【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 水泵驅(qū)動(dòng)技術(shù)。新出現(xiàn)的高效液力耦合器，其在50%負(fù)荷時(shí)還有高達(dá)92%左右的效率，比傳統(tǒng)的液力耦合器高20%左右，對(duì)傳統(tǒng)意義上汽泵方案熱經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)的理論提出了挑戰(zhàn)。趙恩嬋將調(diào)速之星與傳統(tǒng)液力耦合器進(jìn)行比較，[9]。因此，應(yīng)用高效液力耦合器技術(shù)對(duì)提高電廠經(jīng)濟(jì)性無疑是一種好方法。在交流變頻調(diào)速技術(shù)中，無換向器電機(jī)調(diào)速技術(shù)是在大型機(jī)組鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)方面應(yīng)用最廣泛、經(jīng)驗(yàn)最成熟的一種。它具有熱經(jīng)濟(jì)性好和熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[10]。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，無換向器電機(jī)調(diào)速方式是比較經(jīng)濟(jì)而又有發(fā)展前途的驅(qū)動(dòng)方案。對(duì)于新型的主機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)給水泵，在減少?gòu)S用電消耗的同時(shí)，可簡(jiǎn)化工藝系統(tǒng)，減少設(shè)備工程投資并提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性[1112]。雖然它在過去在美國(guó)應(yīng)用中遇到困難而被淘汰，但是它減少了能量傳遞環(huán)節(jié)，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，所以它也是給水泵配置方式中重要的發(fā)展方向。 給水泵是發(fā)電廠最重要的輔機(jī)之一，國(guó)內(nèi)對(duì)給水泵配置方式的研究早已不是新鮮話題[13]?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)，歸納了前人在鍋爐給水泵驅(qū)動(dòng)方案熱經(jīng)濟(jì)性研究上尚存在以下一些不足：(1)片面強(qiáng)調(diào)降低廠用電率，忽視了發(fā)電機(jī)組的實(shí)際能耗指標(biāo)；(2)片面強(qiáng)調(diào)小汽輪機(jī)的額定工況下的高效率，忽視了小機(jī)變工況下的低效率；(3)管道效率及汽動(dòng)方案其他耗功沒有充分考慮；(4)國(guó)內(nèi)大型火電機(jī)組鍋爐給水泵容量及驅(qū)動(dòng)設(shè)備容量偏大，沒有充分分析容量偏大對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響。綜上所述，國(guó)內(nèi)外300 MW燃煤機(jī)組給水泵配置方式多種多樣，國(guó)際上，英、法、意、比利時(shí)等西歐國(guó)家傾向采用電動(dòng)方式，美、日、前蘇聯(lián)等國(guó)家傾向采用汽動(dòng)方式。由于國(guó)外小汽機(jī)的內(nèi)效率較高，達(dá)86%，故國(guó)外學(xué)者認(rèn)為2種方式的經(jīng)濟(jì)性相差不大。而國(guó)內(nèi)卻普遍認(rèn)為汽動(dòng)方式較電動(dòng)方式供電量大、經(jīng)濟(jì)性好，所以300MW機(jī)組幾乎都采用汽動(dòng)給水泵。但由于國(guó)產(chǎn)小汽輪機(jī)的內(nèi)效率較主機(jī)低壓缸內(nèi)效率低得多，所以在實(shí)際中必須根據(jù)工程的具體情況，通過綜合分析選擇合理的給水泵配置方式，以提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益。 課題研究?jī)?nèi)容 本文對(duì)燃煤機(jī)組給水泵不同配置方式進(jìn)行研究，主要以上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的300MW機(jī)組為例，主要進(jìn)行的工作如下： (1)通過進(jìn)圖書館查閱文獻(xiàn)，上網(wǎng)查詢資料，走訪電廠獲取第一手資料，盡可能多角度、全面地了解本課題的發(fā)展?fàn)顩r。 (2)對(duì)收集的資料進(jìn)行研究和分析，總結(jié)300MW機(jī)組給水泵不同配置方式的特點(diǎn)。 (3)通過對(duì)上面的分析來確定比選方案，對(duì)國(guó)內(nèi)300MW機(jī)組的不同給水泵配置方式進(jìn)行計(jì)算，初始數(shù)據(jù)由某電廠給出的熱平衡圖給出。2 給水泵的配置方式 給水泵組的配置原則 給水泵的配置方式，主要是指給水泵的類型、臺(tái)數(shù)和容量的選擇。目前，在大型火電機(jī)組中，給水泵主要有汽動(dòng)給水泵和電動(dòng)給水泵兩種類型，但是電動(dòng)給水泵又有定速泵和調(diào)速泵兩種，而汽動(dòng)給水泵又可以配置不同容量和臺(tái)數(shù)，因此給水泵的配置方式呈現(xiàn)出多樣性。給水泵配置方式的選擇涉及到的因素很多，比如鍋爐的型號(hào)，汽輪機(jī)機(jī)組和鍋爐最低允許負(fù)荷；汽動(dòng)泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量水平，兩種泵的價(jià)格及其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；還要滿足單元機(jī)組的不同運(yùn)行方式要求等。單元制給水泵的選擇和配置原則應(yīng)該是保證給水系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、投資費(fèi)用最低、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、調(diào)節(jié)靈活、增加供電量。這些原則相互之間不是孤立的，是有聯(lián)系的。通常來講，我們主要適當(dāng)注意某些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，不論對(duì)于哪種配置方式，都能符合上面所要求的技術(shù)條件。 國(guó)內(nèi)300MW機(jī)組給水泵組的配置情況調(diào)研分析 國(guó)內(nèi)給水泵配置情況 根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)300MW機(jī)組的運(yùn)行給水泵，宜配置1臺(tái)容量為最大給水量100%或2臺(tái)容量各為最大給水量50%的汽動(dòng)給水泵。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后認(rèn)為合理時(shí)，也可設(shè)置3臺(tái)容量各為最大給水量50%的調(diào)速電動(dòng)給水泵[13]。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外電廠的調(diào)查，300MW機(jī)組給水泵配置方式對(duì)國(guó)內(nèi)部分電廠進(jìn)行調(diào)查，得到配置情況如下表。表21 300MW電廠給水泵配置情況表序號(hào)工程名稱給水泵配置方式備注汽動(dòng)給水泵電動(dòng)給水泵1珠江電廠250%150%—2湛江電廠一期1100%150%—3沙嶺子電廠一期1100%150%—4大唐雞西Ｂ廠250%150%— 續(xù)表 21序號(hào)工程名稱給水泵配置方式備注汽動(dòng)給水泵電動(dòng)給水泵5沙角A 電廠250%130%—6元寶山—350%—7內(nèi)蒙古達(dá)拉特電廠—350%—8太一五期—350%—9張家口電廠1100%150%—10大壩250%150%電動(dòng)泵為定速11吳涇電廠250%130%電動(dòng)泵為定速12偃師電廠1100%150%— 國(guó)內(nèi)300MW機(jī)組給水泵組的配置方式分析總體來說，300MW機(jī)組給水泵配置方式主要有汽動(dòng)加電動(dòng)(啟動(dòng)和備用)和電動(dòng)兩種方式。目前我國(guó)主要采用采用第一種方式，其中汽動(dòng)泵作為主運(yùn)行泵，電動(dòng)泵作為啟動(dòng)或事故備用泵。這是由于我國(guó)上網(wǎng)調(diào)度的特點(diǎn)決定的，而前一種方式比后一種方式的所消耗的廠用電量低，能輸出更多的電量，故我國(guó)幾乎全部采用第一種方式。汽動(dòng)加電動(dòng)的配置按泵的容量又可以分2種配置：1100%容量汽動(dòng)給水泵+150%容量啟動(dòng)電動(dòng)給水泵；250%容量汽動(dòng)給水泵+150%容量汽動(dòng)給水泵。這兩種方式相比，250%容量汽動(dòng)給水泵中如果有一臺(tái)汽動(dòng)給水泵出現(xiàn)問題，那么備用的50％容量電動(dòng)泵能夠自動(dòng)投入運(yùn)行，跟另外一臺(tái)50％容量的汽動(dòng)泵并聯(lián)運(yùn)行，這時(shí)候，機(jī)組能夠正常滿負(fù)荷運(yùn)行。但是如果是1100%容量汽動(dòng)給水泵遇到這種情況，只能依賴50％容量的用于備用的電動(dòng)給水泵，卻不能滿足機(jī)組在帶60％負(fù)荷時(shí)的給水需要。故250%配置方式具有運(yùn)行方式靈活，可靠性高的特點(diǎn)。這也是影響我國(guó)以往喜歡采用250%容量汽動(dòng)給水泵這種配置的主要因素，比如我國(guó)的珠江電廠、青島電廠等。在國(guó)外300 MW及更大容量機(jī)組采用1100%容量汽動(dòng)給水泵已經(jīng)很普遍，在國(guó)內(nèi)使用1100%容量汽動(dòng)給水泵的電廠雖然數(shù)量少，但也積累了足夠多的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，這得益于我國(guó)大量引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，使得1100%容量汽動(dòng)給水泵質(zhì)量上升，可靠性提高。1100%容量汽動(dòng)泵比250%汽動(dòng)泵一般節(jié)省投資大約20%，而且1100%容量汽動(dòng)泵比250%汽動(dòng)泵的效率更高，降低了機(jī)組熱耗大約8～16kJ/(kWh)，故1100%容量汽動(dòng)給水泵的經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)于250%汽動(dòng)給水泵。而且在機(jī)組40%~100%負(fù)荷范圍內(nèi)，給水泵能夠與主機(jī)的負(fù)荷變化相對(duì)應(yīng)，這就沒有雙泵并聯(lián)運(yùn)行的麻煩。正是由于1100%容量汽動(dòng)給水泵具有這么突出的優(yōu)點(diǎn)，所以北美和歐洲大力推薦使用1100%容量汽動(dòng)給水泵。%容量汽動(dòng)給水泵，甚至一些公司取消了電動(dòng)備用泵，比如托馬斯克里克廠60萬千瓦的4號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)。歐洲的英國(guó)電氣公司30萬千瓦機(jī)組，英國(guó)的韋斯特伯頓電廠法國(guó)拉托公司25萬千瓦機(jī)組為100%容量汽動(dòng)給水泵加250%電動(dòng)給水泵，法國(guó)阿爾斯通60萬千瓦機(jī)組和西德60萬千瓦機(jī)組則為100%容量汽動(dòng)給水泵加225%電動(dòng)給水泵，英國(guó)新66萬千瓦機(jī)組則變成了為100%容量汽動(dòng)給水泵加150%電動(dòng)給水泵，只有一半備用量，向美國(guó)靠近。 在我國(guó)，湛江發(fā)電廠一期2號(hào)機(jī)組和沙嶺子電廠一期2號(hào)機(jī)組是國(guó)產(chǎn)300MW 機(jī)組，采用了1100%容量汽動(dòng)給水泵。但是運(yùn)行了幾年，成績(jī)不理想。原因是多次發(fā)生事故，即汽動(dòng)給水泵故障跳閘引起鍋爐汽包水位低，機(jī)組跳閘，甚至鍋爐干鍋，這樣造成了電廠不能安全運(yùn)行。所以后面湛江發(fā)電廠二期工程2300 MW 機(jī)組及沙嶺子電廠二期工程2300 MW 機(jī)組(已投產(chǎn))的給水泵都采用250%容量，提高了可靠性。但是隨著給水泵技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)又有使用1100%容量給水泵的趨勢(shì)，這與國(guó)際上給水泵配置方式現(xiàn)狀相吻合。 備用給水泵的容量配置分析 目前國(guó)內(nèi)300MW 機(jī)組電廠的備用泵大多為150%容量的電動(dòng)給水泵，但也有使用130%容量的電動(dòng)給水泵。兩者比較采用30%容量的電動(dòng)泵可以降低投資。因此，對(duì)于250%容量的給水泵配置方式時(shí)使用備用泵建議采取130%容量的電動(dòng)給水泵，國(guó)內(nèi)的吳涇電廠300MW機(jī)組給水泵就是采納的這種方式。但是使用50%容量的備用電泵也有好處，因?yàn)榻o水泵的型號(hào)一樣，有利于維護(hù)和備品備件管理。當(dāng)300MW機(jī)組使用1100%容量汽動(dòng)給水泵時(shí)，應(yīng)該保持備用電泵的容量為50%，這樣是為了當(dāng)汽泵發(fā)生故障時(shí)，電泵能夠快速啟用，承擔(dān)約60%的機(jī)組出力，避免機(jī)組停機(jī)等事故。通過對(duì)國(guó)外機(jī)組運(yùn)行情況的了解，給水泵和小汽輪機(jī)運(yùn)行可靠性較高，電動(dòng)給水泵的備用功能極少使用。GE公司250%汽動(dòng)給水泵和1100%汽動(dòng)給水泵的兩種方案也一般不設(shè)備用泵，這是因?yàn)樵摴驹?0世紀(jì)八十年代對(duì)給水泵運(yùn)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)迫停機(jī)的次數(shù)極低，得出給水泵可靠性高可以不設(shè)備用泵的結(jié)論。因?yàn)槿∠姳脗溆?，減少了投資費(fèi)用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，降低了廠用電率，提高了經(jīng)濟(jì)性，所以建議新建電廠進(jìn)行試點(diǎn)推廣。 給水泵運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)根據(jù)2014年電力可靠性指標(biāo)主要情況知道，參與可靠性統(tǒng)計(jì)的20萬千瓦及以上容量給火電機(jī)組的水泵組臺(tái)數(shù)為3036臺(tái)，%。根據(jù)2004年～2009年大型火電機(jī)組主要輔機(jī)運(yùn)行可靠性指標(biāo)對(duì)電泵和汽泵進(jìn)行匯總見下表。表22 300MW機(jī)組給水泵非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表年給水泵型式運(yùn)行系數(shù)(%)可用系數(shù)(%)非計(jì)劃停運(yùn)率(%)非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間(小時(shí)/臺(tái)年)2004電泵汽泵2005電泵汽泵2006電泵汽泵2009電泵汽泵 從上面的統(tǒng)計(jì)可以看出，電動(dòng)給水泵的平均非停運(yùn)時(shí)間明顯高于汽動(dòng)給水泵，且給水泵的可靠性逐年提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)造成給水泵停運(yùn)的主要原因是密封裝置漏水，其它原因有振動(dòng)大、磨損等。 給水泵組的驅(qū)動(dòng)方案 (1)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是通過給水泵的給水調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)給水流量，也可以在電動(dòng)機(jī)和給水泵之間設(shè)置液力耦合器。液力耦合器是一種利用液體來傳遞轉(zhuǎn)矩的變速裝置，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不改變，通過改變耦合器的轉(zhuǎn)矩，來達(dá)到改變給水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水量或采用其它變速裝置控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)給水泵。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性高、投資設(shè)備費(fèi)用較低。但是隨著機(jī)組功率增大后，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)、變壓器啟動(dòng)的控制設(shè)備容量要求也同時(shí)增大，整個(gè)裝置的成本費(fèi)用也同時(shí)增大，增加了廠用電率。所以，目前國(guó)內(nèi)300MW火電機(jī)組通常使用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，只有啟動(dòng)或備用泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 (2)主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng) 主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方案( 給水泵汽輪機(jī)和主汽輪機(jī)同軸) 就是給水泵直接采用主汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，即在運(yùn)轉(zhuǎn)層汽輪機(jī)機(jī)頭側(cè)，由汽機(jī)主軸通過聯(lián)軸器、減速箱、液力偶合器等傳動(dòng)裝置帶動(dòng)給水泵運(yùn)行[14]。相對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，它減少了能量的傳遞環(huán)節(jié)，而不是和其它兩種方式一樣僅僅提高了能量在傳遞上的效率，所以主汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)提高了能量利用水平。在20世紀(jì)60年代初期，美國(guó)有比較多的電廠采用了這種方式，但后來在應(yīng)用中由于技術(shù)方面等原因逐漸被淘汰。 (3)小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng) 在當(dāng)代隨著汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量和蒸汽參數(shù)的不斷提高，由與主汽輪機(jī)分離的汽輪機(jī)(即給