3種汽動引風(fēng)機技術(shù)的應(yīng)用分析

薛 海， 楊文正

(國電南京電力試驗研究有限公司， 南京 210023)

目前，國內(nèi)電廠在役的鍋爐引風(fēng)機多為電動引風(fēng)機，而采用汽動引風(fēng)機技術(shù)，即用給水泵汽輪機驅(qū)動引風(fēng)機，能顯著降低廠用電率[1]，有效減少電動引風(fēng)機啟動對廠用電系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)的安全性[2]，同時增加電廠的售電收益[3]。當(dāng)前國內(nèi)汽動引風(fēng)機的改造技術(shù)主要有凝汽式汽動、背壓式汽動、背壓式汽電雙驅(qū)動、凝汽式汽電雙驅(qū)動，這4種技術(shù)各有優(yōu)缺點，大多數(shù)研究是對比驅(qū)動方式的不同，而對4種驅(qū)動技術(shù)的橫向?qū)Ρ妊芯枯^少。由于凝汽式汽電雙驅(qū)動技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較少，筆者僅對其他3種技術(shù)從電動引風(fēng)機改為汽動引風(fēng)機的角度出發(fā)，從設(shè)備配置、技術(shù)特點及經(jīng)濟性等方面進行分析比較，并分析這3種技術(shù)的差異。

1 汽動引風(fēng)機的配置

1.1 凝汽式汽動

圖1為凝汽式給水泵汽輪機驅(qū)動方案示意圖。

圖1 凝汽式汽動方案示意圖

該方案一般配置2臺50%容量的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，設(shè)2臺凝汽式給水泵汽輪機，需要設(shè)置供汽管道系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、凝汽器、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)等。由于引風(fēng)機改為給水泵汽輪機驅(qū)動，為滿足機組啟動需求及降低輔機故障減負荷(RB)工況下機組運行風(fēng)險，每臺機組設(shè)置1臺備用電動引風(fēng)機。

1.2 背壓式汽動

按熱用戶需求不同可將供熱分為工業(yè)供熱和采暖供熱。該方案一般配置2臺50%容量的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，設(shè)2臺背壓式給水泵汽輪機。由于給水泵汽輪機排汽直接排至供熱系統(tǒng)或主機熱力系統(tǒng)，因此不需要設(shè)置冷端系統(tǒng)。與凝汽式汽動方案相比，該方案可以減少凝汽器、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。為滿足機組啟動需求及降低RB工況下機組運行風(fēng)險，每臺機組設(shè)置1臺備用電動引風(fēng)機。

圖2為背壓式汽動方案示意圖。

圖2 背壓式汽動方案示意圖

1.3 背壓式汽電雙驅(qū)動

背壓式汽電雙驅(qū)動在石化行業(yè)應(yīng)用較多，在火力發(fā)電行業(yè)應(yīng)用較少[4]。該方案配置了2臺50%容量的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，設(shè)2臺背壓式給水泵汽輪機和2臺異步電動發(fā)電機。該方案與背壓式汽動方案相比，不同點主要有：(1)多設(shè)置了2臺異步電動發(fā)電機；(2)減速齒輪箱必須有離合器；(3)不用設(shè)置備用電動引風(fēng)機。

圖3為背壓式汽電雙驅(qū)動方案示意圖。

圖3 背壓式汽電雙驅(qū)動方案示意圖

1.4 3種方案對比

3種方案的主要設(shè)備配置情況見表1(“√”表示方案中配置該設(shè)備)。由表1可得：凝汽式汽動方案增加的輔助系統(tǒng)最多，需要占用的場地較多，且維護工作量最大；背壓式汽電雙驅(qū)動方案較背壓式汽動方案增加了2臺異步電動發(fā)電機，但是減少了備用電動引風(fēng)機，其系統(tǒng)配置更為簡潔，所需場地較少，且維護工作量最低。

表1 3種方案的主要設(shè)備配置比較

2 技術(shù)特點

當(dāng)前大多數(shù)火電機組在超低排放改造過程中煙氣系統(tǒng)的阻力有所增加[5]，原增壓風(fēng)機和引風(fēng)機合并等造成引風(fēng)機功率增加較多，造成電動引風(fēng)機啟動電流過大而造成6 kV廠用電母線電壓降低，對廠用電系統(tǒng)帶來沖擊，并且電動引風(fēng)機的廠用電率較高。另外，定速引風(fēng)機在中低負荷時不但效率較低，而且風(fēng)機葉輪的磨損較大[6]，而大功率電動機變頻改造又存在高成本、高故障率[7-8]等不利影響。因此，應(yīng)對大型火電機組汽動引風(fēng)機改造的可行性進行研究。

2.1 工作汽源的選擇

凝汽式汽動方案的汽源可選擇主機四段或再熱冷段的抽汽。選擇再熱冷段抽汽作為汽源時，蒸汽過熱度偏低，葉片水沖擊較大，若進行葉片抗水蝕處理，則成本增加較多，若不進行水蝕處理，汽輪機壽命將大大縮短[9]。若借鑒給水泵汽輪機汽源，將主機四段抽汽作為汽源，則可利用的焓降大且熱效率高，系統(tǒng)運行更為可靠[10]。所以對于凝汽式汽動方案，選擇主機四段抽汽作為汽源更為經(jīng)濟。

背壓式汽動方案的汽源可選擇再熱冷段、再熱熱段或者低溫再熱器出口集箱的抽汽，也可選擇主機汽輪機高壓缸、中壓缸的某級抽汽。從背壓式汽動改造案例看，大多數(shù)汽源選擇低溫再熱器出口集箱的抽汽，而不選擇再熱冷段和再熱熱段的抽汽，這主要是因為再熱冷段的蒸汽過熱度偏低，經(jīng)給水泵汽輪機做功后很容易進入濕蒸汽區(qū)，葉片受到的水沖擊較大[11]，而再熱熱段的蒸汽溫度參數(shù)則要求匹配材質(zhì)更好的供汽管道及閥門[7]。汽電雙驅(qū)動方案的汽源選擇與常規(guī)背壓式汽動方案一致。

2.2 實際改造前的注意事項

(1) 從鍋爐方面分析，若汽動引風(fēng)機的汽源是鍋爐低溫再熱器出口或蒸汽低溫再熱蒸汽管道抽汽，鍋爐的供汽能力及抽汽后對鍋爐受熱面安全運行的影響應(yīng)由鍋爐廠核算，且對汽動引風(fēng)機進行改造后，鍋爐換熱情況發(fā)生變化，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際對鍋爐受熱面進行綜合調(diào)整，達到不降低鍋爐效率及運行安全性的目的。

(2)從主機汽輪機方面分析，若汽動引風(fēng)機的汽源是鍋爐低溫再熱器出口或低溫再熱蒸汽管道，主機汽輪機是否能承受軸向推力的變化應(yīng)當(dāng)由汽機廠核算，并且需要對原主機汽輪機通流部分進行核算，確認改造方案是否影響主機汽輪機的夏季出力。

(3) 從給水泵汽輪機與風(fēng)機設(shè)計匹配方面分析，應(yīng)當(dāng)盡可能提高軸系運行的可靠性。一般情況下，齒輪箱由給水泵汽輪機廠家供貨，因此給水泵汽輪機廠家需要對風(fēng)機和齒輪箱的軸系進行扭振計算。

(4) 從引風(fēng)機本體方面分析，引風(fēng)機調(diào)速運行后，應(yīng)當(dāng)由風(fēng)機制造廠對葉輪和前導(dǎo)葉進行加固，提高其可靠性。

2.3 改造后存在的問題

汽動引風(fēng)機改造前雖然會對方案詳細地進行論證，但實際運行中仍然會存在個別問題，在對一些電廠進行調(diào)研后，主要歸納出如下一些問題供前期可研階段參考。

(1) 凝汽式汽動方案中的系統(tǒng)相對獨立，但是增加的輔助系統(tǒng)最多，運行中小故障較多、維護工作量大。

(2)背壓式汽動方案中的給水泵汽輪機的排汽全部回收至除氧器時，經(jīng)常會出現(xiàn)排擠四段抽汽的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致除氧器壓力升高，并進一步導(dǎo)致給水泵汽輪機進汽壓力偏大、排汽溫度過高等問題。

(3) 當(dāng)前火電機組逐步參與深度調(diào)峰，對于背壓式汽動和背壓式汽電雙驅(qū)動方案，改造后的機組不適合進行深度調(diào)峰，而采用凝汽式汽動方案的機組在深度調(diào)峰過程中的適應(yīng)性較強。

(4) 無論采用何種類型的汽動引風(fēng)機技術(shù)，機組在啟動過程中，并入第2臺汽動引風(fēng)機操作難度較大，對運行人員的技術(shù)水平要求較高。

(5) 采用背壓式汽動方案的機組由于軸封漏汽量大，普遍存在著潤滑油質(zhì)不合格的情況，濾油工作量較大。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 比較方法

我國現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度模式是電網(wǎng)調(diào)度直接控制入網(wǎng)機組的發(fā)電功率，但以主變壓器出口端的上網(wǎng)電量來結(jié)算(見圖4)。采用汽動引風(fēng)機可以顯著降低電廠的廠用電率，提高電廠對外售電量，但是基于目前驅(qū)動引風(fēng)機的給水泵汽輪機效率低于主機汽輪機效率的現(xiàn)狀，采用汽動引風(fēng)機方案必然會增加電廠的發(fā)電煤耗，廠用電率雖有下降，但是機組整體循環(huán)效率還是會低于采用電動引風(fēng)機方案[3]。因此，汽動引風(fēng)機改造后的經(jīng)濟效益為增加的對外售電量收益扣除多耗煤的燃料成本和和各項固定成本之后的效益[12]。

圖4 電網(wǎng)的調(diào)度模式

3.2 經(jīng)濟性比較

表2以某600 MW機組(1臺機組)為例，對3種汽動引風(fēng)機方案的經(jīng)濟性進行對比，案列中給水泵汽輪機排汽均回到主機熱力系統(tǒng)，不對外進行供熱。

表2 投資額及回收年限的比較

由表2可得：背壓式汽電雙驅(qū)動方案的投資額最高，對應(yīng)的凈收益也最高，而凝汽式汽動方案的靜態(tài)投資回收年時間最短，但不同類型應(yīng)用方案之間的回收年限差別較小。如果機組有工業(yè)供熱需求，背壓式汽動方案和背壓式汽電雙驅(qū)動方案能夠更好地滿足供熱參數(shù)的要求，并且能夠利用高品質(zhì)的蒸汽做功，考慮供熱收益后其靜態(tài)投資回收時間可控制在3 a以內(nèi)。因此，采用背壓式汽動方案和背壓式汽電雙驅(qū)動方案更為經(jīng)濟，且后者更具優(yōu)勢。若機組無工業(yè)供熱需求，則采用凝汽式汽動方案更為經(jīng)濟。

4 結(jié)語

(1) 凝汽式汽動方案所增加的輔助系統(tǒng)最多，需要占用較多的場地，且維護工作量最大。背壓式汽電雙驅(qū)動方案較背壓式汽動方案增加了2臺異步電動發(fā)電機，但是減少了備用電動引風(fēng)機，其系統(tǒng)配置更為簡潔，所需場地也較少，且維護工作量最低。

(2)汽動引風(fēng)機改造前需要結(jié)合工作汽源對鍋爐、主機汽輪機仔細校核；同時對引風(fēng)機本體、給水泵汽輪機與風(fēng)機設(shè)計的匹配性等方面進行研究。改造前的系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)重點考慮機組的深度調(diào)峰及給水泵汽輪機排汽回收問題。

(3) 汽電雙驅(qū)動方案是3種方案中投資額最高、凈收益最高的方案，盡管其靜態(tài)投資回收時間不占優(yōu)勢，但與其他方案的差距較小。該方案具有較為簡潔的設(shè)備配置、較少的占地面積及更高的可靠性，尤其是給水泵汽輪機排汽有相匹配的熱用戶消納時，背壓式汽電雙驅(qū)動方案的技術(shù)優(yōu)勢更為突出。