应对蒸汽电厂的需求
热电厂即常规矿物燃料电厂或核电厂都要使用泵,因而对泵类制造商来说,这是一个非常重要的市场。然而,许多电厂的负荷相当繁重,其设备也需要应对相当高的温度和压力。此外,这些设备必须年复一年地保持稳定运转(通常是在电厂的整个运营周期内)。那么,这些工况下的泵究竟有哪些特别之处呢?
发电厂的泵按应用可分为锅炉给水泵、增压泵、循环水泵和冷凝泵、辅助泵和高温泵,还有烟气清洗泵及泵的驱动装置,控制机构和其他相关设备,如联轴器。
泵的类型
很大程度上,泵的类型因电厂类型而异。比如,亚临界电厂的锅炉给水泵(BFP)和锅炉循环水泵(BCP)与超临界电厂的泵就可能不同。这类泵通常体积较大,耗电量也很高。泵可由电力驱动,也可以由蒸汽透平/燃气透平驱动,例如锅炉给水泵透平(BFPT)。
图1. 苏尔寿泵业为德国Neurath燃煤电站提供了欧洲最大的锅炉给水泵
对于一些工况相对不是那么严酷的场合,所使用的泵就很普遍了,与许多应用场合内进行基本输水操作的泵非常类似。那么,这些泵有哪些类型呢?按照泵的配置有包括如下类型:
锅炉循环水泵(BCP)包括几种类型,与强制循环锅炉配套。燃烧炉管路冷却保护或余热回收蒸汽发生器(HRSG)的水循环都离不开这种泵。在一些诸如“超临界”锅炉(或直流锅炉)应用中,锅炉循环水泵在启动时或低负荷运转时可进行水的循环。
锅炉给水泵(BFP)在高温和高压下向蒸汽锅炉供水(新的或经循环返回的冷凝水)。此类泵按工作压力和温度有所区别。单壳类常运用于联合循环和亚临界蒸汽电厂。
双壳水平中开泵的多级设计具有上下两个分离的壳体(如果内壳由外壳包裹也称为“筒形”)。这类泵适用于一系列亚临界锅炉给水应用,同样适合高压和高温工况。
节段式多级泵的整个外壳分为吸入段、中间段和排出段,适用于锅炉给水和其他应用。单壳类也适用于联合循环和亚临界蒸汽电厂。
径向剖分筒袋泵可用于锅炉给水,可以长时间保持高效运转,从而降低运行和维护成本,并适用于同步电机直接驱动的场合,同样可降低运行成本。
单级泵是非常可靠的一种泵,具有各种配置,可以在高的系统压力和温度下处理清洁的高温流体,如热水。通常与锅炉给水泵配套进行热水增压。
双壳内节段泵具有两个外壳(筒式),还可以为多级泵,同样适用于高压和高温工况的亚临界蒸汽电厂。
单壳水平中开泵具有拆卸方便的特点,但不适用于高压场合。
冷凝水泵通常为离心泵,它将冷凝器中的冷凝水泵送至循环回路中。
锅炉循环水泵(BCP)通常与亚临界或超临界燃煤锅炉配套。传统亚临界或超临界锅炉需要三台BCP :其中两台连续工作,另一台备用。对于超临界锅炉,只需要一台锅炉给水泵,而且仅用于启动,当达到30-50%的负荷试时即停机。
锅炉给水泵通常是间歇运转的,当液位感应元件检测到锅炉内的水位变低时,由控制系统启动。泵会持续工作至锅炉内的水位上升到预设液位。
图2. 所示为Sterling SIHI的SIHImulti多级泵。这些泵适合用作中小型电厂的锅炉给水泵和增压泵
泵供应商
有许多制造商为最新的高效电站提供泵设备。例如三菱重工(MHI)拥有为亚临界和超临界热电厂提供泵产品的专业资质,其中包括锅炉给水泵和增压泵、锅炉循环泵和冷凝水泵,功率在500-1000 MW之间。英国专业的泵类制造商海伍德泰勒(Hayward Tyler)向MHI提供锅炉循环泵。
苏尔寿(Sulzer)泵业同样为发电行业提供泵设备,包括火电厂和地热电厂。产品类型有锅炉给水泵、锅炉循环泵、冷凝水泵、冷却水泵和辅助泵。该公司还制造核电厂专用的安全泵。
另外,Saudi Pump Factory(SPF)公司的代表性产品为多级中分泵,流量高达2200 m3/h,最高耐温205℃。该公司还提供更大流量和更高温度的产品。这些泵可用于极高压力下的注水和锅炉给水。
图3. 福斯公司的WNC泵是带有扩压壳的高能效筒袋泵,广泛于世界各地的电厂
福斯(Flowserve)公司也为发电(和其他)领域提供锅炉给水泵,还为核电厂生产专业的泵产品。其典型产品为CHTA型泵。这种泵第一级叶轮处有双吸入或单吸入口,是双壳多级筒袋泵。CHTA泵特别为高温高压和高流量工况设计和打造,其应用包括锅炉给水和注水。
海伍德泰勒(Hayward Tyler)的锅炉循环泵具有优异的产品性能、可靠性和很长的使用寿命(与电厂运营周期相当)。这些泵在泵和电机的配备上十分独特,可以在非常高的压力(400 bar以上)和温度(400℃以上)下运行。“湿定子电机”的设计概念非常独特,因此电机绕组可以浸入水中进行冷却。绕组的高度绝缘性是防止电机发生故障的关键。
斯特林(Sterling)为各种热电站以及核电站提供泵设备,输出功率最高为1.2 GW。这些泵包括锅炉给水泵和增压泵(压力高达160 bar)、锅炉循环泵(流量高达80,000 m3/h)和辅助泵。采用机械密封的SIHImulti泵是其典型产品,可用作中小型垃圾发电站、联合循环电站或工业电站的锅炉给水和增压。
图4. 苏尔寿泵业的电厂用锅炉给水泵。从图中可以看到驱动电机和齿轮箱
KSB生产电站用离心泵,包括CHTC多级卧式高压筒袋泵,该泵具有单入口径向叶轮和轴向推力液压平衡装置,可用于锅炉给水和冷凝水循环。
其他为发电行业提供泵设备部分公司包括伟尔集团(Weir Group)、ITT古尔兹(Goulds)和酉岛(Torishima)。ABB和阿尔斯通(Alstom)等公司提供变频器等与泵相关的设备。
核电
今天,矿物燃料价格迅速攀升,加上人们对能源安全的忧虑以及各国对减少CO2排放的需求,尽管核废料等问题仍然悬而未决,但人们已开始重燃对核电的兴趣。
对于所有核反应堆,持续对其堆芯进行适当的冷却对整个工厂、员工和周边区域的安全至关重要。因此反应堆冷却泵是核电厂非常关键的设备之一,决不允许出现故障。
一般来说,一座1000 MW的核电站要使用大约20台泵,其功能多种多样,包括在高温高压下输送冷却剂(通常温度在300-400℃之间,压力在10-16 MPa)。然而,泵的类型取决于工况和冷却剂的种类,但通常都带有一个立式轴和单级吸入扩散器。出于可靠性、长时间持续运行寿命和放射性泄漏的考虑,会使用非接触式的可控制泄漏的轴封系统。某些核冷却泵可由机器人进行检测和更换轴封。
根据反应堆类型的不同,主要系统的反应堆冷却泵可实现核反应堆冷却剂(通常是轻水,但并非永远是)到蒸汽发生器的连续再循环。核反应堆冷却泵一般具有2.4万立方米/小时的流量。
若冷却水大量流失,反应堆堆芯会迅速过热。这是非常紧急也非常危险的,而利用高压喷射泵便可实现快速冷却。另外一台注射泵可提供补偿,同样可向密封的主反应堆冷却泵回路供水。高温高压的二级系统给水泵则将高压水注入蒸汽发生器内。
如果出现意外,喷淋泵可以尽可能减小放射性物质从安全壳中泄漏——泵将硼酸水喷射到反应堆安全壳内。如果确有外泄,会有另一台泵防止放射性物质扩散出去。