大型供热式机组给水泵配置方式的探讨

2022-09-12

目前国内已经运行的单机容量300MW等级、亚临界、中间再热供热抽汽凝汽式机组在国内的实例较少、运行的时间较短, 积累的系统设计、运行技术和经验还不够成熟。给水泵作为热电联产的重要辅机, 其配置方式不但影响到热力系统的安全性及经济性, 而且不同的配置方式对电厂的投资影响较大, 不同配置所带来的布置上的变化也会导致土建、管道材料、电缆等投资上的变化。因此, 根据供热机组的特点, 有必要对给水泵组的选择提出比选方案, 定性和定量地分析和比较, 最终达到系统优化的目的。

国内外的研究结果一般认为300MW机组可做为给水泵选择的分水岭, 300MW以下机组采用电动给水泵, 300MW以上采用汽动给水泵, 而300MW机组采用电动给水泵方案与采用汽动给水泵方案国内外电厂各种配置方式都有。本文根据供热机组的特点, 对给水泵组配置方式的优化选择进行比较和选择。

1 给水泵配置方案

单元制给水泵的选择和配置原则应该是:保证给水系统运行安全可靠、节省投资、运行经济、便于调节、增加供电。

根据《火力发电厂设计技术规程》 (DL5000-2000) 中的要求并结合现在国内电厂的实际配置情况, 现国内300MW机组常规的给水泵配置方案 (单元方案) 如下。

(1) “2×50%容量的汽动给水泵 (运行泵) +1×30%容量的电动调速给水泵 (启动/备用泵) ”方案。

由于电动调速给水泵在系统中只作为启动和备用泵, 为减小高压配电容量, 近几年设计和投产的常规纯凝式机组常采用此方案。

(2) “3×50%容量的电动调速给水泵 (2台运行泵+1台备用泵) ”方案。

此方案的厂用电率最高, 适合应用于下述几种条件下的机组: (1) 汽机回热系统及发电机裕量适合于采用电动给水泵; (2) 采用空冷机组时; (3) 抽汽供热机组为增加供热能力时。

2 采用汽动给水泵方案与电动给水泵方案技术经济比较

2.1 投资比较

(1) 2×50%容量的汽动给水泵 (运行泵) +1×30%容量的电动调速给水泵 (启动/备用泵) 方案的组合型式, 该方案的设备配置如下 (见表1) :

(2) 3×50%容量的电动调速给水泵 (2台运行泵+1台备用泵) 方案的组合型式, 该方案的设备规范如下 (见表2) 。

注:若考虑采用3台电泵而压缩的主厂房容积和其它土建费用, 则节省投资更多。

2.2 热经济性比较

给水泵驱动方式的选择主要取决于热经济性的高低。从国际上看, 以英、法、德、意等为代表的西欧国家, 倾向于采用电动方式。原因是:他们生产的小汽机内效率几乎相等于电能传递效率和主机低压缸内效率的乘积, 电动驱动方式的综合投资要比汽动驱动低得多, 故得以推荐。而美、日、前苏联则认为他们生产的小汽机内效率高, 并大于电能传递效率和主机低压缸内效率的乘积, 故认为汽动驱动方式优于电动驱动方式。我国由于引进美国技术而多采用小汽机驱动方案。实际上, 由于国产小汽机的内效率较主机低压缸内效率低得多, 其经济性需作进一步论证。在条件相同的情况下, 如果汽动方式的抽汽量所对应的相对效率高于不抽汽时这部分抽汽量在主机中继续作功时的效率, 则表明汽动方式经济性高, 反之, 则电动方式经济性高。

以某引进型300MW机组主机额定负荷时为例:

(1) 当采用汽动泵时, 相对效率为:

η汽泵=ηip×ηie×α=82%×98%×87.7%=70.5%

式中ηip为小汽机内效率, 82%;

ηie为小汽机机械效率, 98%;

α=hex/Hex=707/806.5=87.7%;

hex为蒸汽从小汽机入口至排汽口的焓降, 为3144.2-2437.2=707;

Hex为抽汽口至主机排汽口的焓降, 为3144.2-2338.6=805.6

(2) 当采用电动泵时, 相对效率为:

η电泵=ηi×ηg×ηt×ηm×ηv×ηfe×ηe=90.1%×99%×98%×97%×96%×95%×97%=75%

式中ηi为主机低压缸内效率90.1%;

ηg为发电机效率99%;

ηt为变压器及输电效率98%;

ηm为电动机效率97%;

ηv为升速齿轮效率96%;

ηfe为液力耦合器效率95%;

ηe为发电机组机械效率97%。

显然, 采用电动方式较汽动方式效率高, 热经济性要好, 而且为了简化分析, 忽略了许多影响汽动泵方式经济性的因素, 如小汽机蒸汽管道压力损失及散热损失对效率的影响等。如详尽考虑, 汽泵方式更为不利。

2.3 热力系统比较

汽泵方案中给水泵原动机虽是小汽机, 但要求的辅助系统是齐全的, 如进汽、排汽、润滑、疏水、汽封等管路, 阀门齐全, 而且为了启动及低负荷运行, 需要另供一路高压蒸汽, 以及启动或检修后的调试用汽, 故阀门切换复杂。小汽机的排汽通常与主机排汽合用一个凝汽器, 排汽管相当庞大, 占用空间, 需配备大口径的真空蝶阀, 由于小汽机排汽系统与主机的冷凝系统连通, 增加了真空系统严密性的难度, 容易在运行中造成真空严密性的故障, 波及主机的安全、经济运行。汽泵方案系统复杂, 并需较大的设备基础。占用空间多, 还要另设电动机驱动的前置泵。

电泵方案只要配6kV电动机开关柜及相应电缆, 设备布置在0m层, 节省空间, 热力系统简单得多, 操作及其快捷和方便检修工作量也少。而汽动泵方案也要一套电动泵作为备用, 同样要开关柜和电缆。

2.4 可靠性比较

由于给水泵汽轮机系统复杂, 运行中易出现设备和控制方面的缺陷、故障甚至事故的可能性也就相应增加, 而电动给水泵因系统简单、操作方便, 设备可靠性高, 加以启动快, 运行中很少发生故障。考虑到供热电厂需要对外供汽, 而用汽企业对蒸汽的稳定性要求很高, 一旦发生断汽的情况, 将对用汽企业造成很大的损失, 因此供热电厂安全稳定的运行应是首要考虑的问题, 给水泵做为电厂最重要的辅机, 在运行稳定方面, 电动给水泵比汽动给水泵有很明显的优势。

2.5 运行方式的比较

对于亚临界、中间再热300MW等级的供热抽汽凝汽器式机组, 根据热用户的要求, 按照“以热定电”的原则, 结合热电厂的运行特点, 给水泵的运行方式与纯凝机组有很大的不同, 主要原因如下。

(1) 由于机组在供热工况下, 在小汽轮机抽汽点 (一般设计在四段抽汽) 前抽汽量较大, 因此在供热工况时, 四段抽汽的压力下降幅度会很大。根据一般300MW等级机组所配置的给水泵汽轮机的设计能力, 此时的进汽压力已很难满足驱动给水泵的进汽参数要求。所以在这种情况下小汽轮机的汽源需要切换到更高压力的抽汽 (如一般为高排) 或采用外部的汽源。为了满足小汽轮机的运行需求, 这些高压力的蒸汽需要经过节流方能被小汽轮机使用, 显然该种方式不可避免地会造成供热工况下经济性的恶化。同时如果汽源切换到更高压力抽汽 (如高排) , 会减少锅炉再热器进汽量, 影响再热器安全运行。

(2) 如果要满足供热工况下的给水泵汽轮机的汽源也不切换的要求, 则给水泵小汽轮机的通流能力理论上需要大幅度的放大 (有可能在实际的工程中无法实现) 。即使这种小汽轮机可行, 在纯凝汽工况的运行条件下, 小汽轮机将始终处于低效率的情况下运行, 显然对机组在纯凝汽工况下运行的经济性也是不利的。

(3) 由于汽泵方案存在上述的汽源切换过程, 不可避免地会造成给水泵泵组运行的不稳定波动。由于要给用汽企业提供压力较为稳定的蒸汽, 上述环节的存在显然会对供热抽汽的品质造成一定影响。而采用电泵方案则不存在问题, 同时机组的运行也更加灵活和方便。

(4) 在运行管理上, 采用3台电泵与采用2台汽泵+1台电泵比较, 由于均为3台泵, 其检修和维护工作量基本相同。当然采用3台电泵, 由于其型号相同, 便于对设备维护和备品备件管理。

(5) 对于抽汽供热式电厂, 其蒸汽管道已较复杂。若采取汽泵方案, 对电厂的实际管道布置更加繁杂。不利于电厂以后的检修和维护。

(6) 众多的国内外实践证明, 对300MW等级的机组采用电泵方案是完全可行的。汽泵方案相对电泵方案的经济性方面的优势仅对纯凝汽式的机组是有意义的。

(7) 根据对国内外几个供热电厂的调研, 其给水泵基本都采用3台电泵, 证明2台汽泵+1台电泵的方式对纯凝机组有较高的应用价值, 但并不符合供热电厂的要求。国内目前最大的太原第一热电厂的300MW供热机组在运行多年后, 电厂总结为对于大型供热式机组, 给水泵应采用电动给水泵, 在供热工况下, 电动给水泵的经济性高于汽动给水泵。

3 结语

综上所述, 对于大型供热式机组, 采用3×50%容量的电动调速给水泵 (2台运行泵+1台备用泵) 方案较2×50%容量的汽动给水泵 (运行泵) +1×30%容量的电动调速给水泵 (启动/备用泵) 方案经济性高、投资省, 由于系统简单, 因而故障率低、可靠性高、维护方便、运行灵活、启动快, 可以更好的满足抽汽凝汽式供热机组的要求。

摘要：通过对300MW等级供热机组给水泵的配置方式进行了分析比较, 提出了对于大型供热式机组, 采用电动给水泵优于汽动给水泵的结论。

关键词：供热机组,给水泵,配置方式,比较