660 MW火電機組軸流式引風機驅動系統分析

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

0 引 言

鍋爐引風機作為火力發電廠的重要輔機，在保持鍋爐爐膛燃燒壓力穩定的前提下，抽吸鍋爐燃燒產生的煙氣，經脫硝、除塵、脫硫后排放到大氣中。在電廠的方案設計中,既要確保引風機運行的可靠性,又要達到引風機的節能需求，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。

隨著近年國內燃煤發電廠大容量、高參數的發展趨勢,使鍋爐引風機的容量也隨之越來越大。當其與脫硫增壓風機合并，稱作“增引合一”引風機，當考慮脫硝阻力后，成為“三合一”引風機，其功率僅次于給水泵的大功率輔機。由于超低排放的環保標準要求電廠不斷進行脫硫脫硝系統的改建,這些環保設施必然引起鍋爐煙氣阻力進一步增大，導致引風機的功率也不斷增加。而合理選擇引風機的驅動方式,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機組引風機實際運行狀況，得出當前引風機存在選型偏大、電機容量與風機容量不匹配等問題，建議引風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機節能效果計算模型，計算分析得出汽動引風機系統是否節能取決于機組運行負荷的高低。文獻[3]提出了一種實現電站鍋爐大型軸流式風機汽電雙驅的軸系結構，可解決傳扭中間軸和電機轉子熱態膨脹問題，并避免由此引起的軸系振動，實現電站鍋爐大型軸流式風機汽電雙驅動。本文以某燃煤電廠660 MW機組引風機增容改造為分析對象，對引風機采用電動機驅動、汽輪機驅動、以及汽電雙驅三種不同驅動方案進行比較，分別計算初投資、耗煤量、廠用電量并進行技術及經濟性分析。

1 660 MW火電機組引風機系統

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、引風機增容改造。其中引風機增容改造工程每臺鍋爐配置2臺引風機。選型參數見表1。

表1 增容后引風機基本選型參數

1.2 引風機驅動方案及調節方式的選擇

660 MW等級火電機組的引風機采用電動機傳統驅動方式時,一般采用定速電動機來驅動動葉可調軸流風機，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致設備跳閘的問題，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%容量引風機，TB工況下(即Test Block，此工況點的風量、風壓為風機能力考核點，即鍋爐最大連續出力并考慮風量、風壓裕量后的風機工況)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，采用了小汽機驅動引風機方式，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。汽輪機驅動的引風機可以解決引風機啟動時電流過大的問題，并大大降低廠用電率，提高機組上網電量，同時還可以通過不同負荷下小汽輪機的轉速調節,有效提高引風機在低負荷工況運行下的效率,使風機保持高效運行。采用小汽輪機變轉速驅動靜葉可調軸流風機,將蒸汽的熱能直接轉化為機械能,減少能量轉換環節和能量損失，但由于需要從主汽輪機抽汽，所以機組熱耗及發供電煤耗都會增加,管路系統復雜。特別是采用汽動方式時，小汽輪機軸功率要滿足引風機的TB工況下的軸功率，導致小汽輪機的設計軸功率與正常運行時引風機所需的驅動功率偏離較大，使小汽輪機在運行中進汽調節閥開度偏小，機組在50%～100%負荷運行工況下，小汽輪機的進汽調節閥門閥位大約僅為30%～50%左右，效率偏低[4]。

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

可見，汽電雙驅結合了電動機驅動和小汽輪機驅動的特點，優勢互補。由于小汽輪機全程處于閥門全開工況運行，較現有汽動引風機方式減少了小汽機進汽節流的損失，從而提高了整體運行效率。

2 不同驅動方式的設備配置分析

2.1 電動引風機方案配置

需兩臺50%容量的動葉可調軸流風機，并配兩臺功率約為9 200 kW電動機,無其他輔助設備，系統簡單。

2.2 汽動引風機方案配置

需兩臺50%容量的靜葉可調軸流風機，配兩臺驅動小汽輪機。小汽輪機主要參數如表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，并設凝結水泵及抽真空系統及小機供汽系統及循環冷卻水系統。

2.3 汽電聯合驅動引風機方案配置

需兩臺50%容量的動葉可調軸流風機，配兩臺驅動小汽輪機和兩臺驅動電動機。小汽輪機主要參數表如表2所示，與汽動方案中的小汽機僅是容量、低負荷時內效率的不同，汽水系統的設置，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，兩臺小機凝結水泵及獨立的小機抽真空系統及小機供汽系統。機組啟動時，利用電動機啟動引風機。

表2 小汽輪機主要參數表

按照風機在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合驅動，電動機功率按4 000 kW設計。小汽輪機轉速較高約為5 500 rpm，引風機轉速較低，約為750 rpm，汽電聯合驅動引風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，電動機轉速與引風機匹配，即約為750 rpm。因此，引風機與小汽機之間存在較大的轉速比，所配置的變速離合器需同時滿足大功率、高轉速(輸入端)、大速比的要求，變速離合器效率一般大于98%。

3 引風機驅動方式配置方案的技術經濟分析

3.1 初投資比較

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

在上表中，由于汽電聯驅引風機方案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機的TB工況下的軸功率，而汽電聯驅C按照BRL工況下的軸功率配置小汽機,導致小汽機設備以及相關的循環水系統的投資費用都有所不同。

表3 引風機驅動方案初投資比較表(兩臺機組量)

3.2 耗煤量及上網電量的比較

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,,負荷調節快范圍大,維護工作量少。電動機效率較高為98%；而引風機的效率在60%～80%變化，低負荷時效率變差。汽動方案B，操作復雜，啟動速度較慢，負荷變化率較慢，而且負荷調節范圍受小汽機的臨界轉速控制，維護工作量多。正常運行引風機由小汽輪機變轉速調節，其效率在70%～82%變化，尤其在低負荷時，小汽輪機和引風機的效率都低。汽電雙驅方案C，操作復雜，啟動速度快，負荷調節范圍大，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。

不同方案的差額發電成本主要為燃料成本的差額，可以根據機組年運行模式，和對應的機組負荷下發電標準煤耗計算確定[2]。基于等效焓降法進行熱經濟性計算，并綜合考慮機組全年按5 000運行小時，負荷率80%。按照加權平均的方法，計算各方案的經濟指標如下表4(兩臺機組)。

表4 主要經濟指標對比表

可見，采用汽動或汽電雙驅引風機方案時，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，則發電熱耗會有所增加。以A方案為基準，B,C方案增加的發電標準煤耗分別是6.49 g/kW·h和6.05 g/kW·h，年發電標煤耗量分別是4.3萬t、4.0萬t。汽電雙驅相比汽動方案煤耗量有所降低，相對減少了發電成本。

在廠用電負荷方面，電動引風機方案的電耗主要為電動機，汽動方案引風機廠用電耗包括小機供油裝置、小機凝結水泵、真空泵和循環水系統等設備的電耗，汽電雙驅方案引風機廠用電耗包括汽動方案中設備及電動機電耗，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電機回收部分電能至廠用電系統。所以，以A方案為基準，B,C方案廠用電負荷減少，即年上網電量分別增加了7 701萬t和7 978萬t。采用汽電雙驅使廠用電率降低1.53%，進一步增加了發電收益。

3.3 技術經濟分析比較

以電動驅動引風機為基準，對三種方案進行技術經濟比較，如表5所示。

表5 技術經濟比較表

以上計算中，標煤價按照500元/t，上網電價取0.353 8元/kWh。年檢修維護費用為設備費用的10%。由計算結果可知，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合驅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，盡管汽電雙驅引風機方案和汽動引風機方案的年燃煤費用、初投資均高于電動引風機方案，但節省了廠用電，增加了上網電量，故電廠全年運行收益要好于電動引風機方案[5]。

4 結 論

(1)汽電雙驅引風機方案中由于小汽機進汽保持100%開度，減少節流損失，運行效率高于汽動引風機方案。而且引風機采用動葉調節風機，在低負荷的工況下，風機效率優于靜葉調節風機。

(2)引增合一后引風機軸功率達到了8 655 kW，采用汽電聯合驅動方案來驅動動調引風機，不僅避免了高廠變容量受限，而且在低負荷情況下，通過異步發電機回收部分電能至廠用電系統，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)采用汽電雙驅引風機方案，本體及其輔助系統復雜，除了需要配備汽動引風機方案中的所有輔助設備，還需設置一臺電動機。其系統包括供汽系統、潤滑油及控制油系統、軸封系統、本體疏水系統等，由于設置獨立的凝汽器，還要增加小機循環冷卻水系統、真空系統和凝結水系統。與電動機驅動的引風機比較，設備多且布置復雜，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機汽電雙驅系統采用汽動為主、汽電雙驅的方式，適應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，從而解決當前火電廠環保設備增多、引風機容量增大所帶來引風機出力不足、以及設備投資大、耗電率大的問題。研究成果將實際應用于火電廠新建工程和改造工程，尤其對于當前山西省超低排放改造工程中配套引風機和增壓風機合并改造有很好的推廣價值。