華能巢湖電廠電動(dòng)給水泵的設(shè)置

宋坤林，王 斌

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，南京市，211102)

1 工程概況

華能巢湖電廠一期建設(shè)2×600 MW超臨界燃煤機(jī)組，規(guī)劃容量4×600 MW，留有擴(kuò)建余地。

工程選用哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造的超臨界壓力燃煤直流鍋爐，鍋爐為單爐膛，一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)；鍋爐最大連續(xù)出力為1900 t/h，額定工況過(guò)熱器出口壓力為25.4 MPa(g)。

工程選用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司制造的超臨界汽輪機(jī)，型號(hào)為CLN600-24.2/566/566。

2 電動(dòng)給水泵配置方案

近年來(lái)，對(duì)大型機(jī)組是否必須設(shè)置電動(dòng)備用泵的討論日見增多。電動(dòng)泵的功能確定為備用泵的最大優(yōu)點(diǎn)是不因汽動(dòng)泵的故障而影響汽輪機(jī)組的滿發(fā)，但缺點(diǎn)是大大增加了初投資。電動(dòng)泵的配置如何達(dá)到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的最優(yōu)化，需要根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。本項(xiàng)目的電動(dòng)給水泵配置方案如下。

2.1 電動(dòng)給水泵容量

2.1.1 設(shè)計(jì)規(guī)范要求

根據(jù)DL5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》第10.3.6條要求，對(duì)600 MW及以上機(jī)組，宜設(shè)置1臺(tái)容量為最大給水量25%～35%的調(diào)速電動(dòng)給水泵作為啟動(dòng)和備用給水泵。

2.1.2 鍋爐啟動(dòng)要求

鍋爐最小直流負(fù)荷與鍋爐爐型有關(guān)，一般設(shè)計(jì)值約為25%經(jīng)濟(jì)連續(xù)出力（economic continuum rate，ECR），實(shí)際運(yùn)行高的到35%ECR，低的到15%ECR。對(duì)于沒有啟動(dòng)循環(huán)泵的鍋爐，電動(dòng)給水泵的容量須滿足鍋爐最小直流負(fù)荷的要求；對(duì)于有啟動(dòng)循環(huán)泵的鍋爐，電動(dòng)給水泵的容量須滿足在啟動(dòng)過(guò)程中和鍋爐本體配置的啟動(dòng)循環(huán)泵同時(shí)達(dá)到鍋爐最小直流負(fù)荷的要求，同時(shí)也可考慮啟動(dòng)循環(huán)泵事故退出后，完全利用電動(dòng)給水泵進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)。

2.1.3 汽動(dòng)給水泵組切換要求

由于小汽機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，其高壓進(jìn)汽的參數(shù)不高，并且汽動(dòng)給水泵的最小流量一般為其容量的20%～25%，因此從電動(dòng)給水泵和汽動(dòng)給水泵切換的角度來(lái)看，即使對(duì)100%容量汽動(dòng)給水泵，電動(dòng)給水泵容量選擇30%BMCR也可以滿足要求。

2.2 配套電動(dòng)機(jī)

600 MW等級(jí)超臨界機(jī)組給水流量大、壓力高。如果電動(dòng)給水泵具有備用功能，電動(dòng)泵與汽動(dòng)泵可并聯(lián)運(yùn)行，兩者的揚(yáng)程必須接近，其軸功率相應(yīng)較大。在華能巢湖電廠2×600 MW新建工程設(shè)計(jì)中，對(duì)電動(dòng)給水泵的軸功率及配套電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算分析。

2.2.1 電動(dòng)備用給水泵軸功率計(jì)算

電動(dòng)給水泵作為30%容量備用泵時(shí)，其揚(yáng)程約為3340 mH2O，功率計(jì)算如下：

式（1）～（4）中：Hq為前置泵揚(yáng)程，Hq=130 mH2O；Q入為前置泵軸入口流量，Q入=0.19395 m3/s；ρ為給水密度，ρ=880 kg/m3；ηq為前置泵的效率，ηq≈80%；Q出為主泵出口流量，Q出=0.1889 m3/s;Hz為主泵揚(yáng)程，Hz=3210 mH2O；Q抽為主泵中間抽頭流量，Q抽=0.00505 m3/s；ηz為主泵的效率，ηz≈85%；ηfc為液力耦合器效率，ηfc≈93%；fd為電機(jī)裕量，fd=15%。

由式（1）得Nq=272 kW；由式（2）得Nz=6237 kW；由式（3）得Nm=6979 kW；由式（4）得Nd≈8000 kW。

當(dāng)電動(dòng)給水泵備用容量為50%時(shí)，泵組的電機(jī)功率將達(dá)到13 MW。

2.2.2 電動(dòng)啟動(dòng)給水泵軸功率計(jì)算

電動(dòng)給水泵僅作為啟動(dòng)用泵時(shí)，其揚(yáng)程必須滿足各種啟動(dòng)工況下鍋爐建立直流循環(huán)所需的壓頭，如圖1所示。從圖1可以看出，鍋爐啟動(dòng)時(shí)為定壓運(yùn)行，電動(dòng)給水泵可以選用定速泵。

式（5）、（6）中：Q為啟動(dòng)泵入口流量，Q=0.1939 m3/s；H為啟動(dòng)泵揚(yáng)程，H＝1390 mH2O；η為啟動(dòng)泵效率，η≈80%。

由式（5）、（6）得N啟=2907 kW，Nd啟≈3400 kW。

2.3 系統(tǒng)分析

當(dāng)電動(dòng)給水泵僅考慮作為啟動(dòng)泵時(shí)，為節(jié)約投資，本工程2臺(tái)機(jī)組配1套啟動(dòng)泵。由于受到輔助蒸汽等外圍系統(tǒng)容量的限制，本工程2臺(tái)機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)啟動(dòng)的情況。當(dāng)2臺(tái)機(jī)組配1套啟動(dòng)泵時(shí)，啟動(dòng)給水系統(tǒng)將按擴(kuò)大單元制設(shè)計(jì)，如圖2所示。

與啟動(dòng)給水系統(tǒng)按單元制相比較，擴(kuò)大單元制方案節(jié)約1臺(tái)啟動(dòng)給水泵，但系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，電氣方面須增加1面隔離開關(guān)切換柜，從每臺(tái)機(jī)組的6 kV分別設(shè)置1個(gè)斷路器柜，經(jīng)電纜分別引接至隔離開關(guān)切換柜（設(shè)置2臺(tái)隔離開關(guān)），再由隔離開關(guān)切換柜引接至電動(dòng)給水泵。隔離開關(guān)切換柜與相應(yīng)的6 kV柜進(jìn)行電氣閉鎖，確保與運(yùn)行機(jī)組的對(duì)應(yīng)，避免電氣回路的合環(huán)運(yùn)行。擴(kuò)大單元制方案可確保運(yùn)行的可靠性，但與單元制接線相比，增加了1臺(tái)隔離開關(guān)切換柜，使相應(yīng)控制回路更復(fù)雜?？刂品矫鎸⒔o水泵及閥門直接納入單元機(jī)組DCS公用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在2臺(tái)機(jī)組DCS系統(tǒng)中均可監(jiān)控，并確保任何時(shí)候僅有1臺(tái)機(jī)組能發(fā)出有效操作指令。從電氣、控制方面都能確保該系統(tǒng)的安全可靠性，從設(shè)計(jì)上避免將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

按機(jī)組每年冷態(tài)啟動(dòng)2次、熱態(tài)啟動(dòng)5次考慮，鍋爐啟動(dòng)給水泵每年的使用頻率非常低，采用2機(jī)合用1臺(tái)電動(dòng)啟動(dòng)泵，可有效提高設(shè)備的利用率。電廠應(yīng)能保證給水泵的正常維護(hù)，保證其可靠性。

2.4 投資比較

全壓運(yùn)行的電動(dòng)備用泵與低壓運(yùn)行的啟動(dòng)泵相比，電動(dòng)備用泵投資主要增加在以下方面：（1）給水泵組及管路系統(tǒng)因承壓不同的設(shè)備價(jià)差；（2）為適應(yīng)與汽動(dòng)泵并列運(yùn)行，電動(dòng)備用泵須配置價(jià)格昂貴的進(jìn)口液力耦合器；（3）電動(dòng)機(jī)功率，600 MW機(jī)組1臺(tái)電動(dòng)起動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)功率約為3400 kW，30%容量電動(dòng)備用泵為8000 kW（50%容量電動(dòng)備用泵將達(dá)到13 MW）；（4）廠用電系統(tǒng)，電動(dòng)啟動(dòng)泵僅在低負(fù)荷運(yùn)行可不計(jì)入廠用電負(fù)荷，由于廠用電總負(fù)荷和最大電機(jī)容量都大大降低，變壓器容量也可相應(yīng)減小，6 kV開關(guān)柜也可采用40 kA的開斷水平。

電動(dòng)備用泵與電動(dòng)啟動(dòng)泵的投資比較如表1。

表1 電動(dòng)備用泵與電動(dòng)啟動(dòng)泵的投資比較Tab.1 Investment comparison of elelctric standby and electric start-up pumps 104yuan

3 600 MW超臨界機(jī)組設(shè)置備用泵的探討

通過(guò)對(duì)給水泵生產(chǎn)廠家和有關(guān)電廠的調(diào)研可知，給水泵汽輪機(jī)的可靠性可以與主汽輪機(jī)相比，而且給水泵采用進(jìn)口芯包，事故率也很低。目前國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的汽動(dòng)給水泵運(yùn)行情況良好，石洞口二廠的600 MW超臨界機(jī)組，外方設(shè)計(jì)的電動(dòng)給水泵就沒有備用功能，其汽泵運(yùn)行穩(wěn)定；邯峰電廠、西柏坡電廠和衡水電廠的汽泵事故率很低，備用功能極少投用。GE公司2×50%汽動(dòng)泵和1×100%汽動(dòng)泵這2種方案一般不設(shè)備用泵，這也是基于給水泵組的高可靠性和對(duì)其的快速修復(fù)能力，該公司1979—1993年對(duì)給水泵組的統(tǒng)計(jì)表明，強(qiáng)迫停機(jī)率僅為0.16%。

從實(shí)際情況看，超臨界機(jī)組電動(dòng)備用泵也較難完成緊急備用的目的：如果要具有緊急備用功能，備用條件比較復(fù)雜，電泵的油系統(tǒng)須經(jīng)常運(yùn)行，泵始終處于熱備用狀態(tài)；泵出口電動(dòng)閘閥常開，逆止門長(zhǎng)期承壓（32 MPa）；熱控應(yīng)考慮電泵并入的給水調(diào)節(jié)；電氣需要設(shè)置電泵的自動(dòng)投入等；諸多條件中有一項(xiàng)不能滿足就不能實(shí)現(xiàn)備用功能。而且，在600 MW超臨界機(jī)組中，由于電動(dòng)給水泵的功率很大，約為8000 kW，當(dāng)給水泵緊急啟動(dòng)時(shí)，由于電氣電源電壓波動(dòng)、液力耦合器和最小流量閥響應(yīng)速度等原因，電動(dòng)給水泵很難實(shí)現(xiàn)作為汽動(dòng)給水泵的緊急備用，往往當(dāng)其中1臺(tái)汽動(dòng)給水泵故障時(shí)，只能依靠快速減負(fù)荷（run back，RB）功能先保證機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，然后再啟動(dòng)電動(dòng)給水泵；當(dāng)2臺(tái)汽動(dòng)給水泵故障時(shí)，應(yīng)立即使機(jī)組主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）。

從目前我國(guó)實(shí)際情況看，汽動(dòng)給水泵組的運(yùn)行可靠性已達(dá)到很高水平，其快速修復(fù)能力也很高，而超臨界600 MW機(jī)組30%容量電動(dòng)變速備用泵和30%容量電動(dòng)定速啟動(dòng)泵的初投資價(jià)差高達(dá)1772萬(wàn)元。此外，為降低電廠初投資，增加電廠上網(wǎng)電價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不設(shè)備用泵的意向也日見明顯。

4 結(jié)論

華能巢湖電廠工程將電動(dòng)給水泵的功能確定為啟動(dòng)泵，并且2臺(tái)機(jī)組合用1臺(tái)30%容量的啟動(dòng)電動(dòng)給水泵。該方案與2臺(tái)機(jī)組各配1套電動(dòng)備用給水泵相比能節(jié)約初投資約1772萬(wàn)元。通過(guò)電廠的實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)是可靠、可行的。

[1]楊惠宗，袁仲文，陸火慶.泵與風(fēng)機(jī)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[2]DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[3]郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

[4]丁成偉.離心泵與軸流泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[5]吳達(dá)人.泵與風(fēng)機(jī)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[6]申松林.超超臨界1000 MW等級(jí)火電機(jī)組電動(dòng)給水泵容量配置分析[J].熱機(jī)技術(shù)，2005（2）：6-10.