大型直冷机组主汽轮机驱动给水泵技术及其可行性_李民.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering42文章编号：1005-006X(2023)04-0042-05大型直冷机组主汽轮机驱动给水泵技术及其可行性李民1王建梅2刘朝晖3胡念苏2（1.内蒙古京泰发电有限责任公司，2.武汉大学动力与机械学院，3.西北电力设计院有限公司）摘要：汽轮机主轴直接驱动给水泵 MTD（Main Turbine Driving）技术是一种新型的给水泵驱动方式。这种方式既保留了传统汽动给水泵方式无需耗电的优点，又克服了另建单独驱动汽轮机凝汽器的缺点。这种方式由于需要增设主汽轮机与给水泵之间的调速耦合装置，同时在主汽轮机结构、热力系统等方面与传统驱动方式也有所不同，因此对此需要进行详细的可行性论证和分析。针对即将首次在国内两台 660 MW 超超临界直冷机组采用的主机驱动给水泵方案进行了关键技术的论证，并对比传统的给水泵驱动方案进行了技术经济分析。结论表明，MTD 技术在技术上可行，在经济性上也具有优势。关键词：可行性；直冷机组；主机驱动；给水泵中图分类号：TK284.1文献标识码：BTechnical and Feasibility Analysis of Main Turbine Driven Feed Pumpfor Large-scale Direct Cooling UnitsLI Min1,WANG Jian-mei2,LIU Zhao-hui3,HU Nian-su2(1.Neimenggu Jingtai Power Generation Co.,Ltd.,2.Wuhan University,3.Northwest Electric Power Design and Research Institute Co.,Ltd.)Abstract：MTD(main turbine driving)is a new driven technology for feed-water pump.It not only retains theadvantages of the traditional mode that the pump is driven by an independent turbine without power consumption,butalso overcomes the disadvantages of building a separate drive turbine condenser.Due to MTD need to add a speedregulating coupling device between the main turbine and the feed pump and it is different from the traditional drivingmode in terms of the structure and thermal system of the main turbine.Therefore a detailed feasibility demonstration andanalysis is necessary.The key technologies of MTD which will be used for the first time in two 660MW ultrasupercritical direct cooling units in China are demonstrated.At mean time,through the comparison with the traditionalfeed pump drive scheme,the technical and economic analysis of MTD is carried out.The results show that MTDtechnology is technically feasible and economically advantageous.Key words:feasibility;direct air-cooling unit;main turbine driving(MTD);feed water pump我国北方地区煤炭资源丰富而水资源匮乏的特点使得该地区的新建发电机组多选择空冷机组。而超/超临界空冷机组的给水泵采用传统的汽轮机驱动方式虽然对节约厂用电极为有利，但由于锅炉的热容量较小，当环境条件剧烈变化时，驱动汽轮机的排汽进入主机凝汽器后对主机的安全、稳定性产生较大影响。因此这些机组不得不为驱动汽轮机装设独立的水冷凝汽器从而大大增加了设备投资。采用主汽轮机主轴直接驱动给水泵MTD（MainTurbine Driving）是一种新型驱动技术。虽然国外早有实际应用，但国内直到近年才决定首次在内蒙两台 660 MW 超超临界直冷机组采用。这种方式既保留了传统汽动给水泵方式无需耗电的优点，也克服了另建单独驱动汽轮机凝汽器的缺点。当然这种收稿日期：2022-08-15李民(1973-)，男，硕士研究生，高级工程师。内蒙古鄂尔多斯，017100方式由于需要在主汽轮机与给水泵之间增设包括调速耦合装置在内的系列传动设备，同时在主汽轮机运行平台以及汽水管道上与传统驱动方式也有不同之处，因此需要对这种技术作出详细的可行性论证和分析。1主机泵技术及其配置方式主汽轮机同轴驱动机组给水泵（以下简称主机泵）技术区别于传统给水泵的驱动方式，其动力既不采用小汽轮机也不采用电动机，而是直接由主汽机主轴通过系列传动装置来驱动。其配置方式一般可以是 1 台 100%容量的给水泵或 2 台 50%容量的给水泵，当配置 2 台 50容量给水泵时，通过齿轮箱将主汽轮机主轴分传至两个给水泵主轴（图 1a）。当配置 1100%给水泵也可采用独立齿轮箱（图1b）。第 4 期李民等：大型直冷机组主汽轮机驱动给水泵技术及其可行性43(a)2 台 50%容量的给水泵(b)1 台 100容量的给水泵图 1主机同轴驱动方式的两种配置1.主汽轮机2,4,6.联轴器3.齿轮箱5.调速之星7.给水泵无论哪种配置，主机与给水泵组之间均需要通过合适的调速装置和联轴器连接。因为主汽轮机和给水泵的运行转速不同，且给水泵还需要通过调节转速来适应负荷的变化，因此主机与给水泵之间首先要选择合适的调节装置。对于 660 MW 机组，当给水泵配置为 1100%时，由于其功率高达 26000 kW，因此调节装置无法采用传统的液力耦合器，目前可行的装置是一种称为“调速之星”的调速设备，这种集液力耦合器和行星调速齿轮于一体的设备其传递功率可高达30000 kW 以上，而且具有一般液力耦合器所不具备的优点。不过，由于调速之星要求输入转速在 15002000 r/min 之间，因为更高的输入转速对其材质要有更高的要求，否则难以保证其使用寿命，因此在汽轮机与调速之星之间需配置变速齿轮箱。如果采用 250%给水泵配置时，也可通过齿轮箱将汽机主轴功率传递给两个给水泵主轴。另外，主汽轮机、变速齿轮箱、调速之星以及给水泵之间应采用膜盘联轴器连接，其中与主机连接属于刚性连接，具备一定的吸收中心线偏差能力，同时具备较强的吸收轴向膨胀的能力，见图 1。2采用主机泵的技术经济性这里，将主机同轴驱动给水泵方式的技术经济性与传统电动机驱动和小汽轮机驱动方式进行比较分析。3 个方案同为 2 台 660 MW 机组，其发电量相同，相对应的配套辅机（除给水泵组及相关配套系统外）容量相同。其中 3 种方案的配置分别为：(1)电动泵方案：电动机驱动给水泵。配置 250%容量主给水泵+50%容量的启动备用电动调速给水泵。(2)汽动泵方案：小汽轮机驱动给水泵。配置1100%容量主给水泵，不设启动备用电动调速给水泵。小汽轮机配置单独的凝汽器及其真空泵组，以适应直冷机组的稳定运行。(3)主机泵方案：主机同轴驱动给水泵。配置1100%给水泵容量，为保证运行的安全可靠及加强机组启动阶段氧化皮吹扫要求，每台机组再配置一台 50%容量的启动备用电动调速给水泵。2.1初投资比较3 种方案在初投资方面的差异除了热机专业外还对供水、电气、结构专业均有所体现。初投资差异具体反映在设备费、设备基础投资、主厂房结构费用以及对管道布置费用等部分（见表 1）。表 13 种方案设备及基础投资比较（万元）设备及基础/厂房投资电动泵方案汽动泵方案主机泵方案设备费用给水泵组325412501250小汽机小汽机及配套设施2240小汽机凝汽器1100小汽机机械真空泵80小汽机凝结水泵20主机泵配置调速之星、齿轮箱、联轴器5153启动及备用泵17481748电气设备400400基础及厂房投资主汽轮机基础基准+1200汽机房/除氧间建筑结构基准+1116冷却塔及循环水泵等基准+6291主机空冷岛基准-800合计5402112979751设备及基础投资比较基准+5895+4349对于供水专业，汽动泵方案由于要为小汽轮机凝汽器另设置一套循环水系统，增加了相应冷却塔及循环水泵等相关设备投资及土建费用 6291 万元。同时，由于该方案因为小汽机的用汽而主汽轮机的排汽量有所减少，因此主机空冷岛投资费用减少800 万元。对于电气专业，采用主机泵和电动泵方案均需要消耗厂用电，因此除电气盘柜数量增加外，电压也需采用 10 kV 等级的。变压器、电缆等工艺设备和电动机等电气设备的投资增加约 400 万元。对于土建结构专业，3 种给水泵的配置方案除了设备基础不同之外，还对主厂房的布置格局和主厂房容积产生影响。经过对主厂房布置方案的研究，汽动泵方案因其汽机房/除氧间建筑结构使主厂房容积大于主机泵方案和电动泵方案的，因此两台机组增加厂房造价约 1116 万元。而主机泵方案因给水泵设置在汽轮机机座上，故 2 台机组相关土建费用需增加 1200 万元。2.2运行经济性比较(1)耗电量比较44电站系统工程2023 年第 39 卷对于电动泵方案，每台机组的电动机耗电量为23000 kW，2 台机组耗电量共 46000 kW（表 2）。表 22660MW 机组 THA 工况耗电量与供电功率比较项目电动泵方案汽动泵方案主机泵方案机组发电功率/kW2660000耗电量电动机耗电功率/kW23000200小汽机辅助设备耗电功率/kW013100供电量年供电量/104kWh700700725279726000机组供电功率比较/kW基准+44690+46000年供电量比较 104kWh基准+24580+25300对于汽动泵方案，每台机组由于其小汽轮机需要独立的空冷冷却塔并配置循环水泵而电功率多出约 560 kW，同时小汽轮机的凝结水泵和真空泵（每台 2100配置，1 运 1 备）分别增加电耗约 20 kW和 75 kW。2 台耗电量共 1310 kW。(2)供电量比较根据 3 个方案发电量相同的原则以及上述耗电量的比较，可以得到它们供电量的比较（见表 2）。以电动泵方案为基准，年利用小时为 5500 时，汽动泵方案和主机泵方案分别每年多供电 24580104kWh 和 25300104kWh。(3)煤耗比较根据汽轮机制造厂家提供的各方案热平衡图中热耗率、锅炉效率以及全年负荷分布等资料，可得到在机组发电量相同，年利用小时数均为 5500 的条件下，3 种方案 2 台机组加权平均的发电煤耗、厂用电率、供电煤耗以及年耗标煤量等数据（见表 3）。表 32660 MW 机组加权平均煤耗指标对比表项目电动泵方案汽动泵方案主机泵方案发电煤耗/g(kWh)-1271.89281.85280.92厂用电率/%8.084.454.38供电煤耗/g(kWh)-1295.79294.98293.79年耗标煤量/万吨197.3921204.623203.9479年耗标煤量比较/t基准+72310+65558(4)年运行收益比较根据内蒙地区上网电价、电煤价格以及发电煤耗可得到 3 种方案发成本电价，再考虑汽动泵方案额外的运行费用（抵消部分供电收益），即可得到表 4 所列的各方案年运行收益比较。2.3年费用及年收益比较根据年收益最大原则对 3 种方案进行技术经济性比较。首先将初投资分摊到电厂经济寿命期中去，年固定费用率按 15 年回收，贷款利率为 4.9%计算，根据各方案投资差值即可得到如表 4 所示的投资年费用差别：汽动泵和主机泵分别比电动泵多出 564.2万元和 416.2 万元。综合上述各表数据可以看出：当各方案汽机发电功率相同时，汽动泵方案和主机泵方案初投资虽比电动泵方案分别高出 5895 万元和 4349 万元，但因两方案年供电量大，年运行收益比电泵方案各多出2458.1万元和2699.5万元，按年费用法进行比较，设备投资回收按 15 年计算，主机泵方案比电动泵方案年收益多 2283.3 万元，汽泵方案比电泵方案年收益多 1893.9 万元，故 3 个方案中主机同轴方案年收益最高，经济性最好；汽泵方案年费用居中，经济性较好；电泵方案年收益最低，经济性最差。表 42660 MW 机组年运行收益比较表项目电动泵方案汽动泵方案主机泵方案供电量/万 kWha-1基准+24580+25300电价上网电价/元(kWh)-10.2937成本电价/元(kWh)-101810.1880.187差价/元(kWh)-10.11270.10570.1067供电收益/万元a-1基准+2598.1+2699.5小汽机及辅机带机力通风冷却塔系统的运行费/万元a-1基准+1400运行收益比较/万元a-1基准+2458.1+2699.5表 52660MW 机组年费用及年收益比较表(万元)项目电动泵方案汽动泵方案主机泵方案设备及基础投资比较基准+5895+4349投资年费用比较基准+564.2+416.2年运行收益比较基准+2458.1+2699.5年收益比较基准+1893.9+2283.3年收益排序3213主机泵技术的关键技术3.1调速装置主机泵技术的关键设备之一是调速装置，相对于传统液力偶合器调速装置，“调速之星”因具有一系列的优点而成为主机同轴驱动方式的理想调速设备：(1)传递功率大。调速之星是基于功率分流的原理来工作的。调速过程中大部分功率通过主轴和旋转行星齿轮以机械的方式进行传递，仅有调节转速所需要的功率才通过液力变矩器从主轴上分离出来，叠加到行星齿轮上来调节输出转速，由于这种独特的结构使其传递功率可以高达30000 kW以上；(2)调节精度高。调速之星中叠加转速由通过调节液力变矩器的可调导叶来实现转速的调节。其采用的电液执行机构（VEHS）相比传统电动执行机构，具有调速精度高，响应时间快等优点。VEHS的调速装置从静止到满转速之间仅为 5 s，且转速调节精度高达 0.1%；(3)具有刹车功能。当主汽轮机运行而所驱动的给水泵需要停机检修时，调速之星通过排空其工作油后即可将给水泵转速完全降低到零。这种液力刹车功能将能确保给水泵正常检修过程的安全。传统液力偶合器调速装置是无法满足这一要求的，因第 4 期李民等：大型直冷机组主汽轮机驱动给水泵技术及其可行性45为即使将液力偶合器工作腔室内的工作油完全排空，也会由于泵轮和涡轮之间的鼓风作用，给水泵仍会有一个较低的转速；(4)具备较高的传动效率。传统液力偶合器在泵组 70%负荷时传动效率大约为 84%左右，而调速之星效率可高达 95%左右（见图 2），当负荷进一步下降到 50%的时候，传统液力偶合器效率下降到74%左右，而调速之星的效率仍可维持在 92%左右。同时，从图 2 中可以看出，在 40%100%负荷范围内，调速之星的传动效率均能保持在 90%以上。这对于功率 20000 kW 以上的给水泵来说，其节能效果显然十分显著。图 2调速之星和液力偶合器的效率曲线不过，当调速之星用于主机泵技术时，若采用1100%容量给水泵方案，有两个方面应引起注意：一方面是调速装置的输入轴和输出轴应尽可能保持同一条中心线。这样既是照顾轴系的布置，尽可能与汽轮机中心线对称，同时也可减少轴系水平方向的推力；另一方面是大功率的调速之星原产品在配置减速齿轮箱并加上它们之间的联轴器后，其整个传动装置长度长达 10 m 以上，这显然对整个机组轴系的安全稳定性非常不利。为此，在保持性能不变的原则下，针对机组主机泵方案，对原产品进行了结构优化，将齿轮箱和调速装置整合成一个整体，其装置长度缩短了 4.5 m 左右，使汽轮发电机-给水泵轴系显得更为紧凑。3.2膜盘联轴器采用主机同轴驱动技术时，在联轴器选型上，需要考虑到两方面安全问题。一方面，因为轴系长度较长，理论上由于安装或者膨胀等原因，有可能出现较大的轴向窜动量或者中心线偏离；另一方面，轴系中位于联轴器两端的设备的冲击和振动不应互相传递，以确保极端状况下，某一设备的故障不至于通过轴系传递，破坏其他设备。有鉴于此，汽轮机高压转子主轴与位于机前轴承箱外侧的齿轮箱输入端之间的联轴器要不可采用常规的刚性联轴器，而应根据位移量的要求选用双膜盘的膜盘联轴器或者齿形联轴器。膜盘联轴器和齿形联轴器不但能传递巨大扭矩，同时可以在轴向、径向、角向等任意方向拉伸、弯曲、扭转，这一特殊性能确保联轴器彻底吸收轴系产生的冲击振动和中心线偏离。这样就使汽轮机主轴与同轴驱动的一系列设备成为两个单独的刚性轴系，从而保证了汽轮机轴系振动特性及振动独立性。另外，采用主机泵技术后，汽轮机高压转子前端联轴器的切应力需要经过详细的强度核算，以满足机组安全运行要求。3.3汽轮机本体及热力系统的配合(1)汽缸结构及支撑。采用主机同轴驱动方案后，汽轮机汽缸的结构及支撑方式仍可采用原成熟的型式。只是由于汽机机头需连接传动机构，前轴承箱结构需相应改动，箱体前箱端部封闭部分改为与联轴器配合的挡油环结构。这部分改动不会对机组安全性产生不利影响。(2)末级叶片的配合。与汽动泵方案相比，主机泵方案中原进入小汽机的抽汽将继续在主机中膨胀做功，其膨胀效率显然远远高于小汽机效率，即使考虑主汽机主轴与给水泵之间的传动效率（约93.4%），则此部分工质的膨胀效率仍然高于小汽机效率。不过，由此也会导致主汽机排汽流量的增加（约 10%），从而造成排汽损失的增加，在大容积流量工况下这种损失的增大将抵消部分甚至全部由于工质膨胀效率提高所得到的收益。因此，若机组长期带额定负荷且无供热期或供热期较短，应考虑采用较长的末级叶片。(3)润滑油系统。采用主汽轮机同轴驱动给水泵时，原汽轮机机头端由主轴直接驱动的主润滑油泵需要取消，整个润滑油系统均采用电动油泵，配置包括 2 台交流油泵、1 台直流油泵以及 1 台蓄能器。(4)保安调节控制系统。由于主汽轮机同轴直接驱动给水泵，原机组配置的机械式危急遮断器等保安系统则无法安装，因此改为电子方式实现超速保护，即机组的超速保护系统由 TSI 超速保护系统、DEH 超速保护系统共同完成。为此汽轮机前箱的结构和布置也需要作相应的调整。(5)采用主机泵方案后，为满足机组启动功能并适当考虑机组启动阶段氧化皮吹扫要求，其汽轮机旁路宜采用 50容量的高低压两级串联旁路。3.4汽轮机控制系统的配合根据同轴驱动汽轮机的结构特点和进汽方式，其控制系统（DEH）与常规机组差别不大。给水泵由主机的主轴驱动，调速之星作为二者的传动部分，46电站系统工程2023 年第 39 卷完成给水泵的转速调节。机组在低负荷和转速控制阶段，由电动给水泵来调节给水。随着机组电负荷的增加，启动调速之星来调节锅炉给水，电动给水泵转为备用。调速之星的控制和保护设计在 DEH 或 DCS 系统中，系统可接收 420 mA 标准信号，用于控制给水泵的转速。调速之星配有单独的润滑油系统，它的保护项目有油压低跳机、瓦温高跳机、振动大跳机等，其监视系统单独配置，监测项目包括转速、振动等。3.5轴系的安全稳定性660 MW 超超临界直冷机组采用主机泵方案后的轴系如图 3 所示，此轴系是在原轴系的基础上，在高压转子端增加给水泵和调速之星（包括行星齿轮及液力耦合器）系统。该轴系的扭振是关注的重点，因为原轴系和调速之星行星齿轮系统以及给水泵的轴系的扭振具有耦合作用。为此，对主机泵的轴系的扭振特性进行有限元模型计算，得到主机泵方案轴系与原轴系扭振固有频率的数值如下：阶数12345678主机泵轴系/Hz9.2422.46 28.05 34.41 57.62 62.34 86.13 123.63原轴系/Hz-22.42 28.05-59.60-124.00给水泵行星液力齿轮箱高压转子中压转子低压转子发电机齿轮耦合器图 3主机泵方案的轴系可见，两者有 4 阶对应的扭振频率和振型相差很小。而主机泵轴系的第 1、4、5 和 7 阶对应的是新增主机泵方案轴系部分所引起的振动。计算结果表明：轴系扭振固有频率可以满足6%避开率的要求，轴系对数衰减率大于 0.1，其稳定性亦能满足设计要求。除此之外，对采用主机泵方案后轴系的其他安全性指标也逐项进行了详细核算。其中：(1)轴系临界转速满足避开工作转速-10%+15%的要求；轴颈强度中剪应力在两相短路情况下仍远低于许用应力；(2)各轴承处的振动响应峰-峰值最大为 29.9m（8#轴承），可满足小于 50 m 的要求；(3)轴系支持轴承的负荷按最大40 kN考虑齿轮对轴系的附加力，且按极端情况（所有附加力都附加在 1#轴承上），其轴承比压为 1.47 MPa，仍小于可倾瓦轴承可承受 2.8 MPa 的比压。4结论(1)给水泵由主汽轮机驱动而无需设置专门的驱动汽轮机及其凝汽器，尽管要增加调速之星等调速装置，但系统仍然得到了简化。这对于大容量直接空冷机组尤为适合。(2)主机泵技术在厂用电率方面具有汽动泵同样的优点，同时，但由于驱动给水泵的蒸汽通过主汽机做功，因而保证了较高的做功效率。在配合了汽轮机末级叶片后，汽机热耗要低于汽动泵方式。(3)通过初投资、运行经济性和年费用等综合比较分析，当汽机发电功率相同时，相对于汽动泵和电动泵方式，主机泵方式的年收益最高，经济性最好。(4)在采用调速之星，膜盘联轴器等装置后，主机泵的特点可以得到充分发挥。通过对汽轮机及其热力系统等进行适当的配合改造，主机泵方式在技术上可行的，安全性也可得到保障。尽管如此，由于主机泵技术毕竟是首次在国内采用，非常需要在机组投运后对该技术在设计、运行等方面积累经验，不断进行改进和完善，使这一技术在直冷机组上能得到推广应用。参考文献1胡训栋,高明,高永芬,等.1000 MW直接空冷机组汽轮机同轴驱动给水泵的经济性分析J.电站系统工程,2014,(3):5052.2翟慎会,胡训栋,高永芬,等.汽轮机同轴驱动给水泵传动装置的研究J.电站系统工程,2014,(1):4244.3张晓鲁,汪建平,孙锐,等.火力机组直接空冷系统优化设计方法研究J.中国电机工程学报,201l,(11):15.4宁志，吴志祥.660 MW直接空冷机组主轴驱动给水泵项目的技术经济性比较J.上海电力学院学报，2017,(6):546551.5李文良,张早校.用空冷器代替冷却塔的技术经济性分析J.节能,2004,(8):1821.6刘润来,李永生.采用直接空冷和中水回用技术建设节水型火电厂J中国电力,2007,(10):1719.7朱军,安华民,唐燕萍,等.1000 MW超超临界直接空冷机组锅炉给水泵配置方案探讨J.中国电力,2009,42(4):79.8冯伟忠.1000 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