660 MW燃煤鍋爐三大風機單列配置的可靠性分析

李雙江

(中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司， 石家莊 050031)

根據目前國內火電機組的配置情況，600 MW等級機組采用一次風機、送風機、引風機(簡稱三大風機)單列配置運行的情況較少，且缺乏對機組可靠性的研究。某2臺660 MW超超臨界燃煤空冷機組，三大風機均為單列配置，這種配置方式是在國內的首次應用，以此為基礎，建立可靠性分析模型，分析單列配置可靠性相關問題，可為采用鍋爐風機單列配置的項目提供可靠性分析的參考。

1 三大風機可靠性現狀

根據中國電力企業聯合會2011年發布的《200 MW及以上容量火電機組主要輔助設備運行可靠性指標》對全國200 MW及以上容量火電機組的磨煤機、給水泵組、送風機、引風機和高壓加熱器這五種輔助設備的可靠性及其對主機的影響進行了統計、評價，其中送風機、引風機在2007年—2011年的運行可靠性指標見表1。

三大風機單、雙列配置對主機的影響是不同的：單列配置設備的不可靠會直接導致機組的停機，而雙列配置中單個設備的不可靠通常會使機組負荷降低，但一般不會造成機組停機[1]。造成火電機組非計劃停運的設備主要是鍋爐、汽輪機和發電機這三大主設備，由三大主設備引發的非計劃停運時間占到了全部非計劃停運總時間的84.7%。燃煤鍋爐配套的風機可靠性非常高，發生故障引起機組非計劃停運的可能性很小。

2 可靠性分析

2.1 術語解釋

(1) 可靠性：元件或系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力，將其稱為該元件或系統的可靠性[2-3]。

(2) 可靠性概率：為了描述一個元件或系統可靠性水平的高低，利用概率將描述可靠性的概念數量化[2-3]，為可用系數與計劃停運系數的和。

(3) 故障率：設備故障的概率，為100%減去可靠性概率。

2.2 假設條件

分析機組輔機單列配置的可靠性時，作出如下假設：

(1) 計劃停機可認為是非輔機故障引起的機組停機，取用可用系數與計劃停運系數的和作為可靠性概率。

(2) 各種工況下的可用系數與計劃停運系數為固定值。凝汽式機組在夏天負荷高，故障率高、可用系數大；供熱機組在冬天負荷高，故障率高、可用系數大。鍋爐在100%、75%、50%負荷時的可用系數是不一致的，并且可能有很大差別，會直接影響計算，故在進行可靠性計算時假設各種工況下可用系數及計劃停運系數為固定值。

(3) 風機系統由風機本體、電動機、電源等組件串聯組成，所取的可用系數按照整體考慮。

(4) 由于缺乏一次風機可靠性統計數據，假設一次風機與送風機可靠性概率相同。

(5) 三大風機可靠性概率取表1中2009年、2010年、2011年所統計的全國機組輔機可用系數及計劃停運系數之和的平均值，一次風機和送風機的可靠性概率為99.917%、引風機可靠性概率為99.98%。

(6) 鍋爐本體、汽輪機本體，以及其他系統和設備的可靠性概率是固定不變的，不因風機的配置改變而發生變化。

(7) 由于只研究鍋爐風機單列配置的可靠性，假設其他系統和設備的可靠性概率是固定不變的。

2.3 邏輯框圖及可靠性計算

全廠可分成三個大系統，分別為：BOP(Balance of Plant)輔助系統，包括冷卻水系統、壓縮空氣系統、輸煤系統、輔助蒸汽系統；鍋爐本體及輔助系統，包括一次風機、送風機、引風機、磨煤機和鍋爐本體；汽輪機本體及輔助系統，包括給水泵組、凝結水泵組、真空泵組、高壓加熱器給水及抽氣系統、汽輪機本體。以上三個大系統是按照某個設備或系統故障會導致全廠故障，即每個設備可靠性概率與機組可靠性概率是“與”的關系(可靠性概率相乘)。

2.3.1 邏輯框圖

全廠可靠性邏輯框圖見圖1。

其他系統和設備的可靠性概率是固定不變的，4種風機配置方案(方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)下機組可靠性框圖見圖2，其中：方案Ⅰ為三大風機全部單列配置，方案Ⅱ為一次風機及引風機單列配置、送風機雙列配置，方案Ⅲ為送風機單列配置、一次風機及引風機雙列配置，方案Ⅳ為三大風機全部雙列配置。

2.3.2 可靠性計算

根據概率分析理論中的加法乘法定理、互不相容事件、相互對立事件和二項式展開定理，結合邏輯框圖2得出方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所對應的可靠性概率P(Ⅰ)、P(Ⅱ)、P(Ⅲ)、P(Ⅳ)分別為：

P(Ⅰ)=P(K)·P(L)·P(M)

(1)

P(Ⅱ)=P(K)·[P(L1)+P(L2)-

P(L1)·P(L2)]·P(M)

(2)

P(Ⅲ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

P(L)·[P(M1)+P(M2)-

P(M1)·P(M2)]

(3)

P(Ⅳ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

[(P(L1)+P(L2)-P(L1)·P(L2)]·

[P(M1)+P(M2)-P(M1)·P(M2)]

(4)

式中：P(i)為設備i的可靠性概率。

2.4 綜合分析

2.4.1 輔機配置方式對機組可靠性的影響

不同的單列輔機配置方式對機組的可靠性是有影響的，機組可靠性概率隨輔機配置的變化見表2及圖3。

表2 機組可靠性概率計算結果

由表2可得：輔機對機組可靠性的影響相對來說是比較小的，即使是全部單列配置，機組的可靠性概率也能達到99.8%以上，與全部雙列配置相比低0.186 4百分點，當僅有一臺輔機單列配置時，可靠性概率僅降低0.082 9百分點。不同的輔機配置對機組可靠性的影響也是比較小的，每增加一臺單列輔機，機組可靠性概率下降僅0.020 0～0.083 5百分點。

2.4.2 設備可靠性對機組可靠性的影響

一次風機與送風機可靠性概率按照94%～99%進行取值，引風機可靠性概率固定為99.98%，計算得到不同方案的機組可靠性概率(見表3及圖4)。

表3 一次風機和送風機可靠性概率的影響計算結果

引風機可靠性概率按照94%～99%進行取值，一次風機與送風機的可靠性概率固定為99.917%，計算得到不同方案的機組可靠性概率(見表4及圖5)。

表4 引風機可靠性概率的影響計算結果

由表3、表4可得：三大風機全部雙列配置時，機組可靠性對輔機可靠性的敏感性相對較小，當輔機可靠性提高后，機組可靠性隨之提高，但提高的幅度不大，當一次風機及送風機可靠性概率從94%提高到99%時，機組可靠性概率提高0.699百分點，引風機可靠性概率從94%提高到99%時，機組可靠性概率提高0.350百分點；三大風機全部單列配置后，機組可靠性概率變化較大，當一次風機及送風機可靠性概率從94%提高到99%時，機組可靠性概率提高9.648百分點，引風機可靠性概率從94%提高到99%時，機組可靠性概率提高4.992百分點。

2.4.3 機組負荷的影響

按照年利用時間為5 500 h計算，以表5中的負荷分配模式為基礎建立趨勢分析模型，得到模式A、B、C、D的合計年運行時間分別為7 060 h、7 360 h、7 510 h、7 890 h。

表5 機組負荷分配模式

由于不同的配置模式可能造成機組事故停機，設備故障停機將使每臺機組產生經濟損失，由于變化趨勢相同，筆者只對三大風機全部單列配置(方案Ⅰ)及全部雙列配置(方案Ⅳ)的情況進行計算，故障損失費用見表6及圖6。

表6 各工況故障損失費用計算結果

由表6可得：模式A、B、C、D的方案Ⅰ故障損失費用分別為191.4萬元、191.4萬元、191.4萬元、192.0萬元，模式A、B、C、D的方案Ⅳ故障損失費用為0.054 3萬元、0.050 3萬元、0.262 2萬元、0.257 5萬元。

由圖6可得：三大風機全部單列配置時，隨著機組調峰能力的增加，故障損失費用明顯增加，而全部雙列配置時，故障損失費用雖有增加，但是增加幅度不大。這說明調峰機組在三大風機全部單列配置后，對其可靠性要求更高，一旦停機將會面對更大的機組停機損失和更嚴重的后果，因此調峰機組在采用單列配置時需要更加謹慎，在確保輔機絕對可靠性的情況下才可采用單列配置。

3 可靠性保障及工程應用

3.1 可靠性的保障措施

近年來國產三大風機的可靠性已經明顯提高，為保證單列配置的可靠性，主要采取如下措施：(1)選擇優良設備，應重點關注一次風機、送風機和引風機的轉子、軸承、液壓缸、電動執行器、軸承測振、喘振報警、油站等，采用可靠性高的產品；(2)提高安裝、調試質量；(3)加強對設備的實時監測；(4)提高電廠鍋爐輔機的可靠性指標，必須加強對設備的實時監測；(5)防止誤動、誤跳；(6)選擇可靠的儀表；(7)提高潤滑和液壓油等輔助系統的可靠性。

3.2 工程應用

該660 MW機組三大風機均為單列配置，據電廠反映，機組投運6 a以來，頻繁地進行冷熱態啟停，作為深度調峰機組長時間處于變負荷工況，三大風機單列配置后經受住了較惡劣運行環境的考驗，沒有對主系統的運行造成不良影響，未發生因單列配置造成的機組非計劃停運情況，主要輔機運行情況良好。

輔機單列配置后，設備后期維護檢修工作量大大降低，設備維護及備件費用較雙列配置機組大大降低，機組啟停更加便捷，全廠廠用電指標在同類機組中處于領先地位，提升了電廠競價上網的競爭力。

4 結語

(1) 三大風機運行可靠性對機組可靠性的影響相對較小，即使是三大風機全部單列配置，機組的可靠性概率也能達到99.8%以上，與三大風機全部雙列配置相比，低0.186 4百分點，當僅有一臺風機單列配置時，可靠性概率僅降低0.082 9百分點。不同的輔機配置對機組可靠性的影響也是比較小的，每增加一臺單列配置的風機，機組可靠性概率下降僅0.020 0～0.083 5百分點，可靠性概率降低較小。

(2) 三大風機全部單列配置后，機組可靠性對風機設備本體的可靠性相當敏感，當設備可靠性比較差時，對機組的可靠性影響非常大，因此在三大風機全部采用單列配置后對輔機設備的可靠性要求非常高，采取相應措施提高可靠性，如采用可靠性高的設備。

(3) 隨著機組調峰能力的增加，三大風機全部單列配置的故障損失費用明顯增加，而全部雙列配置的故障損失費用雖有增加，但是增加幅度不大。