350 MW超臨界供熱機組輔機單列設計與應用

徐福海，王文斌

(1.神華國華廣投(柳州)發電公司，廣西 柳州 545600; 2.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046)

0 引 言

隨著新能源發電機組的不斷發展，傳統火電機組的市場空間逐漸萎縮，加之燃煤價格不斷上漲，火電廠基本處于虧損邊緣，嚴峻形勢逼迫火電廠降低發電成本、提高火電機組競爭力，扭轉經營困境[1]。國華柳州電廠項目前期原設計重要輔機按照常規的一用一備傳統雙列設計，為了節約投資，降低廠用電率，減少運維成本，提高機組效率，將鍋爐三大風機、空預器、汽動給水泵優化為單列設計布置[2-3]。為了保障發電和供熱雙重安全，對供熱機組的單列設計布置提出更高的挑戰和要求，必須在以往純凝機組單列設計的基礎上，采取更加先進可靠的技術管控措施。

1 背 景

1.1 工程概況

國華柳州電廠2臺350 MW熱電聯產新建工程，鍋爐型號HG-1150/25.4-YM1，哈爾濱鍋爐廠生產超臨界變壓直流燃煤鍋爐，單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、Π型布置、全露天布置。

汽輪機型號CLN350/250-24.2/1.6/566/566，哈爾濱汽輪機廠制造，型式采用超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、雙抽汽凝汽式濕冷機組，中壓缸旋轉隔板控制中壓抽汽量，單機最大供汽量400 t/h。

1.2 國內外單列設計應用

為提高機組運行經濟性，節省投資，近年來各大發電集團陸續提出機組輔機單列配置的技術路線。由于電站輔機設計技術和加工制造水平的不斷提升，輔機的可靠性也隨著不斷提高，為單列輔機布置在新機組的設計應用奠定了堅實的設備基礎。

近年來國外陸續投產單列輔機配置的發電機組。比較典型的是6臺800 MW德國RWE電廠項目、2臺600 MW日本磯子電廠項目以及1臺890 MW ENBW電廠項目。2002年4月發電運行的2臺600 MW日本磯子電廠，運用一次風機、送風機、空預器單列設計配置。6臺800 MW德國RWE電廠項目和1臺890 MW ENBW電廠項目，鍋爐全部采用送風機、引風機、一次風機、空預器單列配置，有效簡化系統，為電廠日常運行維護創造了優勢[4-5]。

而在我國，華能伊春350 MW機組和國電布連660 MW機組以及華能西寧350 MW機組，鍋爐均采用一次風機、引風機、送風機、空預器單列設計配置。國內外這些工程實踐為單列設計應用積累了大量寶貴經驗[6]。

1.3 重要輔機可靠性分析

自20世紀90年代以來，隨著設計、加工制造、安裝調試技術的日益創新和逐步提高，電站輔機的可靠性也在不斷提升，從圖1可以看出，送風機、引風機和給水泵的等效可用系數逐年提高。鑒于大型輔機的可靠性已完全過關，為單列設計應用奠定了牢固基礎。

圖1 200 MW以上等級機組主要輔機等效可用系數

2 單列、雙列方案對比分析

在工程的可研方案論證階段，原則是鍋爐三大風機(一次風機、送風機、引風機)、空氣預熱器、汽動給水泵和小汽輪機進行單雙列設計布置對比，綜合機務、電氣、熱工等專業，開展技術經濟比較。

2.1 風機效率對比

風機單列設計布置后，由于系統簡化、系統流程縮短，系統阻力損失降低，可以避免雙列布置風機低負荷時“大馬拉小車”和低負荷搶風[7]損失，并遠離低負荷喘振點和低效區，風機始終運行在高效區，單列風機效率明顯比雙列設計提高，從表1可以看出，50%負荷時三大風機單列設計配置比雙列配置降低功率5.12%。

表1 50%工況下的功率及效率

2.2 技術指標對比

從表2可以看出，小汽輪機從雙列優化為單列后，汽機熱耗直接降低約15 kJ/(kW·h)，當機組采用單列輔機設計配置后，機組的廠用電率比常規雙列設計配置減少0.95%。汽機熱耗和廠用電率等經濟指標參數降低，累加使供電煤耗降低2.9 g/(kW·h)，產生非常好的節能經濟效益。

表2 機組滿負荷主要技術指

2.3 工程造價對比

采用輔機單列布置，所有設備均按全壽命設計，可有效減少機組冗余配置，大幅降低設備投資。機組采用送風機、引風機、一次風機、空預器、給水泵單列方案，與常規雙列設計方案相比，2臺機組合計降低工程造價2 640.72 萬元，詳見表3[8]。

表3 單雙列布置綜合投資比較表

2.4 日常運行維護費用對比

輔機單列配置能夠降低機組廠用電率和供電煤耗，提高機組運行經濟性，有效節約機組運行費用。同時由于設備數量減少一半，日常的維護備件耗材和人工都明顯降低，二者合計，2臺機組每年可節約運行維護費用115.99 萬元，詳見表4。

表4 單雙列配置運行維護費用比較表

2.5 可靠性分析

根據風險概率數值模擬計算，在小于50%負荷工況下，雙列輔機設計機組的可靠性概率從0.999 899 73下降到單列輔機設計的可靠性概率0.989 109 27，機組的可靠性概率減小1.07%，但機組在50%負荷工況下運行的幾率微乎其微，因此這個可靠性概率下降是完全可以忽略和接受的。

而在大于50%負荷工況下，雙列輔機設計機組的可靠性概率從0.978 337 14提高到單列輔機設計機組的可靠性概率0.988 812 53，機組可靠性概率上升1.05%。機組的安全可靠性提高的主要原因是單列輔機配置的機組設備減少、流程順暢、系統簡單、故障風險點減少，運行操作簡單，人工誤操作幾率減小。這也正是單列設計反而超越雙列設計的優勢。

2.6 最終方案

經過多次設計優化，結合技術和經濟分析對比，單列設計配置方案遠優于雙列方案。

最終確定工程設計方案采用單列設計配置，其技術路線為：鍋爐一次風機、送風機、引風機、空氣預熱器、汽動給水泵和小汽輪機單列設計，取消脫硫增壓風機，實施引風機和增壓風機合一，見圖2。汽動給水泵和小汽輪機采用100%容量、同軸布置、無備用電動給水泵[9]，見圖3。

圖2 單列設計風煙系統圖

圖3 單列設計給水系統圖

3 提高可靠性措施

3.1 三大風機與國內其他單列項目對比

從表5可以看出，該工程風機本體和電動機采用國內廣泛應用的國產成熟頂級品牌，在保證可靠性的同時進一步降低工程造價。

表5 不同電廠三大風機配置比較

3.2 三大風機優化配置

油站：送風機和一次風機采用動葉調節機構，配套復雜的液壓調節系統。常規配置國產油站液壓缸、伺服馬達以及軸承箱等處的密封元件容易出現老化現象，經常發生油站部件內外漏，影響調節的靈敏度和精度，降低其調節機構的可靠性。雖然國產調節機構經過多次技術改進，但依然是故障相對集中的部位，而且國產液壓元件存在質量不穩定的問題，從而降低風機的安全可靠性。原設計雙列風機油站采用國產產品，液壓油與潤滑油站整體設計、油箱合并為一個。此次單列風機油站設計優化配置采用進口產品，液壓油與潤滑油站整體設計，油箱和油路各自獨立，同時提高油站密封材料等級，改用更耐腐蝕的密封材料，杜絕滲漏點，提高油系統的安全可靠性。

三大風機軸承和變送器采用進口產品，測溫裝置從單只優化為雙支。風機軸承測振裝置原設計雙列配置方案采用國產產品，每套含2個探頭及1臺就地監測儀。單列配置后，采用與主機一樣標準的進口艾默生產品，含4個測振探頭及1個鍵相探頭。

3.3 給水泵設計優化配置

3.3.1 機務

1)給水泵芯包和機械密封以及最小流量閥從國產產品更改為進口產品，同時采用進口減速機。

2)前置泵進口單濾網布置：為了防止給水細小顆粒堵塞濾網導致給水泵停運，原設計前置泵進口濾網采用雙濾網[10]。但此配置給水系統復雜，加大給水系統損失，降低泵組的運行經濟性。因此，前置泵進口濾網優化設計為單濾網，給水系統簡化、減小系統阻力損失，提升泵組經濟性。

3.3.2 熱控系統

常規雙列配置采用2臺差壓型變送器測量給水泵流量，1臺壓力變送器測量給水泵入口壓力；單列配置后給水泵流量測量改為3臺進口差壓變送器，給水泵入口壓力測量采用3臺進口壓力變送器。給水入口壓力、潤滑油壓、給水流量和排汽壓力測量采用三冗余配置。

3.4 小汽輪機

3.4.1 小汽輪機與主機共用凝汽器

小汽輪機不單獨配置凝汽器，排汽經過管道直接排進主機凝汽器，與常規的全容量給水泵組布置單獨的凝汽器[11]比較，此次設計配置方案取消不必要設備配置，縮短排汽系統流程，減小排汽系統損失，提高可靠性和經濟性，并降低設備投資。

3.4.2 熱控系統

原雙列配置方案MTSI安全監視儀表采用EPRO MMS6000；單列配置后MTSI安全監視儀表升級采用EMERSON CSI6500，采用雙冗余電源供電方式。測振裝置二重冗余，軸向位移二重冗余，調節汽門配備雙支LVDT，配置雙端萬向節及安裝支架；前后軸承及推力軸承安裝雙支三線制鉑熱電阻，小汽輪機前后徑向軸承溫度PT100各1支，推力瓦工作面2支，非工作面2支，獨立引至本體接線盒。

3.5 空預器

原雙列設計配置三分倉式空預器，三分倉分為一次風倉、煙氣倉和二次風倉，漏風率設計保證值8%。單列配置后空預器優化升級為四分倉布置，見圖4 。四風倉空預器較三風倉空預器在結構上有區別，通過減少風倉和煙倉壓差，并采用柔性密封，漏風率設計保證值下降到4.5%，與三分倉比較，漏風率下降3.5%，按照漏風率每下降1%煤耗降低0.14 g/(kW·h)計算，四分倉設計煤耗降低0.49 g/(kW·h)，有效提高機組的經濟性。

圖4 三分倉和四分倉空預器機構圖

3.6 提高管控等級

為了保證單列設備絕對安全可靠，避免單列設備問題造成機組非停，按照主機標準對所有單列配置輔機進行技術質量的升級管控，從每個環節嚴格把控質量，擴大和提高質檢點范圍和等級，充分發揮施工調試監理和駐廠監造代表的作用，當前工序驗收不合格絕不允許進入后續工序。擴大金屬監檢和監督檢查范圍，第一時間發現小汽輪機前軸瓦面輕微裂紋、小汽輪機低壓調速汽門螺栓硬度和材質不符合標準等缺陷。

4 應用效果

2014年10月29日開工，工程全部節點一次成優，一次啟動并網成功，2臺機組分別于2016年10月27日、2016年12月26日通過168試運后投產發電。4年來全部單列設備長周期安全可靠運行，無重大缺陷和問題，等效可用系數優于常規雙列設計配置機組，實現單列設計既定的安全性和經濟性目標，機組驗收性能試驗數據(見表6)表明各項技術指標全部優于設計值，2臺機組與原雙列設計保證值比較，空預器漏風率分別下降3.76%、3.85%，鍋爐效率分別提高0.93%、0.84%，廠用電率分別下降2.44%、1.87%，供電煤耗分別下降5.08 g/(kW·h)、3.35 g/(kW·h)，創造了良好的經濟效益和社會效益。

表6 單列方案的現場運行效果評價

5 結 語

1)該工程生產實踐證明，輔機單列設計應用技術是可行的，具有安全性、可靠性，能夠保障機組長周期安全運行。

2)與常規雙列設計相比，機組采用輔機單列設計應用，能夠有效降低工程造價，減少基建投資，適用于新建燃煤火電工程，具有可推廣性。

3)機組具有更高的運行經濟性，能夠降低日常運行維護成本，創造良好的經濟效益和社會效益，更加符合國家減碳節能綠色產業政策。