1 000 MW火電機組主軸驅(qū)動給水泵項目的技術(shù)經(jīng)濟性比較

吳志祥, 焦 誠

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246005)

1000MW火電機組主軸驅(qū)動給水泵項目的技術(shù)經(jīng)濟性比較

吳志祥, 焦 誠

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246005)

以某廠新建2×1 000 MW濕冷火電機組為例,先擬定了主軸驅(qū)動給水泵詳細方案,運用投資回收期法,分析比較了1×100%容量主軸驅(qū)動給水泵方案與傳統(tǒng)2×50%容量小機驅(qū)動給水泵方案的經(jīng)濟性.結(jié)果表明,主軸驅(qū)動給水泵方案雖然每臺機組增加初投資2 153.14萬元,但每年運行凈收入可增加846萬元,貸款利率按6.00%來計算,2.9年就可收回成本,投資回收期遠小于10年,因此該方案可行.

主軸驅(qū)動給水泵; 小機驅(qū)動給水泵; 技術(shù)經(jīng)濟性

鍋爐給水泵是火力發(fā)電廠最重要、也是能耗最大的輔機之一,作為機組汽水系統(tǒng)的“心臟”,它的經(jīng)濟性與整個火電廠的經(jīng)濟性有著密切的關(guān)系.目前,從國際上來看,給水泵的驅(qū)動方式有電動機驅(qū)動、小汽輪機驅(qū)動和主汽輪機驅(qū)動3種,但國內(nèi)火電機組典型的鍋爐給水泵驅(qū)動方式只有小汽輪機驅(qū)動和電動機驅(qū)動2種.

若采用電動機驅(qū)動方式,給水泵組消耗的廠用電將達到機組額定發(fā)電功率的3%～4%,能耗巨大.在國內(nèi)機組銘牌出力定義和目前的調(diào)度模式條件下,采用電動給水泵不利于增加上網(wǎng)電量.隨著機組容量的增大,給水泵的功率也越來越大,其廠用電消耗也會有所提高,電動給水泵容量和臺數(shù)配置及廠用電系統(tǒng)配置均需要進行相應(yīng)的調(diào)整.國內(nèi)300 MW以下的中小型火電濕冷機組,給水泵大部分采用相對簡單的電動機驅(qū)動方式;而300 MW以上的大型火電濕冷機組,為了降低廠用電率及增加上網(wǎng)電量[1],大部分采用小機驅(qū)動方式.但實際上采用小機驅(qū)動的給水泵組供電煤耗更高,系統(tǒng)復(fù)雜,投資也高,這在文獻[1]中已得到了證明,特別是對于空冷機組來說,當采用小機驅(qū)動時,小機還需單獨設(shè)置空冷凝汽系統(tǒng),系統(tǒng)相對復(fù)雜,初投資也相對較大.

因此,引入新型的鍋爐給水泵驅(qū)動方案來降低廠用電和供電煤耗,簡化給水泵系統(tǒng),降低初投資,已是大容量超(超)臨界機組(尤其是空冷機組)的重要研究課題之一.本文主要引入主汽輪機主軸驅(qū)動給水泵[1]這一新型驅(qū)動方式,以安徽某新建2×1 000 MW濕冷火電機組工程為例,分析1 000 MW火電機組主軸驅(qū)動給水泵方案的技術(shù)經(jīng)濟性.

1 主軸驅(qū)動給水泵方案的擬定

1.1 我國1 000 MW火電機組給水泵驅(qū)動方式

由于1 000 MW火電機組中給水泵軸功率相對較大,國內(nèi)1 000 MW機組主流是按2×50%容量配置給水泵并用小汽輪機驅(qū)動,給水泵組中的前置泵采用電動機驅(qū)動,也有部分電廠,比如外高橋第三發(fā)電有限責任公司在國內(nèi)率先采用100%容量給水泵,驅(qū)動給水泵的小汽輪機同軸驅(qū)動前置泵[2];2015年投產(chǎn)的重慶萬州電廠、2016年投產(chǎn)的山東壽光電廠均采用了100%給水泵,說明在1 000 MW機組中應(yīng)用100%容量給水泵已有工程實例,可靠性有保證,但數(shù)量較少.因此,本文將與小汽輪機驅(qū)動2×50%容量給水泵組(同時布置2×50%容量電動前置泵)這一典型給水泵驅(qū)動方案進行比較,以便具有代表性.

1.2 主軸驅(qū)動給水泵方案的特點

該驅(qū)動方案由大機同軸驅(qū)動給水泵,即在大機機頭側(cè),由大機主軸通過聯(lián)軸器、液力偶合器來驅(qū)動給水泵運行.與常規(guī)小機驅(qū)動和電動機驅(qū)動相比較,采用主軸驅(qū)動,具有如下特點:

(1) 采用主汽輪機驅(qū)動,其廠用電消耗要比電動機驅(qū)動方式小得多;

(2) 主汽輪機低壓缸部分的內(nèi)效率一般為90%左右,要高于小汽輪機的內(nèi)效率(一般為81%左右),因此采用主汽輪機驅(qū)動的熱經(jīng)濟性要高于小汽輪機驅(qū)動;

(3) 與小汽輪機驅(qū)動方式相比,其熱力系統(tǒng)簡單,運行維護方便.

1.3 國內(nèi)外主汽輪機驅(qū)動方式的配置情況

給水泵采用主軸驅(qū)動方式,國內(nèi)電廠雖然還沒有工程實踐,但在國外已有多項應(yīng)用實例,并且已有30多年的運行經(jīng)驗.比較典型的有1975年投產(chǎn)的德國Scholven電廠,其600 MW機組給水泵即采用主軸驅(qū)動方式,該給水泵的設(shè)計最大軸功率為21 990 kW,設(shè)計轉(zhuǎn)速為4 904 r/min[3].國外其他情況如表1所示.

表1 鍋爐給水泵采用主汽輪機驅(qū)動方式的國外電廠

1.4 主軸驅(qū)動給水泵方案的最終擬定

綜合比較國外主軸驅(qū)動方案的實例,鍋爐給水泵采用主軸驅(qū)動時,在大型火電機組中可有以下兩種配置.

一是2×50%容量主軸驅(qū)動給水泵方案.當配置2×50%容量給水泵時,先通過一個齒輪箱將汽輪機主軸做功分傳至兩個液力偶合器,然后再傳給兩個給水泵主軸.圖1為主機驅(qū)動2×50%配置給水泵的布置示意圖.其中,分軸減速齒輪箱可從3 000 r/min降至1 500 r/min;高效液力偶合器采用調(diào)速之星Vorecon系列產(chǎn)品[4],輸入轉(zhuǎn)速可選為1 500 r/min;設(shè)置2×50%容量的電動前置泵與給水泵共同組成兩套給水泵組.

為了機組啟動需要,另設(shè)置一套30%容量電動給水泵,同時作為備用給水泵組.

二是1×100%容量主軸驅(qū)動給水泵方案.當配置1×100%給水泵時,取消獨立齒輪箱,采用調(diào)速之星Vorecon系列產(chǎn)品作為高效液力偶合器,但輸入轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,與主軸直接連接,高效液力偶合器再通過一個聯(lián)軸器驅(qū)動一臺100%容量給水泵,設(shè)置1×100%容量的電動前置泵與給水泵共同組成一套給水泵組,如圖2所示.100%容量給水泵在國內(nèi)已有工程實例,在此應(yīng)用并無困難.

為了機組啟動需要,另設(shè)置一套30%容量電動給水泵,同時作為備用給水泵組.

圖1 2×50%主軸驅(qū)動給水泵方案布置示意

圖2 1×100%主軸驅(qū)動給水泵方案布置示意

為最大限度發(fā)揮主軸驅(qū)動給水泵項目的優(yōu)勢,本文選取1×100%容量主軸驅(qū)動給水泵方案.對于1 000 MW機組,本方案設(shè)備配置情況如表2所示(1臺機組).

表2 主軸驅(qū)動給水泵方案配置

2 主軸驅(qū)動給水泵方案工程上應(yīng)用的可行性

對于國內(nèi)火電機組來說,鍋爐給水泵采用主汽輪機驅(qū)動仍是一種新型的技術(shù),無論從技術(shù)可行性方面,還是設(shè)備選型制造以及安裝運行方面,均有一些難點.

2.1 汽輪機改造情況

目前國內(nèi)3大汽輪機廠都未考慮在機頭端的主軸有接口以驅(qū)動給水泵,因此采用主軸驅(qū)動給水泵方案,必須考慮在工程實踐上的可行性.

經(jīng)比較,目前上海汽輪機廠引進西門子技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW汽輪機(TC4F型)機頭1#瓦處,僅設(shè)置了一臺液壓盤車,用液壓盤車小軸伸進高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)盤動整個軸系,整個轉(zhuǎn)子軸系死點設(shè)置在高中壓缸之間的2#瓦處,在1#瓦處高壓轉(zhuǎn)子端面僅能承受高壓轉(zhuǎn)子在熱態(tài)下的膨脹量,并在中壓缸與1#低壓缸之間的3#軸承處設(shè)置了手動盤車裝置,因此該機組比較方便采用主軸驅(qū)動給水泵方案.

采用上海汽輪機廠的1 000 MW機組進行主軸驅(qū)動給水泵改造具有以下優(yōu)勢.

(1) 主軸與高效液力偶合器連接處的改造量小.該型號的汽輪機在機頭處的高壓轉(zhuǎn)子端面已有接口,改造量小,雖然要去掉液壓盤車,但在3#瓦處有手動盤車裝置,將手動盤車裝置適當改造后可做正常盤車用,而且將正常盤車點改在3#處,已接近整個轉(zhuǎn)子軸系的中心,對盤車運行是有利的.

(2) 高壓主汽門與高壓調(diào)節(jié)閥不需要改造;主機潤滑油泵已是油箱上電動主油泵,也不需要改造.

(3) 不需要考慮取消機械超速保護帶來的風險,該型號汽輪機沒有設(shè)置機械超速.

(4) 汽輪機轉(zhuǎn)子由于采用單軸承支撐,使4缸汽輪機的跨度由35 m縮短至27 m[5],為在機頭布置100%容量給水泵提供了有利條件.

2.2 特殊聯(lián)軸器的使用

采用主軸驅(qū)動給水泵后,將延長主軸,使得整個軸系大大加長.工程上應(yīng)用前必須要解決兩個問題:一是保證延長后整個軸系的穩(wěn)定性;二是消除泵組軸系對主汽輪機軸系的影響.

目前,Voith Turbo BHS Getriebe GmbH生產(chǎn)的BHS TwinTors膜盤聯(lián)軸器基本可滿足此要求.該聯(lián)軸器是作為扭轉(zhuǎn)剛性、無間隙的全金屬聯(lián)軸器設(shè)計的,具有重量輕、設(shè)計精密的優(yōu)點,能在高轉(zhuǎn)速下傳遞大扭矩,同時可以補償兩個相聯(lián)接軸之間的徑向、軸向和角度錯位,且安裝簡單,易于檢修,運行中不需要潤滑,免維護[5].

最重要的是該聯(lián)軸器要允許一定的吸收中心線偏差,同時也有較強的吸收軸向膨脹的能力,因此泵組軸系對汽輪機軸系的影響,可不計入汽輪機主軸穩(wěn)定性復(fù)核,從而能解決上述兩個問題,使本項目的工程實踐可以成為現(xiàn)實.BHS TwinTors膜盤聯(lián)軸器如圖3所示.

圖3 BHS TwinTors 膜盤聯(lián)軸器

3 經(jīng)濟性比較

3.1 熱經(jīng)濟性比較

本文采用文獻[6]中的數(shù)據(jù),在送入鍋爐燃料汽輪機主、再熱蒸汽流量一定的前提下,比較1 000 MW機組中1×100%容量主軸驅(qū)動給水泵方案(以下簡稱“方案1”)與傳統(tǒng)2×50%容量小機驅(qū)動給水泵方案(以下簡稱“方案2”)的上網(wǎng)功率凈值,上網(wǎng)功率凈值大的方案,熱經(jīng)濟性占優(yōu).兩種方案的上網(wǎng)凈值如表3所示.

表3 兩種方案的上網(wǎng)凈值

注:N1—方案1的上網(wǎng)功率凈值;N2—方案2的上網(wǎng)功率凈值.

一臺機組按年利用5 000 h來計算,將這5 000 h暫按100%負荷1 000 h,75%負荷3 000 h,50%負荷1 000 h來分解,結(jié)果如表4所示.

表4 機組實際運行小時數(shù)

根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)可知,在消耗同樣燃料的前提下,方案1比方案2每年可多向電網(wǎng)輸送2.57×107kWh電量.

3.2 初投資比較

兩個方案的詳細初投資比較如表5所示.

(1) 表5中,聯(lián)軸器和調(diào)速之星設(shè)備兩項,經(jīng)向廠家咨詢,廠家報價是:每套膜盤聯(lián)軸器為20萬歐元;每套調(diào)速之星及其配套設(shè)備為400萬歐元.按9.5的匯率計算,分別按190萬元人民幣和380萬元人民幣來計算.

(2) 表5中管道投資(含管材、支吊架及安裝、保溫等費用)一項,由于汽機房及汽機基礎(chǔ)在機頭側(cè)增加了1跨布置1臺主機驅(qū)動給水泵組,因此主蒸汽管道、旁路管道、高壓給水管道、中壓給水管道、給水再循環(huán)管道的長度有所增加.每臺機組主蒸汽管道增加約12.18 m(16.3 t),旁路管道增加約8.2 m(4.7 t),高壓給水管道增加約97.4 m(48.9 t),給水再循環(huán)管道增加約90 m(15 t),中壓給水管道增加約70 m(7.2 t).

表5 兩個方案的初投資比較(1臺機組)

(3) 表5中,由于兩個方案在廠用電等級、變壓器、工藝設(shè)備電機、電纜等方面基本相同,因此兩個方案的電氣專業(yè)設(shè)備的初投資按相同考慮.

(4) 方案1的給水泵、調(diào)速之星的基礎(chǔ)與主汽輪機的基礎(chǔ)連在一起,采用固定基礎(chǔ);方案2的給水泵與小汽機的基礎(chǔ)連在一起,采用彈簧隔振基礎(chǔ).

由表5可以看出,對于一臺1 000 MW超超臨界濕冷機組,方案1的設(shè)備初投資要比方案2的初投資增加2 153.14萬元.

3.3 年運行費用比較

在年運行費用上,兩個方案的比較主要體現(xiàn)在發(fā)電收入和設(shè)備維護費兩方面,如表6所示.

從表6可以看出,對于燃料費,方案1每年多向電網(wǎng)供電2.57×107kWh,按0.4元/kWh計算,每年可增加收入1 028萬元,減去每年增加的182萬元的維護費,采用方案1的年運行凈收入可增加846萬元.

表6 年運行費用差異(1臺機組)

注:年運行凈收入=發(fā)電收入-維護費;設(shè)備年維護費,國產(chǎn)設(shè)備為設(shè)備費用的2.5%,進口設(shè)備為設(shè)備費用的3%;上網(wǎng)電價按0.4元/kWh計算.

3.4 技術(shù)經(jīng)濟性比較

由上述分析可以看出,采用主軸驅(qū)動給水泵方案后,每臺機組初投資增加2 153.14萬元,但每年運行凈收入可增加846萬元,按6.00%的銀行貸款利率計算,2.9年就可收回成本.火電廠壽命周期一般是30年,所以本項目的技術(shù)經(jīng)濟性較好.因此,方案1的技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)于方案2.

4 結(jié) 語

主軸驅(qū)動給水泵方案由于能量轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)較少(通過主汽輪機直接將蒸汽熱能高效地轉(zhuǎn)換成了機械能并直接驅(qū)動液力偶合器),并引入了高效的液力偶合器參與調(diào)速,使得該方案在能量轉(zhuǎn)換效率和傳動效率這兩大重要環(huán)節(jié)上均遠高于傳統(tǒng)方案,而且通過上述論證,本方案不僅在經(jīng)濟性上來說是最優(yōu)的,同時也具優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟性,值得在工程上推廣應(yīng)用.因此,建議本工程采用該方案.

[1] 吳志祥,朱鵬安.1 000 MW火電機組給水泵驅(qū)動方式的熱經(jīng)性比較[J].華東電力,2010(4):583-586.

[2] 俞興超.1 000 MW超超臨界火電機組給水泵配置及分析[J].華東電力,2008(9):90-93.

[3] 朱瑾,付煥興,馬愛萍.1 000 MW濕冷機組主汽輪機驅(qū)動給水泵研究[J].中國電力,2012 (11):22-27.

[4] 趙恩嬋.調(diào)速之星在600 MW級空冷機組給水泵中應(yīng)用分析[J].節(jié)能技術(shù),2008(5):264-266.

[5] 江哲生,董衛(wèi)國,毛國光.國產(chǎn)1 000 MW超超臨界機組技術(shù)綜述[J].電力建設(shè),2007(8):6-13.

[6] 吳志祥.大型火力發(fā)電機組鍋爐給水泵驅(qū)動的熱經(jīng)濟性研究[D].上海:上海電力學院,2012.

TechnicalandEconomicComparisonofSpindleDrivenFeedwaterPumpProjectin1000MWThermalPowerUnit

WU Zhixiang, JIAO Cheng

(SafetySupervisionDepartment,AnhuiAnqingWanjiangPowerGenerationCo.Ltd.,Anqing246005,China)

A new 2×1 000 MW water-cooling power plant unit is taken as an example,and the spindle feed pump with drive scheme is formulated,using the payback period method.Comparative analysis of 1×100% capacity spindle driven feedwater pump scheme with conventional 2 x 50% small capacity machine driving scheme of feed water pump is made,and it is pointed out that although main driving pump project has an increase of 21,531,400 yuan in each at the beginning of the unit investment,the annual operating net income can be increased by 8,460,000 yuan,and if the loan interest rate is calculated according to 6%,it takes 2.9 years to recover the cost,and investment payback period is far less than 10 years.So the project is feasible.

spindle driven feed pump; small machine driven feed water pump; technical economy

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.007

2017-01-09

吳志祥(1978-),男,碩士,高級工程師,安徽樅陽人.主要研究方向為火電廠技術(shù)管理.E-mail:791945126@qq.com.

TM621.7

A

1006-4729(2017)05-0445-06

(編輯 胡小萍)