新建600MW机组热网首站循环泵驱动动力选配优化分析

新建600MW机组热网首站循环泵驱动动力选配优化分析

胜利发电厂 张振 丁厚东

胜利发电厂三期热电工程新建600MW机组热网首站对其配套五台循环泵一改传统的全电机驱动，首次采用“三台工业汽轮机+两台电动机”驱动运行模式。文中阐述了工业汽轮机驱动的经济性及电泵存在的必要性；论证了采用“三台汽泵+两台电泵”配置能够保证热网系统运行安全性的同时能够提高热电机组经济性。

供热机组；循环泵 ；工业汽轮机；电动机；三汽两电配置；安全经济

近年来，随着城市采暖供热等重大民生工程的快速发展和国家对环保工作的加强，城镇冬季供热由原来的高能耗、高排放、污染严重的小型采暖锅逐步由热电厂集中供热代替，供热首站利用汽轮机抽汽加热循环水，循环水由循环水泵送至二级换热站进行热交换后，最终送到用户。驱动循环泵的动力设备传统的设计模式为电动机，这种电动机功率大、耗能高。随着电力发展脚步的加快，特别是近期煤电机组产能过剩，等效可利用小时数下降，为减少厂用电率，降低煤耗，在发电指标内尽可能的多供电以提高发电效益，本工程借鉴火电厂给水泵等大型设备使用工业汽轮机驱动方式以达到降低耗能的经验，首次提出了热网循环泵由传统的全部电泵运行模式，改为采用“三台汽泵+两台电泵”（以下简称“三汽两电”）供热运行模式，从而达到在确保热网供热安全可靠的前提下提高机组效益的目的。

1 热网首站汽水系统介绍

胜利发电厂（以下简称“胜电”）三期热电工程新建的1×600MW级抽汽凝汽式发电供热机组，其热网首站设计有四台加热器，配套五台循环泵进行热网循环水系统供水。建成后预计供热面积1400万m2，供热量达到年供热508万GJ。供热所需采暖蒸汽来自中压缸五段抽汽，蒸汽进入各加热器，与热网循环水进行换热。加热器疏水返回主机凝汽器，参与新一轮热力循环。热网首站采用单元制配置，循环水70℃回水经全自动过滤器过滤除污后，由热网循环水泵加压进入热网加热器，与蒸汽进行换热升温至130℃后进入供水总管，进而输送至城市供暖干线，换热后的热网循环水返回热网加热器吸热，继续参与循环。热网循环泵配套6 kV电机，长时间运行将大量损耗厂用电，对其合理的优化以促进机组能耗的降低具有较大的实际意义。热网首站汽水流程示意图见图1。

2 循环泵驱动方式选用分析

2.1工业汽轮机驱动的特点

在工业生产中，直接用汽轮机作为原动机来驱动大型的机械设备，这种用途的汽轮机称为工业汽轮机，近年来，随着节能降耗的需求日益加大，工业汽轮机得到了更加广泛的应用。在电厂生产中，合理的利用汽轮机做功后所产生的乏汽直接驱动工业汽轮机做功，已经成为一种趋势，目前大型电厂中给水泵等设备已多用工业汽轮机驱动，产生了较大的经济效益。针对热网循环泵电动机功率大、耗能多的特点，合理的利用工业汽轮机驱动具有较大优势。

图1 热网首站汽水流程示意图

2.1.1 运行经济性更强

表1 四段抽汽与五段抽汽之间的热力特性

热网循环泵使用电动机为6 kV设备，所使用的电能是汽轮机驱动发电机发电后，厂用电进一步作用于电动机驱动循环泵，即“蒸汽-发电-电动-做功”的形式。而工业汽轮机驱动可直接使用汽轮机做功后产生的乏汽即从抽汽直接做功，即“蒸汽-做功”方式，减少了功能传递环节。利用背压机的特点，将做功后乏汽直接排入加热器系统进行加热，实现闭式循环，无汽水损耗，提高乏汽利用功效。

2.1.2 调节性更好

电动机驱动泵需采用变频电机或采取机械耦合器配套以实现泵运行中的转速调解的目的，实现过程繁琐，工艺相对复杂，维护难度较高。而工业汽轮机能够直接驱动生产流程中的泵，通过汽门对于工业汽轮机进汽量的调解，可平稳、灵敏的与这些被驱动机械相互协调进行变速运行，以适应生产流程工况条件的变化，调速范围较宽，工艺实现相对简单。

2.1.3 采购成本更低

依照目前市场价格比对，相同输出功率的工业汽轮机相较同功率的电动机及变频器（或者液力耦合器）价格更低，节约初投资费用。

2.1.4 发电收益更大

目前调度指标为发电量，在较优热耗的情况下，大范围的采用汽轮机驱动，将大大降低厂用电率，加大售电量，提高机组运行效益。

2.2 本工程采用工业汽轮机驱动的其他有利条件

2.2.1 汽轮机分段抽汽为采用工业汽轮机驱动提供可行性

本期工程汽轮机为四缸、八段抽气布置，即高压缸、中压缸、两台低压缸，其中一、二段抽汽于高压缸抽汽，三、四、五段抽汽于中压缸抽汽，六、七、八段抽汽于低压缸抽汽，供热汽源由五段抽汽提供。从本机组四段抽汽、五段抽汽的热力特性（表1）可以看出，在冬季抽汽工况下的压差及温差，存在选用背压式工业汽轮机形式、动力汽源采用四抽汽源供给、做功后乏汽（与五抽匹配）直接进入热网加热器的可能。本期工程拟工业汽轮机汽源流程图见图2。

2.2.2 热网首站设置在主厂房内减少建设成本及运行损耗

本期工程在建设时，首次采用600 MW级供热机组热网首站主厂房内模块化布置，将热网首站布置于主厂房内。汽轮机位于主厂房13.7 m层，除氧器位于主厂房南侧28 m层，热网加热器布置于其正下面6.9 m层，热网循环泵布置与于主厂房零米南侧热网加热器正下方，布局紧凑。循环泵与四抽管道及五抽至热网加热管道距离较近，四抽至循环泵汽轮机进汽及循环泵汽轮机排汽至五抽至加热器管道较短，建设进、排汽管道费用更低，蒸汽在管道运行过程中损耗更少。

2.3 电泵存在的必要性

2.3.1 加热器不可无水进汽

热网启动应在热网循环水压力正常后，方可投用热网加热器。如全部采用汽泵启动循环水泵方案，加热器内部无水，驱动汽轮机排汽直接进入加热器供汽，造成加热器干烧，不符合加热器安全运行要求。在启动过程中，应先用电泵进行加热器上水，待循环水压正常后，方可采用汽泵运行。

2.3.2 失汽后的需电泵运行

在机组打闸紧急停机时，汽泵瞬间失去汽源，热网循环水管道内部水流速发生突然变化，压强产生大幅度波动，将导致“水锤效应”,对系统阀门及管道造成严重破坏，需电泵使循环水源持续运行。

在机组正常停运时，热网循环水系统应继续运转直至外部二级换热站升压泵停运及温度缓慢达到停运水平以避免造成加热器及其他设备损坏。机组停运，工业汽轮机失去汽源，汽泵不能运行，需要电泵使循环水持续运行。

图2 工业汽轮机汽源流程图

2.3.3 机组运行更加稳妥

目前，在本期同类机组中，尚无热网循环泵采用工业汽轮机驱动经验，考虑到工业汽轮实际运行状态的不确定性，电泵作为成熟的技术，有存在的必要。

表2 循环泵参数

3 循环泵驱动设备的配置

3.1 循环泵配置

本期工程新建热网首站设计最大供热负荷为588 MW，平均为412 MW，最小为283 MW,循环水泵扬程不低于115 mH2O，为满足热网大流量、高扬程要求，机组采用为5台卧式单机双吸轴向中开蜗壳式水泵，正常状态下运行4台水泵，1台作为备用。循环泵参数见表2。

3.2 驱动装置配置分析

根据上述内容的分析，可以得出如下结论，在机组建设中，汽泵的选用将使机组运行更加经济，而电泵在目前热网首站建设中具有不可或缺的作用，如何更优化配置才能达到既安全稳定又经济高效的目的，是机组选型中的重中之重。在配置选型中，我们按照使用电泵能够保证安全稳定运行的前提下，尽可能多的使用汽泵的原则进行配置。

3.2.1 四台汽泵一台电泵运行

四台汽泵能够满足热网正常运行状态下均使用汽泵运行，相较于使用电泵经济性突出。但实际运行中，首先，一台电泵作为备用泵，安全系数偏低，特别是在事故停机状态下，单台电泵不能满足事故停机时热网对循环水流量的要求，将对整个热网运行造成较大的事故；其次，汽泵汽源由四抽供给，四台汽泵同时运行，抽汽量大，机组供给难度大；同时，考虑热网进行大水量冲洗时，单台电泵也难以满足要求。

3.2.2 三台汽泵两台电泵运行

目前根据理论分析及计算，三台汽泵加两台电泵既能够满足热网运行的安全性同时又可提升运行经济性。首先，电泵存在完全能够满足系统正常运行及停开机期间运行需求；其次，两台电泵客观上存在电泵一用一备的能力，热网循环水系统运行安全系数将大大提升；再次，三台汽泵的运行能够达到在条件允许范围能最大使用汽泵以提高经济型的目的。

3.3 工业汽轮机选型

根据四抽及五抽所体现的压差与温差，配套工业汽轮机选用进、排汽参数分别与四抽、五抽参数相匹配，并满足循环泵所需功率要求的机型。本机组采用的工业汽轮机参数见表3。

表3 热网循环泵工业汽轮机参数

4 经济效益计算

4.1 节约投资

根据测算，三台工业汽轮机配置相较三台电动机配置可节约投资180余万元。

4.2 供电收益

同类发电指标条件下，可增供电量为供暖期为4个月，采用三台气泵每台功率为1000 kW，共计节约厂用电量为：

5 结语

胜电三期热电工程新建600 MW机组热网首站循环泵的驱动动力首次采用“三台汽泵+两台电泵”运行模式，是保证热网的安全稳定运行条件下提高机组经济性的一种创新尝试。经计算其可节约初次投资180余万，并在发电指标确定时，为发电企业每年增加369万元收益。其对热电厂新建供热机组热网首站循环泵节能配置设计和老机组热网首站循环泵节能改造具有示范效应（对于具体机组热网循环泵的改进模式及采用汽泵与电泵的配置比例，需根据机组的热平衡情况、热网首站的设置情况及效能分析进行选择），代表科技发展趋势，对节能减排具有重大深远的意义，同时有着广泛的推广价值和广阔的市场前景。

[1] 王学义.工业汽轮机技术[M].北京：中国石化出版社.2011.

[2] 张晓光.热网循环泵、给水泵节能改造技术经济方案探讨[J].经营管理者，2010(15).395-395.

[3] 舒斌等.利用小汽机驱动热网循环泵的供热经济性分析[J].汽轮机技术，2014.56(3).224-226.