660 MW火電機組軸流式引風(fēng)機驅(qū)動系統(tǒng)分析

(1.山西大學(xué),山西 太原 030013；2.山西漳電科學(xué)技術(shù)研究院，山西 太原 030000；3.山西漳電同華發(fā)電有限公司，山西 忻州 034114)

0 引 言

鍋爐引風(fēng)機作為火力發(fā)電廠的重要輔機，在保持鍋爐爐膛燃燒壓力穩(wěn)定的前提下，抽吸鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣，經(jīng)脫硝、除塵、脫硫后排放到大氣中。在電廠的方案設(shè)計中,既要確保引風(fēng)機運行的可靠性,又要達到引風(fēng)機的節(jié)能需求，其運行效率的高低直接影響到廠用電率及煤耗率等能耗指標(biāo)。

隨著近年國內(nèi)燃煤發(fā)電廠大容量、高參數(shù)的發(fā)展趨勢,使鍋爐引風(fēng)機的容量也隨之越來越大。當(dāng)其與脫硫增壓風(fēng)機合并，稱作“增引合一”引風(fēng)機，當(dāng)考慮脫硝阻力后，成為“三合一”引風(fēng)機，其功率僅次于給水泵的大功率輔機。由于超低排放的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求電廠不斷進行脫硫脫硝系統(tǒng)的改建,這些環(huán)保設(shè)施必然引起鍋爐煙氣阻力進一步增大，導(dǎo)致引風(fēng)機的功率也不斷增加。而合理選擇引風(fēng)機的驅(qū)動方式,有利于減少廠用電耗能、增加機組的凈供電量、提高電廠的收益。

文獻[1]分析600 MW機組引風(fēng)機實際運行狀況，得出當(dāng)前引風(fēng)機存在選型偏大、電機容量與風(fēng)機容量不匹配等問題，建議引風(fēng)機選型的流量裕度控制在10%～15%。文獻[2]采用供電煤耗率分析方法建立了汽動引風(fēng)機節(jié)能效果計算模型，計算分析得出汽動引風(fēng)機系統(tǒng)是否節(jié)能取決于機組運行負荷的高低。文獻[3]提出了一種實現(xiàn)電站鍋爐大型軸流式風(fēng)機汽電雙驅(qū)的軸系結(jié)構(gòu)，可解決傳扭中間軸和電機轉(zhuǎn)子熱態(tài)膨脹問題，并避免由此引起的軸系振動，實現(xiàn)電站鍋爐大型軸流式風(fēng)機汽電雙驅(qū)動。本文以某燃煤電廠660 MW機組引風(fēng)機增容改造為分析對象，對引風(fēng)機采用電動機驅(qū)動、汽輪機驅(qū)動、以及汽電雙驅(qū)三種不同驅(qū)動方案進行比較，分別計算初投資、耗煤量、廠用電量并進行技術(shù)及經(jīng)濟性分析。

1 660 MW火電機組引風(fēng)機系統(tǒng)

1.1 項目概況

某電廠“超低排放”改造工程擬對2臺660 MW超臨界直接空冷機組進行超低排放改造，總體技術(shù)路線包括脫硝改造、除塵改造、在脫硫塔入口前加裝煙氣余熱利用裝置、脫硫改造、引風(fēng)機增容改造。其中引風(fēng)機增容改造工程每臺鍋爐配置2臺引風(fēng)機。選型參數(shù)見表1。

表1 增容后引風(fēng)機基本選型參數(shù)

1.2 引風(fēng)機驅(qū)動方案及調(diào)節(jié)方式的選擇

660 MW等級火電機組的引風(fēng)機采用電動機傳統(tǒng)驅(qū)動方式時,一般采用定速電動機來驅(qū)動動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，電機的容量增大使廠用電增加、啟動電流增大，甚至可能引起母線電壓降低導(dǎo)致設(shè)備跳閘的問題，需要提高廠用電的電壓等級。目前火電廠的廠用電壓等級大多為6 kV，6 kV電壓等級的廠用母線一般可以啟動不超過約7 000～8 000 kW功率的設(shè)備，超過該功率就需要采用10 kV的電壓等級。而對于660 MW火電機組單臺50%容量引風(fēng)機，TB工況下(即Test Block，此工況點的風(fēng)量、風(fēng)壓為風(fēng)機能力考核點，即鍋爐最大連續(xù)出力并考慮風(fēng)量、風(fēng)壓裕量后的風(fēng)機工況)其軸功率已超過8 000 kW。而如果輔機單列布置時，引風(fēng)機100%容量TB工況就超過了14 000 kW，所以600 MW 級及以上新建機組引風(fēng)機若采用電動方式，廠用電壓等級一般需要采用10 kV，這無疑增加了設(shè)備投資。

近幾年，已有不少電廠600 MW以上機組新建及改建項目中，采用了小汽機驅(qū)動引風(fēng)機方式，如華能海門電廠、國電北侖電廠、華電望亭電廠、國電滎陽電廠等等。汽輪機驅(qū)動的引風(fēng)機可以解決引風(fēng)機啟動時電流過大的問題，并大大降低廠用電率，提高機組上網(wǎng)電量，同時還可以通過不同負荷下小汽輪機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),有效提高引風(fēng)機在低負荷工況運行下的效率,使風(fēng)機保持高效運行。采用小汽輪機變轉(zhuǎn)速驅(qū)動靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機,將蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)化為機械能,減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能量損失，但由于需要從主汽輪機抽汽，所以機組熱耗及發(fā)供電煤耗都會增加,管路系統(tǒng)復(fù)雜。特別是采用汽動方式時，小汽輪機軸功率要滿足引風(fēng)機的TB工況下的軸功率，導(dǎo)致小汽輪機的設(shè)計軸功率與正常運行時引風(fēng)機所需的驅(qū)動功率偏離較大，使小汽輪機在運行中進汽調(diào)節(jié)閥開度偏小，機組在50%～100%負荷運行工況下，小汽輪機的進汽調(diào)節(jié)閥門閥位大約僅為30%～50%左右，效率偏低[4]。

綜合考慮到以上因素，提出汽動為主、汽電雙驅(qū)的方式，采用小汽機和電動機聯(lián)合驅(qū)動動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機的定速調(diào)節(jié)方案，即小汽輪機、變速離合器(行星齒輪+超越離合器)、電動機、引風(fēng)機同軸布置。如圖1所示，小汽機經(jīng)變速離合器減速后與電機及引風(fēng)機轉(zhuǎn)速匹配，由于變速離合器變速比一定，小汽機的轉(zhuǎn)速一定。小汽機按照大于機組鍋爐最大連續(xù)工況下的引風(fēng)機軸功率進行選型，為保證小汽機效率，小汽輪機汽門全開，采用定速運行。當(dāng)機組在常用負荷及以下運行時，由小汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機，小汽輪機閥門全開出力大于風(fēng)機所需功率，電機處于發(fā)電工況，剩余功率則由電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能回收至廠用電系統(tǒng)；高于此負荷率時，小汽輪機閥門全開出力已不能滿足風(fēng)機所需功率，電機進入電動機工況，與小汽機共同驅(qū)動引風(fēng)機。機組啟動時，使用電動機啟動，超越離合器將小汽機從系統(tǒng)中脫開。

可見，汽電雙驅(qū)結(jié)合了電動機驅(qū)動和小汽輪機驅(qū)動的特點，優(yōu)勢互補。由于小汽輪機全程處于閥門全開工況運行，較現(xiàn)有汽動引風(fēng)機方式減少了小汽機進汽節(jié)流的損失，從而提高了整體運行效率。

2 不同驅(qū)動方式的設(shè)備配置分析

2.1 電動引風(fēng)機方案配置

需兩臺50%容量的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，并配兩臺功率約為9 200 kW電動機,無其他輔助設(shè)備，系統(tǒng)簡單。

2.2 汽動引風(fēng)機方案配置

需兩臺50%容量的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，配兩臺驅(qū)動小汽輪機。小汽輪機主要參數(shù)如表2所示，每臺小汽輪機配置一套減速齒輪箱、小凝汽器和排汽閥，并設(shè)凝結(jié)水泵及抽真空系統(tǒng)及小機供汽系統(tǒng)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

2.3 汽電聯(lián)合驅(qū)動引風(fēng)機方案配置

需兩臺50%容量的動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，配兩臺驅(qū)動小汽輪機和兩臺驅(qū)動電動機。小汽輪機主要參數(shù)表如表2所示，與汽動方案中的小汽機僅是容量、低負荷時內(nèi)效率的不同，汽水系統(tǒng)的設(shè)置，包括汽源、冷卻水源、排汽方式、小機型式的選擇均一致。每臺小汽輪機配置一套變速離合器，一臺小凝汽器和排汽閥，兩臺小機凝結(jié)水泵及獨立的小機抽真空系統(tǒng)及小機供汽系統(tǒng)。機組啟動時，利用電動機啟動引風(fēng)機。

表2 小汽輪機主要參數(shù)表

按照風(fēng)機在BRL工況下的軸功率配置小汽機。小汽輪機采用凝汽式方案，間接冷卻，額定負荷按照BRL工況選型為5 500 kW，當(dāng)機組負荷大于BRL工況時，電機投入使用，由小汽輪機和電動機聯(lián)合驅(qū)動，電動機功率按4 000 kW設(shè)計。小汽輪機轉(zhuǎn)速較高約為5 500 rpm，引風(fēng)機轉(zhuǎn)速較低，約為750 rpm，汽電聯(lián)合驅(qū)動引風(fēng)機的連接方式是小汽輪機通過變速離合器減速后與電動機相連，電動機轉(zhuǎn)速與引風(fēng)機匹配，即約為750 rpm。因此，引風(fēng)機與小汽機之間存在較大的轉(zhuǎn)速比，所配置的變速離合器需同時滿足大功率、高轉(zhuǎn)速(輸入端)、大速比的要求，變速離合器效率一般大于98%。

3 引風(fēng)機驅(qū)動方式配置方案的技術(shù)經(jīng)濟分析

3.1 初投資比較

三種方案(電動引風(fēng)機方案A，汽動引風(fēng)機方案B，汽電雙驅(qū)引風(fēng)機方案C)的初投資比較見表3。

在上表中，由于汽電聯(lián)驅(qū)引風(fēng)機方案C與汽動方案B中的小汽機容量不同,汽動方案B中小汽輪機軸功率要滿足引風(fēng)機的TB工況下的軸功率，而汽電聯(lián)驅(qū)C按照BRL工況下的軸功率配置小汽機,導(dǎo)致小汽機設(shè)備以及相關(guān)的循環(huán)水系統(tǒng)的投資費用都有所不同。

表3 引風(fēng)機驅(qū)動方案初投資比較表(兩臺機組量)

3.2 耗煤量及上網(wǎng)電量的比較

針對三種方案的運行特點，電動方案A，操作簡單,啟動速度快,,負荷調(diào)節(jié)快范圍大,維護工作量少。電動機效率較高為98%；而引風(fēng)機的效率在60%～80%變化，低負荷時效率變差。汽動方案B，操作復(fù)雜，啟動速度較慢，負荷變化率較慢，而且負荷調(diào)節(jié)范圍受小汽機的臨界轉(zhuǎn)速控制，維護工作量多。正常運行引風(fēng)機由小汽輪機變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其效率在70%～82%變化，尤其在低負荷時，小汽輪機和引風(fēng)機的效率都低。汽電雙驅(qū)方案C，操作復(fù)雜，啟動速度快，負荷調(diào)節(jié)范圍大，維護工作量多。正常運行由小汽輪機全開汽門提供動力，其效率在80%～82%變化，低負荷時效率遠高于汽動B方案。并且由于異步發(fā)電機回收部分電能，使得廠用電更低，能向外供較多電能，一定程序上抵消汽耗的增加。同時在低負荷時，由于主機汽量的增加，使得主機效率也較方案B高。

不同方案的差額發(fā)電成本主要為燃料成本的差額，可以根據(jù)機組年運行模式，和對應(yīng)的機組負荷下發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算確定[2]?；诘刃ъ式捣ㄟM行熱經(jīng)濟性計算，并綜合考慮機組全年按5 000運行小時，負荷率80%。按照加權(quán)平均的方法，計算各方案的經(jīng)濟指標(biāo)如下表4(兩臺機組)。

表4 主要經(jīng)濟指標(biāo)對比表

可見，采用汽動或汽電雙驅(qū)引風(fēng)機方案時，由于主機增加了抽汽量，機組在額定出力下，主蒸汽流量增加，則發(fā)電熱耗會有所增加。以A方案為基準(zhǔn)，B,C方案增加的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別是6.49 g/kW·h和6.05 g/kW·h，年發(fā)電標(biāo)煤耗量分別是4.3萬t、4.0萬t。汽電雙驅(qū)相比汽動方案煤耗量有所降低，相對減少了發(fā)電成本。

在廠用電負荷方面，電動引風(fēng)機方案的電耗主要為電動機，汽動方案引風(fēng)機廠用電耗包括小機供油裝置、小機凝結(jié)水泵、真空泵和循環(huán)水系統(tǒng)等設(shè)備的電耗，汽電雙驅(qū)方案引風(fēng)機廠用電耗包括汽動方案中設(shè)備及電動機電耗，但同時在低負荷情況下，小汽輪機又把多余的能量可通過異步發(fā)電機回收部分電能至廠用電系統(tǒng)。所以，以A方案為基準(zhǔn)，B,C方案廠用電負荷減少，即年上網(wǎng)電量分別增加了7 701萬t和7 978萬t。采用汽電雙驅(qū)使廠用電率降低1.53%，進一步增加了發(fā)電收益。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟分析比較

以電動驅(qū)動引風(fēng)機為基準(zhǔn)，對三種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，如表5所示。

表5 技術(shù)經(jīng)濟比較表

以上計算中，標(biāo)煤價按照500元/t，上網(wǎng)電價取0.353 8元/kWh。年檢修維護費用為設(shè)備費用的10%。由計算結(jié)果可知，兩臺機組采用汽動方案比電動方案的初投資增加了約4 630萬元，而每年年運行盈利可增加毛利潤約540萬元，若不考慮費率，約8.5年可收回成本。兩臺機組采用汽電聯(lián)合驅(qū)動方案比電動方案初投資則增加約4 610萬元，而每年可增加毛利潤約788萬元，若不考慮費率，約5.85年可收回成本。

因此，按定功率模式考慮，盡管汽電雙驅(qū)引風(fēng)機方案和汽動引風(fēng)機方案的年燃煤費用、初投資均高于電動引風(fēng)機方案，但節(jié)省了廠用電，增加了上網(wǎng)電量，故電廠全年運行收益要好于電動引風(fēng)機方案[5]。

4 結(jié) 論

(1)汽電雙驅(qū)引風(fēng)機方案中由于小汽機進汽保持100%開度，減少節(jié)流損失，運行效率高于汽動引風(fēng)機方案。而且引風(fēng)機采用動葉調(diào)節(jié)風(fēng)機，在低負荷的工況下，風(fēng)機效率優(yōu)于靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機。

(2)引增合一后引風(fēng)機軸功率達到了8 655 kW，采用汽電聯(lián)合驅(qū)動方案來驅(qū)動動調(diào)引風(fēng)機，不僅避免了高廠變?nèi)萘渴芟?，而且在低負荷情況下，通過異步發(fā)電機回收部分電能至廠用電系統(tǒng)，機組的廠用電率降低約1.53%，可使主機外送更多的電能，提高了運行收益率。

(3)采用汽電雙驅(qū)引風(fēng)機方案，本體及其輔助系統(tǒng)復(fù)雜，除了需要配備汽動引風(fēng)機方案中的所有輔助設(shè)備，還需設(shè)置一臺電動機。其系統(tǒng)包括供汽系統(tǒng)、潤滑油及控制油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、本體疏水系統(tǒng)等，由于設(shè)置獨立的凝汽器，還要增加小機循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)。與電動機驅(qū)動的引風(fēng)機比較，設(shè)備多且布置復(fù)雜，靈活性將降低，增加了整體的運行檢修維護工作量。

綜上所述，本660 MW等級超(超)臨界火電機組三合一軸流式引風(fēng)機汽電雙驅(qū)系統(tǒng)采用汽動為主、汽電雙驅(qū)的方式，適應(yīng)不同負荷高效運行的需要，能夠滿足到廠用電壓等級、廠用變壓器容量的要求，從而解決當(dāng)前火電廠環(huán)保設(shè)備增多、引風(fēng)機容量增大所帶來引風(fēng)機出力不足、以及設(shè)備投資大、耗電率大的問題。研究成果將實際應(yīng)用于火電廠新建工程和改造工程，尤其對于當(dāng)前山西省超低排放改造工程中配套引風(fēng)機和增壓風(fēng)機合并改造有很好的推廣價值。