摘要：闡述了百萬等級超超臨界汽輪發電機組鍋爐給水泵配置優化對提高機組運行經濟性和安全性方面的重要意義。分析了國內外大機組的給水系統設備配置及運行情況以及外高橋三期工程采用100%鍋爐給水泵組、自帶凝汽器、取消電動給水泵的背景。介紹了外高橋三期工程給水泵汽輪機的特殊配汽機構型式、特殊轉子焊接技術及系統汽源配置情況，確保機組在暫態工況發生時，驅動汽源的安全順利切換，同時汽源的設置兼顧機組長期運行的經濟性。分析了防止給水泵汽蝕的措施，以及現場設備的布置對安全運行及降低造價的重要意義，介紹了機組調試過程中給水泵組全程調速的成功實施，為百萬等級汽輪機組超超臨界技術發展創造了有利條件。

Abstract: This study presents the significance in improving the unit operation economy and security through the optimization of boiler feedwater pump configuration in 1000MW class ultra-supercritical power generation units. It analyzes the facility configuration and operation status of the feedwater system in large power generation units of our country and overseas， and states the background of applying 1X100% boiler feedwater pump set， its turbine with its own condenser， and canceling the motor driven feedwater pump in Waigaoqiao Phase 3 project. It introduces the special steam inlet configuration of boiler feedwater pump turbine， the special welding rotor technology and the steam system design. This design can ensure the steam safe changeover when the unit is at the transient condition and at the same time consider the unit long time efficient operation with this steam supply. It also displays the measures of avoiding the pump cavitations and the significance of safe running and investment reducing by the equipment layout on site. It introduces the successful implementation of the pump set full speed range operation during the unit commissioning， this establishes the advantaged condition for the development of 1000MW power generation units.

關鍵詞： 1000MW，超超臨界，FCB，給水泵，給水泵汽輪機

Keyword: 1000MW， Ultra-supercritical， FCB， Boiler Feedwater Pump， Boiler Beedwater Pump Turbine

0．引言 上海外高橋第三發電有限責任公司（下稱：外高橋三期工程）建設兩臺1000MW超超臨界火力發電機組，其鍋爐為超超臨界一次中間再熱、燃煤直流塔式鍋爐。主要參數為：蒸發量2955t/h；主蒸汽溫度/壓力：605℃/28MPa；再熱蒸汽溫度/壓力：603℃/6.4MPa。汽輪機為四缸四排汽、單軸反動凝汽式雙背壓汽輪機。額定功率1000MW，最大功率1060MW（2955t/h）。旁路系統配置了100%BMCR高壓旁路，該旁路兼作鍋爐高壓安全門，低壓旁路容量為65%BMCR，另配100%再熱安全門。給水系統配置1×100%BMCR汽動給水泵，帶獨立凝汽器，不配電動給水泵。 本工程要求機組具備電網故障時帶廠用電運行，實現電網的快速恢復，以及機組主設備跳閘時，機組具備快速重新啟動并投入運行的能力，保證電網安全運行，為此，機組連鎖保護的原則如下： a. 電網故障，主變壓器出口開關跳閘，汽輪發電機快速減負荷至帶廠用電作孤島運行(1)（FCB）； b. 發電機跳閘，汽輪機甩負荷維持3000rpm運行； c. 汽輪機跳閘，鍋爐通過旁路系統維持運行； d. 鍋爐跳閘，鍋爐給水系統維持運行。 由于以上要求，鍋爐給水泵組成為外高橋三期工程要求最高的設備。其配置成為系統優化設計的重點。為了滿足設計目標，首先對國內外的火力發電機組給水泵組配置情況作了深入的調研和分析。 1．國內外火力發電機組給水泵組配置基本情況 1.1 國內火力發電機組給水泵組配置現狀 國內300MW以上火力機組，絕大部分采用2×50%汽動給水泵加一臺電動給水泵的方案。百萬等級機組也大多數采用該配置方案，如：外高橋二期工程2X900MW機組，配置2×50％汽動給水泵和1×40％啟動/備用電動給水泵；華能玉環電廠4X1000MW機組，配置為2×50％汽動給水泵和1×25％啟動電動給水泵；國電泰州電廠和華電鄒縣電廠四期2X1000機組，給水系統的配置均為2×50％汽動給水泵和1×30％啟動電動給水泵。 1.2 國外火電機組給水系統配置現狀 日本大多數火力機組鍋爐給水泵的配置情況與中國的配置方案相同，采用2×50%汽動給水泵加一臺電動給水泵的方案。 德國近年來新建的百萬級超（超）臨界機組，給水泵的配置均采用1×100%汽動給水泵和2×40％啟動/備用電動給水泵。其中典型電廠主要有NIEDERAUSSEM電廠，Boxberg電廠，Lippendorf電廠和黑泵電廠。 美國AEP 公司早在上世紀50年代末就開始采用單臺鍋爐給水泵，取得了豐富的成功經驗。AEP 公司先后于1973年到1989年之間投入運行的6臺1300MW超臨界機組（Amos 3、Gavin 1、Gavin 2 、Mountaineer 1、Rockport 1、Rockport 2電廠）配置了1×100%汽動鍋爐給水泵組，其給水泵的容量為49.4MW，不設置電動給水泵，至今運行情況良好。 2．國內、外大機組配置鍋爐給水泵的設備運行情況分析 2.1國內大機組配置常規鍋爐給水泵的設備運行情況分析 外高橋三期工程開始方案設計時，我國除了上海外高橋二期工程，還沒有百萬等級大機組的投產發電，因此我們對該工程運行情況進行了分析。 從上海外高橋二期工程設備配置情況分析，技術上，一方面發展到超臨界以上，鍋爐給水系統揚程大大提高；另一方面，隨著機組容量的增加，給水流量也相應增加，給水泵及其汽輪機的設備造價大幅度提高，所以保證設備的安全運行至關重要。SIEMENS在外高橋二期工程機組熱工保護設定時就考慮這方面的因素，設置給水泵的左、右邊界保護，圖1是西門子為外高橋二期工程給水泵設置的邊界保護曲線。當給水泵運行點偏離PQ曲線的允許范圍Qmin和Qmax，熱工保護跳閘鍋爐給水泵。隨著系統給水壓力的提高，并聯運行的給水泵在電動給水泵與汽動給水泵、汽動給水泵與汽動給水泵切換時，由于流量波動，出口逆止門抖動，很容易造成設備偏離允許運行范圍。外高橋二期給水系統的運行就證明了這一事實，在機組調試階段大約有70%的機組跳閘由此引起，因此必須解決這一問題。 2.2 國外大機組配置單臺鍋爐給水泵的設備運行情況調研 為在外高橋三期工程中解決外高橋二期工程調試和運行中出現的問題，應對系統主要方案進行研究。為此，2005年12月對美國1300MW機組運行情況進行了調研。通過考察美國Mountaineer電廠單臺1300MW機組，我們了解到，該機組于1980年9月投入商業運行，并在電網中執行調峰任務，機組負荷控制在500MW-1325MW之間。在機組運行的25年中，累計有6次強迫停機是由于給水泵及給水泵汽輪機的附屬設備所引起的，給水泵及其汽輪機本體未發生過重大故障。1987年3月17日，該廠創造了連續運行607天的記錄。因給水泵及其汽輪機的原因造成的機組強迫停運率小于0.2％，且沒有發生因需要更換給水泵或汽輪機部件而使機組長時間計劃外停運的情況。該廠鍋爐給水泵由美國英格索蘭公司提供，給水泵汽輪機由原BBC公司(現ALSTOM公司)提供。 而通過進一步的調研我們發現，目前世界上德國在大型800MW到1000MW超（超）臨界火電技術領域具有相當的優勢，其給水泵組的運行相當穩定，設備強迫停運率為0.18168%，與美國Mountaineer電廠1300MW機組相當。而其常規配置的機組強迫停運率為0.3028%，因此，采用100%鍋爐給水泵組運行可靠性將大大提高。 3．給水泵配置方案的技術經濟比較 外高橋三期工程設備招標確定2個給水泵及其汽輪機配置方案： 方案a. 每臺機組配置1×100％汽動給水泵+1×50%啟動電動給水泵，給水泵汽輪機排汽不排入主機凝汽器； 方案b. 每臺機組配置2×50％汽動給水泵+1×40%啟動/備用電動給水泵，兩臺給水泵汽輪機排汽排入主凝汽器。 100％方案與50％方案在技術上的比較見表1。 表1方案a與方案b設備效率比較 設備名稱 由表1可見，兩個方案設備效率存在較大差異，給水泵效率變化引起輸入功率變化見表2。 表2方案a與方案b軸功率比較

方案 流量t/h 泵揚程m 抽頭流量t/h 抽頭揚程m 效率 密度 kg/m3 軸功率KW 泵組軸功率 KW 軸功率取值KW 差值KW 100%前置泵 2990 245 88.15% 882.9 2262 32932 32992 1892 100%主泵 2880 3357 110 1319 87.10% 882.9 30670 2x50%前置泵 2x1495 245 85.94% 882.9 2320 33640 34884 2x50%主泵 2x1440 3357 2x55 1319 85.29% 882.9 31320

采用方案a的給水泵汽輪機，在額定工況下，其投標保證效率為87.01%，比方案b的效率81%大大提高，汽耗從5kg/kwh下降到4.5035kg/kwh，另外考慮上述給水泵功率的增加，機組運行在額定工況點的情況下，從第五級返回主汽輪機作功的能量見表3。 表3方案a與方案b節能效果比較

項目 汽耗kg/kwh A5抽汽焓值kJ/kg 低壓缸排汽焓值kJj/kg 給水泵功率KW 從主機取出熱量kJ/h 返回主機作功熱量kJ/h 相當于標煤kg/h 方案a 4.503 3191.9 2308.3 32992 131270245.6 22847266.41 779.5839 方案b 5 3191.9 2308.3 34884 154117512

從上述表1、2、3可知，采用方案a后設備運行的經濟性大大增加，大大減少了煤炭資源的消耗，同時減輕了環境污染的壓力。 另外，方案b的電動給水泵所需軸功率20186KW，相應的電機功率取23213KW，如此大的電動給水泵，在世界范圍內大容量電機及配置電氣系統開關制造是一大難題，外高橋二期的電動給水泵電機功率為14200KW，在電氣設備上采取了相應措施后才得以實現。若外高橋三期工程配此電泵，在緊急情況下，該泵緊急啟動將承擔機組的部分負荷，維持機組的運行，但突然啟動將對電氣系統產生重大沖擊。 外高橋三期工程給水泵及汽輪機設備投標結果我們發現，方案a的價格低于方案b。 基于以上結果，我們最終選擇了1×100%汽動給水泵、且不配電動給水泵的方案。為能滿足機組的調試及投產后啟動的要求，給水系統能提前投入運行，1×100%汽動給水泵配備獨立的凝汽器。 4．給水泵配置優化方案的設備特點、系統設計特點、布置特點及運行情況分析 4.1 給水泵汽輪機結構設計特點

外高橋三期工程給水泵汽輪機的配汽機構及系統汽源設置具有能進行汽源平滑切換的特殊設計，確保了鍋爐不斷水。其特殊的進汽方式由德國ALSTOM公司設計，并確定由ALSTOM公司提供整套給水泵汽輪機。該公司曾為美國Mountaineer電廠以及目前德國所有800MW以上電廠提供給水泵汽輪機。圖2為給水泵汽輪機進汽部分簡圖。 由圖2可知，工作汽源流過主汽閥1和控制閥1、2進入噴嘴組1、2，確保正常運行的最佳經濟性，備用汽源通過主汽閥2和控制閥3流入噴嘴組3，確保鍋爐最大出力時的蒸發量及100%高壓旁路的減溫水量。汽輪機進汽室分成3個區域，其中二個為工作汽源進汽口，連接五級抽汽進汽控制閥1，2，另一個為備用蒸汽冷再熱蒸汽進汽口，連接冷再熱進汽控制閥3。每個進汽口裝有噴嘴組，由于備用汽源的壓力參數高于正常運行時的五級抽汽，裝于冷再熱進汽口的噴嘴組強度高于五級抽汽的進氣口噴嘴組強度。噴嘴組出口為控制葉輪，見圖3，蒸汽直接進入控制葉輪膨脹作功后繼續進入壓力級作功，整機只有一個控制葉輪，雙流汽輪機的另外一側只有壓力級，蒸汽在控制葉輪后分成兩路，一路沿著控制葉輪出口流向壓力級，另一路通過三個噴嘴組之間的空檔反向流入雙流汽輪機的另一側，噴嘴組與控制葉輪之間的漏汽也進入反向作功。

ALSTOM公司的獨有焊接轉子技術確保了方案的實施。控制葉輪為整體鍛造結構的金屬環見圖4，采用鉆孔磨制工藝加工動葉輪，該技術由ALSTOM公司在上世紀90年代開發，已經應用于60多臺不同出力的汽輪機。該動葉環采用埋弧焊技術與轉子焊接成整體。 在給水泵方面，我們從高性價比的角度考慮，采用進口鍋爐給水泵，由英國SULZER公司設計制造，前置泵型號為HZB402-720，主泵型號為HPT500-505-5s。 4.2 給水泵汽輪機汽源設計特點 有了上述特殊設計的給水泵汽輪機，要保證機組安全穩定運行，還必須要有充足且品質合格的汽源。外高橋三期工程和常規配置的給水泵汽輪機一樣，設有高壓汽源和低壓汽源兩種，分別接自高壓缸排汽即冷再熱蒸汽和中壓缸五級抽汽，從熱平衡圖可知，這兩種汽源在機組的各種工況下溫度是接近的。原來輔助蒸汽也作為調試啟動及將來運行備用蒸汽，工程初期，由外高橋二期冷再熱蒸汽經減壓后提供，運行壓力設置為15bar。經常工況下二期冷再熱蒸汽經等焓節流后的輔助蒸汽的溫度僅為260℃左右，而給水泵汽輪機的工作及備用汽源溫度在370℃左右，溫差達到100k以上，遠遠超過ALSTOM規定的50k上限。當一臺機組運行時，鍋爐發生MFT后，由于上述溫差原因，給水泵汽輪機緊急停機，此時輔助蒸汽僅作為啟動用汽，一方面輔助蒸汽暖管需要相當時間，另一方面熱態停機后給水泵汽輪機金屬溫度從360℃冷卻到啟動允許值的時間特別長，這樣機組恢復供電的時間很漫長。外高橋三期工程二臺機組投運后，輔助蒸汽由本期的一臺機組提供，理論上輔助蒸汽的溫度將在310℃到370℃之間，可見也有超出溫差允許范圍的可能。為此采用了如圖5所示的汽源配置新方式。在一臺機組運行時外高橋二期的冷再熱蒸汽（320℃）不經減壓直接引向給水泵汽輪機的冷再主汽門前，外高橋三期工程的兩臺機組投運后，冷再熱蒸汽互為熱備用或冷備用。事實證明，輔助蒸汽由外高橋二期冷再熱蒸汽提供時，經管路熱損失后其溫度僅為240℃左右，更難保證溫差要求。當機組正常運行時，輔助蒸汽除給水泵汽輪機軸封用汽外，別無其他用戶，輔汽母管內的蒸汽溫度無法維持。采用新方案后，給水泵汽輪機的備用蒸汽冷再熱管道間可以采取相互伴熱措施，使其始終接近運行溫度，符合規程要求的溫差條件。機組正常運行時，二期冷再熱蒸汽作為冷備用，可大大減少重新啟動的時間。 4.3 給水泵布置設計特點 在設備的布置方面，采取相當措施確保安全，給水泵組由傳統的17米層布置移至8.6米層，大大提高了給水前置泵的汽蝕余量，凝汽器下降解決了小機循環水的壓頭不足問題，給水泵汽輪機的下降節約了凝汽器接頸設備的投資，除氧器由原來的45米下降到40米，在未耗盡給水泵下降帶來的汽蝕余量同時，除氧間結構的費用大大下降。為了進一步確保前置泵的汽蝕余量，與歐洲典型設計一樣，還采用冷再熱蒸汽通過負安全閥向除氧器緊急供汽，防止暫態發生時除氧器供汽中斷。不過，在第一臺機組的調試階段，由于冷再熱蒸汽未調試好，曾發生過一次前置泵汽蝕導致機組跳閘，原因是由于除氧器給水下降管道的流速取值較低，為2m/s，暫態工況下的換水速率不夠造成， 4.4機組投運后設備的運行狀況分析 2008年3月15日和16日，外高橋三期工程第一臺機組先后進行了75%和100%的甩負荷試驗。3月17日晚21:40分進行了全真運行工況的75%負荷的FCB試驗。3月18日晚23:59分進行了全真運行工況的100%負荷FCB試驗，試驗均取得了圓滿成功。在試驗中，給水泵組得到了嚴峻的考驗，事實證明，給水系統設備配置是成功的。機組在發生FCB時給水泵組轉速變化、流量變化、以及省煤器出口溫度見圖6。

機組發生FCB、甩負荷或停機不停爐，主汽輪機調門迅速調小或關閉，給水泵汽輪機工作汽源五級抽汽消失，由于采用100%高壓旁路和65%的低壓旁路，機組的冷再熱蒸汽依然存在，此時作為備用汽源的冷再熱蒸汽快速切上。從圖6可知，給水泵轉速及給水流量下降到恢復甚至過調，僅僅用了7秒鐘，故省煤器出口溫度沒有上升，仍維持原來329.8℃運行，確保了鍋爐運行的安全。而外高橋二期工程900MW機組給水泵汽輪機汽源采用外部切換，機組經歷上述工況后的給水泵汽輪機汽源切換過程中出現了水冷壁出口溫度快速竄升至接近保護動作值，而后再快速回落的局面，鍋爐受熱面經受了劇烈的冷熱沖擊，一方面冷熱循環會引起金屬疲勞，降低設備的使用壽命，另一方面還會導致受熱面氧化皮的剝落，從而加劇固體顆粒侵蝕(2)（SPE）問題，危及機組的安全和經濟運行。 按ALSTOM公司設計，小汽輪機存在第一階臨界轉速，其最低穩定運行轉速確定為2700rpm。參考給水泵制造廠SULZER提供的設計曲線，在此轉速下通過再循環運行，泵的出口壓力達到16MPa，流量為446.4t/h。鍋爐進水階段，以及啟動初期和機組負荷低于45%BMCR時，要求給水流量小，壓力低，為此只能在給水泵出口的給水管道上設置出口隔離閥以及調節閥來滿足不同工況的需要。可見對調節閥提出了特別高的要求，滿足大壓差時小~中等流量以及小壓差時大流量等等。為降低啟動階段的能耗和最小流量閥的泄漏概率，我們經過深入的理論研究，提出了“大型汽動給水泵組低速啟動及全程調速運行”的創新思路和實施方案，得到了供應商的支持。在第一臺機組的給水泵組調試時獲得圓滿成功，為鍋爐上水，沖洗，點火啟動、低負荷運行帶來了極大的方便，大大節約了機組啟動階段能量的損耗，簡化了系統閥門的控制手段，提高了機組的經濟性和安全性。 由于給水泵組設備的高可靠性，給水系統配置及運行控制方式的全面優化，從第一臺鍋爐沖管到機組投產至今，第二臺機組調試、并網以及目前的1000MW運行，外高橋三期工程從未發生過一起因汽動給水泵故障造成的機組停運。 5．結語 百萬等級超超臨界機組給水泵采用單臺汽泵在技術上是可行的。能夠適應于機組啟停、甩負荷、FCB及各種變工況運行，并能獲得顯著的運行經濟效益和運行方面的便利，達到了預期的優化目標，所取的的經驗可供其它百萬等級機組做為設計參考。 百萬等級超超臨界機組采用單臺給水泵的條件是：小汽機的結構選型及其系統配套優化設計。 當給水泵汽輪機的啟動汽源有保障時，取消電動給水泵也是可行的。 百萬等級超超臨界機組汽動給水泵的全程調速功能值得進一步探索。

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