660 MW超超臨界鍋爐單輔機系統設計及應用

顧 欣，葉勇健，鄧文祥

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

0 引言

近些年來，隨著我國電力設備制造能力、運行水平以及控制技術的提高，逐漸開始在350 MW、600 MW級機組工程的設計中提出單列輔機系統的配置和布置方案。鍋爐輔機單列配置是指每臺鍋爐的空氣預熱器、一次風機、送風機、引風機(增壓風機)采用一臺全容量設備[1]。單列輔機配置在國際上已經有比較成熟的經驗，德國火電機組的煙風系統大多采用單列輔機的配置方案[2]。2009年中國國電集團公司將布連電廠2×660 MW超超臨界燃煤空冷機組列為主要輔機單列配置的試點工程，鍋爐的空預器、送風機、一次風機、引風機以及增壓風機均采用單列配置方案[3-7]。

平山電廠一期2×660 MW機組在借鑒國內外煙風系統單列輔機配置的基礎上，總結國電布連電廠等單列輔機配置的設計和運行經驗，充分考慮技術可靠性、選型經濟性并優化單列輔機的系統和布置方案，2臺機組風煙系統運行平穩，經濟性較好，為同類型單列輔機系統的設計、輔機選型以及布置等提供借鑒和依據。

1 單列風機的機組可靠性分析

1.1 可靠性理論

發電設備(包括機組、輔助設備)可靠性，是指設備在規定的條件下和規定的時間區間內完成規定功能的能力。要對一個系統或設備的可靠性進行評價，首先要了解衡量可靠性的指標。

中電聯每年發布的《全國電力可靠性指標》，對輔機可靠性的統計主要包括五項指標，分別為運行系數、可用系數、計劃停運系數、非計劃停運系數和非計劃停運率[8]。這五個指標中可用系數和非計劃停運率是與設備可靠性最直接關聯的指標。

1.2 可靠性分析

1.2.1 可靠性框圖

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

1.2.2 機組非計劃停運概率計算

對于雙列輔機配置，當單側設備出現故障時，機組可采用非計劃減負荷運行，機組避免停運；而對于單列配置，任何一個輔機出現故障機組只能非計劃停運。從非計劃停機運行和非計劃減負荷運行兩個方面來分析600 MW等級機組輔機配置對其可靠性的影響。

雙列風機的可靠性概率K'及非計劃停運概率S'計算按式(1)和式(2)。

單列風機的可靠性概率K及非計劃停運概率S計算按式(3)和式(4)。

式中：K、L、M分別表示一次風機、送風機、引風機，見圖1。

以中電聯2015年統計數據為例計算風機雙列及單列配置可靠性概率和非計劃停運概率。雙列配置的送風機的運行可靠性為99.99% (非計劃停運率即失效性概率為0.01 %)，引風機的運行可靠性為99.95 % (非計劃停運率即失效性概率為0.05 %)，中電聯統計數據中無一次風機運行可靠性數據，這里假設一次風機的可靠性數據與引風機相同，一次風機的運行可靠性按99.95 %計算。

根據可靠性概率計算，雙列配置和單列配置的可靠性概率和非計劃停運率見表1。

表1 風機雙列及單列配置非計劃停運概率

對于雙列輔機配置，只有當并行設備同時出現故障時，機組才會跳閘停機。這里我們認為雙列輔機的配置，當其中單側輔機出現故障時，不影響另外一側輔機的運行，機組能夠成功降負荷運行。雙列風機配置，機組每十萬小時運行時間中會因為風機事故出現0.051 h的非計劃停運。

對于單列風機配置，任何一個設備發生故障，機組均會發生非計劃停運。單列風機配置的非計劃停運率為0.11 %，風機單列配置每十萬小時的運行時間中會出現110 h的非計劃停運。可見單列風機配置的機組非計劃停機概率比雙列風機大。

1.2.3 機組非計劃減負荷概率計算

對于雙列風機配置來說，當任何一側的風機出現故障時，機組均須減負荷運行。雙列風機的非計劃減負荷運行概率按式(5)和式(6)計算。

風機雙列及單列非計劃減負荷概率見表2。雙列配置風機系統的機組發生減負荷運行概率為0.219 8 %，既相當于每十萬小時的運行時間中會出現219.8 h因為風機故障而造成的非計劃減負荷運行。單列輔機配置不會出現非計劃減負荷運行情況，但可根據運行需求，計劃內主動減負荷運行。

表2 風機雙列及單列非計劃減負荷概率

1.2.4 風機配置對機組運行可靠性影響

通過機組雙列風機配置和單列風機配置運行時發生非計劃停機和機組非計劃減負荷運行的概率計算，可見，對于雙列風機配置，雙側設備同時發生故障，機組發生非計劃停機的概率非常低；當單側設備發生故障時，若能成功快速減負荷(runback，RB)，機組可非計劃減負荷運行。對于單列風機配置，每臺設備發生故障，機組均會發生非計劃停運。

實際上對于雙列輔機配置，設備單側故障時，可能會由于系統的連鎖或互沖影響，對另一側輔機的正常運行產生擾動，有可能會導致整個機組故障，嚴格意義上不能作為互不相干的雙臺設備，這與電廠的管理和運行水平都有較大關系。

由中電聯的統計數據可知[8]，2012～2016年送風機的非計劃停運率都非常低，2016年送風機的非計劃停運率為0，其它年份為0.01%。引風機的非計劃停運率分別為0.03%、0.03%、0.03%、0.05%、0%。由此可見，隨著風機設備質量的提高、電廠運行管理水平的增強，國內的風機故障率越來越低，由于風機故障引起非計劃停運概率越來越低，因此在660 MW超超臨界機組中，重視風機設備的采購質量，尤其是關鍵部件，三大風機單列配置已經沒有較大的風險。

2 單列輔機系統及布置設計

2.1 單列輔機煙風系統

平山電廠一期2×660 MW機組鍋爐為超超臨界塔式鍋爐，鍋爐緊身封閉。鍋爐單列輔機配置煙風系統見圖2。當鍋爐單列配置時，一次風機、送風機和引風機出口的關斷門均可以取消；空預器一次風進出口隔離門、空預器二次風出口隔離門也可以取消[11]。因此，單列輔機配置的煙風系統得到很大的簡化，系統阻力降低，運行經濟性會有所提高。另外不存在2 臺風機搶風、運行不均衡而帶來的風機實際效率下降的問題[12]。考慮到一次風機壓頭比較高，大容量鍋爐單輔機運行和控制經驗不足，一次風機出口隔離門保留；同時考慮到引風機檢修時隔斷脫硫系統和煙囪，引風機出口隔離門保留；為提高鍋爐效率，送風機設計考慮室內和室外雙吸風，送風機室內和室外吸風管段上各設置一個隔離門，用于切換吸風方式。

2.2 單列輔機的設備選型

鍋爐的空氣預熱器采用單列，空氣預熱器轉子φ19 824 m，雙道/三道密封設計。預熱器正常轉速1.0 rpm，輔助傳動轉速0.25 rpm。

單列輔機配置三大風機選型的主要參數見表3。采用單列輔機配置，系統設計簡單，管道系統取消了大部分風門，相對雙列風機，管道布置更加流暢，煙風系統的風機選型阻力會減少 80～120 Pa。

表3 單列輔機配置三大風機選型的主要參數

2.3 單列輔機配置的煙風道布置

在單列輔機的風系統中，雙列布置的聯絡風道取消，布置更加簡潔、流暢，節約煙風道的材料，并且檢修維護工作量降低。如果不考慮室內吸風，一次風機和送風機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機組送風機采用室內和室外雙吸風，因此送風機布置在爐側，單列輔機的一次風機和送風機進出口風道布置見圖3。送風機吸風口沿著爐側鋼架上至爐頂，實現室內吸風布置。

除塵器前的煙道為一臺空預器出口分四路進入兩臺雙室五電場除塵器的四個通道，圖4為單列輔機除塵器前煙道布置圖。對于塔式鍋爐，空預器出口的煙道可以設計與除塵器進口接近一致的標高，然后由空預器出口煙道引出4個出口分別連接至除塵器入口。為保證除塵器4個通道的流場、粉塵分布均勻，煙道的設計通過數值模擬分析，并吸收國外單輔機布置的經驗，煙道布置盡量采用流線型，保證四個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器出口至除塵器間的距離，煙道支架采用單跨設置，跨距為13.5 m，相比雙列布置18～20 m的雙跨布置，節約土建成本。同時流線型煙道布置有效縮短主廠房A排至煙囪的距離，節約廠房占地。

除塵器出口煙道為4個除塵器通道合并進入一臺引風機進口，圖5為單列輔機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，煙氣流場順暢，阻力小，同時煙道采用單跨，節約土建費用。

3 結論

1)對鍋爐單列配置的機組可靠性進行分析，單列輔機配置中任何一個設備發生故障時，機組均會發生非計劃停機。因此單列輔機配置時，需盡量提高設備的可靠性，使得機組非計劃停機概率盡量減小。單列輔機配置不存在非計劃減負荷運行狀況，而相比較而言，雙列輔機配置將會產生較大概率的非計劃減負荷運行狀況。隨著設備制造能力的提高，三大風機的可靠性概率越來越高，單列風機配置的非計劃停運概率為0.11 %，通過提高設備關鍵部件的可靠性，可進一步提高單列輔機的可靠性。

2)鍋爐輔機單列配置，簡化了煙風系統，風機進出口風門以及空預器進出口風門可取消，使得煙風道系統阻力降低，煙風系統的風機選型阻力會減少80～120 Pa，機組的運行經濟性略高。

3)單列輔機煙風道布置，不需要聯絡風道，布置更加簡潔、流暢。送風機為了實現爐頂吸風，布置在每臺鍋爐外側。單列輔機的煙道采用流線型布置，流場順暢，阻力小，煙道支架采用單跨布置，節約土建費用，并縮短主廠房至煙囪的距離。