2×1 000 MW 火電機(jī)組循環(huán)水泵選型及節(jié)能運(yùn)行研究

徐 正， 龍禮國， 邵 睿

（1.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050031；2.河北省電力勘測設(shè)計工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050031）

0 引言

循環(huán)水泵（以下簡稱為循泵） 是火力發(fā)電廠內(nèi)一項非常重要的輔機(jī)，它關(guān)系到汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此對循泵形式的選擇、每臺汽輪機(jī)配置循泵的臺數(shù)以及循泵主要工作參數(shù)的確定，是火電廠冷端設(shè)計的一個重要組成部分[1]。

西南地區(qū)某火力發(fā)電廠規(guī)劃建設(shè)一座裝機(jī)4×1 000 MW 等級的超超臨界燃煤純凝發(fā)電機(jī)組，第一期計劃安裝2×1 000 MW 超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組，主機(jī)冷卻系統(tǒng)擬采用帶自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的循環(huán)供水系統(tǒng)，補(bǔ)給水取自地表河水。

本文針對2×1 000 MW 機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)水量大的特點(diǎn)，對循泵的選型進(jìn)行了研究，目的是選擇結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良、管理維護(hù)方便的水泵配置方案和水泵類型，以保證電廠循環(huán)水系統(tǒng)能安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地運(yùn)行。

表1 西南地區(qū)多年月平均氣象資料

1 工程基礎(chǔ)性參數(shù)資料

西南地區(qū)多年月平均氣象資料見表1[2]。已確定的主汽輪機(jī)主要參數(shù)見表2。優(yōu)化計算中的主要經(jīng)濟(jì)參數(shù)如下[3]：利用小時數(shù)5 000 h；自然塔年固定分?jǐn)偮?6.5%；循泵效率85%；煤價900 元/t；基準(zhǔn)熱耗值7 315 kJ/（kW·h）；自然通風(fēng)塔單價0.6 萬元/m2。優(yōu)化后的冷卻塔主要參數(shù)如下：有效淋水面積11 500 m2；淋水面直徑121.04 m；淋水填料高度1.75～1.25 m，平均高度1.5 m；冷卻塔總高173 m；供水高度16.2 m。

表2 汽輪機(jī)主要參數(shù)

2 循泵形式和臺數(shù)的選擇原則

《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》（GB 50660—2011）中17.3.7 條規(guī)定：單臺汽輪發(fā)電機(jī)組的容量為300 MW 的，以及容量大于300 MW 的火電廠，供水系統(tǒng)宜用單元制或擴(kuò)大單元制。每臺汽輪機(jī)可設(shè)2～3 臺循泵，根據(jù)工程情況優(yōu)化確定，其循泵總水量等于機(jī)組的夏季工況最大用水量。當(dāng)設(shè)備制造難度低且經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證合理時，循泵可采用葉片可調(diào)或者變速電動機(jī)（雙速、變頻、液力耦合器等） 驅(qū)動。當(dāng)供水系統(tǒng)采用單元制或者擴(kuò)大單元制時，每臺機(jī)組宜采用1 條進(jìn)水管道、1 條排水管溝[4]。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5339—2006）5.1.6 條也有類似的規(guī)定[5]。

考慮到循泵在火力發(fā)電廠運(yùn)行中的重要地位，本文對循泵的泵型和臺數(shù)的選擇依照以下原則進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定：第一，設(shè)備成熟可靠，運(yùn)行安全穩(wěn)定；第二，泵體的結(jié)構(gòu)簡單、合理，安裝、檢修方便；第三，當(dāng)冷卻水的溫度及機(jī)組的負(fù)荷變化時，可以方便地調(diào)節(jié)水量，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能；第四，設(shè)備配置經(jīng)濟(jì)、合理，工程建設(shè)的初投資、年運(yùn)行費(fèi)用和年費(fèi)用值較低。

3 循環(huán)水泵形式的比選

3.1 水泵形式選擇

從葉輪的形式上來分，水泵可分為離心泵、混流泵（斜流泵）、軸流泵3 種[6]。離心泵最大流量較小，無法滿足百萬機(jī)組的需要。立式軸流泵揚(yáng)程較低，效率相對較低，在火電廠中往往用于雨水泵而不作為循環(huán)水泵使用。大型立式渦殼混流泵目前也有600 MW 級電廠采用，但尚未實際運(yùn)行。

混流泵（斜流泵） 的性能特點(diǎn)：第一，泵效率高，一般η 在88%～92%之間，高效率區(qū)間寬。第二，軸功率—流量曲線平緩，它既不會像離心泵那樣水泵軸功率隨流量增大而不斷地增大，也不會像軸流泵軸功率隨流量的增大而快速下降。所以，斜流泵不容易出現(xiàn)由于偏離工況點(diǎn)而導(dǎo)致超電流的情況出現(xiàn)。第三，泵的汽蝕性能較好?；痣姀S循泵一般都采用濕井式水槽吸入形式，其吸入流態(tài)好，運(yùn)行中水泵不易發(fā)生汽蝕。第四，目前國內(nèi)斜流泵性能范圍為流量0.2～20 m3/s、揚(yáng)程8～70 m。因此，國內(nèi)生產(chǎn)的斜流泵完全能滿足1 000 MW 機(jī)組循泵的需要。

因此，推薦采用斜流泵，且采用立式濕坑斜流泵，安裝方式為常用的機(jī)泵直聯(lián)單基礎(chǔ)安裝（見圖1），吐出口在基礎(chǔ)層之下。

圖1 立式濕坑斜流泵安裝示意圖

3.2 水泵材質(zhì)選擇

循泵的主要零部件一般包括葉輪、軸、泵體等，這些零部件的材料要根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行選取[7]。對于電廠水源為淡水，水質(zhì)條件較好的工程而言，推薦材質(zhì)見表3。

表3 循環(huán)水泵主要部件推薦材質(zhì)

4 循環(huán)水泵節(jié)能運(yùn)行方案技經(jīng)分析

4.1 運(yùn)行費(fèi)用計算方法

冷端優(yōu)化中采用的“熱耗法”和“微增功率法”都可以正確地反映經(jīng)濟(jì)性，但“熱耗法”僅考慮汽輪發(fā)電機(jī)組和循環(huán)水系統(tǒng)的熱耗，不考慮輸煤系統(tǒng)、化學(xué)水系統(tǒng)、鍋爐輔機(jī)系統(tǒng)等，與實際運(yùn)行情況更加接近，故本文運(yùn)行費(fèi)用的計算方法采用“熱耗法”。

式中：μa為年運(yùn)行費(fèi)，包括循環(huán)水系統(tǒng)電耗、汽輪機(jī)微增出力變化的燃料費(fèi)，萬元/年；P1i為第i月循泵功率，kW；P0為發(fā)電機(jī)組在額定背壓下的滿發(fā)功率，kW；Ti為第i月機(jī)組對應(yīng)的利用小時數(shù)，h；qi為第i月機(jī)組實際運(yùn)行的熱耗，kJ/kW·h；q0為基準(zhǔn)熱耗，kJ/kW·h；Q為標(biāo)準(zhǔn)煤的額定熱值，取29 400 kJ/kg；η1為管道效率，%；η2為鍋爐保證效率，%；M0為設(shè)計煤種到廠價格，萬元/kg。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行成本計算比較

通過對循環(huán)水系統(tǒng)采用一機(jī)兩泵、一機(jī)三泵等不同組態(tài)的運(yùn)行費(fèi)用的比較，得出較優(yōu)的循泵配置數(shù)量及各月投運(yùn)臺數(shù)。不同循泵配置方案及各月運(yùn)行臺數(shù)的情況如表4 所示。

說明：表4 中一機(jī)三泵方案與一機(jī)兩泵方案中的單泵流量不一致，但是總循環(huán)水量一致，例如一機(jī)三泵方案中6 臺泵的總流量與一機(jī)兩泵方案中4 臺泵高速運(yùn)行時的流量一致?！? 高”表示2 臺機(jī)組的2 臺循泵高速運(yùn)行；“3 低”表示2臺機(jī)組的3 臺循泵低速運(yùn)行。表4 中每個月循泵運(yùn)行的臺數(shù)是在冷卻塔配置、凝汽器配置一定的情況下，經(jīng)過優(yōu)化比選而得。

從表4 中可以看出：5—9 月的總循環(huán)水量相同，說明環(huán)境溫度達(dá)到20 ℃以上時，循環(huán)倍率達(dá)到設(shè)計值時機(jī)組整體的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較好。幾種循泵的配置方案對運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的差異主要體現(xiàn)在春、秋、冬季，主要是由于此時的環(huán)境溫度低，若運(yùn)行循環(huán)泵臺數(shù)過多，汽輪機(jī)微增出力不足以彌補(bǔ)循泵消耗的功率；但是若運(yùn)行臺數(shù)過少，汽機(jī)背壓過高，機(jī)組整體的煤耗較高[8]。所以存在表4中經(jīng)濟(jì)的循泵運(yùn)行臺數(shù)組合。

確定了每種方案循泵的運(yùn)行臺數(shù)之后，再進(jìn)行運(yùn)行費(fèi)用的對比。由于采用熱耗法計算得出的數(shù)值較大，所以方案比選僅比較相對值即可，圖2 是以“一機(jī)三泵（單元制）”方案繪制的各月運(yùn)行費(fèi)用的差異對比，圖3 是年運(yùn)行費(fèi)用差異圖。

表4 不同水泵配置方案最優(yōu)的循泵運(yùn)行臺數(shù)（2 臺機(jī)） 臺

圖2 的依據(jù)是：以一機(jī)三泵（單元制） 的方案為基準(zhǔn)，其他方案與基準(zhǔn)方案對比（基準(zhǔn)方案為被減數(shù)，其他方案為減數(shù)，差值的代數(shù)值越大，說明方案越優(yōu)）。可以看出，一機(jī)兩泵（定速泵）方案各月的經(jīng)濟(jì)性較差，除了1 月、2 月、12 月之外，各月的運(yùn)行成本均高于一機(jī)三泵（單元制）方案。

從圖3 可以看出，一機(jī)三泵（擴(kuò)大單元制）方案的運(yùn)行成本最低，比一機(jī)三泵（單元制） 方案可以節(jié)約110.24 萬元/年；一機(jī)兩泵（雙速泵）方案次之，可以節(jié)約61.52 萬元/年；一機(jī)兩泵（定速泵） 方案最差，每年多出6.46 萬元/年的運(yùn)行費(fèi)用。

4.3 與水泵選型有關(guān)的初投資對比

與循泵選型有關(guān)的費(fèi)用差異主要有循泵房及流道土建費(fèi)用、循泵設(shè)備費(fèi)用、濾網(wǎng)設(shè)備費(fèi)用、起吊設(shè)備費(fèi)用等[9]。綜合考慮以上因素后，不同水泵選型方案的年固定分?jǐn)傎M(fèi)用如下：一機(jī)二泵（進(jìn)口） 年固定分?jǐn)傎M(fèi)用840.18 萬元，一機(jī)二泵（國產(chǎn)） 年固定分?jǐn)傎M(fèi)用523.18 萬元，一機(jī)二泵（雙速） 年固定分?jǐn)傎M(fèi)用538.39 萬元，一機(jī)三泵（擴(kuò)大單元制） （國產(chǎn)） 年固定分?jǐn)傎M(fèi)用602.43 萬元，一機(jī)三泵（單元制） （國產(chǎn)） 年固定分?jǐn)傎M(fèi)用599.89 萬元。

由上述可以看出，進(jìn)口循泵方案價格明顯高于其他方案價格。目前國內(nèi)大型循泵的制造技術(shù)非常成熟，其性能完全可以滿足百萬機(jī)組的功能要求。國產(chǎn)的一機(jī)雙泵（雙速） 與一機(jī)雙泵（定速） 方案的投資相差很小，而運(yùn)行費(fèi)用卻相差67.98 萬元/年。綜合比較，國產(chǎn)的一機(jī)雙泵（雙速） 年費(fèi)用值比一機(jī)兩泵（定速） 節(jié)約52.77 萬元/年，比一機(jī)三泵（單元制） 方案節(jié)約12.78 萬元，所以推薦采用一機(jī)雙泵（雙速） 的循環(huán)水泵方案。即2×1 000 MW濕冷純凝發(fā)電機(jī)組配置4 臺循泵（雙速電機(jī)），泵和配套電機(jī)的參數(shù)如下：流量Q=13.92 m3/s，揚(yáng)程H=28.9 m，配套電機(jī)功率P=5 000 kW，電壓U=6 000 V。

圖2 不同循泵配置方案的月運(yùn)行成本比較

圖3 不同循泵配置方案的年運(yùn)行成本比較

5 結(jié)論

2×1 000 MW 燃煤濕冷純凝火力發(fā)電機(jī)組宜配置4 臺雙速循泵；循泵的運(yùn)行應(yīng)與環(huán)境氣象條件相適應(yīng)，低溫季節(jié)合理調(diào)配循泵運(yùn)行臺數(shù)，以期獲得最大的凈發(fā)電量；采用一機(jī)兩泵（雙速泵） 的配置方案年費(fèi)用值最低。