由 50%改为 30%，高压厂用电电压可由 10KV 改为 6KV,两台机组电 气部分可节约投资约 1200 万元。 5.3 汽轮机

16、铭牌功率 为减少夏季不满发小时数， 国内 600MW 空冷汽轮机适当加大了通流能力， VWO 工况可达到 2070t/h-2080t/h。 在 TRL 工况下，如果汽泵方式与电泵方式的汽轮机进汽量相同时，汽泵方式 与电泵方式相比，汽轮机满发背压下降 6kPa-8kPa。在相同的气象条件下，如果 直接空冷系统的 ITD 不变,则汽轮机的不满发小时数将增加。 5.4 采用汽泵带来的影响 1 初投资增加 经过对汽泵和电泵两方案不同的部分进行初步比较， 按辅机冷却水与小机循 环冷却水合并采用湿冷方案计算费用， 汽泵方案比电泵方案两台机组大约增加投 资 2000 万元。若电厂水源为水质较差的水（如中水等

17、） ，则辅机冷却水与小机循 环冷却水宜分开供水，否则小机凝汽器需采用较好的材料（如钛管等） ，会使汽 泵方案的投资增加很多。 2 全厂耗水量增加 采用汽泵方案，由于选用湿冷小汽机，使电厂耗水量增加，经过初步计算两 台机组耗水量增加 220-280t/h，每年需要增加耗水量大约 168 万吨。按每吨 2 元计算，大约每年增加运行费用 336 万元。 3 土建方面 由于湿冷小汽机循环水管道需要布置在排汽装置下方， 会使汽轮机底板标高 下降，可能会造成主厂房基础下降，在主厂房布置时应予以重视。 1000MW级空冷机组给水泵配置探讨 6 1000MW级空冷机组给水泵配置探讨 1000MW 湿冷机组通常

18、采用汽动给水泵。 在 600MW 等级空冷机组设计中，通常采用电动给水泵，近期已经在空冷机组 上成功地采用汽动给水泵 （湿冷小机） 配置方式， 取得了初步的设计经验。 1000MW 级空冷机组，对于汽动或者电动给水泵配置方式定性分析如下： 1 随着机组容量的增大，参数提高，主机的中、低压缸及小机的内效率提 高， 主机输出的净功率增加， 而电动给水泵消耗功率占输出净功率比率随之增大， 因而采用汽动给水泵带来的经济效益随之提高。因此，600MW 及以上容量机组， 采用汽动给水泵作为运行给水泵是可行的。 2 1000MW 级空冷机组可借鉴 1000MW 湿冷机组和 600MW 空冷机组的成功经 验，

19、宜采用汽动给水泵配置方式。当采用湿冷小机，设计背压与常规湿冷机组相 当时，使机组经济性略优于电泵驱动方式，初步计算汽泵方式较电泵方式热耗率 可降低约 20kJ/kW.h。 3 1000MW 机组给水泵轴功率约 40000kW，单台 50%电泵的电动机功率约 20000kW，电动机和液力偶合器的制造存在一定困难，厂用供电系统电流过大， 电压等级也较高，对于高压厂用电系统从技术上不尽合理。且由于变压器特殊订 货，短路电流增大等，技术上会有一定风险，尤其是 3×50电动泵实现启动较 困难。 4 若给水泵小机采用空冷的方案（小机排气接入大机空冷系统） ，空冷小机 受到外界坏境的变化，变化幅度

20、剧烈和频繁，运行条件恶劣，对末级叶片的要求 很高，设计难度较大，目前很难找到成熟机型，会影响到整套机组的可靠性。 鉴于上述原因，1000MW 级空冷机组应根据工程设计条件、水价、负荷模式、 主机特点等进行详细的技术经济比较后确定汽动给水泵配置和冷却方式， 目前初 步推荐采用 2×50%独立湿冷小机驱动的汽泵30%电动调速启动给水泵方案。 7 结论与建议 300MW、600MW 空冷机组给水泵的配置，应按照主机技术特点，充分考虑汽 轮机通流能力和低压缸效率的影响，可选用 3×50%电动调速给水泵方式。这样 可以简化系统，提高机组的运行灵活性和设备可靠性，减少工程初投资，改善主

21、 厂房布置条件，减少运行管理人员及费用。 600MW 空冷机组，经技术经济比较，可考虑优先采用汽动给水泵配置方式。 当选择汽泵时，有水源条件的可采用独立的湿冷小汽机，还应根据工程设计 条件、水价、负荷模式、主机特点等进行详细的技术经济比较后确定。 附： 中国电力工程顾问集团公司于 2007 年 1 月 1 组织召开了空冷机组工况定义 技术研讨会。认为： 空冷机组目前沿用了湿冷机组的工况定义原则和方法，在一定程度上不 能反应空冷机组运行背压变幅大的特点，对空冷机组的安全经济运行十分不利。 目前，国内执行的汽轮机标准有国际标准 IEC45-1991、电力行业标准 DL/T892-2004，国家标准 GB5578-2006 正在报批过程中。对空冷机组，现阶段建 议采用国际标准 IEC45-1991，一方面有利于标准和国际接轨，另一方面有利于 空冷机组安全经济运行。 空冷机组的铭牌出力建议标识两个参数，即设计背压对应的功率/夏季 背压对应的功率,以便发挥空冷机组在低背压下的潜能。 会议建议与全国汽轮机标准化委员会协商，在国家标准 GB5578 中进一 步落实空冷机组的工况定义原则和方法。