600MW級電廠采用汽動引風(fēng)機技術(shù)經(jīng)濟探討

邱世平，郭 偉，崔 寧

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031)

1 工程概況

某南方電廠規(guī)劃容量3320MW，并保留再擴建的條件，本期建設(shè)安裝2×660MW超超臨界凝汽式燃煤機組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置，以滿足該省西部地區(qū)電力負荷增長的需要，同時為該省電網(wǎng)提供強有力的負荷支撐，提高整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平。

2 采用小汽機驅(qū)動引風(fēng)機的必要性及可行性分析

鍋爐引風(fēng)機是電廠內(nèi)最耗電的設(shè)備之一，對于該電廠來說，由于引風(fēng)機與脫硫增壓風(fēng)機合并，在電機驅(qū)動的模式下單臺引風(fēng)機電機最大電功率達到了6450kW，引風(fēng)機總電耗占單機發(fā)電量的2.15%。且電機驅(qū)動模式下，無論引風(fēng)機采用靜葉可調(diào)還是動葉可調(diào)，由于電機定速運行，在機組低負荷或變負荷工況下，電機造成的額外廠用電損失很大，能源浪費嚴重。若采用變頻電機，可通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)機風(fēng)量，節(jié)約～30%的能源。但變頻電機的成本昂貴，尤其是大功率的變頻電機，其造價將直接影響發(fā)電廠的初投資規(guī)模。

鑒于上述原因，同時結(jié)合鍋爐給水泵的運行經(jīng)驗，采用蒸汽驅(qū)動引風(fēng)機是一條節(jié)能高效的途徑。蒸汽驅(qū)動在降低廠用電的同時，其做功能力也得到進一步充分合理的利用，其帶來的經(jīng)濟效益也是顯而易見的。引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動后，將直接通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，而風(fēng)機的轉(zhuǎn)速則可通過進入汽輪機的蒸汽量進行調(diào)節(jié)，完全可以實現(xiàn)類似給水泵汽輪機模式的調(diào)節(jié)運行方式。

驅(qū)動引風(fēng)機用的汽輪機等設(shè)備均為成熟產(chǎn)品，從已投運及已設(shè)計的驅(qū)動引風(fēng)機用汽輪機看，汽輪機機型大致分為兩類：一類是凝汽式汽輪機，機型為NKS63／71或NK63／56；另一類是背壓式汽輪機，機型為NG40／32。這些機型都是成熟機型。引風(fēng)機用汽輪機和給水泵用汽輪機的蒸汽參數(shù)基本一致，對設(shè)備供應(yīng)廠商而言，一般都不需要新產(chǎn)品開發(fā)。由于二者在發(fā)電廠熱力系統(tǒng)中處于十分類似的地位，因此無論從設(shè)計院還是設(shè)備制造廠的角度，給水泵汽輪機多年運行的成功經(jīng)驗都可以充分應(yīng)用到引風(fēng)機汽輪機上。

不過，在小汽機驅(qū)動引風(fēng)機項目上，齒輪箱是個新增的環(huán)節(jié)。汽輪機與引風(fēng)機之間由于轉(zhuǎn)速比較大(>6)，為確保齒輪箱運行的可靠性，一般傾向于減速齒輪箱采用進口產(chǎn)品。

3 汽動引風(fēng)機各系統(tǒng)配置和設(shè)備選型

3.1 熱力系統(tǒng)的擬定

小汽輪機的汽源方案有兩種選擇：一種是采用主機的高壓缸排汽(冷再熱蒸汽)，小汽機排汽至除氧器或中低壓缸聯(lián)通管，即背壓式小汽機方案；另一種是汽源采用主機的四段抽汽，排汽至小汽機凝汽器，經(jīng)小機凝結(jié)水泵將凝結(jié)水打入主機凝汽器，即凝汽式小汽機方案。

對于背壓式小汽機方案，為保證小汽機有足夠的排汽壓力，小汽機的級數(shù)較少，用汽量遠大于凝汽式小汽機方案，不利于機組節(jié)能降耗目標的實現(xiàn)。而且采用背壓式小汽機方案時由于小汽機輸出功率受排汽壓力變化而波動，特別是在各種變工況的情形下，熱力系統(tǒng)的匹配和調(diào)節(jié)變得相當(dāng)繁瑣。同時引風(fēng)機驅(qū)動用汽輪機采用背壓式，雖然節(jié)省了小機凝汽器、小機凝結(jié)水泵、小機真空泵、循環(huán)水系統(tǒng)等設(shè)備，但增加了價格較為昂貴的配汽機構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、熱工元件，以及超長的大口徑排汽管(其壓降、溫降損失不容忽視)。因此本報告不推薦采用背壓式小汽機方案，推薦采用凝汽式小汽機方案。

引風(fēng)機小汽機凝汽式，正常運行及低負荷運行汽源均來自鍋爐房輔汽聯(lián)箱。由于引風(fēng)機距主汽輪機較遠，小汽機排汽至自帶的小凝汽器，經(jīng)小機凝結(jié)水泵將凝結(jié)水打入主機凝汽器。

3.2 熱力系統(tǒng)技術(shù)分析

3.2.1 熱力系統(tǒng)分析

引風(fēng)機采用凝汽式汽輪機，汽輪機驅(qū)動蒸汽最終由四段抽汽提供，BMCR 抽汽量為45t/h，沒有超過現(xiàn)有汽輪機最大輔汽工況四抽的供氣量。汽輪機四抽最大供汽量約為：80t/h。引風(fēng)機小汽機的排汽進入單獨的凝汽器，凝結(jié)水經(jīng)過單獨的凝結(jié)水泵至主機排汽裝置熱井。每臺機組設(shè)2臺小機水環(huán)式真空泵，一運一備。

3.2.2 對主機設(shè)備的影響

(1)對機組名牌定義的影響

從3.1熱力系統(tǒng)的擬定可知，若不降低汽輪機 TMCR 況的出力，采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機方案，需增加汽輪機 TMCR工況的進汽量，經(jīng)核算可知，需增加的進汽量約為27t/h，若不增加 TMCR工況主蒸汽進汽量，采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機方案，汽輪機 TMCR工況的出力降低約：～1.5%。

(2)對汽輪機本體的影響

由于凝汽式方案抽汽量少，相當(dāng)于電驅(qū)動引風(fēng)機的一個輔汽工況，對汽輪機本體影響較小。

(3)對鍋爐本體的影響

汽輪機驅(qū)動蒸汽由主機四段抽汽提供，凝結(jié)水由小汽輪機凝結(jié)水泵打到主機凝汽器熱井，對鍋爐本體熱力計算、結(jié)構(gòu)影響較小。為了保持主機額定功率不變，鍋爐BMCR工況時的蒸發(fā)量將略有增加，約為32t/h。

3.2.3 對冷卻設(shè)備的影響

由于采用凝汽式汽輪機，需要單獨設(shè)小機凝汽器、小機凝結(jié)水泵、小機真空泵、循環(huán)水系統(tǒng)等設(shè)備。

3.2.4 對控制系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的影響

由于凝汽式汽輪機只需考慮進汽的控制，除增加汽輪機及其輔機的控制要求外，對其它系統(tǒng)的控制沒有更高的要求。

3.2.5 對輔助蒸汽系統(tǒng)的影響

引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動，啟動汽源來自輔助蒸汽系統(tǒng)，增加了輔助蒸汽系統(tǒng)的容量。

凝汽式汽輪機汽源來自鍋爐房輔助蒸汽聯(lián)箱。鍋爐房輔助蒸汽聯(lián)箱汽源正常由四段抽汽提供，啟動時由啟動鍋爐房來汽。按30%TMCR 工況前由啟動鍋爐房提供引風(fēng)機驅(qū)動用汽輪機的蒸汽量考慮，需要汽量約15t/h。

3.3 采用小汽機驅(qū)動引風(fēng)機時風(fēng)機型式的探討

3.3.1 風(fēng)機型式及應(yīng)用現(xiàn)狀

該電廠引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并設(shè)置，合并后的風(fēng)機壓頭較高，風(fēng)機TB點參數(shù)為：風(fēng)量：521m3/s，風(fēng)機全壓：10154Pa。

目前已投運600MW及以上等級機組，采用引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并設(shè)置方案的引風(fēng)機，動葉可調(diào)及靜葉可調(diào)兩種型式均有應(yīng)用。部分工程的引風(fēng)機配置情況如下：

少年并未因此而退卻，他仍堅持著自己的主張：“您對我的評判或許準確，但天空的使者拼卻性命，來對她的生命進行了守護。莫非您覺得，使者們也已被她妖艷的容貌迷惑？”

黃島、臺山和大唐寧德等多個600MW級機組合并風(fēng)機均采用靜調(diào)風(fēng)機；

海門電廠1000MW等級機組引風(fēng)機由電動改為汽輪機驅(qū)動的同時也將原引風(fēng)機同增壓風(fēng)機進行了合并，合并后風(fēng)機采用靜調(diào)風(fēng)機；

天津北疆電廠和安徽銅陵電廠引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并后均采用雙級動調(diào)風(fēng)機。

目前國內(nèi)動葉可調(diào)軸流風(fēng)機在設(shè)計、制造、安裝、運行方面均積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗，由于單級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機相對于雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機軸承較大，葉片較多，雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機制造相對容易，且選用雙級動調(diào)軸承直徑小，可實現(xiàn)國產(chǎn)，只有液壓缸、液壓油站、骨架密封件考慮進口。因此，該電廠引風(fēng)機如采用動調(diào)風(fēng)機，推薦采用雙級動調(diào)風(fēng)機。

與動葉可調(diào)軸流風(fēng)機相比，靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機具有價格較低，耐磨性好、運行維護費用低等優(yōu)點，在引風(fēng)機與增壓風(fēng)機分設(shè)時常用。當(dāng)用作引風(fēng)機與脫硫增壓風(fēng)機的合并風(fēng)機，當(dāng)風(fēng)機TB點壓頭較高時，引風(fēng)機的葉片要適當(dāng)加長，葉輪直徑也需加大，風(fēng)機葉片需采用機械性能較好的材料制作。

3.3.2 采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機后的風(fēng)機選型

與動調(diào)風(fēng)機比較，靜調(diào)風(fēng)機臨界轉(zhuǎn)速高，葉片采用寬而短的等強度葉片，其固有頻率十倍于設(shè)計轉(zhuǎn)速甚至更高，對速度調(diào)節(jié)的適應(yīng)性好，而動調(diào)風(fēng)機臨界轉(zhuǎn)速較低，葉片窄而長，其固有頻率偏低而且需要避開的頻率密集，對速度調(diào)節(jié)相當(dāng)敏感，一旦引起共振，葉片會發(fā)生斷裂；另外，由于風(fēng)機已經(jīng)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，不再需要動態(tài)調(diào)整風(fēng)機葉片的角度，使得動調(diào)風(fēng)機失去了存在的必要性，因此不能采用小汽機和軸流動調(diào)風(fēng)機配置的方式。

經(jīng)調(diào)研，各大風(fēng)機廠已對三合一的高轉(zhuǎn)速靜調(diào)引風(fēng)機完成了系列化設(shè)計，確保能夠很好滿足機組運行的需求。該系列風(fēng)機在氣動和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計上沿用原有風(fēng)機的精髓，保證風(fēng)機的原有優(yōu)秀性能，但在材料選用、剛度設(shè)計、軸承選配等方面加強，進一步提高風(fēng)機適應(yīng)高壓力要求。

從運行壽命、可靠性、安全性、運行維護而言，靜調(diào)風(fēng)機優(yōu)于動調(diào)風(fēng)機，采用小汽機調(diào)速，即利用了前端優(yōu)質(zhì)能源又提高了風(fēng)機運行效率，同時降低了風(fēng)機轉(zhuǎn)速，對壽命、噪音都大有好處。

若不采用小汽機驅(qū)動，引風(fēng)機采用雙級動調(diào)軸流風(fēng)機，由電機帶動是可行的；此種方案和小汽機配置軸流靜調(diào)比較，相對來講，可能初投資會省一點；但是，由于小汽機方案不需要廠用電，僅煤的消耗上升了一點點(這都不是非常明顯的)，對電廠本身的經(jīng)濟性考核非常有利，效果非常明顯。

“靜調(diào)風(fēng)機+小汽機驅(qū)動方案”與“雙級動調(diào)風(fēng)機+電動機方案”的對比見表1。

表1 “靜調(diào)風(fēng)機+小汽機驅(qū)動方案”與“雙級動調(diào)風(fēng)機+電動機方案”對比

3.3.3 風(fēng)機選型結(jié)論

根據(jù)上述綜合比選分析，考慮到從運行壽命、可靠性、安全性、運行維護而言，靜調(diào)風(fēng)機優(yōu)于動調(diào)風(fēng)機，本次投標采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機時的風(fēng)機型式推薦采用靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機。

3.3.4 汽輪機的選型

引風(fēng)機驅(qū)動用凝汽式小汽輪機，國內(nèi)三大汽輪機廠及杭州汽輪機廠等國內(nèi)制造廠均有設(shè)計、制造能力。該電廠可參考制造廠的小機機型為：NKS50/56，形式為單流、反動式、純凝式，上進汽上排汽，汽輪機額定轉(zhuǎn)速～5700r/min，經(jīng)兩級減速到～700r/min。汽輪機最大連續(xù)功率值：8000kW。汽 輪機外形尺寸：3380×3100×3000mm。凝汽器循環(huán)冷卻水采用除鹽水，參考外形尺寸長度：～7500mm、寬度：～2900mm、高度：～3500mm。

4 技術(shù)經(jīng)濟比較

4.1 初投資分析

4.1.1 初投資基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

動調(diào)風(fēng)機+電動機驅(qū)動與靜調(diào)風(fēng)機(不含電機)的初投資見表2(單臺風(fēng)機)

表2 動調(diào)風(fēng)機+電動機驅(qū)動與靜調(diào)風(fēng)機(不含電機)的初投資

4.1.2 采用汽動引風(fēng)機導(dǎo)致電氣投資下降分析

采用引風(fēng)機汽動方案，廠用電電壓可以采用6kV。廠用電方案僅需采用單臺分裂變壓器，容量為31.5/21－21MVA，兩臺機組設(shè)一臺同容量起動/備用變壓器，廠用高壓配電裝置需采用40kA，動穩(wěn)定100 kA的開關(guān)設(shè)備。

采用引風(fēng)機電動方案，每臺引風(fēng)機電機6450kW，每機組兩臺，需大幅增加高壓廠用變壓器容量，為滿足負荷容量增加和大電動機啟動的要求，廠用電電壓仍為6kV，廠用電需采用一臺分裂變壓器方案。變壓器容量為45/27～27MVA，兩臺機組設(shè)一臺同容量起動/備用變壓器，廠用配電裝置需采用40kA，動穩(wěn)定100kA的開關(guān)設(shè)備。汽動引風(fēng)機方案的主要相關(guān)電氣設(shè)備見表3(兩臺機組)，電動引風(fēng)機方案的主要相關(guān)設(shè)備見表4。

表3 汽動引風(fēng)機方案的主要相關(guān)電氣設(shè)備(兩臺機組)

表4 電動引風(fēng)機方案的主要相關(guān)設(shè)備(兩臺機組)

由表4可以看出，引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動方式較電動機驅(qū)動電氣設(shè)備投資可節(jié)省1254.5－900=354.5萬元。

4.1.3 采用汽動引風(fēng)機導(dǎo)致熱力系統(tǒng)及設(shè)備初投資增加分析

采用汽動引風(fēng)機后，鍋爐造價增大、增加了小汽機、真空泵、凝汽器、凝結(jié)水泵、系統(tǒng)管道、閥門等。增加的設(shè)備及系統(tǒng)初投資見表5、表6。

表5 增加的設(shè)備

表6 系統(tǒng)初投資

4.1.4 采用汽動引風(fēng)機導(dǎo)致其他初投資費用分析

采用汽動引風(fēng)機，由于增加了熱力系統(tǒng)，相應(yīng)小汽機排汽的冷卻將增加濕冷塔的冷卻面積。經(jīng)核算，每臺鍋爐兩臺引風(fēng)機配置的小汽機排氣量共計45t/h，相應(yīng)循環(huán)水量為2250t/h，經(jīng)核算，每臺機組由于濕冷塔冷卻面積增加導(dǎo)致建造費用增加200萬元，全廠增加費用400萬元。

4.2 采用汽動引風(fēng)機收益分析

4.2.1 采用汽動引風(fēng)機售電收益增加分析

按照發(fā)電廠機組機爐電匹配、銘牌功率標定的原則，機組銘牌功率并未扣除輔機設(shè)備消耗的電功率。鑒于這一特點，如果降低發(fā)電廠的廠用電指標，可以提高電廠對外售電收入。在電廠龐大的輔機設(shè)備群中，鍋爐引風(fēng)機是僅次于鍋爐給水泵的第二大耗電設(shè)備。經(jīng)與風(fēng)機制造廠家溝通，單臺風(fēng)機技術(shù)數(shù)表如下：

引風(fēng)機技術(shù)參數(shù)表

由上表可以看出，鍋爐引風(fēng)機的工作特點是轉(zhuǎn)速低，功率變化范圍大。

該電廠如果機組年運行小時7500h，年利用小時5500h，運行負荷暫按表7。

表7 電廠運行負荷小時數(shù)

則，單臺引風(fēng)機每年消耗的電量為：3782×1500+3014×4000+2502×2000=2273.3萬kWh，全廠引風(fēng)機每年消耗的電量為：9093.2萬kWh。

根據(jù)測算，該工程成本電價(含稅)321元/MWh，低于現(xiàn)階段當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)標桿電價(448.2元/MWh)約127.3元/MWh。

如果采用汽輪機替代電機驅(qū)動引風(fēng)機，單臺引風(fēng)機每年可節(jié)電2273.3萬kWh，全廠引風(fēng)機每年可節(jié)電9093.2萬kWh。

降低的廠用電按每度電收益0.1273元計算，全廠可增加的售電收入為：1157.6萬元，經(jīng)濟效益明顯。

4.2.2 采用汽動引風(fēng)機調(diào)節(jié)性能更優(yōu)帶來的節(jié)電收益分析

經(jīng)咨詢風(fēng)機廠家，采用動調(diào)風(fēng)機+定速電機與靜調(diào)風(fēng)機+小汽機，在不同運行工況的效率如下，相應(yīng)計算各工況節(jié)電量及總節(jié)電量見表8。

表8 風(fēng)機變負荷運行效率

從上表看出，在變負荷工況下，采用變速風(fēng)機可以顯著提高風(fēng)機效率，降低功耗，為電廠節(jié)能。

根據(jù)上表計算，假定該電廠機組年運行小時7500h，利用5500h，則單臺引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動后可節(jié)電量182萬kWh，以標煤耗270g/kWh折算，折合約標煤491.4t，全廠可節(jié)約標煤1965.6t，按標煤價格1050元/t計算，則每年可節(jié)約燃煤費用206.4萬元。

4.3 經(jīng)濟性評價

表9 投資估算對比(全廠)

表10 收益分析對比

根據(jù)表9，兩臺機組采用小汽機驅(qū)動方案，初期增加投資約為3015.5萬元。

根據(jù)表10，采用小汽機驅(qū)動，年收益為1364萬元(兩臺機組)，可以得出方案的投資回報年限如下：靜態(tài)投資年限為：2.21年。

因此采用汽動引風(fēng)機方案設(shè)備的靜態(tài)投資回收年限小于3年，機組的經(jīng)濟效益和節(jié)能效益顯著，值得推薦。

5 結(jié)語

(1)風(fēng)機采用工業(yè)汽輪機驅(qū)動，雖然初投資增加了3015.5萬元，但增加電廠的售電收入1157.6萬元/年，且風(fēng)機實現(xiàn)變速運行后低負荷運行效率提高，節(jié)煤折合206.4萬元/年。因此，采用汽動引風(fēng)機增加的投資成本不足3 年即可收回。

(2)推薦采用凝汽式小汽機方案。

(3)推薦采用靜葉可調(diào)引風(fēng)機。

[1]張曉玲.1000MW超超臨界機組中小汽機驅(qū)動引風(fēng)機的系統(tǒng)配置[J].廣東科技，2010，(7).

[2]馬曉瓏，劉超.超超臨界1000MW機組采用汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機的可行性[J].熱力發(fā)電，2010，

[3]高曉建.鍋爐引風(fēng)機汽輪機在1000MW等級火力發(fā)電廠的應(yīng)用

[4]張鵬.火力機組引風(fēng)機采用汽輪機驅(qū)動方案探討[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010，(8).