基于1036 MW機(jī)組汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)性能分析

孫偉鵬，馮庭有

(華能海門電廠，廣東省汕頭市，515071)

0 引言

華能海門電廠一期建設(shè)4×1036 MW機(jī)組，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組各配備2×50%容量引風(fēng)機(jī)、脫硫增壓風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)是由成都電力機(jī)械廠生產(chǎn)的入口靜葉調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機(jī)，功率7400 kW，型號(hào)為AN42e6(V19+4°)。增壓風(fēng)機(jī)為靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，功率為3400 kW，型號(hào)為ANT45e6(13)。隨著國(guó)內(nèi)燃煤發(fā)電廠容量的日趨大型化，鍋爐引風(fēng)機(jī)的容量也隨之增大。且目前環(huán)保要求脫硫系統(tǒng)與機(jī)組同時(shí)投產(chǎn)，引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并成為可能，從而使得功率更大。華能海門電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組，引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并，引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的NKS63/71/0型號(hào)，單缸、單流、單軸、反動(dòng)式、純冷凝單汽源、下排汽凝汽式，自帶凝汽器型式的積木塊系列汽輪機(jī)。引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)變參數(shù)、變功率、變轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)額定功率為11 MW。通過汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)的連續(xù)、高效運(yùn)行，機(jī)組廠用電率、供電煤耗均明顯下降，節(jié)能效果顯著。

1 系統(tǒng)介紹

引風(fēng)機(jī)采用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)上需要設(shè)置開式循環(huán)冷卻水、凝汽器抽真空系統(tǒng)、小汽輪機(jī)進(jìn)汽系統(tǒng)、凝結(jié)水回收系統(tǒng)、小汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)、小汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)。相對(duì)應(yīng)的設(shè)備有小汽輪機(jī)、凝汽器、凝結(jié)水泵、真空泵、汽封冷卻器、潤(rùn)滑油供油裝置等。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化熱力系統(tǒng)見圖1。

引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)正常工作汽源采用主機(jī)四段抽汽，啟停及備用汽源采用輔助蒸汽。引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)的調(diào)試汽源來自輔助蒸汽系統(tǒng)，輔助蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)為:壓力0.8～1.3 MPa(g)，溫度300～350℃。引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)的調(diào)試用汽量為10～16 t/h。機(jī)組正常工況進(jìn)汽壓力1.09 MPa，溫度387.4℃，額定流量29.1 t/h。

2 機(jī)組基本控制策略

2.1 爐膛壓力控制策略

在機(jī)組啟停及低負(fù)荷時(shí)由引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉控制負(fù)壓，風(fēng)機(jī)小機(jī)在最小轉(zhuǎn)速運(yùn)行。機(jī)組正常運(yùn)行情況下由導(dǎo)葉閉環(huán)控制切換到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制:爐膛壓力偏差通過比例+積分作用和送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令前饋控制引風(fēng)機(jī)小機(jī)轉(zhuǎn)速;引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉開環(huán)控制，開度指令由負(fù)荷指令的函數(shù)產(chǎn)生。

2.2 引風(fēng)機(jī)運(yùn)行定義

引風(fēng)機(jī)運(yùn)行定義為:引風(fēng)機(jī)小機(jī)的轉(zhuǎn)速大于2750 r/min且無小機(jī)跳閘指令。

圖1 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化熱力系統(tǒng)Fig.1 Simplifed thermal system of induced draft fan driven by turbine

引風(fēng)機(jī)自動(dòng)定義為:引風(fēng)機(jī)A、引風(fēng)機(jī)B，當(dāng)小機(jī)轉(zhuǎn)速控制或?qū)~自動(dòng)控制任一滿足時(shí)，負(fù)壓即為自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài);導(dǎo)葉控制范圍為0～80%，轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為2600～6200 r/min。

2.3 引風(fēng)機(jī)自動(dòng)、手動(dòng)控制

(1)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速投自動(dòng)條件(與):引風(fēng)機(jī)A、B運(yùn)行且導(dǎo)葉開度均不小于70%;引風(fēng)機(jī)A運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)B停止，且引風(fēng)機(jī)A導(dǎo)葉不小于70%開度、小機(jī)轉(zhuǎn)速不小于2800 r/min;引風(fēng)機(jī)B運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)A停止，且引風(fēng)機(jī)B導(dǎo)葉不小于70%開度、小機(jī)轉(zhuǎn)速不小于2800 r/min。

(2)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速跳手動(dòng)條件(或):引風(fēng)機(jī)A、B運(yùn)行且任一小機(jī)轉(zhuǎn)速小于2650 r/min;引風(fēng)機(jī)A運(yùn)行、B停止，且小機(jī)轉(zhuǎn)速小于2650 r/min;引風(fēng)機(jī)B運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)A停止，且小機(jī)轉(zhuǎn)速小于2650 r/min;爐膛負(fù)壓測(cè)點(diǎn)故障;引風(fēng)機(jī)跳閘。

(3)引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉投自動(dòng)條件(與):引風(fēng)機(jī)運(yùn)行延時(shí)60 s且引風(fēng)機(jī)沒有閉鎖增減信號(hào)。

(4)引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉跳手動(dòng)條件(或):引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障或爐膛負(fù)壓測(cè)點(diǎn)故障。

2.4 安全性考慮策略

(1)引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速可遠(yuǎn)方控制，在2750～6235 r/min(對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為375～850 r/min)范圍內(nèi)應(yīng)能連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

(2)引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)暖機(jī)轉(zhuǎn)速在800 r/min左右(該轉(zhuǎn)速可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試需要上下調(diào)整，調(diào)整范圍一般為500～1000 r/min)，目前齒輪箱速比為7.33，對(duì)應(yīng)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速109 r/min，引風(fēng)機(jī)廠與設(shè)計(jì)院商定方案避開喘振區(qū)。

(3)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制，當(dāng)負(fù)壓超過±1500 Pa時(shí)，會(huì)閉鎖增或減。

(4)導(dǎo)葉自動(dòng)控制，當(dāng)負(fù)壓超過±2200 Pa時(shí)，會(huì)閉鎖增或減。

(5)當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)甩負(fù)荷、汽機(jī)跳閘、鍋爐跳閘等狀況時(shí)，引風(fēng)機(jī)降負(fù)荷是逐步實(shí)現(xiàn)的過程，因此需要切換至輔汽。

(6)引風(fēng)機(jī)跳閘，延時(shí)跳相應(yīng)側(cè)送風(fēng)機(jī);兩側(cè)風(fēng)機(jī)均運(yùn)行時(shí)，若送風(fēng)機(jī)跳閘聯(lián)跳相應(yīng)側(cè)引風(fēng)機(jī)，該引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉超馳關(guān)(大于最小開度)。

(7)主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)時(shí)，引風(fēng)機(jī)入口導(dǎo)葉超馳關(guān)，轉(zhuǎn)速回路若在自動(dòng)調(diào)節(jié)方式則繼續(xù)維持爐膛壓力。

(8)引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)跳閘轉(zhuǎn)速設(shè)置如下:電子跳閘轉(zhuǎn)速1為6308 r/min，延時(shí)30 min后跳閘，電子跳閘轉(zhuǎn)速2為6382 r/min，無須延時(shí)直接跳閘;機(jī)械跳閘轉(zhuǎn)速為6858 r/min;電液控制系統(tǒng)(micro-electro-hydraulic system，MEH)電超速后備6950 r/min。

3 風(fēng)機(jī)交叉冷卻管路設(shè)置

由于小汽機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，特別是暖機(jī)時(shí)間，在此過程中，要保證風(fēng)機(jī)不能在失速區(qū)運(yùn)行，更不允許發(fā)生喘振。在小汽機(jī)啟動(dòng)后多長(zhǎng)時(shí)間、開啟多大風(fēng)量給引風(fēng)機(jī)，是一個(gè)很為棘手的問題。為防止第2臺(tái)引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后并列運(yùn)行前發(fā)生風(fēng)機(jī)過熱、喘振等異常工況，特設(shè)置“推型”交叉冷卻管路，如圖2所示。當(dāng)?shù)?臺(tái)引風(fēng)機(jī)小機(jī)轉(zhuǎn)速大于500 r/min時(shí)，開引風(fēng)機(jī)入口再循環(huán)門，由正常運(yùn)行的1臺(tái)啟動(dòng)的風(fēng)機(jī)出口進(jìn)入另一臺(tái)剛啟動(dòng)風(fēng)機(jī)的入口，待升速至2750～2850 r/min時(shí)，入口門聯(lián)開，然后導(dǎo)葉逐漸開大，逐步升速并列。

圖2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)交叉冷卻管路Fig.2 Crossed cooling pipeline for induced draft fan driven by turbine

4 引風(fēng)機(jī)并列試驗(yàn)

為檢驗(yàn)引風(fēng)機(jī)并列效果，特在機(jī)組負(fù)荷400 MW，風(fēng)量1950 t/h的狀況下進(jìn)行了并列試驗(yàn)，試驗(yàn)動(dòng)態(tài)特性曲線見圖3。

(1)一臺(tái)引風(fēng)機(jī)出力維持穩(wěn)定(自動(dòng))，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速加大導(dǎo)葉關(guān)小。可見:在保持引風(fēng)機(jī)B導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)速不變的情況下，提高引風(fēng)機(jī)A轉(zhuǎn)速，關(guān)小引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉。這個(gè)過程在關(guān)小導(dǎo)葉時(shí)，06:34，風(fēng)機(jī)B轉(zhuǎn)速3150 r/min，導(dǎo)葉開度54%。引風(fēng)機(jī)A轉(zhuǎn)速升至3881 r/min，導(dǎo)葉開度關(guān)至38%，此時(shí)風(fēng)機(jī)A被壓住，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)A入口壓力升高，齒輪箱后軸承振動(dòng)由33.196 μm升至62.6 μm，爐膛負(fù)壓由－100 Pa增至192 Pa，進(jìn)一步提高A風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，齒輪箱后振動(dòng)下降至較低水平。

(2)降低一臺(tái)風(fēng)機(jī)出力，另一臺(tái)調(diào)整負(fù)壓。由圖3可知:維持爐膛負(fù)壓基本穩(wěn)定的情況下退出引風(fēng)機(jī)A運(yùn)行，此過程也存在齒輪箱后軸承振動(dòng)增大的過程，最大值為61.8 μm。

(3)穩(wěn)定負(fù)荷、風(fēng)量下進(jìn)行風(fēng)機(jī)并列。機(jī)組負(fù)荷400 MW，風(fēng)量1950 t/h。如圖3，引風(fēng)機(jī)A從盤車狀態(tài)重新掛閘沖轉(zhuǎn)，升速至2000 r/min左右，此過程風(fēng)機(jī)、齒輪箱及小機(jī)各軸承溫度、振動(dòng)正常，沒有出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。此時(shí)開啟進(jìn)口擋板門，爐膛負(fù)壓、風(fēng)機(jī)軸承及齒輪箱振動(dòng)等基本無影響。在引風(fēng)機(jī)A小機(jī)轉(zhuǎn)速升至2850 r/min時(shí)，開啟導(dǎo)葉后維持7%固定開度繼續(xù)升速，2臺(tái)小機(jī)轉(zhuǎn)速一致后繼續(xù)開大導(dǎo)葉開度直至出力平衡，從開啟風(fēng)機(jī)入空門直至并列用時(shí)8 min。在引風(fēng)機(jī)A出力增大過程中，爐膛負(fù)壓波動(dòng)較小，齒輪箱振動(dòng)在升速至4000 r/min時(shí)，風(fēng)機(jī)憋壓較大時(shí)，齒輪箱后軸承振動(dòng)最大為57.3 μm。之后壓力風(fēng)機(jī)出力的增大，振動(dòng)恢復(fù)至正常水平。

圖3 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)并列性能實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.3 Dynamic characteristic curves of parallel tests for induced draft fan driven by turbine

從這次試驗(yàn)中可以看出:汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)在機(jī)組50%負(fù)荷下，在不用交叉冷卻管路的情況下，其并列基本正常，爐膛負(fù)壓較為穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)軸承、小機(jī)軸承溫度均在可控范圍，見圖4。風(fēng)機(jī)沒有發(fā)生過熱、明顯喘振異常現(xiàn)象，只是風(fēng)機(jī)并列前即將出力時(shí)刻或并列風(fēng)機(jī)退出前齒輪箱后軸承振動(dòng)有突增現(xiàn)象，最大至62.6 μm，離開此種工況時(shí)，振動(dòng)恢復(fù)正常。

5 異常工況分析

脫硫系統(tǒng)啟動(dòng)后，關(guān)閉煙氣旁路擋板對(duì)引風(fēng)機(jī)的影響。由于該脫硫系統(tǒng)無增壓風(fēng)機(jī)，僅依靠鍋爐引風(fēng)機(jī)提供相應(yīng)動(dòng)力，因此當(dāng)爐后脫硫系統(tǒng)煙氣阻力發(fā)生變化時(shí)，引風(fēng)機(jī)需進(jìn)行一定調(diào)整，調(diào)整速率過快會(huì)導(dǎo)致爐膛壓力波動(dòng)，影響燃燒，甚至發(fā)生鍋爐MFT。為此在機(jī)組負(fù)荷550 MW時(shí)，進(jìn)行旁路擋板開關(guān)對(duì)鍋爐的影響試驗(yàn)。

一般電廠考慮對(duì)脫硫設(shè)備的保護(hù)，當(dāng)進(jìn)入煙氣脫硫系統(tǒng)的煙溫、含塵量超標(biāo)以及脫硫系統(tǒng)故障等，必須旁路運(yùn)行時(shí)，旁路擋板自動(dòng)打開，并快速切除脫硫系統(tǒng)。切換過程中引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況快速變化，即流量不變，揚(yáng)程較少，脫硫系統(tǒng)阻力約1500 Pa，會(huì)對(duì)爐膛負(fù)壓產(chǎn)生相應(yīng)的影響

脫硫旁路擋板開關(guān)試驗(yàn)如圖5所示，可以看出:

(1)脫硫旁路擋板開關(guān)快開時(shí)，由于阻力減小，脫硫原煙氣壓力、引風(fēng)機(jī)出口壓力均由850 Pa降至0，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)入口壓力由 －1800 Pa降至－2140 Pa，爐膛壓力由 －100 Pa降至 －420 Pa，引風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)正常，轉(zhuǎn)速下降400 r/min。

(2)脫硫旁路擋板開關(guān)關(guān)閉時(shí)，由于脫硫系統(tǒng)煙氣阻力發(fā)生變化，脫硫原煙氣壓力、引風(fēng)機(jī)出口壓力變大至900～1000 Pa，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力變大，風(fēng)機(jī)入口壓力也同步提高，風(fēng)機(jī)出力增大400 r/min，爐膛負(fù)壓較為穩(wěn)定，處于可調(diào)狀態(tài)。

(3)脫硫旁路擋板開關(guān)關(guān)閉后，繼續(xù)升高負(fù)荷，引風(fēng)機(jī)出口壓力也隨之增大，機(jī)組達(dá)額定負(fù)荷時(shí)，引風(fēng)機(jī)出口壓力變大至1500～1600 Pa。整體對(duì)引風(fēng)機(jī)出口至脫硫煙道是一種考驗(yàn)，一旦發(fā)生海水脫硫系統(tǒng)的吸收塔阻塞等事故，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增大，增大了整個(gè)煙道的安全性，現(xiàn)旁路擋板開啟壓力為小于－1000 Pa或大于3000 Pa。

6 后續(xù)問題

(1)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)式引風(fēng)機(jī)，當(dāng)爐膛負(fù)壓由導(dǎo)葉調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，如何快速地參與變負(fù)荷、甩負(fù)荷等工況的調(diào)節(jié)，需深度優(yōu)化控制策略，以提高引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓的快速性，要充分利用引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)行前饋或超馳控制。

(2)引風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備并列或退出時(shí)間不能停留過長(zhǎng)，否則會(huì)造成風(fēng)機(jī)發(fā)生輕微喘振，造成齒輪箱振動(dòng)過大問題。

7 結(jié)語(yǔ)

總體來說，采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)，通過并列實(shí)驗(yàn)及實(shí)際正常運(yùn)行證明了其可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。通過一系列的調(diào)試運(yùn)行，在爐膛負(fù)壓、小機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱振動(dòng)等方面取得了可控性的試驗(yàn)效果，積累了大量先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型電廠輔機(jī)選型、調(diào)試、運(yùn)行調(diào)節(jié)、輔機(jī)改造等多方面都具有較大的參考性和推廣價(jià)值。

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