600 MW亚临界空冷机组电动给水泵改造方案探讨

沈 峰， 郝 飞， 谭 锐

(国电科学技术研究院， 南京 210031)

600 MW亚临界空冷机组电动给水泵改造方案探讨

沈 峰， 郝 飞， 谭 锐

(国电科学技术研究院， 南京 210031)

为了提高600 MW亚临界空冷机组电动给水泵经济性，结合电动给水泵改汽动给水泵、液力耦合器改调速变频器这两种主要的给水泵改造技术路线，分别计算在不同改造方案下，机组对应不同负荷的改造效果。同时结合场地条件、负荷率、运行方式、投资等因素，针对不同的机组选择合适的改造方案。

亚临界空冷机组； 给水泵汽轮机； 液力耦合器； 变频器； 供电煤耗

Abstract： To improve the economy of a 600 MW subcritical air-cooling unit driven by electric feed pumps, there are in total two main technical strategies. One way is to use steam feed pump instead of electric feed pump, the other is to adopt frequency conversion instead of fluid coupling. Retrofit effects of the unit at different loads were calculated respectively for both the strategies. Considering the area conditions, load rate, operation mode and investment factors, appropriate retrofit schemes were proposed for the electric feed pump in different units.

Keywords： subcritical air-cooling unit; steam turbine for feed-water pump; fluid coupling; frequency converter; coal consumption of power supply

大容量空冷机组由于其背压高、且参数变化较大，按照GB 50660—2011 《大中型火力发电厂设计规范》规定，300 MW及以上直接空冷机组的给水泵配置为调速电动给水泵。在操作响应上，电动给水泵有着明显的优势。

汽动给水泵由于其较高的能量转化效率使之成为空冷机组的新选择。在运行操作及安全性上，汽动给水泵已完全可以满足大容量直接空冷机组的需求，且无论是单台100%容量，或者2台50%容量的布置方式均可以实现。

近些年来，机组负荷率呈逐年下降趋势，随着负荷的降低，液力耦合器调速损耗增大，转换效率降低，其经济性较差的缺点也越来越明显。而调速变频器在中低负荷下仍具有较高的转换效率，大大降低电动给水泵的耗电量。给水泵液力耦合器改调速变频器也成为节能降耗改造的一个方向。

1 600 MW直接空冷机组给水泵改造方案

1.1 机组概况

某600 MW亚临界直接空冷凝汽式汽轮机型号为NZK-600-16.7/538/538，机组配置3台50%容量电动给水泵。中压缸排汽参数为0.81 MPa/334.82 ℃。600 MW亚临界机组汽动给水泵进汽参数压力一般为0.7～0.8 MPa，温度为330～340 ℃，该机组中排参数满足给水泵汽轮机进汽源设计需要。

1.2 电动给水泵改汽动给水泵

根据改造汽泵的容量，改造方案可采用单台100%容量或者两台50%容量汽动给水泵配置，同时，根据给水泵汽轮机的排汽压力，可以选择直接空冷或者水冷两种方案。直接空冷是将给水泵汽轮机的排汽直接进入主机排汽管道，给水泵汽轮机背压与主机相同，均为15 kPa。水冷方案需要增加凝汽器系统，包括机力通风冷却塔，系统较复杂，给水泵汽轮机设计背压取6 kPa。

电动给水泵改汽动给水泵受场地影响较大。同时，在现有条件下，应尽量降低施工难度，减少机组停运时间。根据该机组的实际情况，综合考虑各项因素，选择两台50%容量汽动给水泵配置方式，冷却方式可采用两种方案进行切换。

1.3 给水泵液力耦合器改变频调速

选取其中的两台A、B给水泵，将原来的液力耦合器替换为增速箱，并取消冷油器、工作油泵、润滑油泵、辅助油泵等。前置泵与给水泵电动机脱开，为前置泵配置定速的驱动电动机，A、B给水泵电动机使用高压变频调速系统。其改造方案基本不受场地影响，施工难度相对容易。

2 电动给水泵改造经济性分析方法

电动给水泵改汽动给水泵，虽然厂用电率下降，但是主机的热耗率提高，机组供电煤耗的变化并不能直观判断。

2.1 相对效率分析法

在主机设计完成后，给水泵的进、出给水参数均已确定，通过计算可得到给水泵有效功率。因此，同一机组对应相同的给水参数下，如果汽动方式的抽汽量对应的相对效率高于不抽汽时这部分抽汽量在主机中继续做功时的相对效率，则表明汽动方式经济性更高；反之，则电动给水泵方式经济性更高[1]。

汽动给水泵运行方式下，相对效率为：

ηst=ηsηmHlex/H2ex

(1)

式中:ηs为给水泵汽轮机效率，%；ηm为给水泵汽轮机机械效率，%，取98%；Hlex为给水泵汽轮机的有效焓降，kJ/kg；H2ex为主机低压缸的有效焓降，kJ/kg。

电动给水泵运行方式下，相对效率为：

ηet=ηzηfmηfηbηdηvηo

(2)

式中：ηz为主机低压缸内效率，%；ηfm为发电机组机械效率，%，取97%；ηf为发电机效率，%，取99%；ηb为变压器及输电效率，%，取98%；ηd为电动机效率，%，取97%；ηv为齿轮效率，%，取96%；ηo为液力耦合器效率，%。

简化式(2)，可得：

ηet=0.876 3ηzηo

(3)

相对效率比值为：

(4)

式中：hi为进汽焓，kJ/kg；h1p、h2p分别为给水泵汽轮机、主机实际排汽焓，kJ/kg。

根据汽轮机缸效计算可知：

hi-h1p=ηs(hi-h1s)

(5)

hi-h2p=ηz(hi-h2s)

(6)

式中：h1s、h2s分别为给水泵汽轮机、主机等熵排汽焓，kJ/kg。

将式(5)、(6)带入式(4)中，简化计算后：

(7)

以设计额定参数计算，主机低压缸效率89%，给水泵汽轮机效率81%，液力耦合器效率90%，主机、给水泵汽轮机排汽压力均为15 kPa，以及主机、给水泵汽轮机排汽压力分别为15 kPa、6 kPa时，效率相对比值分别为1.03、1.19，汽动给水泵经济性更好。

在实际运行过程中，机组主机低压缸效率、给水泵汽轮机效率与设计值均有一定差距。同时，液力耦合器勺管开度与设计并不完全相同，造成液力耦合器的效率也有变化。通过相对效率分析法，可以快速判断经济性更好的驱动方式。

2.2 不同驱动方式节能计算模型

通过不同的模型，可以定量计算不同驱动方式的经济性影响。汽动给水泵运行时，相对于电动给水泵，抽汽量进入给水泵汽轮机驱动给水泵，造成进入低压缸流量降低。在锅炉侧吸收相同热量的条件下，即主、再热蒸汽参数，以及汽轮机高、中压缸均不受影响，低压缸进汽流量减小造成发电功率降低。由于无电动给水泵功耗，机组厂用电也降低。

2.2.1 电动给水泵指标计算

汽轮机热耗：

(8)

式中：HR为热耗率，kJ/(kW·h)；W为电动给水泵运行下发电机功率，kW；Q为汽轮机总吸热量，kJ/h。

发电煤耗：

(9)

式中：B为发电煤耗，g/(kW·h)；qb为标煤热值，kJ/kg；ηb为锅炉效率，%；ηgd为管道效率，%。

厂用电率：

(10)

式中：φ为厂用电率，%；Wf为辅机总耗电功率，kW。

2.2.2 汽动给水泵指标计算

汽轮机热耗:

(11)

式中： ΔW为汽动给水泵进汽造成低压缸做功减少值，kW，ΔW=FH2exηfmηf，F为给水泵汽轮机进汽流量，kg/s，H2ex为主机低压缸有效焓降，kJ/kg，若不考虑抽汽后对主机低压缸效率的影响，可简化计算低压缸损失功率，ΔW=F(hi-h2s)ηzηfmηf。

发电煤耗：

(12)

厂用电率：

(13)

式中:Wp为电动给水泵的耗功，kW。

2.3 液力耦合器改变频器节能计算

在不同负荷下，调速变频器转换效率均高于液力耦合器[2]，液力耦合器转换效率见图1。改造后机组的厂用电率下降，而系统其他部分基本没有变化，因此，供电煤耗呈下降趋势。

图1 变频器与液力耦合器调速效率

在同一负荷下，液力耦合器与变频器最终的给水泵有用功是不变的，即Wpηet为定值。

Wp变频=Wp液耦ηet液耦/ηet变频

(14)

给水泵厂用电率：

(15)

机组锅炉效率以及汽轮机热耗不变，发电煤耗为定值，仅给水泵厂用电率发生变化，因而可以得到改造后的供电煤耗。

3 改造后机组节能效果

3.1 电动给水泵改汽动给水泵后的煤耗指标

通过计算，得到在不同的负荷工况下，不同背压运行方式的主要经济指标(见表1)，其中，给水泵汽轮机效率取600 MW水冷机组的试验平均值。

表1 电动给水泵改汽动给水泵后不同负荷下主要参数指标

电动给水泵改汽动给水泵后，湿冷方式下给水泵汽轮机效率更高，较空冷方式节煤量更大。随着负荷的降低，节煤量逐渐增大。

3.2 液力耦合器改变频器后节能指标

由图1所知：调速变频器的转换效率在40%负荷以上时均超过93%，为简化计算，变频器效率取93%。液力耦合器改变频器后主要指标见表2。

表2 电泵液力耦合器改变频后主要指标

3.3 不同改造方案的节能分析

根据计算结果，比较在不同改造方案下不同负荷的改造效果(见图2)。

图2 不同改造方案的经济指标

在不同的改造方案下，电动给水泵液力耦合器改调速变频器方案的经济性介于汽动给水泵两种不同冷却方式的改造方案之间。

根据相对效率比值，不同驱动方式的经济性主要由主机低压缸效率、给水泵汽轮机效率，以及变频器效率来决定。在各负荷段，主机低压缸效率一般均高于给水泵汽轮机效率。

单台100%容量给水泵汽轮机在大容量机组中应用已实现，机组没有出现因单台汽泵的配置而造成出力不足的情况，给水泵汽轮机设计裕量较大[3]，两台50%容量给水泵汽轮机实际裕量更大，造成给水泵汽轮机长期在偏离经济工况下运行，负荷越低，偏离越严重，经济性也越差。

在实际运行过程中，部分机组负荷调度低于50%负荷。若考虑50%以下负荷段，单台50%容量汽动给水泵可以满足运行需求，但由于负荷调度的波动，汽动给水泵需进行切换操作，为保证负荷响应速率以及现场安全，在50%以下负荷段，很少有机组实现仅开启单台50%容量汽动给水泵的运行方式，造成两台给水泵汽轮机的效率急剧降低。而变频器只在出力15%以下效率急剧下降，实际运行过程中几乎不会发生。因此，在50%以下负荷段，汽动给水泵改造并不比变频调速改造更节能。

3.4 不同改造方案的投资分析

空冷机组所处区域一般煤价较低。调速变频改造费用在1 000万左右，且工期短，5年内基本可以回收成本；而汽动给水泵改造投资几乎是变频改造的2倍以上，停机施工时间较长，部分机组受现场条件的影响可能无法实施，回收成本超过15年[4]。

4 结语

仅考虑投资回报率，变频改造方案更适合600 MW亚临界空冷机组电动给水泵。若考虑节能减排，电动给水泵的改造方案可以根据现场的实际条件进行选择。在负荷率较高、现场施工条件较好的机组，可以考虑湿冷、汽动给水泵改造方案；否则，调速变频改造方案更加合适。

[1] 刘颖华. 300 MW机组给水泵组配置方式选择的探讨[J]. 湖南电力, 2000, 20(2): 4-5.

[2] 张文海,安立群. 火力发电厂电动给水泵液力偶合器泵轮(变频)调速法[J]. 电力建设, 2012, 33(6): 60-63.

[3] 沈峰. 超超临界机组100%容量给水泵汽轮机运行异常分析[J]. 发电设备, 2016, 30(2): 120-123.

[4] 赵伟光,尹赐君,闫金钰. 元宝山发电厂电动给水泵改汽动给水泵可行性评估[J]. 东北电力技术, 2006(3): 1-5.

RetrofitSchemesfortheElectricFeedPumpofa600MWSubcriticalAir-coolingUnit

Shen Feng, Hao Fei, Tan Rui

(Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210031, China)

2016-10-26；

2016-12-23

沈 峰(1984—)，男，工程师，主要从事火电机组热力系统诊断及改造研究。

E-mail: mantis09@foxmail.com

TK264.9

A

1671-086X(2017)05-0356-04