1000MW二次再熱發(fā)電機(jī)組全容量給水泵選型淺析

中國大唐集團(tuán)有限公司廣東分公司 韓功博

發(fā)電廠中給水泵的任務(wù)是：將除氧器貯水箱內(nèi)具有一定溫度的給水，通過給水泵產(chǎn)生足夠的壓力輸送給鍋爐。根據(jù)電能生產(chǎn)的特點(diǎn)和鍋爐運(yùn)行的特殊要求，給水泵必需連續(xù)不斷的運(yùn)行。這不僅關(guān)系到正常發(fā)電，還直接關(guān)系到鍋爐設(shè)備的安全。因此，鍋爐給水泵在發(fā)電廠中是最為重要的水泵[1]。二次再熱1000MW機(jī)組100%全容量汽動給水泵在設(shè)計(jì)容量、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、運(yùn)行轉(zhuǎn)速上比一次再熱都有所提高，本文針對二次再熱機(jī)組1×100%全容量汽動給水泵組配置選型進(jìn)行研究分析，并與2×50%容量汽動給水泵配置方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

1 1000MW超超臨界機(jī)組給水泵配置現(xiàn)狀

2012年以前，國內(nèi)外1000MW超超臨界一次機(jī)組主給水泵基本以2×50%容量配置方案為主。國內(nèi)首批建設(shè)的1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組的給水泵配置也采用2×50%容量配置方案，有國電泰州二期二次再熱及華能萊蕪電廠二次再熱，機(jī)組容量都是2×1000MW，主給水泵容量2×50%BMCR，主給水泵供貨廠家分別為KSB、EBARA，小汽輪機(jī)供貨廠家分別為上汽、杭汽。然而，隨著給水泵及其驅(qū)動汽輪機(jī)的制造能力的提高，以及運(yùn)行業(yè)績和經(jīng)驗(yàn)的增多，無論是一次再熱還是二次再熱1000MW超超臨界機(jī)組，1×100%全容量配置方案逐漸成為主流[2-4]。國內(nèi)外1000MW容量以上機(jī)組配置1×100%全容量的主要工程如下：

德國及歐洲的電廠除RWE-Westfalen#1～#6機(jī)機(jī)組容量1200MW外其余都是1000MW，主給水泵容量都是1×100%BMCR：TXU-Big Brown、TXU-Lake Creek、TXU-Tradinghouse、TXUMorgan Creek、TXU-Valley#1～2機(jī)、TXUMonticello、TXU-Martin Lake；我國電廠均為1000MW、1×100%BMCR，其項(xiàng)目及主給水泵供貨廠家、小汽輪機(jī)供貨廠家分別為：大唐雷州二次再熱/KSB/上汽、外高橋三期一次再熱/SULZER/ALSTOM、神華神東萬州一次再熱/SULZER/上汽、神華國華九江一次再熱/SULZER/東汽、神華國華壽光一次再熱/EBARA/上汽、大唐三門峽三期一次再熱/SULZER/杭汽。

從中可以看出，對于1000MW及以上容量機(jī)組汽動主給水泵，歐洲電廠比較認(rèn)可1×100%容量的汽動給水泵配置方式。隨著我國全容量給水泵及配套汽輪機(jī)生產(chǎn)制造能力逐步提高，新建1000MW一次再熱機(jī)組工程已全面采用100%BMCR容量汽動給水泵方案，而1000MW二次再熱機(jī)組目前也有大唐雷州項(xiàng)目采用了100%BMCR容量汽動給水泵方案。

2 1000MW二次再熱100%容量汽動給水泵經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

2.1 技術(shù)可靠性分析

對于1000MW容量機(jī)組的1×100%容量方案，經(jīng)了解完全采用國產(chǎn)技術(shù)的泵廠均沒有100%容量給水泵設(shè)計(jì)方案，因此不能采用完全國內(nèi)生產(chǎn)制造的產(chǎn)品，需要采購SULZER(蘇爾壽)、KSB(凱士比)、EBARA(荏原)等廠商的全進(jìn)口或進(jìn)口組裝產(chǎn)品。三個公司針對1000MW二次再熱機(jī)組100%容量汽動給水泵均提供有選型方案。

1000MW二次再熱機(jī)組100%容量汽動給水泵組的通流設(shè)計(jì)、葉輪直徑、葉輪級數(shù)、筒體承壓以及配套汽輪機(jī)的最大出力、末級葉片選型等是方案實(shí)施的關(guān)鍵因素。經(jīng)咨詢，各廠均提供有葉輪及級數(shù)的選型方案，且葉輪級數(shù)和直徑基本與一次再熱機(jī)組100%容量或二次再熱機(jī)組50%容量選型方案基本一致；在給水泵筒體設(shè)計(jì)和制造方面，各泵廠的筒體均為鍛造結(jié)構(gòu)，而二次再熱50%容量泵的筒體設(shè)計(jì)已在泰州二期、萊蕪電廠中實(shí)施，1000MW二次再熱機(jī)組100%容量給水泵筒體設(shè)計(jì)已在大唐雷州電廠中實(shí)施，其設(shè)計(jì)和制造不是問題。

對于1000MW一次再熱機(jī)組的1×100%容量給水泵所配套的汽輪機(jī)，國內(nèi)杭汽、上汽和東汽均已有訂貨業(yè)績。經(jīng)調(diào)研咨詢，國內(nèi)此三大給水泵汽輪機(jī)廠也均能針對1000MW二次再熱機(jī)組的1×100%容量給水泵所配套的汽輪機(jī)進(jìn)行選型并供貨。1000MW二次再熱機(jī)組100%容量給水泵汽輪機(jī)最大難點(diǎn)，一是出力需滿足給水泵需要，二是二次再熱機(jī)組抽汽供汽參數(shù)與小機(jī)選型匹配。

關(guān)于小機(jī)出力要求，1000MW二次再熱機(jī)組100%容量給水泵軸功率需求比一次再熱100%容量泵高10%，達(dá)到42.8MW，經(jīng)咨詢小機(jī)廠，與一次再熱100%容量小機(jī)所選的同類機(jī)型，其最高出力可到45MW，因此完全可以滿足1000MW二次再熱機(jī)組100%容量給水泵需求；關(guān)于二次再熱機(jī)組供汽參數(shù)與小機(jī)末級葉片選型，由于二次再熱機(jī)組再熱溫度的提高，主汽輪機(jī)供給水泵汽輪機(jī)驅(qū)動用的5段抽汽過熱度較高，小機(jī)末級葉片材料選擇將不同于一次再熱機(jī)組全容量小機(jī)，但小機(jī)廠均確認(rèn)，同樣的問題在二次再熱半容量小機(jī)已解決，只需將二次再熱半容量小機(jī)所選末葉材料沿用到全容量小機(jī)即可。

綜上所述，1000MW二次再熱機(jī)組100%容量泵在技術(shù)上是完全可實(shí)施的，且二次再熱50%容量和100%容量泵均需國外設(shè)計(jì)、制造，供貨周期一致。

2.2 主給水泵組投資與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較

2.2.1 100%與50%容量方案初投資差異

根據(jù)泰州二期和萊蕪電廠訂貨情況，1000MW二次再熱機(jī)組50%容量泵采用芯包進(jìn)口方案，而100%容量方案根據(jù)大唐雷州項(xiàng)目訂貨情況，仍采用芯包進(jìn)口方案，因此無論50%容量和100%容量進(jìn)口范圍在同一水平，給水泵價格相差不大。

經(jīng)詢SULZER(蘇爾壽)、KSB(凱士比)等廠商，100%全容量泵采用全進(jìn)口較芯包進(jìn)口方案兩臺機(jī)組設(shè)備造價增加約500～800萬。鑒于芯包進(jìn)口、國內(nèi)組裝方案可行性較高，且大唐雷州二次再熱項(xiàng)目已采用KSB(凱士比)芯包進(jìn)口的全容量泵，已有同類投運(yùn)業(yè)績，說明廠家確認(rèn)采用芯包進(jìn)口方案也可保證全容量方案的可靠性。因此100%全容量泵可采用芯包進(jìn)口、國內(nèi)組裝方案，下述經(jīng)濟(jì)性比較亦采用此方案。如采用該方案，全容量泵組相比半容量泵組整體節(jié)省材料，兩臺機(jī)組造價可降低約200萬元。

兩個容量配置方案配套的給水泵汽輪機(jī)均可采用國產(chǎn)小汽輪機(jī)，小機(jī)本體和排汽系統(tǒng)的配置可采用以下方案：全容量100%小機(jī)宜配置獨(dú)立凝汽器（方案一）或2×50%容量小機(jī)排汽進(jìn)主凝汽器方案（方案二）。方案一小機(jī)需配置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；方案二需配置排汽管道及排汽蝶閥。兩種方案整體價格差異見表1(兩臺機(jī)組)。綜合泵和配套小機(jī)及排汽系統(tǒng)初投資費(fèi)用，與方案二相比較，若采用方案一，兩臺機(jī)組增加造價約650萬元。

表1 給水泵汽輪機(jī)投資價格比較

2.2.2 兩種方案運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較

給水泵效率比較：經(jīng)咨詢某泵廠選型，100%全容量和50%半容量汽動給水泵組在100%THA、75%THA、50%THA、40%THA工況下的效率(%)分別為87.07/85.96、83.49/82.44、75.75/74.35、71.32/70.82，可見采用100%全容量汽動給水泵組效率略高。如負(fù)荷低于50%以下時，2×50%容量配置方式采用單泵運(yùn)行模式，泵組運(yùn)行效率則可優(yōu)于100%全容量汽動給水泵組。但實(shí)際運(yùn)行中，為便于機(jī)組及時升負(fù)荷往往會將雙泵投入運(yùn)行，使雙泵始終保持在可用狀態(tài)，因此100%全容量汽動給水泵組的實(shí)際運(yùn)行效率總是優(yōu)于50%容量泵的。

給水泵汽輪機(jī)效率比較：目前能為1000MW機(jī)組配套生產(chǎn)100%容量國產(chǎn)給水泵汽輪機(jī)的主要有杭汽、上汽和東汽三家。經(jīng)咨詢小機(jī)廠，1×100%容量汽動給水泵組配置國產(chǎn)小機(jī)在額定負(fù)荷工況運(yùn)行時，機(jī)組效率均可達(dá)到85%以上，大大優(yōu)于50%小機(jī)。以下為某小機(jī)廠提供的全容量小機(jī)選型方案，與50%容量方案小機(jī)在100%THA、75%THA、50%THA、40%THA工況下的效率(%)分別為85.38/84.56、84.65/83.83、81.08/76.21、75.07/71.29。

給水泵汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行背壓比較：對于方案一，配置獨(dú)立式凝汽器投資增加不多，兩臺機(jī)投資較方案二僅增加約650萬，但由于小機(jī)排汽口與小凝汽器間排汽管道極短，且無需設(shè)置排汽蝶閥，流道阻力很小，只需考慮小機(jī)凝汽器與主機(jī)凝汽器傳熱端差值不同的影響，方案一小機(jī)的實(shí)際排汽背壓可取比主凝汽器背壓高約0.4kPa；對于方案二，還需考慮從小機(jī)排汽口到主凝汽器間排汽管道和蝶閥的流道阻力，因此50%容量汽動給水泵組小機(jī)的實(shí)際排汽背壓將高于主凝汽器背壓0.5～0.6kPa。

100%容量泵組小汽機(jī)排汽方案對機(jī)組背壓優(yōu)化的分析：方案一（100%小機(jī)+1臺獨(dú)立凝汽器）主機(jī)凝汽器量降低了約10%，為進(jìn)一步優(yōu)化主機(jī)排汽背壓創(chuàng)造了有利條件。受凝汽器管板大小和管束長度加工、制造限制，凝汽器面積是主機(jī)冷端優(yōu)化的一個主要制約因素。主機(jī)排汽量越大，凝汽器面積要求越大。反之，當(dāng)100%容量給水泵汽輪機(jī)配獨(dú)立小凝汽器方案時，進(jìn)主凝汽器的凝汽量減少，在相同凝汽器極限面積情況下，配合循環(huán)水系統(tǒng)方案主機(jī)背壓可有一定降低，有利于機(jī)組更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較：方案一給水泵效率（%）、給水泵汽輪機(jī)效率（%）、小機(jī)排汽背壓（kPa.a）、主機(jī)排汽背壓（kPa.a）、小機(jī)效率及排汽背壓差異對機(jī)組熱耗影響（kJ/kWh）、主凝汽器背壓差異對機(jī)組熱耗影響（kJ/kWh）、機(jī)組熱耗總差異（kJ/kWh）在100%THA工況下分別為1.11/0.82/-0.3/-0.2/-7.5/-12/-19.5，在75%THA工況下分別為1.05/0.82/-0.3/-0.21/-6/-13/-19，在50%THA工況下分別為1.4/4.87/-0.3/-0.21/-13/-13/-26，在40%THA工況下分別為0.5/3.78/-0.3/-0.21/-5/-14/-19，方案二各工況下的以上各指標(biāo)均為基準(zhǔn)。

反映到機(jī)組發(fā)電煤耗、年耗煤量的上的差異如下。如標(biāo)煤價按619.2元/t計(jì)，在機(jī)組年利用小時數(shù)為5500小時情況下，對不同負(fù)荷下運(yùn)行小時數(shù)加權(quán)計(jì)算，單臺機(jī)組在不同方案下的年耗煤量和燃料費(fèi)用差異如表2。

表2 兩種配置方案經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)差異表

從表2可看出，與方案二相比方案一每臺機(jī)組每年可節(jié)省燃料費(fèi)用約292萬元，但因方案一循泵耗功每臺機(jī)比方案二多0.7MW，折合年運(yùn)行費(fèi)用增加約174萬元，所以方案一較方案二每臺機(jī)每年節(jié)省費(fèi)用約118萬元，兩臺機(jī)組共計(jì)節(jié)省費(fèi)用約236萬元。因此，采用1×100%容量給水泵組小機(jī)排汽進(jìn)獨(dú)立凝汽器方案（方案一）與2×50%容量給水泵組小機(jī)排汽進(jìn)主凝汽器方案（方案二）相比，兩臺機(jī)組初投資增加450萬元，但每年可節(jié)省費(fèi)用236萬元。

按照機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限20年，方案一較方案二20年折現(xiàn)收益為2590萬元，因初投資較方案二增加了450萬元，所以較方案二的總收益為2140萬元。因此從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析，1000MW二次再熱機(jī)組采用1×100%容量汽動給水泵配獨(dú)立凝汽器方案具有優(yōu)勢。