600MW級電廠采用汽動引風機技術經濟探討

邱世平，郭 偉，崔 寧

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

1 工程概況

某南方電廠規劃容量3320MW，并保留再擴建的條件，本期建設安裝2×660MW超超臨界凝汽式燃煤機組，同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置，以滿足該省西部地區電力負荷增長的需要，同時為該省電網提供強有力的負荷支撐，提高整個電網的安全穩定運行水平。

2 采用小汽機驅動引風機的必要性及可行性分析

鍋爐引風機是電廠內最耗電的設備之一，對于該電廠來說，由于引風機與脫硫增壓風機合并，在電機驅動的模式下單臺引風機電機最大電功率達到了6450kW，引風機總電耗占單機發電量的2.15%。且電機驅動模式下，無論引風機采用靜葉可調還是動葉可調，由于電機定速運行，在機組低負荷或變負荷工況下，電機造成的額外廠用電損失很大，能源浪費嚴重。若采用變頻電機，可通過轉速調節風機風量，節約～30%的能源。但變頻電機的成本昂貴，尤其是大功率的變頻電機，其造價將直接影響發電廠的初投資規模。

鑒于上述原因，同時結合鍋爐給水泵的運行經驗，采用蒸汽驅動引風機是一條節能高效的途徑。蒸汽驅動在降低廠用電的同時，其做功能力也得到進一步充分合理的利用，其帶來的經濟效益也是顯而易見的。引風機采用汽輪機驅動后，將直接通過轉速調節風量，而風機的轉速則可通過進入汽輪機的蒸汽量進行調節，完全可以實現類似給水泵汽輪機模式的調節運行方式。

驅動引風機用的汽輪機等設備均為成熟產品，從已投運及已設計的驅動引風機用汽輪機看，汽輪機機型大致分為兩類：一類是凝汽式汽輪機，機型為NKS63／71或NK63／56；另一類是背壓式汽輪機，機型為NG40／32。這些機型都是成熟機型。引風機用汽輪機和給水泵用汽輪機的蒸汽參數基本一致，對設備供應廠商而言，一般都不需要新產品開發。由于二者在發電廠熱力系統中處于十分類似的地位，因此無論從設計院還是設備制造廠的角度，給水泵汽輪機多年運行的成功經驗都可以充分應用到引風機汽輪機上。

不過，在小汽機驅動引風機項目上，齒輪箱是個新增的環節。汽輪機與引風機之間由于轉速比較大(>6)，為確保齒輪箱運行的可靠性，一般傾向于減速齒輪箱采用進口產品。

3 汽動引風機各系統配置和設備選型

3.1 熱力系統的擬定

小汽輪機的汽源方案有兩種選擇：一種是采用主機的高壓缸排汽(冷再熱蒸汽)，小汽機排汽至除氧器或中低壓缸聯通管，即背壓式小汽機方案；另一種是汽源采用主機的四段抽汽，排汽至小汽機凝汽器，經小機凝結水泵將凝結水打入主機凝汽器，即凝汽式小汽機方案。

對于背壓式小汽機方案，為保證小汽機有足夠的排汽壓力，小汽機的級數較少，用汽量遠大于凝汽式小汽機方案，不利于機組節能降耗目標的實現。而且采用背壓式小汽機方案時由于小汽機輸出功率受排汽壓力變化而波動，特別是在各種變工況的情形下，熱力系統的匹配和調節變得相當繁瑣。同時引風機驅動用汽輪機采用背壓式，雖然節省了小機凝汽器、小機凝結水泵、小機真空泵、循環水系統等設備，但增加了價格較為昂貴的配汽機構、調節閥、熱工元件，以及超長的大口徑排汽管(其壓降、溫降損失不容忽視)。因此本報告不推薦采用背壓式小汽機方案，推薦采用凝汽式小汽機方案。

引風機小汽機凝汽式，正常運行及低負荷運行汽源均來自鍋爐房輔汽聯箱。由于引風機距主汽輪機較遠，小汽機排汽至自帶的小凝汽器，經小機凝結水泵將凝結水打入主機凝汽器。

3.2 熱力系統技術分析

3.2.1 熱力系統分析

引風機采用凝汽式汽輪機，汽輪機驅動蒸汽最終由四段抽汽提供，BMCR 抽汽量為45t/h，沒有超過現有汽輪機最大輔汽工況四抽的供氣量。汽輪機四抽最大供汽量約為：80t/h。引風機小汽機的排汽進入單獨的凝汽器，凝結水經過單獨的凝結水泵至主機排汽裝置熱井。每臺機組設2臺小機水環式真空泵，一運一備。

3.2.2 對主機設備的影響

(1)對機組名牌定義的影響

從3.1熱力系統的擬定可知，若不降低汽輪機 TMCR 況的出力，采用汽輪機驅動引風機方案，需增加汽輪機 TMCR工況的進汽量，經核算可知，需增加的進汽量約為27t/h，若不增加 TMCR工況主蒸汽進汽量，采用汽輪機驅動引風機方案，汽輪機 TMCR工況的出力降低約：～1.5%。

(2)對汽輪機本體的影響

由于凝汽式方案抽汽量少，相當于電驅動引風機的一個輔汽工況，對汽輪機本體影響較小。

(3)對鍋爐本體的影響

汽輪機驅動蒸汽由主機四段抽汽提供，凝結水由小汽輪機凝結水泵打到主機凝汽器熱井，對鍋爐本體熱力計算、結構影響較小。為了保持主機額定功率不變，鍋爐BMCR工況時的蒸發量將略有增加，約為32t/h。

3.2.3 對冷卻設備的影響

由于采用凝汽式汽輪機，需要單獨設小機凝汽器、小機凝結水泵、小機真空泵、循環水系統等設備。

3.2.4 對控制系統及電氣系統的影響

由于凝汽式汽輪機只需考慮進汽的控制，除增加汽輪機及其輔機的控制要求外，對其它系統的控制沒有更高的要求。

3.2.5 對輔助蒸汽系統的影響

引風機采用汽輪機驅動，啟動汽源來自輔助蒸汽系統，增加了輔助蒸汽系統的容量。

凝汽式汽輪機汽源來自鍋爐房輔助蒸汽聯箱。鍋爐房輔助蒸汽聯箱汽源正常由四段抽汽提供，啟動時由啟動鍋爐房來汽。按30%TMCR 工況前由啟動鍋爐房提供引風機驅動用汽輪機的蒸汽量考慮，需要汽量約15t/h。

3.3 采用小汽機驅動引風機時風機型式的探討

3.3.1 風機型式及應用現狀

該電廠引風機與增壓風機合并設置，合并后的風機壓頭較高，風機TB點參數為：風量：521m3/s，風機全壓：10154Pa。

目前已投運600MW及以上等級機組，采用引風機與增壓風機合并設置方案的引風機，動葉可調及靜葉可調兩種型式均有應用。部分工程的引風機配置情況如下：

少年并未因此而退卻，他仍堅持著自己的主張：“您對我的評判或許準確，但天空的使者拼卻性命，來對她的生命進行了守護。莫非您覺得，使者們也已被她妖艷的容貌迷惑？”

黃島、臺山和大唐寧德等多個600MW級機組合并風機均采用靜調風機；

海門電廠1000MW等級機組引風機由電動改為汽輪機驅動的同時也將原引風機同增壓風機進行了合并，合并后風機采用靜調風機；

天津北疆電廠和安徽銅陵電廠引風機與增壓風機合并后均采用雙級動調風機。

目前國內動葉可調軸流風機在設計、制造、安裝、運行方面均積累了相當豐富的經驗，由于單級動葉可調軸流風機相對于雙級動葉可調軸流風機軸承較大，葉片較多，雙級動葉可調軸流風機制造相對容易，且選用雙級動調軸承直徑小，可實現國產，只有液壓缸、液壓油站、骨架密封件考慮進口。因此，該電廠引風機如采用動調風機，推薦采用雙級動調風機。

與動葉可調軸流風機相比，靜葉可調軸流風機具有價格較低，耐磨性好、運行維護費用低等優點，在引風機與增壓風機分設時常用。當用作引風機與脫硫增壓風機的合并風機，當風機TB點壓頭較高時，引風機的葉片要適當加長，葉輪直徑也需加大，風機葉片需采用機械性能較好的材料制作。

3.3.2 采用汽輪機驅動引風機后的風機選型

與動調風機比較，靜調風機臨界轉速高，葉片采用寬而短的等強度葉片，其固有頻率十倍于設計轉速甚至更高，對速度調節的適應性好，而動調風機臨界轉速較低，葉片窄而長，其固有頻率偏低而且需要避開的頻率密集，對速度調節相當敏感，一旦引起共振，葉片會發生斷裂；另外，由于風機已經實現了轉速調節，不再需要動態調整風機葉片的角度，使得動調風機失去了存在的必要性，因此不能采用小汽機和軸流動調風機配置的方式。

經調研，各大風機廠已對三合一的高轉速靜調引風機完成了系列化設計，確保能夠很好滿足機組運行的需求。該系列風機在氣動和基礎結構設計上沿用原有風機的精髓，保證風機的原有優秀性能，但在材料選用、剛度設計、軸承選配等方面加強，進一步提高風機適應高壓力要求。

從運行壽命、可靠性、安全性、運行維護而言，靜調風機優于動調風機，采用小汽機調速，即利用了前端優質能源又提高了風機運行效率，同時降低了風機轉速，對壽命、噪音都大有好處。

若不采用小汽機驅動，引風機采用雙級動調軸流風機，由電機帶動是可行的；此種方案和小汽機配置軸流靜調比較，相對來講，可能初投資會省一點；但是，由于小汽機方案不需要廠用電，僅煤的消耗上升了一點點(這都不是非常明顯的)，對電廠本身的經濟性考核非常有利，效果非常明顯。

“靜調風機+小汽機驅動方案”與“雙級動調風機+電動機方案”的對比見表1。

表1 “靜調風機+小汽機驅動方案”與“雙級動調風機+電動機方案”對比

3.3.3 風機選型結論

根據上述綜合比選分析，考慮到從運行壽命、可靠性、安全性、運行維護而言，靜調風機優于動調風機，本次投標采用汽輪機驅動引風機時的風機型式推薦采用靜葉可調軸流式風機。

3.3.4 汽輪機的選型

引風機驅動用凝汽式小汽輪機，國內三大汽輪機廠及杭州汽輪機廠等國內制造廠均有設計、制造能力。該電廠可參考制造廠的小機機型為：NKS50/56，形式為單流、反動式、純凝式，上進汽上排汽，汽輪機額定轉速～5700r/min，經兩級減速到～700r/min。汽輪機最大連續功率值：8000kW。汽 輪機外形尺寸：3380×3100×3000mm。凝汽器循環冷卻水采用除鹽水，參考外形尺寸長度：～7500mm、寬度：～2900mm、高度：～3500mm。

4 技術經濟比較

4.1 初投資分析

4.1.1 初投資基礎數據

動調風機+電動機驅動與靜調風機(不含電機)的初投資見表2(單臺風機)

表2 動調風機+電動機驅動與靜調風機(不含電機)的初投資

4.1.2 采用汽動引風機導致電氣投資下降分析

采用引風機汽動方案，廠用電電壓可以采用6kV。廠用電方案僅需采用單臺分裂變壓器，容量為31.5/21－21MVA，兩臺機組設一臺同容量起動/備用變壓器，廠用高壓配電裝置需采用40kA，動穩定100 kA的開關設備。

采用引風機電動方案，每臺引風機電機6450kW，每機組兩臺，需大幅增加高壓廠用變壓器容量，為滿足負荷容量增加和大電動機啟動的要求，廠用電電壓仍為6kV，廠用電需采用一臺分裂變壓器方案。變壓器容量為45/27～27MVA，兩臺機組設一臺同容量起動/備用變壓器，廠用配電裝置需采用40kA，動穩定100kA的開關設備。汽動引風機方案的主要相關電氣設備見表3(兩臺機組)，電動引風機方案的主要相關設備見表4。

表3 汽動引風機方案的主要相關電氣設備(兩臺機組)

表4 電動引風機方案的主要相關設備(兩臺機組)

由表4可以看出，引風機采用汽輪機驅動方式較電動機驅動電氣設備投資可節省1254.5－900=354.5萬元。

4.1.3 采用汽動引風機導致熱力系統及設備初投資增加分析

采用汽動引風機后，鍋爐造價增大、增加了小汽機、真空泵、凝汽器、凝結水泵、系統管道、閥門等。增加的設備及系統初投資見表5、表6。

表5 增加的設備

表6 系統初投資

4.1.4 采用汽動引風機導致其他初投資費用分析

采用汽動引風機，由于增加了熱力系統，相應小汽機排汽的冷卻將增加濕冷塔的冷卻面積。經核算，每臺鍋爐兩臺引風機配置的小汽機排氣量共計45t/h，相應循環水量為2250t/h，經核算，每臺機組由于濕冷塔冷卻面積增加導致建造費用增加200萬元，全廠增加費用400萬元。

4.2 采用汽動引風機收益分析

4.2.1 采用汽動引風機售電收益增加分析

按照發電廠機組機爐電匹配、銘牌功率標定的原則，機組銘牌功率并未扣除輔機設備消耗的電功率。鑒于這一特點，如果降低發電廠的廠用電指標，可以提高電廠對外售電收入。在電廠龐大的輔機設備群中，鍋爐引風機是僅次于鍋爐給水泵的第二大耗電設備。經與風機制造廠家溝通，單臺風機技術數表如下：

引風機技術參數表

由上表可以看出，鍋爐引風機的工作特點是轉速低，功率變化范圍大。

該電廠如果機組年運行小時7500h，年利用小時5500h，運行負荷暫按表7。

表7 電廠運行負荷小時數

則，單臺引風機每年消耗的電量為：3782×1500+3014×4000+2502×2000=2273.3萬kWh，全廠引風機每年消耗的電量為：9093.2萬kWh。

根據測算，該工程成本電價(含稅)321元/MWh，低于現階段當地上網標桿電價(448.2元/MWh)約127.3元/MWh。

如果采用汽輪機替代電機驅動引風機，單臺引風機每年可節電2273.3萬kWh，全廠引風機每年可節電9093.2萬kWh。

降低的廠用電按每度電收益0.1273元計算，全廠可增加的售電收入為：1157.6萬元，經濟效益明顯。

4.2.2 采用汽動引風機調節性能更優帶來的節電收益分析

經咨詢風機廠家，采用動調風機+定速電機與靜調風機+小汽機，在不同運行工況的效率如下，相應計算各工況節電量及總節電量見表8。

表8 風機變負荷運行效率

從上表看出，在變負荷工況下，采用變速風機可以顯著提高風機效率，降低功耗，為電廠節能。

根據上表計算，假定該電廠機組年運行小時7500h，利用5500h，則單臺引風機采用汽輪機驅動后可節電量182萬kWh，以標煤耗270g/kWh折算，折合約標煤491.4t，全廠可節約標煤1965.6t，按標煤價格1050元/t計算，則每年可節約燃煤費用206.4萬元。

4.3 經濟性評價

表9 投資估算對比(全廠)

表10 收益分析對比

根據表9，兩臺機組采用小汽機驅動方案，初期增加投資約為3015.5萬元。

根據表10，采用小汽機驅動，年收益為1364萬元(兩臺機組)，可以得出方案的投資回報年限如下：靜態投資年限為：2.21年。

因此采用汽動引風機方案設備的靜態投資回收年限小于3年，機組的經濟效益和節能效益顯著，值得推薦。

5 結語

(1)風機采用工業汽輪機驅動，雖然初投資增加了3015.5萬元，但增加電廠的售電收入1157.6萬元/年，且風機實現變速運行后低負荷運行效率提高，節煤折合206.4萬元/年。因此，采用汽動引風機增加的投資成本不足3 年即可收回。

(2)推薦采用凝汽式小汽機方案。

(3)推薦采用靜葉可調引風機。

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[2]馬曉瓏，劉超.超超臨界1000MW機組采用汽輪機驅動引風機的可行性[J].熱力發電，2010，

[3]高曉建.鍋爐引風機汽輪機在1000MW等級火力發電廠的應用

[4]張鵬.火力機組引風機采用汽輪機驅動方案探討[J].應用能源技術，2010，(8).