带功率平衡发电机的给水泵系统性能研究

摘要：针对我国二次再热机组回热系统抽汽过热度高、不可逆换热损失大的问题，提出并采用带功率平衡发电机的抽汽背压式给水泵汽轮机（BEST）系统。分析在不同技术路线下，抽背式小汽机轴系配置特点、负荷调节特性以及不同负荷下的效率。以1 000 MW 二次再热机组为实例，经过技术经济比较和综合论证，提出抽背式小汽机的技术方案选择以及平衡电机选型的原则。

关键词：双机回热系统；抽背式小汽机；平衡电机

0  引言

我国以煤电为主的发电格局使得火电厂煤炭消耗量占煤炭总产量的一半以上，多年的电力结构调整，确立了超（超）临界高参数大容量机组的未来火电主力地位[1]。提高燃煤机组的蒸汽参数，发展高经济性、高效率的高参数大容量机组对我国节能减排有重要的意义。

提高机组初参数是提高发电系统效率、降低煤耗最直接的途径[2]。随着初参数的提高，机组回热系统抽汽的过热度越来越高，进入高压加热器中的抽汽与给水的传热温差也越来越大，这导致换热过程中的不可逆损失增加，抵消了提高蒸汽参数对机组效率的部分贡献[3]。

王昌朔等[4]对1 000 MW 的二次超超临界再热机组建立了仿真模型，对进汽节流调节、发电机调节和进汽补汽调节三种方案进行了数值研究，发现发电机调节可以使经济性达到最佳。王渡[5]等通过数值研究了抽汽背压式汽轮机组在不同级数下转运可行性、热经济性及变工况特性，发现当级数选为5 级时，机组的热经济性最佳。廖先伟[6]等建立了仿真模型，对比分析了回热式给水泵汽轮机与主汽轮机在不同协调运行方式下的输出功率及经济性，研究发现结合进汽节流和背压调节能够同时保证机组的功率要求和高效运行。付亦葳等[7]研究对比了常规电力系统与抽汽背压式汽轮机系统的异同。

针对这一问题，一种抽汽背压式给水泵汽轮机（ 以下简称“BEST 小机”）发电系统[8]被提出，利用BEST小机直接驱动给水泵，可有效降低厂用电，提高机组发电效率，同时可以显著降低回热系统抽汽过热度，减小换热损失。

本文以典型百万二次再热超超临界机组为边界条件，重点探讨双机回热系统中带平衡电机的抽背式小汽机的选型配置原则，并对常规二次再热系统和带功率平衡发电机的双机回热系统进行技术经济比较，为带BEST小机系统的优化和应用提供理论基础和数据支撑。

1  机组简介

本文选取某典型1000MW超超临界机组作为案例机组，其锅炉为超超临界变压直流锅炉、单炉膛，汽轮机为N1000-31.5/600/600 型、二次中间再热凝汽式汽轮机，原则性热力系统如如图所示。常规热力系统汽水循环回热系统有10级回热抽汽，包括4级高压回热加热器，1 级除氧器，5级低压回热加热器。

2  两种双机回热方案的比较

2.1 常规小汽轮机系统方案

小汽轮机的工作任务是驱动给水泵，将热能转化为机械能，满足锅炉所需要的供水要求。驱动小汽轮机的型式主要有背压式、背压抽汽式和凝汽式。由于背压式、背压抽汽式小汽轮机型式工况适应性较差且不能改善机组的热经济性，所以在大型火电机组中目前应用最广泛的是凝汽式小汽轮机。常规小汽轮机系统原理图可参见图1。

常规小汽轮机系统具有以下特点：

（1）汽动给水泵转速高、刚度大、安全性好；

（2）主机启动过程简单，小机控制变量少，配合主机的滑压运行进行调节；

（3）系统控制与保护逻辑简单，变速运行来调节给水泵的流量，操作方便可靠。

（4）小机进汽有节流损失；

（5）主机抽汽过热度较大，热力系统效率较双机回热系统要低一些。

目前国内，该系统在600MW级及以上机组应用非常广泛。华能罗源660MW机组、国投湄洲湾1000MW机组、国投板集1000MW机组等工程均采用了该系统。给水泵汽轮机技术主要分为美国西屋、德国西门子、西屋-西门子三个技术分支。杭州汽轮机股份有限公司、东方汽轮机股份有限公司、上海电气集团股份有限公司均有成熟可靠的生产制造能力和应用业绩。

2.2 BEST小机系统方案

BEST双机回热系统的工作原理是利用再热前的蒸汽，驱动背压抽汽小汽轮机，从小汽轮机中抽汽，并利用过热度较低的小汽轮机的抽汽和排汽加热凝结水和给水；同时，小汽轮机拖动给水泵组后的多余功率可通过BEST双机回热系统配置的小发电机发电并接入厂用电，其系统图见图3.

背压式小汽轮机系统分为带功率平衡发电机和不带功率平衡发电机两种。相比不带功率平衡发电机方案，BEST小汽轮机（带功率平衡发电机）方案小机效率高，多余的功率供给厂用电，减少厂用电率，增加供电电量，因BEST小机系统推荐带功率平衡发电机方案。

BEST小汽系统具有以下特点：

（1）化解高温风险，提高系统可靠性，提高能级利用效率，降低热耗；

（2）再热蒸汽流量下降，节省再热系统成本；

（3）大机中压缸通流无抽汽，提高缸效 ；

（4）提高小机效率；

（5）BEST小汽轮机驱动给水泵发电供常用电，减少厂用电率。

（6）设备投资增加，系统复杂性增加，各工艺系统工况及出力匹配、协调控制难度大。

目前国内该系统的应用较少，还处于研发示范的阶段，主要在1000MW级机组应用。山东电力工程咨询院有限公司联合东方电气、大唐集团三方合作研究，在大唐郓城630℃超超临界二次再热国家电力示范项目上采用该系统。

3  技术性能比较

本文中对常规小汽轮机系统和带功率平衡发电机的双机回热系统从初投资和技术经济性两方面进行了比较，结果分别见表1。

经济性比较采用最小年费用法计算，根据年费用公式：

式中：A 为年费用；P 为初投资；R 为年运行维护费；I 为贷款利率；n 为经济生产年。

初投资增加额：P=1.163 亿元

贷款利率I ：4.9%

年运行维护费R ：暂不考虑，取0

上网电价：0.371元/kWh

机组年利用小时数：5000 h

标煤价：800 元/t

参考文献

[1]李华杰，马丽梅.近年来我国能源投资发展分析[J]．中外能源，2018，23（1）：3-13．

[2]杨美， 周云龙， 杨金福， 等. 700 ℃超超临界一次再热发电系统优化[J]. 发电技术， 2021， 42（4）： 509-516.