660 MW火电机组轴流式引风机驱动系统分析

(1.山西大学,山西 太原 030013；2.山西漳电科学技术研究院，山西 太原 030000；3.山西漳电同华发电有限公司，山西 忻州 034114)

0 引 言

锅炉引风机作为火力发电厂的重要辅机，在保持锅炉炉膛燃烧压力稳定的前提下，抽吸锅炉燃烧产生的烟气，经脱硝、除尘、脱硫后排放到大气中。在电厂的方案设计中,既要确保引风机运行的可靠性,又要达到引风机的节能需求，其运行效率的高低直接影响到厂用电率及煤耗率等能耗指标。

随着近年国内燃煤发电厂大容量、高参数的发展趋势,使锅炉引风机的容量也随之越来越大。当其与脱硫增压风机合并，称作“增引合一”引风机，当考虑脱硝阻力后，成为“三合一”引风机，其功率仅次于给水泵的大功率辅机。由于超低排放的环保标准要求电厂不断进行脱硫脱硝系统的改建,这些环保设施必然引起锅炉烟气阻力进一步增大，导致引风机的功率也不断增加。而合理选择引风机的驱动方式,有利于减少厂用电耗能、增加机组的净供电量、提高电厂的收益。

文献[1]分析600 MW机组引风机实际运行状况，得出当前引风机存在选型偏大、电机容量与风机容量不匹配等问题，建议引风机选型的流量裕度控制在10%～15%。文献[2]采用供电煤耗率分析方法建立了汽动引风机节能效果计算模型，计算分析得出汽动引风机系统是否节能取决于机组运行负荷的高低。文献[3]提出了一种实现电站锅炉大型轴流式风机汽电双驱的轴系结构，可解决传扭中间轴和电机转子热态膨胀问题，并避免由此引起的轴系振动，实现电站锅炉大型轴流式风机汽电双驱动。本文以某燃煤电厂660 MW机组引风机增容改造为分析对象，对引风机采用电动机驱动、汽轮机驱动、以及汽电双驱三种不同驱动方案进行比较，分别计算初投资、耗煤量、厂用电量并进行技术及经济性分析。

1 660 MW火电机组引风机系统

1.1 项目概况

某电厂“超低排放”改造工程拟对2台660 MW超临界直接空冷机组进行超低排放改造，总体技术路线包括脱硝改造、除尘改造、在脱硫塔入口前加装烟气余热利用装置、脱硫改造、引风机增容改造。其中引风机增容改造工程每台锅炉配置2台引风机。选型参数见表1。

表1 增容后引风机基本选型参数

1.2 引风机驱动方案及调节方式的选择

660 MW等级火电机组的引风机采用电动机传统驱动方式时,一般采用定速电动机来驱动动叶可调轴流风机，电机的容量增大使厂用电增加、启动电流增大，甚至可能引起母线电压降低导致设备跳闸的问题，需要提高厂用电的电压等级。目前火电厂的厂用电压等级大多为6 kV，6 kV电压等级的厂用母线一般可以启动不超过约7 000～8 000 kW功率的设备，超过该功率就需要采用10 kV的电压等级。而对于660 MW火电机组单台50%容量引风机，TB工况下(即Test Block，此工况点的风量、风压为风机能力考核点，即锅炉最大连续出力并考虑风量、风压裕量后的风机工况)其轴功率已超过8 000 kW。而如果辅机单列布置时，引风机100%容量TB工况就超过了14 000 kW，所以600 MW 级及以上新建机组引风机若采用电动方式，厂用电压等级一般需要采用10 kV，这无疑增加了设备投资。

近几年，已有不少电厂600 MW以上机组新建及改建项目中，采用了小汽机驱动引风机方式，如华能海门电厂、国电北仑电厂、华电望亭电厂、国电荥阳电厂等等。汽轮机驱动的引风机可以解决引风机启动时电流过大的问题，并大大降低厂用电率，提高机组上网电量，同时还可以通过不同负荷下小汽轮机的转速调节,有效提高引风机在低负荷工况运行下的效率,使风机保持高效运行。采用小汽轮机变转速驱动静叶可调轴流风机,将蒸汽的热能直接转化为机械能,减少能量转换环节和能量损失，但由于需要从主汽轮机抽汽，所以机组热耗及发供电煤耗都会增加,管路系统复杂。特别是采用汽动方式时，小汽轮机轴功率要满足引风机的TB工况下的轴功率，导致小汽轮机的设计轴功率与正常运行时引风机所需的驱动功率偏离较大，使小汽轮机在运行中进汽调节阀开度偏小，机组在50%～100%负荷运行工况下，小汽轮机的进汽调节阀门阀位大约仅为30%～50%左右，效率偏低[4]。

综合考虑到以上因素，提出汽动为主、汽电双驱的方式，采用小汽机和电动机联合驱动动叶可调轴流引风机的定速调节方案，即小汽轮机、变速离合器(行星齿轮+超越离合器)、电动机、引风机同轴布置。如图1所示，小汽机经变速离合器减速后与电机及引风机转速匹配，由于变速离合器变速比一定，小汽机的转速一定。小汽机按照大于机组锅炉最大连续工况下的引风机轴功率进行选型，为保证小汽机效率，小汽轮机汽门全开，采用定速运行。当机组在常用负荷及以下运行时，由小汽轮机驱动引风机，小汽轮机阀门全开出力大于风机所需功率，电机处于发电工况，剩余功率则由电动机/发电机转换为电能回收至厂用电系统；高于此负荷率时，小汽轮机阀门全开出力已不能满足风机所需功率，电机进入电动机工况，与小汽机共同驱动引风机。机组启动时，使用电动机启动，超越离合器将小汽机从系统中脱开。

可见，汽电双驱结合了电动机驱动和小汽轮机驱动的特点，优势互补。由于小汽轮机全程处于阀门全开工况运行，较现有汽动引风机方式减少了小汽机进汽节流的损失，从而提高了整体运行效率。

2 不同驱动方式的设备配置分析

2.1 电动引风机方案配置

需两台50%容量的动叶可调轴流风机，并配两台功率约为9 200 kW电动机,无其他辅助设备，系统简单。

2.2 汽动引风机方案配置

需两台50%容量的静叶可调轴流风机，配两台驱动小汽轮机。小汽轮机主要参数如表2所示，每台小汽轮机配置一套减速齿轮箱、小凝汽器和排汽阀，并设凝结水泵及抽真空系统及小机供汽系统及循环冷却水系统。

2.3 汽电联合驱动引风机方案配置

需两台50%容量的动叶可调轴流风机，配两台驱动小汽轮机和两台驱动电动机。小汽轮机主要参数表如表2所示，与汽动方案中的小汽机仅是容量、低负荷时内效率的不同，汽水系统的设置，包括汽源、冷却水源、排汽方式、小机型式的选择均一致。每台小汽轮机配置一套变速离合器，一台小凝汽器和排汽阀，两台小机凝结水泵及独立的小机抽真空系统及小机供汽系统。机组启动时，利用电动机启动引风机。

表2 小汽轮机主要参数表

按照风机在BRL工况下的轴功率配置小汽机。小汽轮机采用凝汽式方案，间接冷却，额定负荷按照BRL工况选型为5 500 kW，当机组负荷大于BRL工况时，电机投入使用，由小汽轮机和电动机联合驱动，电动机功率按4 000 kW设计。小汽轮机转速较高约为5 500 rpm，引风机转速较低，约为750 rpm，汽电联合驱动引风机的连接方式是小汽轮机通过变速离合器减速后与电动机相连，电动机转速与引风机匹配，即约为750 rpm。因此，引风机与小汽机之间存在较大的转速比，所配置的变速离合器需同时满足大功率、高转速(输入端)、大速比的要求，变速离合器效率一般大于98%。

3 引风机驱动方式配置方案的技术经济分析

3.1 初投资比较

三种方案(电动引风机方案A，汽动引风机方案B，汽电双驱引风机方案C)的初投资比较见表3。

在上表中，由于汽电联驱引风机方案C与汽动方案B中的小汽机容量不同,汽动方案B中小汽轮机轴功率要满足引风机的TB工况下的轴功率，而汽电联驱C按照BRL工况下的轴功率配置小汽机,导致小汽机设备以及相关的循环水系统的投资费用都有所不同。

表3 引风机驱动方案初投资比较表(两台机组量)

3.2 耗煤量及上网电量的比较

针对三种方案的运行特点，电动方案A，操作简单,启动速度快,,负荷调节快范围大,维护工作量少。电动机效率较高为98%；而引风机的效率在60%～80%变化，低负荷时效率变差。汽动方案B，操作复杂，启动速度较慢，负荷变化率较慢，而且负荷调节范围受小汽机的临界转速控制，维护工作量多。正常运行引风机由小汽轮机变转速调节，其效率在70%～82%变化，尤其在低负荷时，小汽轮机和引风机的效率都低。汽电双驱方案C，操作复杂，启动速度快，负荷调节范围大，维护工作量多。正常运行由小汽轮机全开汽门提供动力，其效率在80%～82%变化，低负荷时效率远高于汽动B方案。并且由于异步发电机回收部分电能，使得厂用电更低，能向外供较多电能，一定程序上抵消汽耗的增加。同时在低负荷时，由于主机汽量的增加，使得主机效率也较方案B高。

不同方案的差额发电成本主要为燃料成本的差额，可以根据机组年运行模式，和对应的机组负荷下发电标准煤耗计算确定[2]。基于等效焓降法进行热经济性计算，并综合考虑机组全年按5 000运行小时，负荷率80%。按照加权平均的方法，计算各方案的经济指标如下表4(两台机组)。

表4 主要经济指标对比表

可见，采用汽动或汽电双驱引风机方案时，由于主机增加了抽汽量，机组在额定出力下，主蒸汽流量增加，则发电热耗会有所增加。以A方案为基准，B,C方案增加的发电标准煤耗分别是6.49 g/kW·h和6.05 g/kW·h，年发电标煤耗量分别是4.3万t、4.0万t。汽电双驱相比汽动方案煤耗量有所降低，相对减少了发电成本。

在厂用电负荷方面，电动引风机方案的电耗主要为电动机，汽动方案引风机厂用电耗包括小机供油装置、小机凝结水泵、真空泵和循环水系统等设备的电耗，汽电双驱方案引风机厂用电耗包括汽动方案中设备及电动机电耗，但同时在低负荷情况下，小汽轮机又把多余的能量可通过异步发电机回收部分电能至厂用电系统。所以，以A方案为基准，B,C方案厂用电负荷减少，即年上网电量分别增加了7 701万t和7 978万t。采用汽电双驱使厂用电率降低1.53%，进一步增加了发电收益。

3.3 技术经济分析比较

以电动驱动引风机为基准，对三种方案进行技术经济比较，如表5所示。

表5 技术经济比较表

以上计算中，标煤价按照500元/t，上网电价取0.353 8元/kWh。年检修维护费用为设备费用的10%。由计算结果可知，两台机组采用汽动方案比电动方案的初投资增加了约4 630万元，而每年年运行盈利可增加毛利润约540万元，若不考虑费率，约8.5年可收回成本。两台机组采用汽电联合驱动方案比电动方案初投资则增加约4 610万元，而每年可增加毛利润约788万元，若不考虑费率，约5.85年可收回成本。

因此，按定功率模式考虑，尽管汽电双驱引风机方案和汽动引风机方案的年燃煤费用、初投资均高于电动引风机方案，但节省了厂用电，增加了上网电量，故电厂全年运行收益要好于电动引风机方案[5]。

4 结 论

(1)汽电双驱引风机方案中由于小汽机进汽保持100%开度，减少节流损失，运行效率高于汽动引风机方案。而且引风机采用动叶调节风机，在低负荷的工况下，风机效率优于静叶调节风机。

(2)引增合一后引风机轴功率达到了8 655 kW，采用汽电联合驱动方案来驱动动调引风机，不仅避免了高厂变容量受限，而且在低负荷情况下，通过异步发电机回收部分电能至厂用电系统，机组的厂用电率降低约1.53%，可使主机外送更多的电能，提高了运行收益率。

(3)采用汽电双驱引风机方案，本体及其辅助系统复杂，除了需要配备汽动引风机方案中的所有辅助设备，还需设置一台电动机。其系统包括供汽系统、润滑油及控制油系统、轴封系统、本体疏水系统等，由于设置独立的凝汽器，还要增加小机循环冷却水系统、真空系统和凝结水系统。与电动机驱动的引风机比较，设备多且布置复杂，灵活性将降低，增加了整体的运行检修维护工作量。

综上所述，本660 MW等级超(超)临界火电机组三合一轴流式引风机汽电双驱系统采用汽动为主、汽电双驱的方式，适应不同负荷高效运行的需要，能够满足到厂用电压等级、厂用变压器容量的要求，从而解决当前火电厂环保设备增多、引风机容量增大所带来引风机出力不足、以及设备投资大、耗电率大的问题。研究成果将实际应用于火电厂新建工程和改造工程，尤其对于当前山西省超低排放改造工程中配套引风机和增压风机合并改造有很好的推广价值。