660MW超超臨界機組風機單列配置方式

郭萌，李旭東，寧華兵，王新寧，俞基安，顧玉春

(1.中國能建西北電力建設工程有限公司，西安市 710032;2.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市 017209)

0 引言

隨著能源價格的上漲，火力發電的經濟效益出現很大程度的壓縮，提高發電效率和降低廠用電率成為提高火電機組運行經濟性的重要途徑。火電機組單機消耗電功率最大的輔機是引風機、送風機、一次風機和給水泵，而多數大容量機組給水泵選用小汽輪機驅動方式，因此降低風煙系統輔機的電耗對于火力發電機組顯得極為重要。按照DL 5000—2000《火力發電廠設計技術規范》要求，大容量鍋爐宜選用2臺送風機、2臺一次風機、2臺引風機、2臺空氣預熱器，均不設備用［1-2］，因此我國大型火力發電機組風煙系統基本上采取雙列配置方式。自20世紀90年代以來，鑒于大型輔機的可靠性已完全過關，歐洲尤其是德國火力電機組較多采用輔機單列布置，鍋爐配置單送風機、單引風機、單一次風機、單回轉式空氣預熱器等，系統大為簡化，為電廠運行及設備檢修帶來方便。其中以RWE公司和ENBW公司所建設的800MW等級超超臨界機組最具有代表性［3］。布連電廠一期工程660MW等級機組在國內首次采用了風機單列配置方案。相對于雙列配置方案，如何保證機組穩定運行成為單列配置方案的關鍵，同時也是電力工程界爭議的焦點。本文從機務設備、熱工控制以及基建調試等方面總結提高可靠性的有效措施，從技術方案、投資經濟性、運行經濟性以及運行靈活性方面進行綜合比較。

1 鍋爐設備及風煙系統簡介

圖1 單列風煙系統Fig.1 Single-row air and flue system

國電建投布連電廠鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司設計、制造的B＆WB—2082/28-M型超超臨界、螺旋上升、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、緊身封閉的π型鍋爐，鍋爐配有不帶循環泵的內置式啟動系統。鍋爐設計煤種和校核煤種均為當地煤礦的煙煤。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統，前后墻對沖燃燒方式，配置B＆W公司雙調風旋流燃燒器及NOx噴口。鍋爐尾部設置分煙道，采用煙氣調溫擋板調節再熱器出口汽溫。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設置1臺三分倉回轉式空氣預熱器。

鍋爐風煙系統采用單列配置，1臺鍋爐配有空氣預熱器、引風機、送風機、一次風機各1臺，增壓風機與引風機串聯布置，如圖1所示。

2 提高單列配置穩定性的措施

機組采用單空氣預熱器、單送風機、單一次風機、單引風機和單增壓風機，設脫硫煙氣旁路擋板(隔離沖洗煙氣換熱器需要)方案后，系統設備及控制方式相對簡單，風機效率有所提高。鍋爐煙風系統單列配置后，每個輔機的運行狀況將直接影響整個機組運行的安全穩定性及可靠性。根據中國電力企業聯合會發布的火電機組主要設備運行可靠性指標進行可靠度概率分析，機組單列輔機配置時機組的運行可靠性比雙列輔機有一定程度的下降，但幅度有限［4-6］。如何保證機組穩定運行成為單列配置方案的關鍵，原則上從2個方面考慮，首先要求選用高性能和可靠性的機務設備，同時對控制設備的配置方案、設備選型也提出更高的要求，控制系統的配置和邏輯控制方案必須適應單列配置的需求，特別是熱工控制部分的穩定可靠性要求更高，控制邏輯應更簡潔，但應更安全、可靠、有效，防止系統保護誤動、拒動。

2.1 機務設備方面采取的措施

每臺單列輔機的跳閘均導致鍋爐跳閘，也就是說每臺輔機安全穩定運行才能保證鍋爐安全運行，決定機組整體的安全，對輔機可靠性的重視程度應等同于主機。根據中國電力企業聯合會的統計，造成風機停運的主要原因均為產品質量不良和檢修質量不良，因此設備選型時必須選用性能良好的單列輔機，運行維護過程中加強質量控制。

輔機單列后，各輔機容量大于1000MW機組雙列配置的單機容量，多數為非標產品，尚未形成標準化產品，一旦出現故障，將影響機組的整體運行，因此初期應考慮足夠的常用備品備件，避免設備損壞時采購周期過長。

2.2 熱工控制方面采取的措施

從熱工控制及保護措施上考慮，首先要提高熱控設備的單一測點、單一設備可靠性。要求在設備選擇中重視儀控設備的可靠性，相應增加進口設備范圍，同時國產設備也嚴格要求采用國內優質產品。將自動調節執行機，油站內變送器、開關、儀表閥，風機振動監測裝置、失速監測報警裝置等儀控設備納入風機設備的進口供貨范圍;并將空氣預熱器單列對應的風道、煙道執行機構，空氣預熱器的測速停轉測量機構、空氣預熱器間隙測量裝置等儀控設備納入空氣預熱器以及煙道(風道)設備的進口供貨范圍。再者在一次檢測儀表設備的配置上，增加冗余度，主要考慮從以下幾個方面進行冗余度配置:風機及其電機軸承溫度元件采用三冗余配置，風機振動測量裝置和失速測量裝置配置采用三冗余，風機以及汽泵油站內主參數變送器、開關等采用雙冗余或者三冗余，風機電機內線圈溫度采用同相三冗余、單點雙支測量方式。在系統測點配置上適當增加輔助測點和設備，做為保護和監視的輔助手段，凡參與熱工保護的開關量信號宜輔以模擬量信號進行監視，增加油箱油位的連續測量點，并設置油位低報警;增加回油系統的回油溫度測點和就地回油溫度測點;在風機失速測量管路上安裝防堵取樣裝置。

2.3 合理配置控制系統

合理配置控制系統，并從邏輯組態上完善控制系統、提高調制控制系統(modulating control system，MCS)的調節品質，提高控制邏輯的合理性，避免系統大的波動，避免誤動和拒動;同時遵循熱工保護系統“獨立性”原則，做好保護控制設計。熱控保護應滿足下列要求:(1)保護系統獨立的I/O通道，并有電隔離措施;(2)冗余的I/O信號通過不同的I/O模件引入;(3)觸發主輔機跳閘的保護信號的開關量儀表和變送器單獨設置;(4)保護回路中不設置切、投保護的任何操作設備。

分布式控制系統(distributed control system，DCS)配置方案主要考慮單列輔機能可靠停機，其配套油站及附屬設備能可靠啟動。輔機控制I/O分配原則:(1)輔機狀態信號直接送到需進行聯鎖控制的控制柜，防止網絡故障及本控制柜故障，聯鎖邏輯仍保持正常;(2)與保護相關的重要數字量輸入信號采用三取二方式;(3)重要模擬量信號按三重化設計，輸出信號經冗余卡件輸出;(4)在測點上引用品質判斷，剔除壞值。

風機控制系統不再考慮左右側煙風系統的平衡調節方案，也不需設計風機啟動和停運過程交叉隔離煙風通道的控制邏輯，不必設計“三大風機”以及空氣預熱器的RB邏輯。

2.4 基建調試過程中采取的措施

輔機設備安裝過程中，嚴格按照廠家及設計要求，把控每道工序，采取有效措施保證系統內的清潔度。

潤滑油及控制油系統是動葉調節軸流式風機的故障多發點。在油系統試運過程中，確保主輔油泵均能正常工作，切換正常，潤滑油流量及控制油壓均能滿足設備運行要求;油箱及供油溫度正常，冷卻水及加熱器均能正常投入;油站各開關量及模擬量顯示正確，能代表目前系統的真實工況等。

對于系統內的風門擋板，均需檢查其內部位置、就地位置指示器與DCS監視畫面是否一致;對于調節型風門擋板及動葉還需確認擋板葉片開關的同步性;對于動葉，確保葉片開關時液壓油系統無內部泄露等。

調試過程中，全面檢查控制邏輯，分析各項保護邏輯的必要性及合理性，對部分保護提出優化方案，避免保護拒動及誤動的發生，同時提早檢查和優化模擬量控制系統邏輯。對測量元件與取樣點一一核對，確保取樣位置合理，插入深度合適，每個測量回路必須從就地安裝位置進行回路校驗，確保測點的正確性及可靠性。試驗過程中復核熱控聯鎖保護定值，及時修訂完善，確保機組運行后，各聯鎖保護功能動作可靠。

3 單、雙列方案的對比分析

3.1 單、雙列方案技術分析

雙列風煙系統布置方案每臺鍋爐配置2臺50%容量的一次風機，2臺50%容量的二次風機，2臺50%容量的引風機。煙氣從爐膛出口通過尾部受熱面，在省煤器出口煙氣分2路進入2臺容克式三分倉空氣預熱器，然后通過煙道進入電氣除塵器，再由靜葉可調吸風機至脫硫島后經煙囪排至大氣。從可靠性方面考慮，任何1臺設備出現故障時，機組能夠保持50%負荷以下運行，而無須與電網解列，減少非停次數。運行時，操作及監護設備多，需要考慮設備并列運行等操作，檢修維護工作量大。

單列風煙系統布置方案每臺鍋爐配置1臺100%容量的一次風機、1臺100%容量的二次風機、1臺100%容量的引風機。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設置1臺三分倉回轉式空氣預熱器。簡化了風煙系統，取消了聯絡風道和風機進出口擋板，減小了檢修維護工作量。即使低負荷工況，也不會降低風機的運行經濟性，且單列風機避免了2臺風機搶風，運行不平衡而帶來的風機實際效率下降的問題。滿負荷工況下，單列風機運行效率略優于雙列方案，系統在50%負荷工況下，單列風機的運行效率可達到75%，比雙列風機提高3% ～4%。低負荷下，單列風機運行工況點遠離喘振區。從可靠性方面考慮，任何1臺設備出現故障跳閘或停運時，鍋爐無法保持運行，機組均需與電網解列，從而導致非停次數增加。但運行時，操作簡便靈活，調整工作量小，而且檢修維護量較小。

總之，單列方案的可靠性可以通過提高單機、儀控設備及控制邏輯合理性等方面得到補償，而在運行簡便及維護方面的優勢顯著。

3.2 單、雙列方案投資經濟性比較

單、雙列方案的設備數量相差較大，因設備容量差異大，各設備價格差異較大，投資方面主要考慮風機設備以及風門擋板，詳細經濟性比較見表1。從表1可看出，單、雙列布置方案總體投資接近，單列配置方案投資略高(高出103萬元)，主要是單列空氣預熱器設備的價格較雙列設備高出300萬元，其余單列設備較雙列方案低203萬元;而在安裝及土建費用上，單列較雙列方案低約97萬元。另外如果考慮土地及電纜的費用，單列方案應略低于雙列方案。

表1 單、雙列配置投資經濟性比較Tab.1 Comparison of investment economy between single-row and double-row configuration

3.3 單、雙列方案運行經濟性分析

表2中列出單、雙列方案在不同的負荷時各風機的電氣參數。對其進行比對可以看出，與雙列配置方案對比，單列配置時送風機效率相當，而一次風機和引風機的效率有一定程度的提高［7-8］。分析單、雙列配置方案時，考慮機組運行煤質差異，機組參數對煤量及風量分配的影響。對于一次風機，剔除不同負荷工況下因煤質差異造成的一次風量差別因素，單列效率提高6%左右。主要是由于單列配置時彌補了雙列配置時壓頭高、流量小的不足;同時與空氣預熱器漏風率降低也有一定關系。對于引風機，剔除因煙氣量差異造成的差別，單列效率提高3%左右。經估算，每年僅此節約廠用電約1031萬kW·h，電價以0.3元/(kW·h)計，運行費用可節約309.3萬元，經濟效益可觀。

從實踐結果及理論分析來看，當機組在低于50%的額定負荷運行時，雙列配置方案風機單側運行并不能提高效率，達到節約廠用電的目的，因為單側運行時風機運行工況嚴重偏離高效區，效率下降明顯。引風機與增壓風機串聯布置時，在75%負荷下，可以不啟動增壓風機，整體效率顯著優于雙列配置方案。而對于引風機與增壓風機合并采用50%并聯布置方案，啟動初期需要雙側運行，低負荷下運行于低效率區。高負荷下，單、雙列方案的效率接近。近年來，電網裝機容量大幅度增加，調度負荷很難長期運行在滿負荷下，效率提升取得的經濟效益更加可觀。

表2 單、雙列方案運行經濟性比較Tab.2 Comparison of operation economy between single-row and double-row configuration

4 結論

(1)從投資經濟性來看，單列風煙系統布置方式與雙列配置基本相當，但前者占地面積小;從運行經濟性來看，單列風煙系統總體效率有一定程度的提高(3% ～4%)，運行操作簡便靈活，調整工作量少，維護檢修方便。

(2)單系統輔機的可靠性通過提高輔機、熱控設備的性能及合理的配置控制系統等措施得到補償，對輔機可靠性的重視程度應等同于主機。從機組試運及移交生產后的情況來看，單列布置的空氣預熱器、三大風機運行穩定可靠，未發生因風機故障導致的停機停爐事故。在生產運行過程中，需要繼續積累統計可靠性數據。

(3)鍋爐輔機單列配置后，受控對象發生了較大變化，鍋爐MFT保護條件、風機和空氣預熱器控制邏輯必須進行相應的修改，同時RB功能中對此不必考慮。

總體來講風機單列配置方式啟動便捷，調整靈活，穩定可靠，運行效率有一定程度的提高，取得的經驗及數據在600MW級機組建設中值得借鑒。

［1］DL 5000—2000火力發電廠設計技術規范［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］DL 468—2004電站鍋爐風機選型和使用導則［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］呂明.國電建投內蒙古能源有限責任公司鍋爐輔機單列配置專題報告［R］.石家莊:河北省電力勘測研究院，2009.

［4］劉鶴忠.鍋爐單列輔機配置在600MW級機組運用探討［J］.電力勘測設計，2011，18(3):27-32.

［5］吳阿峰，譚燦燊.火力發電廠風機單雙列配置的技術經濟分析［J］.發電設備，2012，26(2):88-92.

［6］況波，段宗周.600MW等級機組主要輔機單列配置方案探討［J］.電力勘測設計.2012，19(3):34-37.

［7］白杰，彭紅文，朱大宏.330MW機組煙風系統設備單列設置探討［J］.電力建設.2010，31(9):87-90.

［8］郭萌.國電建投布連電廠1號機組鍋爐整體調試報告［R］.西安:西北電力建設調試施工研究所，2013.