大型火力发电机组锅炉给水泵驱动的热经济性研究

大型火力发电机组锅炉给水泵驱动的热经济性研究

王红根

上海凯泉给水工程有限公司

摘要:电动机驱动和蒸汽驱动方式是我国锅炉给水泵的主要驱动方式。提出了一种基于等效工作效率的评价方法，并以300MW机组给水泵驱动方式为例，验证了该方法的可行性和有效性。通过净热耗率、等效工作效率率和综合成本煤耗率对锅炉给水泵的两种驱动方式进行了分析和比较。结果表明，在300 MW及以上大型机组中使用蒸汽驱动泵，可降低净热耗率，提高机组出力。蒸汽驱动泵的运行稳定性和调节性能得到提高，因此蒸汽驱动泵应优于电动泵。

关键词——锅炉给水泵；热经济性；热耗率；能量价值分析；基于综合成本的煤炭消耗率；等效工作效率

引言

锅炉给水泵是燃煤电厂最重要的辅助设备之一。随着热力循环蒸汽参数的增加和机组容量的增长，锅炉给水泵的功率容量也在增长。在大型发电机组中，BFP的耗电量约占发电量的5%[1]。锅炉给水泵驱动方式的合理选择对整个电厂的运行经济性起着重要的作用。BFP的类型和数量及其供水系统的设计对热效率和运行成本有很大影响。

影响高炉鼓风机驱动方式的因素很多，如热经济性和运行可靠性、设备投资和系统结构的复杂性等。在上述因素中，热经济性是选择高炉鼓风机驱动方式时最重要的因素之一。众所周知，300MW机组锅炉给水泵有两种驱动方式，即电机驱动和蒸汽驱动。从国际上来看，一方面，西欧国家的燃煤电厂的设计者和所有者倾向于采用电机驱动的泵系统为锅炉供水[2]，另一方面，美国、俄罗斯和日本等其他国家的人认为蒸汽驱动模式优于电机驱动模式[3-7]。选择前者的原因是内部效率。在我国，驱动给水泵的小型汽轮机几乎相当于主汽轮机低压缸的功率传输效率和内部效率的乘积。在此前提下，电动给水泵系统的综合投资低于蒸汽驱动给水泵[8]。后一种选择的原因是，我国的公司生产的小型汽轮机的内部效率比主汽轮机低压缸的动力传递效率和内部效率的乘积要高得多。换句话说，采用蒸汽驱动给水泵的机组的净出力大于采用电动机驱动给水系统的机组的净出力。

本工作的目的是寻找一种新的方法，即等效工作效率率，来评价我国两种主要给水泵驱动方式的热经济性，并在能量价值分析[10]的基础上，将应用该方法的两种主要给水泵驱动方式的热经济性评价与热耗率和综合成本煤耗率[9]进行比较。

一、热消耗率的比较

A. 热耗率描述

总的来说，热耗率是决定热力循环热经济性和汽轮发电机组运行的关键指标。从不同的角度来看，它有两种表达形式，一种称为总热耗率，另一种称为净热耗率。

热耗率定义为发电机组产生1k瓦时电能的热量。对于不同的热力循环，热耗率公式有不同的表达形式。对于锅炉水由电动泵供给的中间再热单元，总热耗率可表示为公式1。

净热耗率可以用公式2表示。

对于锅炉水由蒸汽驱动泵供给的中间再热装置，总热耗率和净热耗率按公式3和公式4计算。

其中HR代表总热耗率或净热耗率，q0、qrh分别为主汽轮机入口蒸汽质量流量和再热蒸汽质量流量，h0、hfw分别为主蒸汽焓和给水焓。hrh、hh分别为高压缸排汽焓和再热蒸汽焓。Pg为发电机输出功率，Pfw为给水泵驱动功率。

B. 实例的分析与讨论

由于发电机组的实际运行和电动泵的配置参数在不同发电机组中并不完全相同，电动泵的净热耗率是根据各种电动泵的平均功耗计算的。这些热计算是针对冷凝涡轮驱动泵的方案进行的，然后获得不同运行条件下的净热耗率。根据电动机组的平均功率和发电机组的原设计总热耗率，考虑给水泵焓升后，分别计算了滑压模式下电动恒速泵和电动变速泵的净热耗率。表1总结了300MW机组滑压模式下汽电驱动给水泵净热耗率的计算结果。

从表1中结果的比较可以看出:

在不同运行负荷下，汽动泵的热经济性优于电动泵。特别是在低负荷下，恒速电泵的热经济性迅速下降。因为它们的运行速度不是表一。 燃料净热耗率综述

300兆瓦滑压式汽电驱动水泵(单位:千焦/千瓦时)

a. 处于稳定压力模式。

经过调节的恒速电动泵通过调节流量来降低泵出口压力，从而在可变负载下工作，这可以通过节流阀改变泵的速度来实现，因此低负载下发电机组的热效率下降很多。

与电机驱动的变速模式相比，采用蒸汽驱动的机组热经济性更好满载供水的水泵数量有所增加，但幅度不大，在低负荷区间从50%增加到90%。主要原因是液压的效率

联轴器比驱动给水泵的小汽轮机(SST)低得多，特别是在低负荷时，还有机电损耗和动力传递损耗。SST的内部效率在可变负载条件下略有变化，尽管它低于满载时的主涡轮。同时SST可以直接驱动给水泵，热经济性更好，因为能量转换和传输的中间环节少。

三. 等效工作效率的比较

A. 等效工作效率的定义和表达

在相同的条件下，即相同的机组和相同的给水流量，可以在相同的流量、相同的泵扬程(即相同的泵功)下直接比较电机驱动泵和蒸汽驱动泵。相对等效工作效率率是指从抽汽点进入汽轮机的蒸汽流的等效焓降在汽轮机中所能产生的电机驱动泵的功率消耗与电能消耗之比。这个定义可以反映蒸汽和电力所拥有的能量的热经济性。等效功效率计算方法易于理解和执行，同时避免了小汽轮机排汽焓计算精度的困难。

等效工作效率可以表示如下:

其中，sp、mp分别代表汽动泵和电动泵的等效工作效率，D0为给水质量流量，Dex、Hex为进入小汽轮机的抽汽质量流量和从抽汽口进入低压的蒸汽焓降：

主汽轮机压力缸排气口。例如，g分别是主涡轮机械效率、发电机效率和重力加速度。泵是电机驱动泵的功耗。公式5适用于蒸汽驱动泵，公式6适用于电机驱动泵。

事实上，电机驱动的等效工作效率ηmp可以用公式6计算，因为如果某些专用仪表不投入使用，发电机组的给水系统不能满足现场试验条件。因此，如果计算不同工况下的泵扬程H和相应的泵效率ηp，则主电动给水泵的轴功率将由以下公式得到。

由于主给水泵的耗电量可按公式8计算。

所以电动泵的等效工作效率可以用公式9表示。

其中ηl代表变压器和动力传输的效率，通常等于98%，ηm是电机效率，通常等于97%，ηv是变速齿轮的效率，取值为96%。液力耦合器ηfe在不同工况下的效率一般很难计算，因为没有相关的参数测量点，所以液力耦合器效率的替代计算方法是耦合器的传动效率等于其传动比的理论方法。

B. 对比结果的分析与讨论

以下示例的给水系统由两个额定流量参数为额定锅炉给水容量50%的主蒸汽驱动泵和两个额定流量参数为额定锅炉给水容量50%的带调速和液力耦合器的备用电泵组成。另一个给水系统由三个带液力耦合器的电动调速泵组成，其额定流量参数为锅炉额定给水容量的50%(两个运行中的泵和一个备用泵)。定量分析了上述两种给水系统的等效工作效率，这是我国300兆瓦机组的典型形式。不同操作条件下等效工作效率的结果总结如表3所示。

如表3所示，蒸汽驱动泵的等效工作效率略高于全负荷下的电动泵。结论没有考虑小汽轮机驱动油系统电机的功耗和系统运行的合理性、复杂性等不确定性。作为一个整体，表二。 燃料等效工作效率的结果

不同驱动方式下的300兆瓦机组水泵

b.90%的主控制室处于稳定压力模式，75%-50%的主控制室处于滑动压力模式。

两种驾驶模式的热经济性在满载时一般差别不大。

然而，随着负荷的下降，电机驱动泵的效率下降相对较快，蒸汽驱动泵的优势逐渐显著。这主要是由于液力偶合器在低负荷时滑动损失大。泵的负荷越低，液力耦合器的调速效率越差。此外，还有机电损耗和功率传输损耗。所以单纯考虑能效，汽动泵比电动泵好。

总的来说，300MW机组锅炉给水泵汽动泵的热经济性优于电动泵。

四. 基于综合成本的煤炭消耗率比较

能量价值分析(又称能量货币价值分析)的原理是基于不同物理形式的相同能量具有不同的货币价值这一事实而提出的。比如1000 MJ电的货币价值是16美元，而1000 MJ煤的货币价值是3美元，换句话说，电的货币价值是煤的5.33倍。能量价值分析原理有利于技术经济分析。

A. 综合成本煤耗率的定义及表达

在能量价值分析原理的基础上，提出了综合成本煤耗率(CCCR)的概念,标准煤的单价.综合发电成本由单位发电成本和厂用电成本组成。单位发电成本可以表示为发电标准煤耗率与标准煤单价的乘积。工厂用电成本等于用电率与联营采购价格的乘积。

所以CCCR公式可以表示为

bcc = +b1 ηc ×Kec

其中b1是产生η的标准煤耗率

c是功耗率。Kec代表价格

系数，定义为

K K Kec = e / c ×104

其中，Ke代表电力单价，Kc代表标准煤单价。

CCCR的物理意义是1k瓦时标准煤的电耗按综合发电成本计算。

综合成本煤耗率是考虑电煤货币价值的供电标准煤耗率的修正表达式，本质上反映了发电的主要综合成本。

B. 比较结果的分析与讨论

CCCR作为一种新的技术经济指标，有助于评价燃煤电厂热力系统的热经济性，如给水泵驱动方式的评价等。给水泵驱动方式评估的原则是，如果蒸汽驱动方式的CCCR比电机驱动方式低，那么蒸汽驱动方式的热经济性将优于电机驱动方式，并且与所述顺序相反。通过对比表3中的CCCR，以300兆瓦的给水泵为例。

如表3所示，汽动泵的CCCR比电动泵低，因此300MW机组锅炉给水泵汽动泵的热经济性比电动泵高。

表三。 给水等效工作效率的结果

不同驱动方式下的300兆瓦机组水泵

结论

随着机组容量的增加，给水泵的容量也会相应增加。由小型汽轮机驱动的蒸汽驱动的变速泵将越来越被更多的人所接受。

提出了等效工作效率的新术语和通过计算等效工作效率来评价热经济性的新方法，并以300兆瓦机组给水泵驱动方式为例说明了该方法的可行性和有效性。

两种驾驶模式(即。对300MW机组锅炉给水泵的蒸汽驱动和电动两种方式进行了热耗率、等效功效率和CCCR分析比较。

结果一致显示蒸汽驱动模式,在热经济性方面优于电机驱动模式。

与电机驱动泵相比，蒸汽驱动泵有利于300兆瓦机组的净发电量增加，降低发电和CCCR的净热耗率。

小型汽轮机驱动的变速泵在降低电耗和提高运行效率方面表现良好，有望在未来取代电机驱动的水泵。

锅炉给水泵的驱动方式主要受系统热经济性的影响。除了系统的热经济性外，锅炉给水泵的驱动方式还取决于投资收益、运行可靠性、系统结构复杂性的综合组合。

参考

[1]迈克尔·道格蒂，“英国燃煤电站锅炉给水泵升级”，《世界泵》，第1卷，第28-33页，2006年1月

[2]R. 贝尔曼斯，p . Meulemans，d . 萨能，还有w。Geysen，“3MW a.c . 锅炉给水泵的可调速泵驱动-可能解决方案的分析及其应用的经济性”，《电气和电子工程杂志》，第11卷，第6-12页，1991年3月。

[3]弗洛里艾伦，沃伯顿安东尼，“三重压力联合循环电厂中变速锅炉给水泵的选择和运行”，2003年美国国际联合发电会议记录。亚特兰大，pp . 413-421，2003年6月。