张涛王光林
（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）
【摘要】通过分析直接空冷机组的特点，研究各种给水泵配置方案的可行性和经济性。通过比较，建议直接空冷机组采用主机驱动给水泵方案，既能实现降低厂用电率的目的，又兼具电泵方案系统简单可靠、运行灵活的优势。
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关键词 直接空冷；主机泵；发电机组
０概述
锅炉给水泵是电厂中重要的辅机设备之一，其投资在全厂辅机中占有相当大的比例。与此同时，给水泵的功率很大，运行费用高。因此，选择合理的给水泵配置方案对于整个发电厂的造价及安全经济运行起到非常重要的作用。
给水泵按驱动方式可以分为电动给水泵方案、汽动给水泵方案以及主机驱动给水泵方案。目前我国300MW以上容量湿冷或间接空冷机组大都采用汽动给水泵，而近年来已投产的直接空冷机组多采用电动给水泵。主机驱动给水泵方案在国内尚没有业绩，但在德国Scholven电厂、Munchen-Sud电厂、Fkw-Buer电厂，意大利的La Spezia电厂、Chivasso电厂，美国的Hlp Robinson等10多家电厂均有应用业绩，其中Scholven 电厂600MW容量等级机组采用该方案可靠运行超过30年，其新建机组仍采用主机泵驱动方案。
1给水泵主要配置方案
本文在目前国内外660MW级直接空冷机组给水泵配置方案的基础上，按给水泵的驱动方式分类，对每一种驱动方式列举了不同的给水泵配置方案，并叙述各方案的技术特点：
方案一：电动给水泵方案；分别有2×50%容量与3×35%容量两种配置。
方案二：汽动给水泵方案；分别有1×100%容量与2×50%容量两种配置。
方案三：主机驱动给水泵方案；分别有1×100%容量与2×50%容量两种配置。
1.1电动给水泵方案
直接空冷机组采用电动给水泵方案，具有运行灵活、简单可靠、检修维护工作量小、整体寿命长等优点，且给水系统与主机排汽系统是两个独立的系统，不受主机背压变化的影响，电动给水泵由液力偶合器进行调速，以满足机组启动和各种工况的需要。缺点是采用电泵方案后厂用电率增加，会降低电厂的售电收益。
电动给水泵方案目前有两种配置方案：
1.1.12×50%容量电动调速泵
此方案单泵轴功率（含前置泵）约为13500kW，电动机功率达到约15500kW，采用一级液耦调速。若考虑加设备用泵，设备成本增加；若不设备用泵，在一台电泵事故的情况下，机组负荷降低至55%~60负荷下运行。
1.1.23×35%容量电动调速泵
此方案单泵轴功率（含前置泵）约为9200kW，电动机功率达到约11000kW，采用一级液耦调速。正常时，三台泵同时运行，在一台事故时，机组负荷降至80%左右。此方案电泵利用率高，耦合器和电机在电力行业很常见，国产率高，整体造价低于2×50%电泵方案，且运行灵活，非满负荷工况下经济性更高。
对于直接空冷机组，若采用电泵方案时推荐3×35%容量电动调速泵。
1.2汽动给水泵方案
空冷机组的主要特点是汽轮机背压高,且变化幅度大。空冷机组的设计与湿冷机组存在较大的区别。对于直接空冷机组，给水泵汽轮机（小汽机）的冷却方式主要有：直接空冷、间接空冷和独立湿冷三种方式。
1.2.1直接空冷小汽机
空冷机组采用汽动给水泵，如果小汽机排汽直接进入空冷系统，则小汽机也必须是高背压、变背压的汽轮机。由于空冷系统对气温和风速的敏感性强，主机正常运行背压变化范围大,要求小汽轮机调速系统具有较宽的调速范围，稳定灵活的调速特性。
在夏季，由于主机背压高,要维持一定的功率，则主汽轮机需加大进汽量,而小汽轮机为维持给水泵所需的功率，也必须加大进汽量，出现了小机与大机争夺汽量的问题，并且加大对空冷装置容量的要求。在非正常工况，不利风向的风速引起背压突升的瞬变过程中，小机调速系统很难维持给水泵所需的功率变化要求，扩大了整机瞬态过程的不安全性。
锅炉给水泵要求给水泵汽轮机运行在高转速、大范围的变转速、双汽源、变进汽参数等不利条件下。如果给水泵汽轮机采用直接空冷，则背压将更高，末级变工况范围更大，尾部运行条件更加恶劣，使得给水泵汽轮机的设计难度加大。
目前，该方案在国内600MW等级及以上机组尚无投运业绩，在300MW等级机组上有投运业绩，但效果不佳。因此给水泵汽轮机不宜采用直接空冷。
1.2.2间接空冷小汽机
间接空冷式小汽机需要设置一套独立的小汽机间接空冷系统。这几年空冷机组发展较快，不同的空冷系统，在工程设计、设备制造、安装调试和运行检修各方面都有不同的技术特点，需要逐步摸索掌握。同一台机组上采用两种不同的空冷系统，无疑会增加运行的难度，降低电厂的可靠性。
间接空冷小汽机的配置方式，不仅初投资增加较大，而且使本已复杂的系统更趋复杂。如前所述，空冷小汽机存在一定的设计难度，采用间接空冷小汽机可使设计难度有所降低，可靠性提高，但所有问题依然存在，仅是程度不同而已。
因此当主机采用直接空冷系统时,给水泵不宜采用间接空冷小汽机的配置方式。
1.2.3独立湿冷小汽机
如果采用独立的湿冷小汽机系统，为小汽机单独设置凝汽器，则绕开了设计空冷小汽机的难题，在理论上、实际运行中都是可行的。采用独立湿冷小汽机,需要增设小机凝汽器及独立的真空系统、循环冷却水系统、凝结水系等，并加大辅机循环水泵。
通过上面的对比，在不考虑节水指标的前提下，本工程最为合理可行的方案就是采用独立湿冷汽动给水泵。
2006年《电力产业发展政策》规定的空冷机组设计耗水指标为0.12m3/s.GW；《大中型火力发电厂设计规范》按17.8.12节“空冷系统”中明确“当空冷机组采用汽动给水泵时，其冷却方式宜采用间接空冷系统”。
汽动给水泵湿冷方案设备多，系统复杂，初投资大。水工冷却水塔占地面积较大，且该方案存在蒸发、排污损失，耗水量大，难以满足空冷机组的用水指标限制。
综合上面所有因素，三种冷却方式均不适用于直接空冷机组，因此不推荐直接空冷机组采用汽动给水泵方案。
1.3主机同轴驱动给水泵方案
主机同轴驱动给水泵方案是直接由主汽轮机的主轴通过挠性联轴器、调速装置驱动给水泵。该方案是对汽泵方案和电泵方案优势的综合，既能具备汽泵方案降低厂用电率，又具有电泵方案系统简单可靠，运行调节灵活的优势。这种方式利用了主机的高效率及简洁的动力传动链，理论上也是非常经济有效的。图1是主轴驱动锅炉给水泵的原理图。
采用主机泵方案时，由于调速装置传递功率较大，一般建议采用行星齿轮调速装置。调速行星齿轮Vorecon是基于功率叠加原理而工作的。部分功率通过Vorecon的变矩器到达行星齿轮副的行星轮，大部分功率则通过Vorecon的机械主轴传递至行星齿轮副的外围齿圈，最后在行星齿轮内进行功率的矢量叠加。调速行星齿轮，在国内电力项目应用不多，目前陕西华电蒲城电厂2×660 MW机组已采用。
主机同轴驱动给水泵方案主要有1×100%容量主机泵和2×50%容量主机泵两种。
1.3.11×100%容量主机泵方案
配置1×100%容量主机给水泵时，由于液力调速装置选型要求输入转速一般在1500～2000r/min，更高的输入转速会造成转子叶尖线速度过高，为保证设计使用寿命而对材质要有更高的要求，推荐配置独立齿轮箱。
1.3.22×50%容量主机泵方案
当采用2×50%容量主机给水泵时，需通过一个齿轮箱将主汽轮机主轴做功分传至2个调速装置，再传给2个给水泵主轴。图2是按主汽轮机驱动2×50%配置给水泵的布置示意图，从左至右以此是主汽轮机、分轴齿轮箱、调速装置、主给水泵。
两种方案在技术上都是可行的，但主机泵方案在国内尚无运行业绩，缺少运行操作经验，从机组可靠性方面考虑，推荐采用2×50%容量主机泵设置。
2给水泵配置方案比选
通过上文所述，对660MW级直接空冷机组，较为合适的给水泵配置方案为2×50%容量主机泵方案和3×35%容量电动调速泵方案两种，其中采用主机泵方案时需设置30%容量的电动启动泵，下文将针对这两种方案进行详细的经济比较。
2.1初投资比较（按两台机组计）
注：①电动给水泵按芯包国产计列费用；②采用主机泵方案后，汽机房长度加长约5m，跨度减少约3m；
2.2运行费用比较（按两台机组计）
注：①35%容量电动给水泵轴功率按9200kW/台计列，主机泵前置泵轴功率按500kW台计列；②本表比较基于年发电量相同。
我国现有电网的调度模式是网调直接控制到入网机组的发电功率，在这种电网调度模式下，高厂用电率则意味着供电量的降低，从而降低机组运行收益。由上表可以看出，虽然主机泵方案机组热耗较电泵方案高，但主机泵方案厂用电率低，供电量大，经济效益十分可观。
2.3方案比较结果
采用用动态投资回收期法计算本方案与基准方案投资差额的回收年限。
设投资差额回收年限为n，则
n=1-log(1+i) (1－ΔU×i×(1+i)/ΔB)
式中：ΔU——与基准相比投资增加的费用(万元)，为5520万元；
ΔB——本方案带来的收益（万元），为6840万元；
i ——为年利率(%)，本工程按6.15%。
得出主机泵方案投资差额回收年限n＝2年，即因采用主汽轮机驱动给水泵方案增加的投资费用在机组投运后2年内即可收回。在考虑机组的负荷水平后，采用主机泵方案仍具有很好的技术经济优势。
3结论
通过上文的论述和比较，对于660MW级直接空冷机组，采用主机泵方案虽然初投资高，机组热耗率高，但运行费用低，投资回收年限较短，因而具有更为广阔的应用前景。
［责任编辑：邓丽丽］