The Optimization of Feedwater Pump Configuration in Waigaoqiao No. 3 Power Plant
俞兴超Yuxingchao
（上海外高桥第三发电有限责任公司，上海，200137）
(Shanghai Waigaoqiao No.3 Power Generation Co.,Ltd, Shanghai 200137)

摘要：阐述了百万等级超超临界汽轮发电机组锅炉给水泵配置优化对提高机组运行经济性和安全性方面的重要意义。分析了国内外大机组的给水系统设备配置及运行情况以及外高桥三期工程采用100%锅炉给水泵组、自带凝汽器、取消电动给水泵的背景。介绍了外高桥三期工程给水泵汽轮机的特殊配汽机构型式、特殊转子焊接技术及系统汽源配置情况，确保机组在暂态工况发生时，驱动汽源的安全顺利切换，同时汽源的设置兼顾机组长期运行的经济性。分析了防止给水泵汽蚀的措施，以及现场设备的布置对安全运行及降低造价的重要意义，介绍了机组调试过程中给水泵组全程调速的成功实施，为百万等级汽轮机组超超临界技术发展创造了有利条件。
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.
关键词： 1000MW，超超临界，FCB，给水泵，给水泵汽轮机
Keyword: 1000MW, Ultra-supercritical, FCB, Boiler Feedwater Pump, Boiler Beedwater Pump Turbine
0．引言
上海外高桥第三发电有限责任公司（下称：外高桥三期工程）建设两台1000MW超超临界火力发电机组，其锅炉为超超临界一次中间再热、燃煤直流塔式锅炉。主要参数为：蒸发量2955t/h；主蒸汽温度/压力：605℃/28MPa；再热蒸汽温度/压力：603℃/6.4MPa。汽轮机为四缸四排汽、单轴反动凝汽式双背压汽轮机。额定功率1000MW，最大功率1060MW（2955t/h）。旁路系统配置了100%BMCR高压旁路，该旁路兼作锅炉高压安全门，低压旁路容量为65%BMCR，另配100%再热安全门。给水系统配置1×100%BMCR汽动给水泵，带独立凝汽器，不配电动给水泵。
本工程要求机组具备电网故障时带厂用电运行，实现电网的快速恢复，以及机组主设备跳闸时，机组具备快速重新启动并投入运行的能力，保证电网安全运行，为此，机组连锁保护的原则如下：
a. 电网故障，主变压器出口开关跳闸，汽轮发电机快速减负荷至带厂用电作孤岛运行(1)（FCB）；
b. 发电机跳闸，汽轮机甩负荷维持3000rpm运行；
c. 汽轮机跳闸，锅炉通过旁路系统维持运行；
d. 锅炉跳闸，锅炉给水系统维持运行。
由于以上要求，锅炉给水泵组成为外高桥三期工程要求最高的设备。其配置成为系统优化设计的重点。为了满足设计目标，首先对国内外的火力发电机组给水泵组配置情况作了深入的调研和分析。
1．国内外火力发电机组给水泵组配置基本情况
1.1 国内火力发电机组给水泵组配置现状
国内300MW以上火力机组，绝大部分采用2×50%汽动给水泵加一台电动给水泵的方案。百万等级机组也大多数采用该配置方案，如：外高桥二期工程2X900MW机组，配置2×50％汽动给水泵和1×40％启动/备用电动给水泵；华能玉环电厂4X1000MW机组，配置为2×50％汽动给水泵和1×25％启动电动给水泵；国电泰州电厂和华电邹县电厂四期2X1000机组，给水系统的配置均为2×50％汽动给水泵和1×30％启动电动给水泵。
1.2 国外火电机组给水系统配置现状
日本大多数火力机组锅炉给水泵的配置情况与中国的配置方案相同，采用2×50%汽动给水泵加一台电动给水泵的方案。
德国近年来新建的百万级超（超）临界机组，给水泵的配置均采用1×100%汽动给水泵和2×40％启动/备用电动给水泵。其中典型电厂主要有NIEDERAUSSEM电厂，Boxberg电厂，Lippendorf电厂和黑泵电厂。
美国AEP 公司早在上世纪50年代末就开始采用单台锅炉给水泵，取得了丰富的成功经验。AEP 公司先后于1973年到1989年之间投入运行的6台1300MW超临界机组（Amos 3、Gavin 1、Gavin 2 、Mountaineer 1、Rockport 1、Rockport 2电厂）配置了1×100%汽动锅炉给水泵组，其给水泵的容量为49.4MW，不设置电动给水泵，至今运行情况良好。
2．国内、外大机组配置锅炉给水泵的设备运行情况分析
2.1国内大机组配置常规锅炉给水泵的设备运行情况分析
外高桥三期工程开始方案设计时，我国除了上海外高桥二期工程，还没有百万等级大机组的投产发电，因此我们对该工程运行情况进行了分析。
从上海外高桥二期工程设备配置情况分析，技术上，一方面发展到超临界以上，锅炉给水系统扬程大大提高；另一方面，随着机组容量的增加，给水流量也相应增加，给水泵及其汽轮机的设备造价大幅度提高，所以保证设备的安全运行至关重要。SIEMENS在外高桥二期工程机组热工保护设定时就考虑这方面的因素，设置给水泵的左、右边界保护，图1是西门子为外高桥二期工程给水泵设置的边界保护曲线。当给水泵运行点偏离PQ曲线的允许范围Qmin和Qmax，热工保护跳闸锅炉给水泵。随着系统给水压力的提高，并联运行的给水泵在电动给水泵与汽动给水泵、汽动给水泵与汽动给水泵切换时，由于流量波动，出口逆止门抖动，很容易造成设备偏离允许运行范围。外高桥二期给水系统的运行就证明了这一事实，在机组调试阶段大约有70%的机组跳闸由此引起，因此必须解决这一问题。
2.2 国外大机组配置单台锅炉给水泵的设备运行情况调研
为在外高桥三期工程中解决外高桥二期工程调试和运行中出现的问题，应对系统主要方案进行研究。为此，2005年12月对美国1300MW机组运行情况进行了调研。通过考察美国Mountaineer电厂单台1300MW机组，我们了解到，该机组于1980年9月投入商业运行，并在电网中执行调峰任务，机组负荷控制在500MW-1325MW之间。在机组运行的25年中，累计有6次强迫停机是由于给水泵及给水泵汽轮机的附属设备所引起的，给水泵及其汽轮机本体未发生过重大故障。1987年3月17日，该厂创造了连续运行607天的记录。因给水泵及其汽轮机的原因造成的机组强迫停运率小于0.2％，且没有发生因需要更换给水泵或汽轮机部件而使机组长时间计划外停运的情况。该厂锅炉给水泵由美国英格索兰公司提供，给水泵汽轮机由原BBC公司(现ALSTOM公司)提供。
而通过进一步的调研我们发现，目前世界上德国在大型800MW到1000MW超（超）临界火电技术领域具有相当的优势，其给水泵组的运行相当稳定，设备强迫停运率为0.18168%，与美国Mountaineer电厂1300MW机组相当。而其常规配置的机组强迫停运率为0.3028%，因此，采用100%锅炉给水泵组运行可靠性将大大提高。 3．给水泵配置方案的技术经济比较
外高桥三期工程设备招标确定2个给水泵及其汽轮机配置方案：
方案a. 每台机组配置1×100％汽动给水泵+1×50%启动电动给水泵，给水泵汽轮机排汽不排入主机凝汽器；
方案b. 每台机组配置2×50％汽动给水泵+1×40%启动/备用电动给水泵，两台给水泵汽轮机排汽排入主凝汽器。
100％方案与50％方案在技术上的比较见表1。
表1方案a与方案b设备效率比较

由表1可见，两个方案设备效率存在较大差异，给水泵效率变化引起输入功率变化见表2。
表2方案a与方案b轴功率比较

采用方案a的给水泵汽轮机，在额定工况下，其投标保证效率为87.01%，比方案b的效率81%大大提高，汽耗从5kg/kwh下降到4.5035kg/kwh，另外考虑上述给水泵功率的增加，机组运行在额定工况点的情况下，从第五级返回主汽轮机作功的能量见表3。
表3方案a与方案b节能效果比较

从上述表1、2、3可知，采用方案a后设备运行的经济性大大增加，大大减少了煤炭资源的消耗，同时减轻了环境污染的压力。
另外，方案b的电动给水泵所需轴功率20186KW，相应的电机功率取23213KW，如此大的电动给水泵，在世界范围内大容量电机及配置电气系统开关制造是一大难题，外高桥二期的电动给水泵电机功率为14200KW，在电气设备上采取了相应措施后才得以实现。若外高桥三期工程配此电泵，在紧急情况下，该泵紧急启动将承担机组的部分负荷，维持机组的运行，但突然启动将对电气系统产生重大冲击。
外高桥三期工程给水泵及汽轮机设备投标结果我们发现，方案a的价格低于方案b。
基于以上结果，我们最终选择了1×100%汽动给水泵、且不配电动给水泵的方案。为能满足机组的调试及投产后启动的要求，给水系统能提前投入运行，1×100%汽动给水泵配备独立的凝汽器。
4．给水泵配置优化方案的设备特点、系统设计特点、布置特点及运行情况分析
4.1 给水泵汽轮机结构设计特点

外高桥三期工程给水泵汽轮机的配汽机构及系统汽源设置具有能进行汽源平滑切换的特殊设计，确保了锅炉不断水。其特殊的进汽方式由德国ALSTOM公司设计，并确定由ALSTOM公司提供整套给水泵汽轮机。该公司曾为美国Mountaineer电厂以及目前德国所有800MW以上电厂提供给水泵汽轮机。图2为给水泵汽轮机进汽部分简图。
由图2可知，工作汽源流过主汽阀1和控制阀1、2进入喷嘴组1、2，确保正常运行的最佳经济性，备用汽源通过主汽阀2和控制阀3流入喷嘴组3，确保锅炉最大出力时的蒸发量及100%高压旁路的减温水量。汽轮机进汽室分成3个区域，其中二个为工作汽源进汽口，连接五级抽汽进汽控制阀1，2，另一个为备用蒸汽冷再热蒸汽进汽口，连接冷再热进汽控制阀3。每个进汽口装有喷嘴组，由于备用汽源的压力参数高于正常运行时的五级抽汽，装于冷再热进汽口的喷嘴组强度高于五级抽汽的进气口喷嘴组强度。喷嘴组出口为控制叶轮，见图3，蒸汽直接进入控制叶轮膨胀作功后继续进入压力级作功，整机只有一个控制叶轮，双流汽轮机的另外一侧只有压力级，蒸汽在控制叶轮后分成两路，一路沿着控制叶轮出口流向压力级，另一路通过三个喷嘴组之间的空档反向流入双流汽轮机的另一侧，喷嘴组与控制叶轮之间的漏汽也进入反向作功。 

ALSTOM公司的独有焊接转子技术确保了方案的实施。控制叶轮为整体锻造结构的金属环见图4，采用钻孔磨制工艺加工动叶轮，该技术由ALSTOM公司在上世纪90年代开发，已经应用于60多台不同出力的汽轮机。该动叶环采用埋弧焊技术与转子焊接成整体。
在给水泵方面，我们从高性价比的角度考虑，采用进口锅炉给水泵，由英国SULZER公司设计制造，前置泵型号为HZB402-720，主泵型号为HPT500-505-5s。
4.2 给水泵汽轮机汽源设计特点
有了上述特殊设计的给水泵汽轮机，要保证机组安全稳定运行，还必须要有充足且品质合格的汽源。外高桥三期工程和常规配置的给水泵汽轮机一样，设有高压汽源和低压汽源两种，分别接自高压缸排汽即冷再热蒸汽和中压缸五级抽汽，从热平衡图可知，这两种汽源在机组的各种工况下温度是接近的。原来辅助蒸汽也作为调试启动及将来运行备用蒸汽，工程初期，由外高桥二期冷再热蒸汽经减压后提供，运行压力设置为15bar。经常工况下二期冷再热蒸汽经等焓节流后的辅助蒸汽的温度仅为260℃左右，而给水泵汽轮机的工作及备用汽源温度在370℃左右，温差达到100k以上，远远超过ALSTOM规定的50k上限。当一台机组运行时，锅炉发生MFT后，由于上述温差原因，给水泵汽轮机紧急停机，此时辅助蒸汽仅作为启动用汽，一方面辅助蒸汽暖管需要相当时间，另一方面热态停机后给水泵汽轮机金属温度从360℃冷却到启动允许值的时间特别长，这样机组恢复供电的时间很漫长。外高桥三期工程二台机组投运后，辅助蒸汽由本期的一台机组提供，理论上辅助蒸汽的温度将在310℃到370℃之间，可见也有超出温差允许范围的可能。为此采用了如图5所示的汽源配置新方式。在一台机组运行时外高桥二期的冷再热蒸汽（320℃）不经减压直接引向给水泵汽轮机的冷再主汽门前，外高桥三期工程的两台机组投运后，冷再热蒸汽互为热备用或冷备用。事实证明，辅助蒸汽由外高桥二期冷再热蒸汽提供时，经管路热损失后其温度仅为240℃左右，更难保证温差要求。当机组正常运行时，辅助蒸汽除给水泵汽轮机轴封用汽外，别无其他用户，辅汽母管内的蒸汽温度无法维持。采用新方案后，给水泵汽轮机的备用蒸汽冷再热管道间可以采取相互伴热措施，使其始终接近运行温度，符合规程要求的温差条件。机组正常运行时，二期冷再热蒸汽作为冷备用，可大大减少重新启动的时间。
4.3 给水泵布置设计特点
在设备的布置方面，采取相当措施确保安全，给水泵组由传统的17米层布置移至8.6米层，大大提高了给水前置泵的汽蚀余量，凝汽器下降解决了小机循环水的压头不足问题，给水泵汽轮机的下降节约了凝汽器接颈设备的投资，除氧器由原来的45米下降到40米，在未耗尽给水泵下降带来的汽蚀余量同时，除氧间结构的费用大大下降。为了进一步确保前置泵的汽蚀余量，与欧洲典型设计一样，还采用冷再热蒸汽通过负安全阀向除氧器紧急供汽，防止暂态发生时除氧器供汽中断。不过，在第一台机组的调试阶段，由于冷再热蒸汽未调试好，曾发生过一次前置泵汽蚀导致机组跳闸，原因是由于除氧器给水下降管道的流速取值较低，为2m/s，暂态工况下的换水速率不够造成， 4.4机组投运后设备的运行状况分析
2008年3月15日和16日，外高桥三期工程第一台机组先后进行了75%和100%的甩负荷试验。3月17日晚21:40分进行了全真运行工况的75%负荷的FCB试验。3月18日晚23:59分进行了全真运行工况的100%负荷FCB试验，试验均取得了圆满成功。在试验中，给水泵组得到了严峻的考验，事实证明，给水系统设备配置是成功的。机组在发生FCB时给水泵组转速变化、流量变化、以及省煤器出口温度见图6。 

机组发生FCB、甩负荷或停机不停炉，主汽轮机调门迅速调小或关闭，给水泵汽轮机工作汽源五级抽汽消失，由于采用100%高压旁路和65%的低压旁路，机组的冷再热蒸汽依然存在，此时作为备用汽源的冷再热蒸汽快速切上。从图6可知，给水泵转速及给水流量下降到恢复甚至过调，仅仅用了7秒钟，故省煤器出口温度没有上升，仍维持原来329.8℃运行，确保了锅炉运行的安全。而外高桥二期工程900MW机组给水泵汽轮机汽源采用外部切换，机组经历上述工况后的给水泵汽轮机汽源切换过程中出现了水冷壁出口温度快速窜升至接近保护动作值，而后再快速回落的局面，锅炉受热面经受了剧烈的冷热冲击，一方面冷热循环会引起金属疲劳，降低设备的使用寿命，另一方面还会导致受热面氧化皮的剥落，从而加剧固体颗粒侵蚀(2)（SPE）问题，危及机组的安全和经济运行。
按ALSTOM公司设计，小汽轮机存在第一阶临界转速，其最低稳定运行转速确定为2700rpm。参考给水泵制造厂SULZER提供的设计曲线，在此转速下通过再循环运行，泵的出口压力达到16MPa，流量为446.4t/h。锅炉进水阶段，以及启动初期和机组负荷低于45%BMCR时，要求给水流量小，压力低，为此只能在给水泵出口的给水管道上设置出口隔离阀以及调节阀来满足不同工况的需要。可见对调节阀提出了特别高的要求，满足大压差时小~中等流量以及小压差时大流量等等。为降低启动阶段的能耗和最小流量阀的泄漏概率，我们经过深入的理论研究，提出了“大型汽动给水泵组低速启动及全程调速运行”的创新思路和实施方案，得到了供应商的支持。在第一台机组的给水泵组调试时获得圆满成功，为锅炉上水，冲洗，点火启动、低负荷运行带来了极大的方便，大大节约了机组启动阶段能量的损耗，简化了系统阀门的控制手段，提高了机组的经济性和安全性。
由于给水泵组设备的高可靠性，给水系统配置及运行控制方式的全面优化，从第一台锅炉冲管到机组投产至今，第二台机组调试、并网以及目前的1000MW运行，外高桥三期工程从未发生过一起因汽动给水泵故障造成的机组停运。
5．结语
百万等级超超临界机组给水泵采用单台汽泵在技术上是可行的。能够适应于机组启停、甩负荷、FCB及各种变工况运行，并能获得显著的运行经济效益和运行方面的便利，达到了预期的优化目标，所取的的经验可供其它百万等级机组做为设计参考。
百万等级超超临界机组采用单台给水泵的条件是：小汽机的结构选型及其系统配套优化设计。
当给水泵汽轮机的启动汽源有保障时，取消电动给水泵也是可行的。
百万等级超超临界机组汽动给水泵的全程调速功能值得进一步探索。

参　考　文　献：
[1] 冯伟忠．900MW超临界机组FCB试验[J]．中国电力，2005，38（2）：74-77。
FENG Wei-zhong. FCB test for 900MW supercritical units[J]． Electric Power，2005，38（2）：74-77．
[2] 冯伟忠．超超临界机组蒸汽氧化和固体颗粒的综合防治[J]．中国电力，2007，40（1）：69-73．
FENG Wei-zhong. Comprehensive prevention of steam oxidation and solid particle erosion for the ultra –supercritical unit [J]． Electric Power，2007，40（1）：69-73

作者简介：
俞兴超（1970-4），男，上海人，本科学历，工程师 外高桥第三发电有限责任公司汽机主管。