電站引風機汽輪機驅(qū)動可行性分析

柳 桐

(華電電力科學(xué)研究院東北分院，沈陽 110000)

電站引風機汽輪機驅(qū)動可行性分析

柳 桐

(華電電力科學(xué)研究院東北分院，沈陽 110000)

在當前節(jié)能減排的大背景下，引風機的耗電問題越來越引起大家的廣泛關(guān)注，而其又與風機的驅(qū)動方式有著很大的關(guān)系。文中通過對比電機直接驅(qū)動、電機帶變頻器驅(qū)動及汽輪機驅(qū)動的優(yōu)缺點和經(jīng)濟性，從而比較全面、合理地為選擇驅(qū)動風機的方案提出科學(xué)的分析依據(jù)。

引風機；驅(qū)動方式；汽輪機驅(qū)動；電動機驅(qū)動；變頻器

0 引 言

在火力發(fā)電廠中送、引風機是首要的耗電大戶，其耗電量約占總發(fā)電量的2%以上。而引風機作為火力發(fā)電廠最耗電設(shè)備之一，隨著機組容量的增大、引風機電機容量也大幅增加[1]。因此，根據(jù)不同機組容量及運行方式來選擇合適的驅(qū)動風機的方案，以達到最大的經(jīng)濟效果，是許多國家在發(fā)展電站建設(shè)中十分感興趣的研究項目之一，文中通過對比電機直接驅(qū)動、電機帶變頻器驅(qū)動及汽輪機驅(qū)動的優(yōu)缺點和經(jīng)濟性，從而比較全面、合理地為選擇驅(qū)動風機的方案提出科學(xué)的理論依據(jù)，以便各工程現(xiàn)場能根據(jù)自己的實際情況合理選型。

1 引風機不同驅(qū)動方式比較

目前，現(xiàn)行的引風機驅(qū)動方式有三種，電動機直接驅(qū)動、電動機增加變頻器驅(qū)動、汽輪機驅(qū)動。

1.1 電動機直接驅(qū)動

引風機與驅(qū)動電動機之間是通過對輪直接聯(lián)接，電動機定速運行，爐膛負壓的控制是通過靜葉的開度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。即使機組滿負荷運行時，靜葉開度通常僅保持在50%～90%之間變化。然而，在大部分時間負荷根據(jù)電網(wǎng)要求進行不斷的調(diào)整，當負荷降低，靜葉開度也隨之變小，這就更加重節(jié)流損失。另一方面，引風機靜葉調(diào)節(jié)動作遲緩，造成機組負荷調(diào)整響應(yīng)遲滯，節(jié)流損失加大。

電動機驅(qū)動優(yōu)點是系統(tǒng)簡單可靠，可操作性強；缺點是耗能高，存在電機啟動沖擊，采用靜葉來調(diào)節(jié)，節(jié)流損失大。

1.2 電機帶變頻驅(qū)動

電機增加變頻器來驅(qū)動引風機的運行方式在現(xiàn)行的火力發(fā)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用，利用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)了電機的低頻軟啟動，明顯降低啟動電流，避免了電機工頻啟動對電機和廠用電系統(tǒng)的沖擊；變頻器工作可靠高，能滿足長期穩(wěn)定運行的要求；電動機帶變頻器驅(qū)動以后，引風機靜葉全開，通過變頻器調(diào)節(jié)電機輸出轉(zhuǎn)速來控制爐膛負壓，引風機靜葉的節(jié)流損失降低，節(jié)能效果顯著，也降低了廠用電率。

1.3 汽輪機驅(qū)動

目前，我國加強宏觀調(diào)控和節(jié)能減排力度，在各新建和已建改造項目中采用汽輪機驅(qū)動引風機已成為大的發(fā)展方向[2]。

汽輪機驅(qū)動引風機，可以根據(jù)排汽方式分為凝汽式和背壓式兩種。凝汽式采用類似汽動給水泵的模式，以四段抽汽作為正常工作汽源，高壓缸排汽(冷再)和輔助蒸汽作為備用或啟動汽源，一定參數(shù)的蒸汽在引風機小機內(nèi)膨脹做功后排至小機凝汽器；背壓式以再熱器排汽(熱再)作為正常工作汽源，蒸汽在小汽輪機內(nèi)膨脹做功排至除氧器等設(shè)備中。凝汽式引風機小機若采用類似汽動給水泵的模式將小汽輪機排汽導(dǎo)入到主機凝汽器中，由于排汽量和距離的原因，將造成排汽管道直徑很大、距離長，這就給現(xiàn)場布置和汽輪機驅(qū)動的前期投資帶來很大困難，所以要求引風機小機要自帶小型凝汽器；背壓式引風機小機的排汽壓力高、比容小，排汽管道直徑小，現(xiàn)場布置困難程度要少些。

采用汽輪機驅(qū)動引風機的優(yōu)點[3]：

(1)廠用電率降低，上網(wǎng)電量增加。

(2)在低負荷階段，改變轉(zhuǎn)速使風機長期在高效率區(qū)域穩(wěn)定運行，風機效率提高。

(3)避免廠用母線負擔，消除啟動電流影響。

(4)可采用引風機與其它轉(zhuǎn)動機械多種組合方案，進一步節(jié)能。

然而，汽輪機驅(qū)動引風機與驅(qū)動給水泵還存在差異，引風機工作轉(zhuǎn)速要求相對偏低，如果由汽輪機直接驅(qū)動引風機要求汽輪機級數(shù)增加，效率下降。所以，一般采用6 000 r/min或3 000 r/min的汽輪機經(jīng)變速箱降速后驅(qū)動引風機[4]。

2 引風機小機排汽比較

2.1 凝汽式引風機汽輪機

凝汽式引風機小機與凝汽式給水泵小機原理相類似，都是采用合適參數(shù)的主汽輪機抽汽作為工作汽源，以冷再蒸汽作為低負荷汽源或備用汽源，四段抽汽作為正常運行汽源，同時采用輔助蒸汽(來著鄰機或啟動鍋爐汽源)作為啟動及備用汽源[5]，如圖1所示。

圖1 凝汽式汽輪機驅(qū)動引風機簡化流程圖

凝汽式汽輪機設(shè)置單獨小凝汽器，排汽至小汽機凝汽器，凝汽器采用廠內(nèi)循環(huán)水冷卻，系統(tǒng)設(shè)置兩臺100%容量循環(huán)水泵，一備一運。配3臺50%容量的真空泵。真空泵補水來自凝補水及引風機凝結(jié)水，冷卻器冷卻水來自引風機循環(huán)水系統(tǒng)及工業(yè)水。

與此同時，引風機小機具有單獨的凝結(jié)水系統(tǒng)，其功能類似主機凝結(jié)水系統(tǒng)，將引風機凝汽器內(nèi)的凝結(jié)水經(jīng)引風機凝結(jié)水泵增壓后，依次經(jīng)過引風機軸封冷卻器，最終導(dǎo)回主機凝汽器中。引風機凝水系統(tǒng)補水來著主機凝補水系統(tǒng)。

2.2 背壓式汽輪機

背壓式汽輪機，汽源可取自主機高壓缸排汽(冷再)或鍋爐再熱器出口(熱再)蒸汽作為正常運行汽源。因為熱再蒸汽比冷再蒸汽焓值高，具有更高做功能力，但也要求與之相匹配的供汽管道和閥門材質(zhì)，增加初期投資。另一種情況，采用冷再蒸汽作為運行汽源，其較低的過冷度很容易讓引風機小機運行進入濕蒸汽區(qū)，給小汽輪機帶來水擊的危險，所以背壓式引風機小機汽源多采用熱再蒸汽作為正常運行汽源。啟動汽源考慮輔助蒸汽(來自鄰機或啟動鍋爐)。

背壓式汽輪機可選不同排汽路徑，如除氧器、五號低加、主汽輪機中、低壓缸連通管或直接供給熱用戶。當選擇將引風機小機排汽排入除氧器時，負荷平穩(wěn)工況下，調(diào)控較容易，但在變工況時，引風機小機排汽量與除氧器加熱汽源協(xié)調(diào)配合較復(fù)雜，對整個機組的安全運行產(chǎn)生一定的影響；當選擇將引風機小機排汽排入五號低加或中壓缸至低壓缸連通管時，正常運行主汽輪機影響較小，但事故情況下，當?shù)团蚤_啟排汽直接導(dǎo)入凝汽器時，存在排汽背壓突降，引風機小機超速的風險；當選擇將引風機小機排汽直接供給熱用戶時，此方案也存在一定的局限性，受季節(jié)和熱用戶需求量影響較大，也存在走旁路排入以上主機設(shè)備的情況。因此，在選擇采用背壓式汽輪機作為引風機驅(qū)動裝置時，應(yīng)結(jié)合自身的實際情況與設(shè)備廠家協(xié)調(diào)，制定完善的系統(tǒng)及控制方案，慎重選取[6-7]。

在采用背壓式引風機小機方案時，為滿足小汽輪機的排汽壓力，小汽輪機的級數(shù)相應(yīng)減少，而用汽量遠高于凝汽器引風機小機，這將增加機組的能耗。同時，在采用背壓式引風機小機方案時，引風機小機的輸出功率隨排汽壓力的變化而變化，尤其是事故工況時，熱力系統(tǒng)匹配和調(diào)節(jié)相當復(fù)雜。另一方面，引風機采用背壓式引風機小機，雖然節(jié)省了輔助設(shè)備，但增加了價格較為昂貴的配汽機構(gòu)、調(diào)閥、熱工元件，以及超長的大口徑排汽管。因此文中不推薦采用背壓式小汽機方案，更傾向于采用凝汽式小汽機方案。

圖2 背壓式汽輪機驅(qū)動引風機簡化流程圖

3 經(jīng)濟性對比分析

引風機汽輪機驅(qū)動方式，國內(nèi)三大汽輪機廠及杭州汽輪機廠等均有設(shè)計、制造能力。可根據(jù)現(xiàn)場的具體情況選合適的廠家[3,8]。

3.1 初期投資方面

電機驅(qū)動在初期投資中主要包含以下幾個投資項目6 kV電機、高壓廠用變壓器、廠用真空斷路器柜、電纜等幾個方面。而采用汽輪機驅(qū)動引風機后，增加了小汽輪機、引風機真空泵、引風機凝汽器、引風機凝結(jié)水泵、系統(tǒng)管道及閥門等附件。另一方面，啟動鍋爐及冷卻塔造價也相應(yīng)增加。某廠采用汽輪機驅(qū)動引風機初期增加投資請參見表1。

表1 汽輪機驅(qū)動引風機初期增加投資統(tǒng)計表(兩臺機組)

3.2 采用汽動引風機收益分析

汽動引風機收益增加可以通過降低發(fā)電廠的廠用電指標，提高電廠對外售電收入來實現(xiàn)。單臺引風機技術(shù)數(shù)表如下：電廠如果機組年運行小時7 500 h，年利用小時5 500 h，運行負荷暫按表2。

表2 各負荷下機組運行時間表

經(jīng)與風機制造廠家溝通，得到技術(shù)參數(shù)推算單臺電機每年消耗的電量為：3 782×1 500+3 014×3 500+2 502×2 000+1 815×500=2 213.35萬kWh，全廠引風機每年消耗的電量為：8 853.4萬kWh。若采用汽輪機驅(qū)動來替換電機驅(qū)動，節(jié)約的廠用電按每度收益0.127 3元計算，則全廠售電收入增加額就將達到1 127.04萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。

3.3 銀行貸款利息

以銀行固定資產(chǎn)貸款基準利率為6.12%計，采用汽輪機驅(qū)動引風機初期投資增加年利息2 755.5×6.12%≈168.64萬元。

3.4 總經(jīng)濟性評價

兩臺機組采用小汽機驅(qū)動方案，初期增加投資約為2 755.5萬元。采用小汽機驅(qū)動，年收益為1 127.04-168.64=958.4萬元(兩臺機組)，可以得出方案的增加投資回收年限如下：回收年限為：2.88年。因此采用汽動引風機方案設(shè)備的增加投資回收年限小于3年，機組的經(jīng)濟效益和節(jié)能效益顯著，值得推薦。

4 缺 點

在認識到引風機驅(qū)動帶來的節(jié)能效益的同時，我們也不能回避該種驅(qū)動方式所帶來的缺點：

(1)蒸汽質(zhì)量要求高，參數(shù)波動范圍控制在限值內(nèi)，否則會影響汽輪機的安全運行及金屬壽命。

(2)運行檢修費用較高，操作復(fù)雜。

(3)暖缸時間長，升速和升負荷的時間較長，開停機復(fù)雜。

(4)汽輪機工作介質(zhì)特殊，對設(shè)計、安裝、運行、檢修要求較高，尤其閥門、管道的運行壽命對整個系統(tǒng)的安全性及節(jié)能指標起到很大影響。

5 結(jié)束語

(1)與電動機驅(qū)動相比，采用汽輪機驅(qū)動，可以避免電機啟動電流對廠用電系統(tǒng)的影響。

(2)與電動機驅(qū)動相比，汽輪機驅(qū)動可以根據(jù)實際負荷的不同實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使風機保持較高效率。

(3)與另外兩種方式相比，汽輪機驅(qū)動可以大幅降低廠用電率，提高電廠的運行指標。

(4)采用凝汽式汽輪機驅(qū)動也存在不足，輔助系統(tǒng)設(shè)備較多，初期投入較大，系統(tǒng)復(fù)雜，維護率較高。

綜上所述，采用引風機汽機驅(qū)動可以大幅度減少廠用電率，增加電站的上網(wǎng)電量，另一方面也可以避免大功率電動機啟動對廠用電沖擊等安全問題，所以推薦采用汽輪機驅(qū)動引風機。

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Feasibility Analysis of Turbine Driven of Power Station Induced Draft Fan

LIU Tong

(Huadian Electric Power Research Institute Northeast Branch, Shenyang 110000, China)

Under the background of the current energy conservation and emission reduction, the power consumption of induced draft fan has attracted widespread attention, and it has a lot to do with driving mode. In this paper, by comparing the advantages, disadvantages and economy of three driving methods such as the motor driven, the motor driven with frequency converter and the turbine driven. For that select better the driving mode of induced draft fan, put forward the analysis basis of comprehensive, reasonable and science.

Induced draft fan; Driving mode; Turbine driven; Motor driven; Frequency converter

2015-06-25

2015-07-10

柳桐(1984-)，男，吉林白城人，碩士，助理工程師，從事電站汽輪機試驗及調(diào)試技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.006

TK223.26

B

1009-3230(2015)08-0019-05