660MW超超臨界機組風機單列配置方式

郭萌，李旭東，寧華兵，王新寧，俞基安，顧玉春

(1.中國能建西北電力建設(shè)工程有限公司，西安市 710032;2.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市 017209)

0 引言

隨著能源價格的上漲，火力發(fā)電的經(jīng)濟效益出現(xiàn)很大程度的壓縮，提高發(fā)電效率和降低廠用電率成為提高火電機組運行經(jīng)濟性的重要途徑?；痣姍C組單機消耗電功率最大的輔機是引風機、送風機、一次風機和給水泵，而多數(shù)大容量機組給水泵選用小汽輪機驅(qū)動方式，因此降低風煙系統(tǒng)輔機的電耗對于火力發(fā)電機組顯得極為重要。按照DL 5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)范》要求，大容量鍋爐宜選用2臺送風機、2臺一次風機、2臺引風機、2臺空氣預(yù)熱器，均不設(shè)備用［1-2］，因此我國大型火力發(fā)電機組風煙系統(tǒng)基本上采取雙列配置方式。自20世紀90年代以來，鑒于大型輔機的可靠性已完全過關(guān)，歐洲尤其是德國火力電機組較多采用輔機單列布置，鍋爐配置單送風機、單引風機、單一次風機、單回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等，系統(tǒng)大為簡化，為電廠運行及設(shè)備檢修帶來方便。其中以RWE公司和ENBW公司所建設(shè)的800MW等級超超臨界機組最具有代表性［3］。布連電廠一期工程660MW等級機組在國內(nèi)首次采用了風機單列配置方案。相對于雙列配置方案，如何保證機組穩(wěn)定運行成為單列配置方案的關(guān)鍵，同時也是電力工程界爭議的焦點。本文從機務(wù)設(shè)備、熱工控制以及基建調(diào)試等方面總結(jié)提高可靠性的有效措施，從技術(shù)方案、投資經(jīng)濟性、運行經(jīng)濟性以及運行靈活性方面進行綜合比較。

1 鍋爐設(shè)備及風煙系統(tǒng)簡介

圖1 單列風煙系統(tǒng)Fig.1 Single-row air and flue system

國電建投布連電廠鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設(shè)計、制造的B＆WB—2082/28-M型超超臨界、螺旋上升、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、緊身封閉的π型鍋爐，鍋爐配有不帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。鍋爐設(shè)計煤種和校核煤種均為當?shù)孛旱V的煙煤。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置B＆W公司雙調(diào)風旋流燃燒器及NOx噴口。鍋爐尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣調(diào)溫擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設(shè)置1臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

鍋爐風煙系統(tǒng)采用單列配置，1臺鍋爐配有空氣預(yù)熱器、引風機、送風機、一次風機各1臺，增壓風機與引風機串聯(lián)布置，如圖1所示。

2 提高單列配置穩(wěn)定性的措施

機組采用單空氣預(yù)熱器、單送風機、單一次風機、單引風機和單增壓風機，設(shè)脫硫煙氣旁路擋板(隔離沖洗煙氣換熱器需要)方案后，系統(tǒng)設(shè)備及控制方式相對簡單，風機效率有所提高。鍋爐煙風系統(tǒng)單列配置后，每個輔機的運行狀況將直接影響整個機組運行的安全穩(wěn)定性及可靠性。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的火電機組主要設(shè)備運行可靠性指標進行可靠度概率分析，機組單列輔機配置時機組的運行可靠性比雙列輔機有一定程度的下降，但幅度有限［4-6］。如何保證機組穩(wěn)定運行成為單列配置方案的關(guān)鍵，原則上從2個方面考慮，首先要求選用高性能和可靠性的機務(wù)設(shè)備，同時對控制設(shè)備的配置方案、設(shè)備選型也提出更高的要求，控制系統(tǒng)的配置和邏輯控制方案必須適應(yīng)單列配置的需求，特別是熱工控制部分的穩(wěn)定可靠性要求更高，控制邏輯應(yīng)更簡潔，但應(yīng)更安全、可靠、有效，防止系統(tǒng)保護誤動、拒動。

2.1 機務(wù)設(shè)備方面采取的措施

每臺單列輔機的跳閘均導致鍋爐跳閘，也就是說每臺輔機安全穩(wěn)定運行才能保證鍋爐安全運行，決定機組整體的安全，對輔機可靠性的重視程度應(yīng)等同于主機。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計，造成風機停運的主要原因均為產(chǎn)品質(zhì)量不良和檢修質(zhì)量不良，因此設(shè)備選型時必須選用性能良好的單列輔機，運行維護過程中加強質(zhì)量控制。

輔機單列后，各輔機容量大于1000MW機組雙列配置的單機容量，多數(shù)為非標產(chǎn)品，尚未形成標準化產(chǎn)品，一旦出現(xiàn)故障，將影響機組的整體運行，因此初期應(yīng)考慮足夠的常用備品備件，避免設(shè)備損壞時采購周期過長。

2.2 熱工控制方面采取的措施

從熱工控制及保護措施上考慮，首先要提高熱控設(shè)備的單一測點、單一設(shè)備可靠性。要求在設(shè)備選擇中重視儀控設(shè)備的可靠性，相應(yīng)增加進口設(shè)備范圍，同時國產(chǎn)設(shè)備也嚴格要求采用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。將自動調(diào)節(jié)執(zhí)行機，油站內(nèi)變送器、開關(guān)、儀表閥，風機振動監(jiān)測裝置、失速監(jiān)測報警裝置等儀控設(shè)備納入風機設(shè)備的進口供貨范圍;并將空氣預(yù)熱器單列對應(yīng)的風道、煙道執(zhí)行機構(gòu)，空氣預(yù)熱器的測速停轉(zhuǎn)測量機構(gòu)、空氣預(yù)熱器間隙測量裝置等儀控設(shè)備納入空氣預(yù)熱器以及煙道(風道)設(shè)備的進口供貨范圍。再者在一次檢測儀表設(shè)備的配置上，增加冗余度，主要考慮從以下幾個方面進行冗余度配置:風機及其電機軸承溫度元件采用三冗余配置，風機振動測量裝置和失速測量裝置配置采用三冗余，風機以及汽泵油站內(nèi)主參數(shù)變送器、開關(guān)等采用雙冗余或者三冗余，風機電機內(nèi)線圈溫度采用同相三冗余、單點雙支測量方式。在系統(tǒng)測點配置上適當增加輔助測點和設(shè)備，做為保護和監(jiān)視的輔助手段，凡參與熱工保護的開關(guān)量信號宜輔以模擬量信號進行監(jiān)視，增加油箱油位的連續(xù)測量點，并設(shè)置油位低報警;增加回油系統(tǒng)的回油溫度測點和就地回油溫度測點;在風機失速測量管路上安裝防堵取樣裝置。

2.3 合理配置控制系統(tǒng)

合理配置控制系統(tǒng)，并從邏輯組態(tài)上完善控制系統(tǒng)、提高調(diào)制控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高控制邏輯的合理性，避免系統(tǒng)大的波動，避免誤動和拒動;同時遵循熱工保護系統(tǒng)“獨立性”原則，做好保護控制設(shè)計。熱控保護應(yīng)滿足下列要求:(1)保護系統(tǒng)獨立的I/O通道，并有電隔離措施;(2)冗余的I/O信號通過不同的I/O模件引入;(3)觸發(fā)主輔機跳閘的保護信號的開關(guān)量儀表和變送器單獨設(shè)置;(4)保護回路中不設(shè)置切、投保護的任何操作設(shè)備。

分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)配置方案主要考慮單列輔機能可靠停機，其配套油站及附屬設(shè)備能可靠啟動。輔機控制I/O分配原則:(1)輔機狀態(tài)信號直接送到需進行聯(lián)鎖控制的控制柜，防止網(wǎng)絡(luò)故障及本控制柜故障，聯(lián)鎖邏輯仍保持正常;(2)與保護相關(guān)的重要數(shù)字量輸入信號采用三取二方式;(3)重要模擬量信號按三重化設(shè)計，輸出信號經(jīng)冗余卡件輸出;(4)在測點上引用品質(zhì)判斷，剔除壞值。

風機控制系統(tǒng)不再考慮左右側(cè)煙風系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)方案，也不需設(shè)計風機啟動和停運過程交叉隔離煙風通道的控制邏輯，不必設(shè)計“三大風機”以及空氣預(yù)熱器的RB邏輯。

2.4 基建調(diào)試過程中采取的措施

輔機設(shè)備安裝過程中，嚴格按照廠家及設(shè)計要求，把控每道工序，采取有效措施保證系統(tǒng)內(nèi)的清潔度。

潤滑油及控制油系統(tǒng)是動葉調(diào)節(jié)軸流式風機的故障多發(fā)點。在油系統(tǒng)試運過程中，確保主輔油泵均能正常工作，切換正常，潤滑油流量及控制油壓均能滿足設(shè)備運行要求;油箱及供油溫度正常，冷卻水及加熱器均能正常投入;油站各開關(guān)量及模擬量顯示正確，能代表目前系統(tǒng)的真實工況等。

對于系統(tǒng)內(nèi)的風門擋板，均需檢查其內(nèi)部位置、就地位置指示器與DCS監(jiān)視畫面是否一致;對于調(diào)節(jié)型風門擋板及動葉還需確認擋板葉片開關(guān)的同步性;對于動葉，確保葉片開關(guān)時液壓油系統(tǒng)無內(nèi)部泄露等。

調(diào)試過程中，全面檢查控制邏輯，分析各項保護邏輯的必要性及合理性，對部分保護提出優(yōu)化方案，避免保護拒動及誤動的發(fā)生，同時提早檢查和優(yōu)化模擬量控制系統(tǒng)邏輯。對測量元件與取樣點一一核對，確保取樣位置合理，插入深度合適，每個測量回路必須從就地安裝位置進行回路校驗，確保測點的正確性及可靠性。試驗過程中復核熱控聯(lián)鎖保護定值，及時修訂完善，確保機組運行后，各聯(lián)鎖保護功能動作可靠。

3 單、雙列方案的對比分析

3.1 單、雙列方案技術(shù)分析

雙列風煙系統(tǒng)布置方案每臺鍋爐配置2臺50%容量的一次風機，2臺50%容量的二次風機，2臺50%容量的引風機。煙氣從爐膛出口通過尾部受熱面，在省煤器出口煙氣分2路進入2臺容克式三分倉空氣預(yù)熱器，然后通過煙道進入電氣除塵器，再由靜葉可調(diào)吸風機至脫硫島后經(jīng)煙囪排至大氣。從可靠性方面考慮，任何1臺設(shè)備出現(xiàn)故障時，機組能夠保持50%負荷以下運行，而無須與電網(wǎng)解列，減少非停次數(shù)。運行時，操作及監(jiān)護設(shè)備多，需要考慮設(shè)備并列運行等操作，檢修維護工作量大。

單列風煙系統(tǒng)布置方案每臺鍋爐配置1臺100%容量的一次風機、1臺100%容量的二次風機、1臺100%容量的引風機。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設(shè)置1臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。簡化了風煙系統(tǒng)，取消了聯(lián)絡(luò)風道和風機進出口擋板，減小了檢修維護工作量。即使低負荷工況，也不會降低風機的運行經(jīng)濟性，且單列風機避免了2臺風機搶風，運行不平衡而帶來的風機實際效率下降的問題。滿負荷工況下，單列風機運行效率略優(yōu)于雙列方案，系統(tǒng)在50%負荷工況下，單列風機的運行效率可達到75%，比雙列風機提高3% ～4%。低負荷下，單列風機運行工況點遠離喘振區(qū)。從可靠性方面考慮，任何1臺設(shè)備出現(xiàn)故障跳閘或停運時，鍋爐無法保持運行，機組均需與電網(wǎng)解列，從而導致非停次數(shù)增加。但運行時，操作簡便靈活，調(diào)整工作量小，而且檢修維護量較小。

總之，單列方案的可靠性可以通過提高單機、儀控設(shè)備及控制邏輯合理性等方面得到補償，而在運行簡便及維護方面的優(yōu)勢顯著。

3.2 單、雙列方案投資經(jīng)濟性比較

單、雙列方案的設(shè)備數(shù)量相差較大，因設(shè)備容量差異大，各設(shè)備價格差異較大，投資方面主要考慮風機設(shè)備以及風門擋板，詳細經(jīng)濟性比較見表1。從表1可看出，單、雙列布置方案總體投資接近，單列配置方案投資略高(高出103萬元)，主要是單列空氣預(yù)熱器設(shè)備的價格較雙列設(shè)備高出300萬元，其余單列設(shè)備較雙列方案低203萬元;而在安裝及土建費用上，單列較雙列方案低約97萬元。另外如果考慮土地及電纜的費用，單列方案應(yīng)略低于雙列方案。

表1 單、雙列配置投資經(jīng)濟性比較Tab.1 Comparison of investment economy between single-row and double-row configuration

3.3 單、雙列方案運行經(jīng)濟性分析

表2中列出單、雙列方案在不同的負荷時各風機的電氣參數(shù)。對其進行比對可以看出，與雙列配置方案對比，單列配置時送風機效率相當，而一次風機和引風機的效率有一定程度的提高［7-8］。分析單、雙列配置方案時，考慮機組運行煤質(zhì)差異，機組參數(shù)對煤量及風量分配的影響。對于一次風機，剔除不同負荷工況下因煤質(zhì)差異造成的一次風量差別因素，單列效率提高6%左右。主要是由于單列配置時彌補了雙列配置時壓頭高、流量小的不足;同時與空氣預(yù)熱器漏風率降低也有一定關(guān)系。對于引風機，剔除因煙氣量差異造成的差別，單列效率提高3%左右。經(jīng)估算，每年僅此節(jié)約廠用電約1031萬kW·h，電價以0.3元/(kW·h)計，運行費用可節(jié)約309.3萬元，經(jīng)濟效益可觀。

從實踐結(jié)果及理論分析來看，當機組在低于50%的額定負荷運行時，雙列配置方案風機單側(cè)運行并不能提高效率，達到節(jié)約廠用電的目的，因為單側(cè)運行時風機運行工況嚴重偏離高效區(qū)，效率下降明顯。引風機與增壓風機串聯(lián)布置時，在75%負荷下，可以不啟動增壓風機，整體效率顯著優(yōu)于雙列配置方案。而對于引風機與增壓風機合并采用50%并聯(lián)布置方案，啟動初期需要雙側(cè)運行，低負荷下運行于低效率區(qū)。高負荷下，單、雙列方案的效率接近。近年來，電網(wǎng)裝機容量大幅度增加，調(diào)度負荷很難長期運行在滿負荷下，效率提升取得的經(jīng)濟效益更加可觀。

表2 單、雙列方案運行經(jīng)濟性比較Tab.2 Comparison of operation economy between single-row and double-row configuration

4 結(jié)論

(1)從投資經(jīng)濟性來看，單列風煙系統(tǒng)布置方式與雙列配置基本相當，但前者占地面積小;從運行經(jīng)濟性來看，單列風煙系統(tǒng)總體效率有一定程度的提高(3% ～4%)，運行操作簡便靈活，調(diào)整工作量少，維護檢修方便。

(2)單系統(tǒng)輔機的可靠性通過提高輔機、熱控設(shè)備的性能及合理的配置控制系統(tǒng)等措施得到補償，對輔機可靠性的重視程度應(yīng)等同于主機。從機組試運及移交生產(chǎn)后的情況來看，單列布置的空氣預(yù)熱器、三大風機運行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生因風機故障導致的停機停爐事故。在生產(chǎn)運行過程中，需要繼續(xù)積累統(tǒng)計可靠性數(shù)據(jù)。

(3)鍋爐輔機單列配置后，受控對象發(fā)生了較大變化，鍋爐MFT保護條件、風機和空氣預(yù)熱器控制邏輯必須進行相應(yīng)的修改，同時RB功能中對此不必考慮。

總體來講風機單列配置方式啟動便捷，調(diào)整靈活，穩(wěn)定可靠，運行效率有一定程度的提高，取得的經(jīng)驗及數(shù)據(jù)在600MW級機組建設(shè)中值得借鑒。

［1］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］DL 468—2004電站鍋爐風機選型和使用導則［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］呂明.國電建投內(nèi)蒙古能源有限責任公司鍋爐輔機單列配置專題報告［R］.石家莊:河北省電力勘測研究院，2009.

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［5］吳阿峰，譚燦燊.火力發(fā)電廠風機單雙列配置的技術(shù)經(jīng)濟分析［J］.發(fā)電設(shè)備，2012，26(2):88-92.

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