於震躍，黃靖乾，任淵源，李成軍，徐紅波

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310007；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引言

1 000 MW超超臨界二次再熱技術(shù)代表了目前火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域發(fā)電效率最高、發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗最低的先進(jìn)技術(shù)。二次再熱機(jī)組的給水系統(tǒng)是整個發(fā)電系統(tǒng)流程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，而給水泵和高壓加熱器作為高壓給水系統(tǒng)中最為重要的設(shè)備，其配置的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性對整個電廠的生產(chǎn)和效益顯得十分重要[1]。本文對1 000 MW二次再熱機(jī)組的給水泵組配置方案和高壓加熱器系統(tǒng)配置方案從布置方案、設(shè)備可靠性、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析比較，從而確定經(jīng)濟(jì)可靠的給水系統(tǒng)配置方案。

1 高壓給水系統(tǒng)配置現(xiàn)狀

1.1 給水泵組配置現(xiàn)狀

由于1 000 MW等級機(jī)組的給水泵揚(yáng)程大、流量大、功率大，而電機(jī)驅(qū)動的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過多效率較低，電機(jī)及斷路器、配電系統(tǒng)造價(jià)高，增加廠用電率，無論從運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性和可靠性，還是從設(shè)備的初投資方面，主給水泵采用小汽輪機(jī)驅(qū)動都要明顯優(yōu)于采用電機(jī)驅(qū)動[2]。國內(nèi)外已運(yùn)行的1 000 MW及以上機(jī)組給水泵配置，主要有2×50%容量汽動給水泵和1×100%容量汽動給水泵兩種方式[3]。

日本1 000 MW火力發(fā)電廠為提高給水系統(tǒng)的可靠性，除個別電廠外，幾乎都采用2×50%容量汽動給水泵方案，再加上1×25%或1×30%的電動給水泵作為啟動和備用泵。歐洲的電廠多采用1×100%容量汽動泵，再加上2×35%或2×40%的電動給水泵作為啟動/備用泵。美國電廠以上2種配置都有采用，但是基本不再設(shè)置電動給水泵[4]。

我國在早期投運(yùn)的1 000 MW等級機(jī)組除外高橋三期工程采用了1×100%容量汽動給水泵外，其余電廠大多都采用2×50%汽動給水泵配置，再加上1×(25%～30%)的電動給水泵作為啟動和備用泵[5]。近年來，隨著國內(nèi)600 MW級別機(jī)組采用1×100%容量汽動給水泵配置的數(shù)量逐漸增多，在1 000 MW級別機(jī)組上采用1×100%容量汽動給水泵配置的方案也越來越多，如重慶神華萬州電廠、神華永州電廠等。

1.2 高壓加熱器配置現(xiàn)狀

高壓加熱器采用表面式換熱的型式，按照換熱管的形狀，主要分為U形管換熱器和蛇形管換熱器兩種型式[6]。按照高壓加熱器的容量，主要分為單列式和雙列式兩種形式。由于U形管換熱器傳熱計(jì)算模型簡單、換熱管加工程序簡單、生產(chǎn)制造成本低，我國大部分高加制造商推出的產(chǎn)品均為U形管。蛇形管換熱器加工制造難度大，設(shè)備費(fèi)用較U形管換熱器更高[7]。目前，我國只有少數(shù)幾家設(shè)備制造商通過引進(jìn)德國某公司的蛇形管技術(shù)，開始制造蛇形管高壓加熱器[8]。近年來，我國投運(yùn)的一次再熱1 000 MW機(jī)組大多都采用了單列、U形管高壓加熱器。由于二次再熱機(jī)組的汽水參數(shù)提高，導(dǎo)致高壓加熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)一步提高，若采用單列式的U型管高加系統(tǒng)，高壓加熱器的管板厚度將達(dá)到700～800 mm，制造難度極大。因此，目前國內(nèi)投運(yùn)的二次再熱機(jī)組的主要U形管高壓加熱器普遍采用雙列式系統(tǒng)。

2 給水泵和高壓加熱器配置方案的比較

2.1 給水泵配置方案的比較

根據(jù)目前國內(nèi)1 000 MW機(jī)組的給水泵組配置狀況，本文對方案一1×100%容量泵組和方案二2×50%容量泵組兩種方案進(jìn)行比較。

2.1.1 可靠性比較

方案一由于只配置了1臺給水泵，當(dāng)給水泵因?yàn)楣收贤＿\(yùn)時，會造成整個機(jī)組被迫停運(yùn)。方案二在一臺主給水泵組故障時，機(jī)組仍能依靠另一臺給水泵保持在部分負(fù)荷下運(yùn)行。單從系統(tǒng)配置的角度看，方案二較方案一的可靠性更高。但根據(jù)對國內(nèi)外配置1×100%汽動給水泵的1 000 MW機(jī)組的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)的二次再熱機(jī)組從投運(yùn)至今未發(fā)生因?yàn)榻o水泵故障而造成機(jī)組停運(yùn)事故。德國的1 000 MW機(jī)組中，因給水泵故障引起的機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)率僅0.186 8%。由此可見，方案一的方案配置可靠性雖不及方案二，但也保證了非常高的運(yùn)行可靠性。

2.1.2 經(jīng)濟(jì)性比較

國內(nèi)投產(chǎn)的1 000 MW二次再熱機(jī)組的采用2×50%容量配置方案，給水泵多采用給水泵的芯包進(jìn)口，泵體國產(chǎn)，以降低給水泵組的初投資。而采用1×100%容量配置方案，為提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，給水泵多采用全進(jìn)口。兩個容量配置方案配套的給水泵汽輪機(jī)均可采用國產(chǎn)小汽輪機(jī)，小汽輪機(jī)及其排汽系統(tǒng)的配置分別為1×100%給水泵方案配置1套小汽輪機(jī)、小凝汽器及其循環(huán)水系統(tǒng)，2×50%給水泵方案配置2套小汽輪機(jī)及其排汽系統(tǒng)，不單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立凝汽器。根據(jù)對國內(nèi)主要的設(shè)備制造商對兩種方案的設(shè)備報(bào)價(jià)對兩種方案進(jìn)行初投資比較，見表1所列。

表1 單臺機(jī)組的給水泵配置方案初投資比較 萬元

對于給水泵效率，在相同的設(shè)計(jì)和設(shè)備加工水平下，設(shè)備容量加大后各動靜間隙基本不變，相對泄漏量減少，因此1×100%容量配置的泵效率相較于2×50%容量配置的泵效率更高。針對兩種給水泵配置方案，結(jié)合國內(nèi)近兩年1 000 MW機(jī)組典型的運(yùn)行工況，進(jìn)行運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較，見表2和表3所列，其中機(jī)組年利用小時數(shù)為5 000 h，標(biāo)煤價(jià)格按800元/t，鍋爐效率按95%考慮。

表2 單臺機(jī)組的給水泵配置方案運(yùn)行煤耗比較

表3 單臺機(jī)組的給水泵配置方案運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較

雖然1×100%容量配置方案初投資比2×50%容量配置方案高出500萬元，但由于泵組的效率更高使得機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更高，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用約146.5萬元，使得綜合總年費(fèi)可降低約95.6萬元。綜上可知，1×100%容量給水泵的配置方案可靠性較高，且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較2×50%容量方案更優(yōu)，因此推薦采用1×100%容量給水泵的配置方案。

2.1.3 布置方案比較

給水泵組根據(jù)前置泵與主給水泵是否同軸可分為同軸和分軸布置。同軸布置又可分為給水泵布置在主廠房的中間層和運(yùn)轉(zhuǎn)層兩種方案。由于機(jī)組甩負(fù)荷工況時，除氧器的運(yùn)行壓力瞬間會大幅下降，若前置泵入口給水壓力低于其必須汽蝕余量時，會發(fā)生汽蝕。根據(jù)除氧器暫態(tài)計(jì)算分析，當(dāng)前置泵布置在主廠房0 m時，除氧器宜布置在 24 m及以上；當(dāng)前置泵布置在中間層(8 m)時，除氧器宜布置在31 m及以上；當(dāng)前置泵布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層(16 m)時，除氧器宜布置在39 m及以上。不同的布置方案會引起主廠房土建費(fèi)用的變化。前置泵與主給水泵不同軸布置相比同軸布置方案，可以將前置泵布置在0 m層，減少除氧器的布置標(biāo)高，從而降低主廠房的土建費(fèi)用。同時分軸布置方案因?yàn)樾∑啓C(jī)的進(jìn)汽量減少可以降低機(jī)組的熱耗，從而降低發(fā)電煤耗，但需要增加電動機(jī)、中低壓給水管道等設(shè)備初投資和運(yùn)行電費(fèi)。對同軸布置(給水泵組布置在中間層和運(yùn)轉(zhuǎn)層)的兩個方案和分軸布置方案進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性比較，見表4所列。

表4 單臺機(jī)組的給水泵布置方案投資和經(jīng)濟(jì)性比較

由表4可知，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度看，同軸布置較分軸布置每年能節(jié)約100萬元以上，經(jīng)濟(jì)性更好。而同軸布置中，給水泵組布置在中間層較布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層方案，每年可節(jié)省15萬元。

綜合上文的比較，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性角度看，給水泵組同軸布置在主廠房中間層的1×100%容量配置方案最優(yōu)。

2.2 高壓加熱器配置方案的比較

2.2.1 可靠性比較

對于1 000 MW二次再熱機(jī)組的高壓加熱器系統(tǒng)采用雙列U形管高加系統(tǒng)和單列蛇形管高加系統(tǒng)都是可行的。從系統(tǒng)角度看，單列高加系統(tǒng)較雙列高加系統(tǒng)的設(shè)備、管道、閥門數(shù)量均減少了一半，因此單列高加系統(tǒng)更加簡單。國內(nèi)投運(yùn)的二次再熱機(jī)組以雙列高加系統(tǒng)為主，近兩年投運(yùn)的華能瑞金電廠和大唐東營電廠首次采用了蛇形管單列高加系統(tǒng)。雙列U形管高加系統(tǒng)在國內(nèi)外二次再熱機(jī)組上已得到長期運(yùn)行的實(shí)踐驗(yàn)證，可靠性較高。蛇形管單列高加系統(tǒng)在國內(nèi)投運(yùn)時間僅2 a左右，但在歐洲等地的電廠中運(yùn)行多年，其可靠性與穩(wěn)定性也能夠滿足實(shí)際運(yùn)行的要求。采用雙列高加系統(tǒng)，當(dāng)任一高壓加熱器故障時，同列其余高加同時退出運(yùn)行，給水快速切換到給水旁路運(yùn)行，此時運(yùn)行的另外一列高加系統(tǒng)仍可通過60%左右的給水流量，能保證良好的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。采用單列高加系統(tǒng)，當(dāng)任一高壓加熱器故障時，所有的高加均從系統(tǒng)中退出，給水快速切換到給水旁路運(yùn)行，此時機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性較差。

但對于采用U形管技術(shù)，由于高壓加熱器的管板較厚，管板與殼體的連接處的熱應(yīng)力集中，當(dāng)機(jī)組頻繁調(diào)峰時，在溫度變化頻繁的情況下容易產(chǎn)生裂紋，影響設(shè)備的使用壽命。對于采用蛇形管的單列高壓加熱器，由于管束的連接方式解決了U形管熱應(yīng)力集中的問題，負(fù)荷變化的適應(yīng)性較好。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性比較

由于單列高加系統(tǒng)較雙列高加系統(tǒng)更加簡單，因此單列高加系統(tǒng)方案的主廠房土建費(fèi)用、給水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)的管道和閥門數(shù)量更少，初投資更低。但蛇形高加設(shè)備由于加工制造成本高加上引進(jìn)技術(shù)費(fèi)，設(shè)備的初投資比U形管雙列高加高約1 800萬以上。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度看，雙列高加的抽汽管道長度長，雙列高加系統(tǒng)的抽汽管道的壓降比單列高加系統(tǒng)的壓降大0.7%，由此引起的機(jī)組熱耗會增加約1 kJ/kWh，發(fā)電標(biāo)煤耗較單列高加高0.04 g/kWh。根據(jù)設(shè)備制造商的報(bào)價(jià)，兩種系統(tǒng)配置的費(fèi)用比較見表5所列，其中機(jī)組利用小時數(shù)按5 000 h，標(biāo)煤價(jià)格按800元/t。

表5 單列蛇形管高加和雙列U形管高加比較

由表5的比較結(jié)果可知，雙列U形管高加系統(tǒng)的初投資較單列蛇形管高加系統(tǒng)初投資低約650萬元。單列高加系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性稍好于雙列高加，每年可節(jié)省燃料費(fèi)用16萬元。若考慮高加故障退出運(yùn)行的情況，則雙列高加系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更好。從總的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用角度看，雙列U形管高加系統(tǒng)更優(yōu)，每年可節(jié)省費(fèi)用約50萬元。因此，從當(dāng)前的蛇形管制造成本和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度看，雙列U形管高加系統(tǒng)更占優(yōu)勢。

未來，若單列蛇形管高加隨著國產(chǎn)化進(jìn)程的深入，相應(yīng)的配套加工生產(chǎn)工藝不斷成熟，蛇形高加與U形管高加的初投資差價(jià)若能低于1 300萬元，則經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

3 結(jié)論

1)對于給水泵組配置方案，1×100%容量配置方案和2×50%容量配置方案均有大量的機(jī)組運(yùn)行實(shí)踐驗(yàn)證，兩種方案均較為可靠。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度看，1×100%容量配置方案比2×50%容量配置方案每年可節(jié)省燃料費(fèi)用約146.5萬元，使得綜合總年費(fèi)可降低約95萬元，經(jīng)濟(jì)性更好，因此推薦采用1×100%容量給水泵的配置方案。

2)對于給水泵組的布置方案，通過對比同軸布置和分軸布置的經(jīng)濟(jì)性可知，同軸布置較分軸布置每年能節(jié)約100萬元以上，經(jīng)濟(jì)性更好。而同軸布置中，給水泵組布置在中間層較布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層方案每年可節(jié)省15萬元。因此推薦給水泵組同軸布置主廠房中間層方案。

3)雙列U形管高加系統(tǒng)技術(shù)上成熟可靠，在切除一列高加運(yùn)行時，仍能保持較好的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。單列蛇形高加系統(tǒng)在機(jī)組頻繁調(diào)峰時，對機(jī)組負(fù)荷變化的適應(yīng)性好。兩種配置方案均在大量的二次再熱機(jī)組中使用，可靠性均較高。雙列U形管高加經(jīng)濟(jì)性較單列蛇形管高加系統(tǒng)更優(yōu)，每年可節(jié)省費(fèi)用約50萬元?，F(xiàn)階段在蛇形管高加設(shè)備費(fèi)用沒有明顯下降的前提下，推薦采用雙列U形管高加系統(tǒng)。

對于1 000 MW二次再熱機(jī)組的高壓給水系統(tǒng)推薦采用每臺機(jī)組配備1×100%容量汽動給水泵組，汽動給水泵組同軸布置在主廠房的中間層，高加系統(tǒng)采用雙列U形管高壓加熱器。