660 MW燃煤鍋爐三大風(fēng)機(jī)單列配置的可靠性分析

李雙江

(中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 石家莊 050031)

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)火電機(jī)組的配置情況，600 MW等級(jí)機(jī)組采用一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)(簡(jiǎn)稱三大風(fēng)機(jī))單列配置運(yùn)行的情況較少，且缺乏對(duì)機(jī)組可靠性的研究。某2臺(tái)660 MW超超臨界燃煤空冷機(jī)組，三大風(fēng)機(jī)均為單列配置，這種配置方式是在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用，以此為基礎(chǔ)，建立可靠性分析模型，分析單列配置可靠性相關(guān)問(wèn)題，可為采用鍋爐風(fēng)機(jī)單列配置的項(xiàng)目提供可靠性分析的參考。

1 三大風(fēng)機(jī)可靠性現(xiàn)狀

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)2011年發(fā)布的《200 MW及以上容量火電機(jī)組主要輔助設(shè)備運(yùn)行可靠性指標(biāo)》對(duì)全國(guó)200 MW及以上容量火電機(jī)組的磨煤機(jī)、給水泵組、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和高壓加熱器這五種輔助設(shè)備的可靠性及其對(duì)主機(jī)的影響進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)，其中送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)在2007年—2011年的運(yùn)行可靠性指標(biāo)見(jiàn)表1。

三大風(fēng)機(jī)單、雙列配置對(duì)主機(jī)的影響是不同的：?jiǎn)瘟信渲迷O(shè)備的不可靠會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)組的停機(jī)，而雙列配置中單個(gè)設(shè)備的不可靠通常會(huì)使機(jī)組負(fù)荷降低，但一般不會(huì)造成機(jī)組停機(jī)[1]。造成火電機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的設(shè)備主要是鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)這三大主設(shè)備，由三大主設(shè)備引發(fā)的非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間占到了全部非計(jì)劃停運(yùn)總時(shí)間的84.7%。燃煤鍋爐配套的風(fēng)機(jī)可靠性非常高，發(fā)生故障引起機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的可能性很小。

2 可靠性分析

2.1 術(shù)語(yǔ)解釋

(1) 可靠性：元件或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，將其稱為該元件或系統(tǒng)的可靠性[2-3]。

(2) 可靠性概率：為了描述一個(gè)元件或系統(tǒng)可靠性水平的高低，利用概率將描述可靠性的概念數(shù)量化[2-3]，為可用系數(shù)與計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)的和。

(3) 故障率：設(shè)備故障的概率，為100%減去可靠性概率。

2.2 假設(shè)條件

分析機(jī)組輔機(jī)單列配置的可靠性時(shí)，作出如下假設(shè)：

(1) 計(jì)劃停機(jī)可認(rèn)為是非輔機(jī)故障引起的機(jī)組停機(jī)，取用可用系數(shù)與計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)的和作為可靠性概率。

(2) 各種工況下的可用系數(shù)與計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)為固定值。凝汽式機(jī)組在夏天負(fù)荷高，故障率高、可用系數(shù)大；供熱機(jī)組在冬天負(fù)荷高，故障率高、可用系數(shù)大。鍋爐在100%、75%、50%負(fù)荷時(shí)的可用系數(shù)是不一致的，并且可能有很大差別，會(huì)直接影響計(jì)算，故在進(jìn)行可靠性計(jì)算時(shí)假設(shè)各種工況下可用系數(shù)及計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)為固定值。

(3) 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)本體、電動(dòng)機(jī)、電源等組件串聯(lián)組成，所取的可用系數(shù)按照整體考慮。

(4) 由于缺乏一次風(fēng)機(jī)可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，假設(shè)一次風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)可靠性概率相同。

(5) 三大風(fēng)機(jī)可靠性概率取表1中2009年、2010年、2011年所統(tǒng)計(jì)的全國(guó)機(jī)組輔機(jī)可用系數(shù)及計(jì)劃停運(yùn)系數(shù)之和的平均值，一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的可靠性概率為99.917%、引風(fēng)機(jī)可靠性概率為99.98%。

(6) 鍋爐本體、汽輪機(jī)本體，以及其他系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性概率是固定不變的，不因風(fēng)機(jī)的配置改變而發(fā)生變化。

(7) 由于只研究鍋爐風(fēng)機(jī)單列配置的可靠性，假設(shè)其他系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性概率是固定不變的。

2.3 邏輯框圖及可靠性計(jì)算

全廠可分成三個(gè)大系統(tǒng)，分別為：BOP(Balance of Plant)輔助系統(tǒng)，包括冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)；鍋爐本體及輔助系統(tǒng)，包括一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)和鍋爐本體；汽輪機(jī)本體及輔助系統(tǒng)，包括給水泵組、凝結(jié)水泵組、真空泵組、高壓加熱器給水及抽氣系統(tǒng)、汽輪機(jī)本體。以上三個(gè)大系統(tǒng)是按照某個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致全廠故障，即每個(gè)設(shè)備可靠性概率與機(jī)組可靠性概率是“與”的關(guān)系(可靠性概率相乘)。

2.3.1 邏輯框圖

全廠可靠性邏輯框圖見(jiàn)圖1。

其他系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性概率是固定不變的，4種風(fēng)機(jī)配置方案(方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)下機(jī)組可靠性框圖見(jiàn)圖2，其中：方案Ⅰ為三大風(fēng)機(jī)全部單列配置，方案Ⅱ?yàn)橐淮物L(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)單列配置、送風(fēng)機(jī)雙列配置，方案Ⅲ為送風(fēng)機(jī)單列配置、一次風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)雙列配置，方案Ⅳ為三大風(fēng)機(jī)全部雙列配置。

2.3.2 可靠性計(jì)算

根據(jù)概率分析理論中的加法乘法定理、互不相容事件、相互對(duì)立事件和二項(xiàng)式展開(kāi)定理，結(jié)合邏輯框圖2得出方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所對(duì)應(yīng)的可靠性概率P(Ⅰ)、P(Ⅱ)、P(Ⅲ)、P(Ⅳ)分別為：

P(Ⅰ)=P(K)·P(L)·P(M)

(1)

P(Ⅱ)=P(K)·[P(L1)+P(L2)-

P(L1)·P(L2)]·P(M)

(2)

P(Ⅲ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

P(L)·[P(M1)+P(M2)-

P(M1)·P(M2)]

(3)

P(Ⅳ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

[(P(L1)+P(L2)-P(L1)·P(L2)]·

[P(M1)+P(M2)-P(M1)·P(M2)]

(4)

式中：P(i)為設(shè)備i的可靠性概率。

2.4 綜合分析

2.4.1 輔機(jī)配置方式對(duì)機(jī)組可靠性的影響

不同的單列輔機(jī)配置方式對(duì)機(jī)組的可靠性是有影響的，機(jī)組可靠性概率隨輔機(jī)配置的變化見(jiàn)表2及圖3。

表2 機(jī)組可靠性概率計(jì)算結(jié)果

由表2可得：輔機(jī)對(duì)機(jī)組可靠性的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較小的，即使是全部單列配置，機(jī)組的可靠性概率也能達(dá)到99.8%以上，與全部雙列配置相比低0.186 4百分點(diǎn)，當(dāng)僅有一臺(tái)輔機(jī)單列配置時(shí)，可靠性概率僅降低0.082 9百分點(diǎn)。不同的輔機(jī)配置對(duì)機(jī)組可靠性的影響也是比較小的，每增加一臺(tái)單列輔機(jī)，機(jī)組可靠性概率下降僅0.020 0～0.083 5百分點(diǎn)。

2.4.2 設(shè)備可靠性對(duì)機(jī)組可靠性的影響

一次風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)可靠性概率按照94%～99%進(jìn)行取值，引風(fēng)機(jī)可靠性概率固定為99.98%，計(jì)算得到不同方案的機(jī)組可靠性概率(見(jiàn)表3及圖4)。

表3 一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)可靠性概率的影響計(jì)算結(jié)果

引風(fēng)機(jī)可靠性概率按照94%～99%進(jìn)行取值，一次風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)的可靠性概率固定為99.917%，計(jì)算得到不同方案的機(jī)組可靠性概率(見(jiàn)表4及圖5)。

表4 引風(fēng)機(jī)可靠性概率的影響計(jì)算結(jié)果

由表3、表4可得：三大風(fēng)機(jī)全部雙列配置時(shí)，機(jī)組可靠性對(duì)輔機(jī)可靠性的敏感性相對(duì)較小，當(dāng)輔機(jī)可靠性提高后，機(jī)組可靠性隨之提高，但提高的幅度不大，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)可靠性概率從94%提高到99%時(shí)，機(jī)組可靠性概率提高0.699百分點(diǎn)，引風(fēng)機(jī)可靠性概率從94%提高到99%時(shí)，機(jī)組可靠性概率提高0.350百分點(diǎn)；三大風(fēng)機(jī)全部單列配置后，機(jī)組可靠性概率變化較大，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)及送風(fēng)機(jī)可靠性概率從94%提高到99%時(shí)，機(jī)組可靠性概率提高9.648百分點(diǎn)，引風(fēng)機(jī)可靠性概率從94%提高到99%時(shí)，機(jī)組可靠性概率提高4.992百分點(diǎn)。

2.4.3 機(jī)組負(fù)荷的影響

按照年利用時(shí)間為5 500 h計(jì)算，以表5中的負(fù)荷分配模式為基礎(chǔ)建立趨勢(shì)分析模型，得到模式A、B、C、D的合計(jì)年運(yùn)行時(shí)間分別為7 060 h、7 360 h、7 510 h、7 890 h。

表5 機(jī)組負(fù)荷分配模式

由于不同的配置模式可能造成機(jī)組事故停機(jī)，設(shè)備故障停機(jī)將使每臺(tái)機(jī)組產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，由于變化趨勢(shì)相同，筆者只對(duì)三大風(fēng)機(jī)全部單列配置(方案Ⅰ)及全部雙列配置(方案Ⅳ)的情況進(jìn)行計(jì)算，故障損失費(fèi)用見(jiàn)表6及圖6。

表6 各工況故障損失費(fèi)用計(jì)算結(jié)果

由表6可得：模式A、B、C、D的方案Ⅰ故障損失費(fèi)用分別為191.4萬(wàn)元、191.4萬(wàn)元、191.4萬(wàn)元、192.0萬(wàn)元，模式A、B、C、D的方案Ⅳ故障損失費(fèi)用為0.054 3萬(wàn)元、0.050 3萬(wàn)元、0.262 2萬(wàn)元、0.257 5萬(wàn)元。

由圖6可得：三大風(fēng)機(jī)全部單列配置時(shí)，隨著機(jī)組調(diào)峰能力的增加，故障損失費(fèi)用明顯增加，而全部雙列配置時(shí)，故障損失費(fèi)用雖有增加，但是增加幅度不大。這說(shuō)明調(diào)峰機(jī)組在三大風(fēng)機(jī)全部單列配置后，對(duì)其可靠性要求更高，一旦停機(jī)將會(huì)面對(duì)更大的機(jī)組停機(jī)損失和更嚴(yán)重的后果，因此調(diào)峰機(jī)組在采用單列配置時(shí)需要更加謹(jǐn)慎，在確保輔機(jī)絕對(duì)可靠性的情況下才可采用單列配置。

3 可靠性保障及工程應(yīng)用

3.1 可靠性的保障措施

近年來(lái)國(guó)產(chǎn)三大風(fēng)機(jī)的可靠性已經(jīng)明顯提高，為保證單列配置的可靠性，主要采取如下措施：(1)選擇優(yōu)良設(shè)備，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、軸承、液壓缸、電動(dòng)執(zhí)行器、軸承測(cè)振、喘振報(bào)警、油站等，采用可靠性高的產(chǎn)品；(2)提高安裝、調(diào)試質(zhì)量；(3)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(4)提高電廠鍋爐輔機(jī)的可靠性指標(biāo)，必須加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；(5)防止誤動(dòng)、誤跳；(6)選擇可靠的儀表；(7)提高潤(rùn)滑和液壓油等輔助系統(tǒng)的可靠性。

3.2 工程應(yīng)用

該660 MW機(jī)組三大風(fēng)機(jī)均為單列配置，據(jù)電廠反映，機(jī)組投運(yùn)6 a以來(lái)，頻繁地進(jìn)行冷熱態(tài)啟停，作為深度調(diào)峰機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于變負(fù)荷工況，三大風(fēng)機(jī)單列配置后經(jīng)受住了較惡劣運(yùn)行環(huán)境的考驗(yàn)，沒(méi)有對(duì)主系統(tǒng)的運(yùn)行造成不良影響，未發(fā)生因單列配置造成的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)情況，主要輔機(jī)運(yùn)行情況良好。

輔機(jī)單列配置后，設(shè)備后期維護(hù)檢修工作量大大降低，設(shè)備維護(hù)及備件費(fèi)用較雙列配置機(jī)組大大降低，機(jī)組啟停更加便捷，全廠廠用電指標(biāo)在同類機(jī)組中處于領(lǐng)先地位，提升了電廠競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 三大風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性對(duì)機(jī)組可靠性的影響相對(duì)較小，即使是三大風(fēng)機(jī)全部單列配置，機(jī)組的可靠性概率也能達(dá)到99.8%以上，與三大風(fēng)機(jī)全部雙列配置相比，低0.186 4百分點(diǎn)，當(dāng)僅有一臺(tái)風(fēng)機(jī)單列配置時(shí)，可靠性概率僅降低0.082 9百分點(diǎn)。不同的輔機(jī)配置對(duì)機(jī)組可靠性的影響也是比較小的，每增加一臺(tái)單列配置的風(fēng)機(jī)，機(jī)組可靠性概率下降僅0.020 0～0.083 5百分點(diǎn)，可靠性概率降低較小。

(2) 三大風(fēng)機(jī)全部單列配置后，機(jī)組可靠性對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備本體的可靠性相當(dāng)敏感，當(dāng)設(shè)備可靠性比較差時(shí)，對(duì)機(jī)組的可靠性影響非常大，因此在三大風(fēng)機(jī)全部采用單列配置后對(duì)輔機(jī)設(shè)備的可靠性要求非常高，采取相應(yīng)措施提高可靠性，如采用可靠性高的設(shè)備。

(3) 隨著機(jī)組調(diào)峰能力的增加，三大風(fēng)機(jī)全部單列配置的故障損失費(fèi)用明顯增加，而全部雙列配置的故障損失費(fèi)用雖有增加，但是增加幅度不大。