直接空冷機組低負荷運行工況分析

雷平和，劉 利，彭紅文，陳保華

（北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

目前國內電力市場受宏觀經濟形勢影響，電量需求下降。位于北方地區(qū)的600MW級空冷機組，全年較長時間維持在50%～60%負荷運行，經濟性較差。為了適應低負荷運行的現(xiàn)狀，以某工程660MW超臨界直接空冷機組為例對機組運行工況進行分析。該機組制粉系統(tǒng)配6臺中速磨煤機，給水系統(tǒng)配2臺50%汽動給水泵，屬600MW級空冷機組典型配置之一。機組低負荷運行時，磨煤機可相應退出，主輔機負荷基本匹配，故磨煤機可不在分析之列。鍋爐三大風機以及給水泵運行方式按常規(guī)為2臺同時運行，應了解單臺運行的經濟性；空冷系統(tǒng)配置56個單元，呈8列7行布置，運行方式靈活多變，應了解采用何種運行方式最為經濟。通過對上述問題分析計算，找出經濟運行模式，為機組低負荷經濟運行提供參考[1]。

1 給水泵系統(tǒng)運行工況分析

機組單臺給水泵配置在國內外已有先例，國內較少見。習慣運行方式是2臺泵并列運行，在低負荷狀態(tài)下也是如此。本案例的給水泵系統(tǒng)配置2臺50%汽動給水泵組，無備用電動給水泵。以下分析比較在低負荷條件下單泵和雙泵運行的經濟特征。主機在30%～100%負荷工況下，給水系統(tǒng)2臺給水泵并列運行時每臺泵及給水泵汽輪機的主要參數(shù)見表1。

主機在30%～65%負荷工況下，給水系統(tǒng)采用單臺泵運行時，每臺給水泵及給水泵汽輪機的主要參數(shù)見表2。

給水泵不同運行方式比較如下：

就給水泵而言，65%THA以上負荷時，給水流量超出給水泵的設計出力值，不能單泵運行。

當主機負荷在30%THA～65%THA之間，單臺泵運行與2臺泵并列運行相比，其效率高3.8%～15.4%。對汽動給水泵而言，不同的轉速對應不同的出力。泵在不同轉速下均有數(shù)值基本相同的高效區(qū)。在30%THA～65%THA負荷區(qū)間，單臺泵運行雖出力不同，但大多都可以在高效區(qū)運行，效率略有差異，與設計工況相比效率僅降低1%～2%。當采用2臺泵并列運行，每臺泵的出力僅為泵的設計工況的15%～30%，運行點已經嚴重偏離高效區(qū)，效率降低較多；負荷越低，效率降低越多。

表1 主機在30%～100%負荷時給水系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Feed system parameters under 30%～100%load of main unit

表2 主機在30%～65%負荷時給水系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Feed system parameters under 30%～65%load of main unit

對于給水泵汽輪機，當主機在65%THA負荷工況下，給水泵汽輪機的低壓進汽汽源，4段抽汽的壓力將從主機額定負荷的（100%THA工況）0.93 MPa降到0.62 MPa，且主機組負荷越低，抽汽壓力越低。

由于小汽機的低壓進汽閥通徑和小汽機的通流能力是一定的。當蒸汽壓力降低，蒸汽比容增大，通過小汽機的蒸汽質量流量將減少。另外，本案例給水泵汽輪機的進汽方式為外切換，當小汽機低壓汽源壓力不足時，高壓汽源無法補汽，故理論上只能有1路汽源進入汽機。為此，主汽輪機的4段抽汽在65%THA及以下負荷，能否驅動小汽機以滿足給水泵單泵運行需要核算。經配合核算，在65%THA工況時，小汽機采用低壓汽源供汽，其允許通過的最大蒸汽流量不能滿足給水泵單泵運行的功率要求。60%THA及以下工況，雖抽汽壓力有所降低，但小汽機輸出功率也減小，進汽量減少，小汽輪機的最大允許進汽流量能夠滿足驅動給水泵單泵運行的要求。在相同負荷下，給水泵單泵運行與2臺泵并列運行相比，效率可提高5.7%～15.4%。負荷越低，單泵運行的效率越高。

另經核算，65%THA負荷時，小汽機的高壓汽源蒸汽可帶小汽機功率約9 500 kW，故理論上采用高壓蒸汽可滿足給水泵在65%THA負荷時單泵運行。但采用高壓汽源主機的經濟性將降低，且高壓蒸汽在進入小汽機進汽閥前還有一個節(jié)流，故65%THA負荷工況時，仍推薦采用低壓蒸汽驅動汽輪機且2臺泵并列運行，不推薦采用高壓蒸汽驅動給水泵汽輪機單泵運行。

40%～60%負荷工況時，給水泵采用單泵運行，相對于雙泵運行而言，由于泵與小汽機效率的提高，小汽機需要的主汽輪機的抽汽量減少，機組的熱耗也隨之降低，經計算單泵運行與雙泵運行相比，可節(jié)約機組發(fā)電標煤耗1.5～1.9 g/（kW·h），機組效率提高0.49%～0.58%，如表3所示。

表3 單泵與2臺泵并列運行主機煤耗比較Tab.3 Main unit coal consumption comparison for single pump operation and 2 pump operation in parallel

2 空冷系統(tǒng)運行工況計算分析

每臺機組空冷系統(tǒng)配置及性能為：空冷總散熱面積1 630 696m2，配56臺直徑9.754m的變頻軸流風機，夏季和年平均工況的典型環(huán)境溫度分別為30℃和17℃，蒸汽分配管頂部1m處風速為5m/s。設計迎面風速2.1m/s時，設計背壓13 kPa，夏季TRL工況背壓25 kPa。機組低負荷時空冷系統(tǒng)運行的關鍵是降低風機轉速或切除部分冷凝面積以保持設計背壓運行、還是保持風機額定轉速降低背壓運行。

變工況計算時全年分為4種工況：夏季工況，春、秋季工況和冬季工況。冬季工況在環(huán)境溫度低于5℃時，即使?jié)M負荷運行汽機背壓都可能接近或達到阻塞背壓[2]，在滿足防凍要求的前提下只是盡可能降低背壓運行的問題，對全年經濟性影響基本恒定。同時計算時排除空冷系統(tǒng)的漏風、臟污、真空超標泄漏、排熱量超過設計值等不確定因素。計算結果見表4、表5。

以夏季工況60%負荷時空冷系統(tǒng)提供的背壓分別為25 kPa和11.8 kPa為例，分析空冷風機電耗和機組煤耗的關系。

表4 3種工況參數(shù)Tab.4 Parameters of 3 operation conditions

表5 不同背壓條件下計算結果對比Tab.5 Calculated result comparison under different back-pressure conditions

夏季工況（按3個月）機組60%負荷時，保持夏季設計背壓25 kPa不變，風機可以降低轉速運行，這時56臺風機消耗功率2 032.8 kW；同樣在夏季工況機組60%負荷時，保持風機額定轉速不變，56臺風機消耗功率3 813.04 kW，此時背壓11.8 kPa。

經計算，保持夏季設計背壓25 kPa不變，風機降低轉速運行節(jié)省電耗2 447.83MW·h，按0.2元/（kW·h）成本電價計算，單臺機組節(jié)省電費48.96萬元。

經計算，保持風機額定轉速不變，背壓為11.8 kPa與25 kPa時煤耗比較，單臺機組夏季3個月可以節(jié)約標煤7 187.4 t。按500元/t標煤計算，節(jié)煤費用359.37萬元。

可見，機組降低背壓運行是節(jié)能降耗的最佳途徑。

3 鍋爐三大風機低負荷運行工況分析

當機組運行在50%～60%THA工況下，從三大風機的能力來看，單臺風機運行均可滿足運行要求，其運行經濟性具體分析如下：

以60%THA工況為例，計算出該工況下風機的運行參數(shù)，對照風機性能曲線表估算風機效率和功率，該負荷下風機采用單臺運行、2臺運行的方式在經濟性上的對比如下。

3.1 引風機

引風機與脫硫增壓風機合并，每爐2臺風機，采用上鼓的雙級葉輪動葉可調軸流風機，型號為SAF36/20.5-2，引風機的性能曲線見圖1。

圖1 SAF36/20-2引風機性能曲線Fig.1 SAF36/20-2 ID fan performance curve

計算60%THA工況的風機全壓升約為3 839 Pa，折算為比功約為4 650 J/kg。從圖1可查出該工況風機運行的大致效率，并可進一步計算出軸功率（表6）。

3.2 送風機

送風機采用上鼓動葉可調軸流風機，每爐2臺風機，型號為FAF26.6-14-1，送風機的性能曲線見圖2。

計算60%THA工況的風機全壓升約為2 990 Pa，折算為比功約為2 818 J/kg。從圖2可查出該工況風機運行的大致效率，并可進一步計算出軸功率（表7）。

從圖2和表7可以看出，當60%THA工況時，當送風機和引風機均2臺風機并列運行時，由于風機的工作線基本上是與風機等效率線長軸方向一致，因此，機組負荷降低時，風機開度雖然較小，但效率的降低比較平緩，與單臺風機運行相比，運行中風機總的軸功率較小。

表6 引風機數(shù)據表Tab.6 ID fan data

圖2 FAF26.6-14-1送風機性能曲線Fig.2 FAF26.6-14-1 forced fan performance curve

表7 送風機數(shù)據表Tab.7 Forced fan data

因此，在機組負荷較低時，如50%～60%THA工況下，正常運行仍推薦采用2臺送風機、2臺引風機并列運行方式。

3.3 一次風機

一次風機采用上鼓雙級動葉可調軸流風機，每爐2臺風機，型號為PAF19-14-2。

一次風機提供磨煤機的干燥和輸送煤粉的空氣，當機組負荷降低時，磨煤機運行臺數(shù)減少，磨煤機及送粉管道、燃燒器的阻力基本不變，故一次風機總風量減少，但風壓的變化相對而言并不大。經計算60%THA工況，磨煤機3臺運行時，一次風機全壓升約為10 986 Pa，折算為比功約為9 830 J/kg。從一次風機性能曲線可查出該工況風機運行的大致效率，并可進一步計算出軸功率。

從圖3和表8可以看出，一次風機的工作特點是風壓隨負荷的變化較小，在60%THA工況磨煤機3臺運行時，單臺一次風機運行效率相對較高，風機總軸功率相差2×651-1 230＝72 kW，此負荷下每運行1 000 h節(jié)電約7.2萬kW·h。

圖3 PAF19-14-2一次風機性能曲線Fig.3 PAF19-111114-2 Primary fan performance curve

表8 一次風機數(shù)據表Tab.8 Primary fan data

在50%～60%THA以下的低負荷工況，采用單臺一次風機運行從運行經濟性上看略有優(yōu)勢，在風機可靠性能夠保證的前提下是一種可選擇的運行方式。

4 結論

（1）對直接空冷電廠而言，空冷系統(tǒng)的運行模式對煤耗的影響作用巨大。在機組低負荷運行時，空冷系統(tǒng)降低背壓運行與降低風機轉速或停掉部分風機節(jié)省部分廠用電比較，降低背壓獲得的經濟效益巨大。因此，降低背壓運行是直接空冷電廠降低煤耗，提高經濟性的最有效的措施。

（2）當機組在40%～60%負荷工況長期運行時，對2×50%汽動泵配置的機組，其運行模式對全廠經濟性的影響僅次于直接空冷系統(tǒng)，推薦采用單臺給水泵組運行的模式。

（3）在機組50%～60%負荷運行時，磨煤機3臺運行與主機負荷基本匹配，對機組經濟性影響很小。三大風機的運行模式對機組經濟性影響不大，其中送風機和引風機根據性能曲線，2臺風機并列運行模式更為經濟；而一次風機采用單臺風機運行模式經濟性略好。故低負荷時，不同的風機運行模式要依據風機的性能決定。

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