660 MW超超臨界鍋爐單輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

顧 欣，葉勇健，鄧文祥

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

0 引言

近些年來，隨著我國(guó)電力設(shè)備制造能力、運(yùn)行水平以及控制技術(shù)的提高，逐漸開始在350 MW、600 MW級(jí)機(jī)組工程的設(shè)計(jì)中提出單列輔機(jī)系統(tǒng)的配置和布置方案。鍋爐輔機(jī)單列配置是指每臺(tái)鍋爐的空氣預(yù)熱器、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)(增壓風(fēng)機(jī))采用一臺(tái)全容量設(shè)備[1]。單列輔機(jī)配置在國(guó)際上已經(jīng)有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)，德國(guó)火電機(jī)組的煙風(fēng)系統(tǒng)大多采用單列輔機(jī)的配置方案[2]。2009年中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司將布連電廠2×660 MW超超臨界燃煤空冷機(jī)組列為主要輔機(jī)單列配置的試點(diǎn)工程，鍋爐的空預(yù)器、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)以及增壓風(fēng)機(jī)均采用單列配置方案[3-7]。

平山電廠一期2×660 MW機(jī)組在借鑒國(guó)內(nèi)外煙風(fēng)系統(tǒng)單列輔機(jī)配置的基礎(chǔ)上，總結(jié)國(guó)電布連電廠等單列輔機(jī)配置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，充分考慮技術(shù)可靠性、選型經(jīng)濟(jì)性并優(yōu)化單列輔機(jī)的系統(tǒng)和布置方案，2臺(tái)機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)性較好，為同類型單列輔機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、輔機(jī)選型以及布置等提供借鑒和依據(jù)。

1 單列風(fēng)機(jī)的機(jī)組可靠性分析

1.1 可靠性理論

發(fā)電設(shè)備(包括機(jī)組、輔助設(shè)備)可靠性，是指設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。要對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先要了解衡量可靠性的指標(biāo)。

中電聯(lián)每年發(fā)布的《全國(guó)電力可靠性指標(biāo)》，對(duì)輔機(jī)可靠性的統(tǒng)計(jì)主要包括五項(xiàng)指標(biāo)，分別為運(yùn)行系數(shù)、可用系數(shù)、計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)、非計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)和非計(jì)劃停運(yùn)率[8]。這五個(gè)指標(biāo)中可用系數(shù)和非計(jì)劃停運(yùn)率是與設(shè)備可靠性最直接關(guān)聯(lián)的指標(biāo)。

1.2 可靠性分析

1.2.1 可靠性框圖

雙列設(shè)備的可靠性框圖[9-10]是按照2×50 %設(shè)備容量進(jìn)行分析，見圖1(a)。單列設(shè)備的可靠性框圖是按照1×100 %設(shè)備容量進(jìn)行分析，見圖1(b)。

1.2.2 機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)概率計(jì)算

對(duì)于雙列輔機(jī)配置，當(dāng)單側(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組可采用非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行，機(jī)組避免停運(yùn)；而對(duì)于單列配置，任何一個(gè)輔機(jī)出現(xiàn)故障機(jī)組只能非計(jì)劃停運(yùn)。從非計(jì)劃停機(jī)運(yùn)行和非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行兩個(gè)方面來分析600 MW等級(jí)機(jī)組輔機(jī)配置對(duì)其可靠性的影響。

雙列風(fēng)機(jī)的可靠性概率K'及非計(jì)劃停運(yùn)概率S'計(jì)算按式(1)和式(2)。

單列風(fēng)機(jī)的可靠性概率K及非計(jì)劃停運(yùn)概率S計(jì)算按式(3)和式(4)。

式中：K、L、M分別表示一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)，見圖1。

以中電聯(lián)2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例計(jì)算風(fēng)機(jī)雙列及單列配置可靠性概率和非計(jì)劃停運(yùn)概率。雙列配置的送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性為99.99% (非計(jì)劃停運(yùn)率即失效性概率為0.01 %)，引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性為99.95 % (非計(jì)劃停運(yùn)率即失效性概率為0.05 %)，中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中無一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)，這里假設(shè)一次風(fēng)機(jī)的可靠性數(shù)據(jù)與引風(fēng)機(jī)相同，一次風(fēng)機(jī)的運(yùn)行可靠性按99.95 %計(jì)算。

根據(jù)可靠性概率計(jì)算，雙列配置和單列配置的可靠性概率和非計(jì)劃停運(yùn)率見表1。

表1 風(fēng)機(jī)雙列及單列配置非計(jì)劃停運(yùn)概率

對(duì)于雙列輔機(jī)配置，只有當(dāng)并行設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組才會(huì)跳閘停機(jī)。這里我們認(rèn)為雙列輔機(jī)的配置，當(dāng)其中單側(cè)輔機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響另外一側(cè)輔機(jī)的運(yùn)行，機(jī)組能夠成功降負(fù)荷運(yùn)行。雙列風(fēng)機(jī)配置，機(jī)組每十萬小時(shí)運(yùn)行時(shí)間中會(huì)因?yàn)轱L(fēng)機(jī)事故出現(xiàn)0.051 h的非計(jì)劃停運(yùn)。

對(duì)于單列風(fēng)機(jī)配置，任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，機(jī)組均會(huì)發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)。單列風(fēng)機(jī)配置的非計(jì)劃停運(yùn)率為0.11 %，風(fēng)機(jī)單列配置每十萬小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間中會(huì)出現(xiàn)110 h的非計(jì)劃停運(yùn)?？梢妴瘟酗L(fēng)機(jī)配置的機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)概率比雙列風(fēng)機(jī)大。

1.2.3 機(jī)組非計(jì)劃減負(fù)荷概率計(jì)算

對(duì)于雙列風(fēng)機(jī)配置來說，當(dāng)任何一側(cè)的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組均須減負(fù)荷運(yùn)行。雙列風(fēng)機(jī)的非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行概率按式(5)和式(6)計(jì)算。

風(fēng)機(jī)雙列及單列非計(jì)劃減負(fù)荷概率見表2。雙列配置風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)組發(fā)生減負(fù)荷運(yùn)行概率為0.219 8 %，既相當(dāng)于每十萬小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間中會(huì)出現(xiàn)219.8 h因?yàn)轱L(fēng)機(jī)故障而造成的非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行。單列輔機(jī)配置不會(huì)出現(xiàn)非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行情況，但可根據(jù)運(yùn)行需求，計(jì)劃內(nèi)主動(dòng)減負(fù)荷運(yùn)行。

表2 風(fēng)機(jī)雙列及單列非計(jì)劃減負(fù)荷概率

1.2.4 風(fēng)機(jī)配置對(duì)機(jī)組運(yùn)行可靠性影響

通過機(jī)組雙列風(fēng)機(jī)配置和單列風(fēng)機(jī)配置運(yùn)行時(shí)發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)和機(jī)組非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行的概率計(jì)算，可見，對(duì)于雙列風(fēng)機(jī)配置，雙側(cè)設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障，機(jī)組發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)的概率非常低；當(dāng)單側(cè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，若能成功快速減負(fù)荷(runback，RB)，機(jī)組可非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行。對(duì)于單列風(fēng)機(jī)配置，每臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障，機(jī)組均會(huì)發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)。

實(shí)際上對(duì)于雙列輔機(jī)配置，設(shè)備單側(cè)故障時(shí)，可能會(huì)由于系統(tǒng)的連鎖或互沖影響，對(duì)另一側(cè)輔機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生擾動(dòng)，有可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組故障，嚴(yán)格意義上不能作為互不相干的雙臺(tái)設(shè)備，這與電廠的管理和運(yùn)行水平都有較大關(guān)系。

由中電聯(lián)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知[8]，2012～2016年送風(fēng)機(jī)的非計(jì)劃停運(yùn)率都非常低，2016年送風(fēng)機(jī)的非計(jì)劃停運(yùn)率為0，其它年份為0.01%。引風(fēng)機(jī)的非計(jì)劃停運(yùn)率分別為0.03%、0.03%、0.03%、0.05%、0%。由此可見，隨著風(fēng)機(jī)設(shè)備質(zhì)量的提高、電廠運(yùn)行管理水平的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)故障率越來越低，由于風(fēng)機(jī)故障引起非計(jì)劃停運(yùn)概率越來越低，因此在660 MW超超臨界機(jī)組中，重視風(fēng)機(jī)設(shè)備的采購(gòu)質(zhì)量，尤其是關(guān)鍵部件，三大風(fēng)機(jī)單列配置已經(jīng)沒有較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2 單列輔機(jī)系統(tǒng)及布置設(shè)計(jì)

2.1 單列輔機(jī)煙風(fēng)系統(tǒng)

平山電廠一期2×660 MW機(jī)組鍋爐為超超臨界塔式鍋爐，鍋爐緊身封閉。鍋爐單列輔機(jī)配置煙風(fēng)系統(tǒng)見圖2。當(dāng)鍋爐單列配置時(shí)，一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)出口的關(guān)斷門均可以取消；空預(yù)器一次風(fēng)進(jìn)出口隔離門、空預(yù)器二次風(fēng)出口隔離門也可以取消[11]。因此，單列輔機(jī)配置的煙風(fēng)系統(tǒng)得到很大的簡(jiǎn)化，系統(tǒng)阻力降低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所提高。另外不存在2 臺(tái)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)、運(yùn)行不均衡而帶來的風(fēng)機(jī)實(shí)際效率下降的問題[12]。考慮到一次風(fēng)機(jī)壓頭比較高，大容量鍋爐單輔機(jī)運(yùn)行和控制經(jīng)驗(yàn)不足，一次風(fēng)機(jī)出口隔離門保留；同時(shí)考慮到引風(fēng)機(jī)檢修時(shí)隔斷脫硫系統(tǒng)和煙囪，引風(fēng)機(jī)出口隔離門保留；為提高鍋爐效率，送風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)考慮室內(nèi)和室外雙吸風(fēng)，送風(fēng)機(jī)室內(nèi)和室外吸風(fēng)管段上各設(shè)置一個(gè)隔離門，用于切換吸風(fēng)方式。

2.2 單列輔機(jī)的設(shè)備選型

鍋爐的空氣預(yù)熱器采用單列，空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子φ19 824 m，雙道/三道密封設(shè)計(jì)。預(yù)熱器正常轉(zhuǎn)速1.0 rpm，輔助傳動(dòng)轉(zhuǎn)速0.25 rpm。

單列輔機(jī)配置三大風(fēng)機(jī)選型的主要參數(shù)見表3。采用單列輔機(jī)配置，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，管道系統(tǒng)取消了大部分風(fēng)門，相對(duì)雙列風(fēng)機(jī)，管道布置更加流暢，煙風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選型阻力會(huì)減少 80～120 Pa。

表3 單列輔機(jī)配置三大風(fēng)機(jī)選型的主要參數(shù)

2.3 單列輔機(jī)配置的煙風(fēng)道布置

在單列輔機(jī)的風(fēng)系統(tǒng)中，雙列布置的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道取消，布置更加簡(jiǎn)潔、流暢，節(jié)約煙風(fēng)道的材料，并且檢修維護(hù)工作量降低。如果不考慮室內(nèi)吸風(fēng)，一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)一般并列布置在爐后除塵器前的煙道支架下方。由于平山電廠660 MW機(jī)組送風(fēng)機(jī)采用室內(nèi)和室外雙吸風(fēng)，因此送風(fēng)機(jī)布置在爐側(cè)，單列輔機(jī)的一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)道布置見圖3。送風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口沿著爐側(cè)鋼架上至爐頂，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)吸風(fēng)布置。

除塵器前的煙道為一臺(tái)空預(yù)器出口分四路進(jìn)入兩臺(tái)雙室五電場(chǎng)除塵器的四個(gè)通道，圖4為單列輔機(jī)除塵器前煙道布置圖。對(duì)于塔式鍋爐，空預(yù)器出口的煙道可以設(shè)計(jì)與除塵器進(jìn)口接近一致的標(biāo)高，然后由空預(yù)器出口煙道引出4個(gè)出口分別連接至除塵器入口。為保證除塵器4個(gè)通道的流場(chǎng)、粉塵分布均勻，煙道的設(shè)計(jì)通過數(shù)值模擬分析，并吸收國(guó)外單輔機(jī)布置的經(jīng)驗(yàn)，煙道布置盡量采用流線型，保證四個(gè)通道除塵器分布均勻的情況下，降低煙道的阻力。流線型煙道布置縮短了鍋爐空預(yù)器出口至除塵器間的距離，煙道支架采用單跨設(shè)置，跨距為13.5 m，相比雙列布置18～20 m的雙跨布置，節(jié)約土建成本。同時(shí)流線型煙道布置有效縮短主廠房A排至煙囪的距離，節(jié)約廠房占地。

除塵器出口煙道為4個(gè)除塵器通道合并進(jìn)入一臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口，圖5為單列輔機(jī)電除塵器后煙道布置圖。與除塵器前煙道布置相同，除塵器后煙道也采用流線型布置，煙氣流場(chǎng)順暢，阻力小，同時(shí)煙道采用單跨，節(jié)約土建費(fèi)用。

3 結(jié)論

1)對(duì)鍋爐單列配置的機(jī)組可靠性進(jìn)行分析，單列輔機(jī)配置中任何一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，機(jī)組均會(huì)發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)。因此單列輔機(jī)配置時(shí)，需盡量提高設(shè)備的可靠性，使得機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)概率盡量減小。單列輔機(jī)配置不存在非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行狀況，而相比較而言，雙列輔機(jī)配置將會(huì)產(chǎn)生較大概率的非計(jì)劃減負(fù)荷運(yùn)行狀況。隨著設(shè)備制造能力的提高，三大風(fēng)機(jī)的可靠性概率越來越高，單列風(fēng)機(jī)配置的非計(jì)劃停運(yùn)概率為0.11 %，通過提高設(shè)備關(guān)鍵部件的可靠性，可進(jìn)一步提高單列輔機(jī)的可靠性。

2)鍋爐輔機(jī)單列配置，簡(jiǎn)化了煙風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)門以及空預(yù)器進(jìn)出口風(fēng)門可取消，使得煙風(fēng)道系統(tǒng)阻力降低，煙風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選型阻力會(huì)減少80～120 Pa，機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性略高。

3)單列輔機(jī)煙風(fēng)道布置，不需要聯(lián)絡(luò)風(fēng)道，布置更加簡(jiǎn)潔、流暢。送風(fēng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)爐頂吸風(fēng)，布置在每臺(tái)鍋爐外側(cè)。單列輔機(jī)的煙道采用流線型布置，流場(chǎng)順暢，阻力小，煙道支架采用單跨布置，節(jié)約土建費(fèi)用，并縮短主廠房至煙囪的距離。