間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)及運(yùn)行方式的優(yōu)化

孫玉慶

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

間接空冷系統(tǒng)中循環(huán)水泵的主要功能是將從凝汽器出來的熱水輸送到空冷散熱器中進(jìn)行散熱，冷卻后的循環(huán)水再返回凝汽器中去冷卻汽輪機(jī)排汽。其中，循環(huán)水泵組包括循環(huán)水泵及其配套的電動(dòng)機(jī)，是間接空冷系統(tǒng)的重要組成部分。在合理、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的原則下，電廠為追求利潤的最大化必須降低生產(chǎn)成本。循環(huán)水泵是廠用電的主要消耗點(diǎn)，節(jié)約循環(huán)水泵的廠用電，降低微增電費(fèi)，對(duì)降低發(fā)電成本有著顯著的意義，同時(shí)對(duì)降低工程的初投資也有重要的作用。為保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行及節(jié)省工程投資，需對(duì)循環(huán)水泵運(yùn)行工況、方式及合理臺(tái)數(shù)予以充分論證，這對(duì)實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵最優(yōu)配置有著重要意義。本文僅以表凝式間接空冷系統(tǒng)的臥式離心式循環(huán)水泵為例進(jìn)行分析和研究。

1 臥式離心式循環(huán)水泵

對(duì)于表凝式間接空冷系統(tǒng)低揚(yáng)程及閉式管路系統(tǒng)，多選用高效率的臥式離心式水泵，現(xiàn)階段該水泵最大效率可達(dá)91.5%。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子短；泵與電動(dòng)機(jī)可直聯(lián)，總長度短；占地面積??；高效率運(yùn)行范圍廣，能適應(yīng)變工況的揚(yáng)程變化；檢修較易，使用壽命長。

現(xiàn)階段國內(nèi)已招完標(biāo)的循環(huán)水泵最大流量約為6.39 m3/h（例如神頭二期主機(jī)循環(huán)水泵流量約為6.11 m3/s，揚(yáng)程約23.6 m），經(jīng)過與水泵廠家溝通和現(xiàn)有水泵樣本顯示，循環(huán)水泵流量可以做到更大（如流量10.22 m3/h，揚(yáng)程約23 m，但無實(shí)際過程招標(biāo)案例）。

采用常規(guī)間冷系統(tǒng)空冷散熱器布置方式，300 MW級(jí)的1臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)循環(huán)水泵，600 MW級(jí)的1臺(tái)機(jī)組配3臺(tái)循環(huán)水泵，1000 MW級(jí)的1臺(tái)機(jī)組配4臺(tái)循環(huán)水泵。

2 臥式離心式循環(huán)水泵配置優(yōu)化

2.1 300 MW級(jí)臥式離心式循環(huán)水泵配置

一般300 MW級(jí)間接空冷系統(tǒng)配置“兩機(jī)一塔”設(shè)計(jì)方案，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置2臺(tái)高效臥式循環(huán)水泵，2臺(tái)機(jī)組共4臺(tái)循環(huán)水泵?，F(xiàn)以某300 MW級(jí)間冷系統(tǒng)工程為例，選取的循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q=5.14 m3/s，H=21 m，N=1400 kW。

圖1為采用雙速水泵（每臺(tái)水泵均采用雙速電動(dòng)機(jī)）、定速水泵（每臺(tái)水泵均采用定速電動(dòng)機(jī)）并聯(lián)運(yùn)行示意圖。

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，采用高速泵并聯(lián)運(yùn)行，在低氣溫區(qū)間，尤其是冬季供熱期間，采用2臺(tái)水泵低速并聯(lián)運(yùn)行，可分別滿足單臺(tái)機(jī)組（共6個(gè)扇段）3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)扇段運(yùn)行；當(dāng)2臺(tái)水泵定速（高速）并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，也可分別滿足單臺(tái)機(jī)組（共6個(gè)扇段） 3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)扇段運(yùn)行；單臺(tái)定速泵運(yùn)行時(shí)，可滿足單臺(tái)機(jī)組2個(gè)扇段運(yùn)行。從圖1分析得出：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組配置2臺(tái)定速水泵既可滿足機(jī)組空冷系統(tǒng)在最佳運(yùn)行氣溫（13.5～28℃，最佳運(yùn)行時(shí)段）運(yùn)行，又可滿足冬季供熱期間運(yùn)行，

圖1 2臺(tái)水泵雙速和定速并聯(lián)運(yùn)行示意圖

2.2 600 MW級(jí)臥式離心式循環(huán)水泵配置

一般600 MW級(jí)間接空冷系統(tǒng)配置“一機(jī)一塔”設(shè)計(jì)方案，但隨著現(xiàn)階段廠址建設(shè)600 MW級(jí)間冷系統(tǒng)的要求，600 MW級(jí)間冷系統(tǒng)采用“兩機(jī)一塔”的設(shè)計(jì)方案越來越多，例如山西趙莊、西上莊等工程。通常600 MW級(jí)機(jī)組每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)高效臥式循環(huán)水泵，2臺(tái)機(jī)組共6臺(tái)循環(huán)水泵?，F(xiàn)以某600 MW級(jí)間冷工程為例，選取的循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：Q=5.56 m3/s，H=23 m，N=1600 kW。

根據(jù)中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司2015年申請(qǐng)的專利“可大幅減少占地面積的間接空冷系統(tǒng)”，提出一種新的散熱器布置方式——“散熱器分上下兩層和內(nèi)外圈分別錯(cuò)開垂直布置在間冷塔的進(jìn)風(fēng)口處”，這種散熱器布置方式但僅限3個(gè)扇段運(yùn)行（當(dāng)2臺(tái)水泵定速并聯(lián)時(shí)）。另外，在新疆地區(qū)（冬天比較寒冷）某300 MW級(jí)空冷機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí)，為防凍，需要把散熱器的扇段全部投運(yùn)，這時(shí)需要單臺(tái)機(jī)組2臺(tái)循環(huán)水泵全部投入運(yùn)行，這時(shí)低速水泵的優(yōu)越性體現(xiàn)不出來。

參考相關(guān)工程，該型號(hào)的雙速電機(jī)比單速電機(jī)約增加21萬元/臺(tái)的設(shè)備費(fèi)用，若采用雙速水泵，初投資將會(huì)增大約84萬元（2臺(tái)機(jī)組）。單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行方式應(yīng)盡量不采用1臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵的并聯(lián)運(yùn)行，因并聯(lián)后已脫離單臺(tái)低速水泵的流量曲線范圍，易造成低速水泵出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。圖2為2臺(tái)水泵（定轉(zhuǎn)速+高速）并聯(lián)運(yùn)行圖。既可以大幅減小占地，又可大幅減少塔內(nèi)散熱器管內(nèi)流體阻力，還可大幅降低循環(huán)水泵揚(yáng)程。參照某660 MW間冷工程，采用新的散熱器布置方案后，循環(huán)水泵揚(yáng)程由原來常規(guī)的23 m降低到18～19 m。因此，可考慮單臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)高效臥式循環(huán)水泵，2臺(tái)機(jī)組共4臺(tái)循環(huán)水泵。

圖2 2臺(tái)水泵雙速和1臺(tái)高速水泵與1臺(tái)低速水泵并聯(lián)運(yùn)行示意圖

按照以上散熱器布置方式計(jì)算管路阻力，方案一（一機(jī)三泵）和方案二（一機(jī)二泵）均可以滿足工程循環(huán)水系統(tǒng)的需求。上述某600 MW級(jí)間冷系統(tǒng)按方案一確定的循環(huán)水泵參數(shù)為Q=5.56 m3/s，H=23 m，N=1600 kW；按方案二確定的循環(huán)水泵參數(shù)為Q=8.33 m3/s，H=19 m，N=2000 kW。表1為2種方案的相對(duì)經(jīng)濟(jì)性比較表。

表1 2種方案的相對(duì)經(jīng)濟(jì)性比較（600 MW 2臺(tái)機(jī)組）

圖3為單臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)定速循環(huán)水泵（每臺(tái)水泵均采用定速電動(dòng)機(jī)，一機(jī)兩泵）并聯(lián)運(yùn)行示意圖。2臺(tái)機(jī)組共用1座自然通風(fēng)冷卻塔（即兩機(jī)一塔），循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制。空冷散熱器垂直布置在空冷塔外四周，2臺(tái)機(jī)組共16個(gè)冷卻扇段，以上下層、內(nèi)外圈、垂直方式布置在塔外。當(dāng)2臺(tái)水泵定速并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可分別滿足單臺(tái)機(jī)組（共8個(gè)扇段）4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)扇段運(yùn)行；單臺(tái)定速泵運(yùn)行時(shí)，可滿足單臺(tái)機(jī)組2個(gè)、3個(gè)扇段運(yùn)行。從圖3分析得出：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組配置2臺(tái)定速水泵既可滿足機(jī)組空冷系統(tǒng)在最佳的運(yùn)行氣溫（13.5～28℃，最佳運(yùn)行時(shí)段）、春秋及其高溫區(qū)間運(yùn)行，又可滿足冬季供熱期間運(yùn)行，但僅限4個(gè)扇段運(yùn)行（當(dāng)2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)）。

圖3 2臺(tái)水泵定速并聯(lián)運(yùn)行示意圖

2.3 1000 MW級(jí)臥式離心式循環(huán)水泵配置

一般1000 MW級(jí)間接空冷系統(tǒng)配置“一機(jī)一塔”設(shè)計(jì)方案。通常每臺(tái)機(jī)組配置4臺(tái)高效臥式循環(huán)水泵，2臺(tái)機(jī)組共配置8臺(tái)循環(huán)水泵?，F(xiàn)以某1000 MW級(jí)間冷工程為例，選取的循環(huán)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)為Q=6.11 m3/s，H=23.5 m，N=1800 kW。

同理，根據(jù)中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司2015年申請(qǐng)的專利“可大幅減少占地面積的間接空冷系統(tǒng)”，若采用散熱器雙層布置方案，則該1000 MW機(jī)組的循環(huán)水泵揚(yáng)程由原來的23.6 m降低到18 m～19 m。因此，可考慮該1000 MW間冷系統(tǒng)單臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)高效臥式循環(huán)水泵，2臺(tái)機(jī)組共配置6臺(tái)循環(huán)水泵。

按照以上散熱器布置方式計(jì)算管路阻力，方案一（一機(jī)四泵） 和方案二（一機(jī)三泵） 均可以滿足本工程循環(huán)水系統(tǒng)需求。上述某1000 MW級(jí)間冷系統(tǒng)按照方案一確定的循環(huán)水泵參數(shù)為Q=6.11 m3/s，H=23.6 m，N=1800 kW；按照方案二確定的循環(huán)水泵參數(shù)為Q=8.17 m3/s，H=19 m，N=2000 kW。表2為2種方案的經(jīng)濟(jì)性比較表。

表2 2種方案的經(jīng)濟(jì)性比較表（1000 MW 2臺(tái)機(jī)組）

圖4為單臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)定速循環(huán)水泵（每臺(tái)水泵均采用定速電動(dòng)機(jī)，一機(jī)三泵）并聯(lián)運(yùn)行示意圖。2臺(tái)機(jī)組分別采用1座自然通風(fēng)冷卻塔（即一機(jī)一塔），循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制。空冷散熱器垂直布置在空冷塔外四周，單臺(tái)機(jī)組10個(gè)冷卻扇段。當(dāng)2臺(tái)水泵定速并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可分別滿足單臺(tái)機(jī)組（共10個(gè)扇段）2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)扇段運(yùn)行；當(dāng)3臺(tái)水泵定速并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可分別滿足單臺(tái)機(jī)組（共10個(gè)扇段） 6個(gè)、8個(gè)、10個(gè)扇段運(yùn)行；單臺(tái)定速泵運(yùn)行時(shí)，不能滿足單臺(tái)機(jī)組扇段運(yùn)行。從圖4分析得出：百萬機(jī)組配置3臺(tái)定速循環(huán)水泵既可滿足機(jī)組空冷系統(tǒng)在最佳的運(yùn)行氣溫（13.5～28℃，最佳運(yùn)行時(shí)段）、春秋及其高溫區(qū)間運(yùn)行，又可滿足冬季供熱期間運(yùn)行，但僅限2臺(tái)及以上水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)。

圖4 3臺(tái)水泵定速并聯(lián)運(yùn)行示意圖

3 結(jié)論

a） 300～1000 MW級(jí)不同容量機(jī)組間冷系統(tǒng)配置循環(huán)水泵均采用定速運(yùn)行方式較經(jīng)濟(jì)，既可滿足機(jī)組空冷系統(tǒng)在最佳的運(yùn)行氣溫（13.5～28℃，最佳運(yùn)行時(shí)段）、春秋及其高溫區(qū)間運(yùn)行，又可滿足冬季供熱期間運(yùn)行。

b）單臺(tái)機(jī)組循環(huán)水泵組運(yùn)行方式不宜采用1臺(tái)高速泵+1臺(tái)低速泵的并聯(lián)運(yùn)行，因并聯(lián)后已脫離單臺(tái)低速水泵的流量曲線范圍，易造成低速水泵出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

c）結(jié)合新型空冷系統(tǒng)散熱器布置方式，經(jīng)過優(yōu)化后300 MW級(jí)機(jī)組間冷系統(tǒng)單臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行；600 MW級(jí)機(jī)組間冷系統(tǒng)單臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行；1000 MW級(jí)機(jī)組間冷系統(tǒng)單臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行。

d）結(jié)合新型空冷系統(tǒng)散熱器布置方式，經(jīng)過優(yōu)化后600 MW級(jí)機(jī)組間冷系統(tǒng)單臺(tái)循環(huán)水泵揚(yáng)程可降低4～5 m，節(jié)省電費(fèi)約230萬元/年；1000 MW級(jí)機(jī)組間冷系統(tǒng)單臺(tái)循環(huán)水泵揚(yáng)程可降低4.6～5.6 m，節(jié)省電費(fèi)約380萬元/年。