660MW超超临界机组风机单列配置方式

2013-08-09郭萌李旭东宁华兵王新宁俞基安顾玉春

电力建设 2013年10期

郭萌，李旭东，宁华兵，王新宁，俞基安，顾玉春

(1.中国能建西北电力建设工程有限公司，西安市 710032;2.国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市 017209)

0 引言

随着能源价格的上涨，火力发电的经济效益出现很大程度的压缩，提高发电效率和降低厂用电率成为提高火电机组运行经济性的重要途径。火电机组单机消耗电功率最大的辅机是引风机、送风机、一次风机和给水泵，而多数大容量机组给水泵选用小汽轮机驱动方式，因此降低风烟系统辅机的电耗对于火力发电机组显得极为重要。按照DL 5000—2000《火力发电厂设计技术规范》要求，大容量锅炉宜选用2台送风机、2台一次风机、2台引风机、2台空气预热器，均不设备用［1-2］，因此我国大型火力发电机组风烟系统基本上采取双列配置方式。自20世纪90年代以来，鉴于大型辅机的可靠性已完全过关，欧洲尤其是德国火力电机组较多采用辅机单列布置，锅炉配置单送风机、单引风机、单一次风机、单回转式空气预热器等，系统大为简化，为电厂运行及设备检修带来方便。其中以RWE公司和ENBW公司所建设的800MW等级超超临界机组最具有代表性［3］。布连电厂一期工程660MW等级机组在国内首次采用了风机单列配置方案。相对于双列配置方案，如何保证机组稳定运行成为单列配置方案的关键，同时也是电力工程界争议的焦点。本文从机务设备、热工控制以及基建调试等方面总结提高可靠性的有效措施，从技术方案、投资经济性、运行经济性以及运行灵活性方面进行综合比较。

1 锅炉设备及风烟系统简介

图1 单列风烟系统Fig.1 Single-row air and flue system

国电建投布连电厂锅炉采用北京巴布科克·威尔科克斯有限公司设计、制造的B＆WB—2082/28-M型超超临界、螺旋上升、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、紧身封闭的π型锅炉，锅炉配有不带循环泵的内置式启动系统。锅炉设计煤种和校核煤种均为当地煤矿的烟煤。锅炉采用中速磨直吹式制粉系统，前后墙对冲燃烧方式，配置B＆W公司双调风旋流燃烧器及NOx喷口。锅炉尾部设置分烟道，采用烟气调温挡板调节再热器出口汽温。锅炉尾部采用单列配置，锅炉竖井下设置1台三分仓回转式空气预热器。

锅炉风烟系统采用单列配置，1台锅炉配有空气预热器、引风机、送风机、一次风机各1台，增压风机与引风机串联布置，如图1所示。

2 提高单列配置稳定性的措施

机组采用单空气预热器、单送风机、单一次风机、单引风机和单增压风机，设脱硫烟气旁路挡板(隔离冲洗烟气换热器需要)方案后，系统设备及控制方式相对简单，风机效率有所提高。锅炉烟风系统单列配置后，每个辅机的运行状况将直接影响整个机组运行的安全稳定性及可靠性。根据中国电力企业联合会发布的火电机组主要设备运行可靠性指标进行可靠度概率分析，机组单列辅机配置时机组的运行可靠性比双列辅机有一定程度的下降，但幅度有限［4-6］。如何保证机组稳定运行成为单列配置方案的关键，原则上从2个方面考虑，首先要求选用高性能和可靠性的机务设备，同时对控制设备的配置方案、设备选型也提出更高的要求，控制系统的配置和逻辑控制方案必须适应单列配置的需求，特别是热工控制部分的稳定可靠性要求更高，控制逻辑应更简洁，但应更安全、可靠、有效，防止系统保护误动、拒动。

2.1 机务设备方面采取的措施

每台单列辅机的跳闸均导致锅炉跳闸，也就是说每台辅机安全稳定运行才能保证锅炉安全运行，决定机组整体的安全，对辅机可靠性的重视程度应等同于主机。根据中国电力企业联合会的统计，造成风机停运的主要原因均为产品质量不良和检修质量不良，因此设备选型时必须选用性能良好的单列辅机，运行维护过程中加强质量控制。

辅机单列后，各辅机容量大于1000MW机组双列配置的单机容量，多数为非标产品，尚未形成标准化产品，一旦出现故障，将影响机组的整体运行，因此初期应考虑足够的常用备品备件，避免设备损坏时采购周期过长。

2.2 热工控制方面采取的措施

从热工控制及保护措施上考虑，首先要提高热控设备的单一测点、单一设备可靠性。要求在设备选择中重视仪控设备的可靠性，相应增加进口设备范围，同时国产设备也严格要求采用国内优质产品。将自动调节执行机，油站内变送器、开关、仪表阀，风机振动监测装置、失速监测报警装置等仪控设备纳入风机设备的进口供货范围;并将空气预热器单列对应的风道、烟道执行机构，空气预热器的测速停转测量机构、空气预热器间隙测量装置等仪控设备纳入空气预热器以及烟道(风道)设备的进口供货范围。再者在一次检测仪表设备的配置上，增加冗余度，主要考虑从以下几个方面进行冗余度配置:风机及其电机轴承温度元件采用三冗余配置，风机振动测量装置和失速测量装置配置采用三冗余，风机以及汽泵油站内主参数变送器、开关等采用双冗余或者三冗余，风机电机内线圈温度采用同相三冗余、单点双支测量方式。在系统测点配置上适当增加辅助测点和设备，做为保护和监视的辅助手段，凡参与热工保护的开关量信号宜辅以模拟量信号进行监视，增加油箱油位的连续测量点，并设置油位低报警;增加回油系统的回油温度测点和就地回油温度测点;在风机失速测量管路上安装防堵取样装置。

2.3 合理配置控制系统

合理配置控制系统，并从逻辑组态上完善控制系统、提高调制控制系统(modulating control system，MCS)的调节品质，提高控制逻辑的合理性，避免系统大的波动，避免误动和拒动;同时遵循热工保护系统“独立性”原则，做好保护控制设计。热控保护应满足下列要求:(1)保护系统独立的I/O通道，并有电隔离措施;(2)冗余的I/O信号通过不同的I/O模件引入;(3)触发主辅机跳闸的保护信号的开关量仪表和变送器单独设置;(4)保护回路中不设置切、投保护的任何操作设备。

分布式控制系统(distributed control system，DCS)配置方案主要考虑单列辅机能可靠停机，其配套油站及附属设备能可靠启动。辅机控制I/O分配原则:(1)辅机状态信号直接送到需进行联锁控制的控制柜，防止网络故障及本控制柜故障，联锁逻辑仍保持正常;(2)与保护相关的重要数字量输入信号采用三取二方式;(3)重要模拟量信号按三重化设计，输出信号经冗余卡件输出;(4)在测点上引用品质判断，剔除坏值。

风机控制系统不再考虑左右侧烟风系统的平衡调节方案，也不需设计风机启动和停运过程交叉隔离烟风通道的控制逻辑，不必设计“三大风机”以及空气预热器的RB逻辑。

2.4 基建调试过程中采取的措施

辅机设备安装过程中，严格按照厂家及设计要求，把控每道工序，采取有效措施保证系统内的清洁度。

润滑油及控制油系统是动叶调节轴流式风机的故障多发点。在油系统试运过程中，确保主辅油泵均能正常工作，切换正常，润滑油流量及控制油压均能满足设备运行要求;油箱及供油温度正常，冷却水及加热器均能正常投入;油站各开关量及模拟量显示正确，能代表目前系统的真实工况等。

对于系统内的风门挡板，均需检查其内部位置、就地位置指示器与DCS监视画面是否一致;对于调节型风门挡板及动叶还需确认挡板叶片开关的同步性;对于动叶，确保叶片开关时液压油系统无内部泄露等。

调试过程中，全面检查控制逻辑，分析各项保护逻辑的必要性及合理性，对部分保护提出优化方案，避免保护拒动及误动的发生，同时提早检查和优化模拟量控制系统逻辑。对测量元件与取样点一一核对，确保取样位置合理，插入深度合适，每个测量回路必须从就地安装位置进行回路校验，确保测点的正确性及可靠性。试验过程中复核热控联锁保护定值，及时修订完善，确保机组运行后，各联锁保护功能动作可靠。

3 单、双列方案的对比分析

3.1 单、双列方案技术分析

双列风烟系统布置方案每台锅炉配置2台50%容量的一次风机，2台50%容量的二次风机，2台50%容量的引风机。烟气从炉膛出口通过尾部受热面，在省煤器出口烟气分2路进入2台容克式三分仓空气预热器，然后通过烟道进入电气除尘器，再由静叶可调吸风机至脱硫岛后经烟囱排至大气。从可靠性方面考虑，任何1台设备出现故障时，机组能够保持50%负荷以下运行，而无须与电网解列，减少非停次数。运行时，操作及监护设备多，需要考虑设备并列运行等操作，检修维护工作量大。

单列风烟系统布置方案每台锅炉配置1台100%容量的一次风机、1台100%容量的二次风机、1台100%容量的引风机。锅炉尾部采用单列配置，锅炉竖井下设置1台三分仓回转式空气预热器。简化了风烟系统，取消了联络风道和风机进出口挡板，减小了检修维护工作量。即使低负荷工况，也不会降低风机的运行经济性，且单列风机避免了2台风机抢风，运行不平衡而带来的风机实际效率下降的问题。满负荷工况下，单列风机运行效率略优于双列方案，系统在50%负荷工况下，单列风机的运行效率可达到75%，比双列风机提高3% ～4%。低负荷下，单列风机运行工况点远离喘振区。从可靠性方面考虑，任何1台设备出现故障跳闸或停运时，锅炉无法保持运行，机组均需与电网解列，从而导致非停次数增加。但运行时，操作简便灵活，调整工作量小，而且检修维护量较小。

总之，单列方案的可靠性可以通过提高单机、仪控设备及控制逻辑合理性等方面得到补偿，而在运行简便及维护方面的优势显著。

3.2 单、双列方案投资经济性比较

单、双列方案的设备数量相差较大，因设备容量差异大，各设备价格差异较大，投资方面主要考虑风机设备以及风门挡板，详细经济性比较见表1。从表1可看出，单、双列布置方案总体投资接近，单列配置方案投资略高(高出103万元)，主要是单列空气预热器设备的价格较双列设备高出300万元，其余单列设备较双列方案低203万元;而在安装及土建费用上，单列较双列方案低约97万元。另外如果考虑土地及电缆的费用，单列方案应略低于双列方案。

表1 单、双列配置投资经济性比较Tab.1 Comparison of investment economy between single-row and double-row configuration

3.3 单、双列方案运行经济性分析

表2中列出单、双列方案在不同的负荷时各风机的电气参数。对其进行比对可以看出，与双列配置方案对比，单列配置时送风机效率相当，而一次风机和引风机的效率有一定程度的提高［7-8］。分析单、双列配置方案时，考虑机组运行煤质差异，机组参数对煤量及风量分配的影响。对于一次风机，剔除不同负荷工况下因煤质差异造成的一次风量差别因素，单列效率提高6%左右。主要是由于单列配置时弥补了双列配置时压头高、流量小的不足;同时与空气预热器漏风率降低也有一定关系。对于引风机，剔除因烟气量差异造成的差别，单列效率提高3%左右。经估算，每年仅此节约厂用电约1031万kW·h，电价以0.3元/(kW·h)计，运行费用可节约309.3万元，经济效益可观。

从实践结果及理论分析来看，当机组在低于50%的额定负荷运行时，双列配置方案风机单侧运行并不能提高效率，达到节约厂用电的目的，因为单侧运行时风机运行工况严重偏离高效区，效率下降明显。引风机与增压风机串联布置时，在75%负荷下，可以不启动增压风机，整体效率显著优于双列配置方案。而对于引风机与增压风机合并采用50%并联布置方案，启动初期需要双侧运行，低负荷下运行于低效率区。高负荷下，单、双列方案的效率接近。近年来，电网装机容量大幅度增加，调度负荷很难长期运行在满负荷下，效率提升取得的经济效益更加可观。