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(shè)工程有限公司，西安市 710032;2.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市 017209)

0 引言

隨著能源價(jià)格的上漲，火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益出現(xiàn)很大程度的壓縮，提高發(fā)電效率和降低廠用電率成為提高火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要途徑?；痣姍C(jī)組單機(jī)消耗電功率最大的輔機(jī)是引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和給水泵，而多數(shù)大容量機(jī)組給水泵選用小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，因此降低風(fēng)煙系統(tǒng)輔機(jī)的電耗對(duì)于火力發(fā)電機(jī)組顯得極為重要。按照DL 5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》要求，大容量鍋爐宜選用2臺(tái)送風(fēng)機(jī)、2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)空氣預(yù)熱器，均不設(shè)備用［1-2］，因此我國大型火力發(fā)電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)基本上采取雙列配置方式。自20世紀(jì)90年代以來，鑒于大型輔機(jī)的可靠性已完全過關(guān)，歐洲尤其是德國火力電機(jī)組較多采用輔機(jī)單列布置，鍋爐配置單送風(fēng)機(jī)、單引風(fēng)機(jī)、單一次風(fēng)機(jī)、單回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器等，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，為電廠運(yùn)行及設(shè)備檢修帶來方便。其中以RWE公司和ENBW公司所建設(shè)的800MW等級(jí)超超臨界機(jī)組最具有代表性［3］。布連電廠一期工程660MW等級(jí)機(jī)組在國內(nèi)首次采用了風(fēng)機(jī)單列配置方案。相對(duì)于雙列配置方案，如何保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行成為單列配置方案的關(guān)鍵，同時(shí)也是電力工程界爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。本文從機(jī)務(wù)設(shè)備、熱工控制以及基建調(diào)試等方面總結(jié)提高可靠性的有效措施，從技術(shù)方案、投資經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行靈活性方面進(jìn)行綜合比較。

1 鍋爐設(shè)備及風(fēng)煙系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 單列風(fēng)煙系統(tǒng)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(shè)計(jì)、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(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、緊身封閉的π型鍋爐，鍋爐配有不帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)。鍋爐設(shè)計(jì)煤種和校核煤種均為當(dāng)?shù)孛旱V的煙煤。鍋爐采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對(duì)沖燃燒方式，配置B＆W公司雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及NOx噴口。鍋爐尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣調(diào)溫?fù)醢逭{(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設(shè)置1臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)采用單列配置，1臺(tái)鍋爐配有空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)各1臺(tái)，增壓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)串聯(lián)布置，如圖1所示。

2 提高單列配置穩(wěn)定性的措施

機(jī)組采用單空氣預(yù)熱器、單送風(fēng)機(jī)、單一次風(fēng)機(jī)、單引風(fēng)機(jī)和單增壓風(fēng)機(jī)，設(shè)脫硫煙氣旁路擋板(隔離沖洗煙氣換熱器需要)方案后，系統(tǒng)設(shè)備及控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)效率有所提高。鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)單列配置后，每個(gè)輔機(jī)的運(yùn)行狀況將直接影響整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性及可靠性。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的火電機(jī)組主要設(shè)備運(yùn)行可靠性指標(biāo)進(jìn)行可靠度概率分析，機(jī)組單列輔機(jī)配置時(shí)機(jī)組的運(yùn)行可靠性比雙列輔機(jī)有一定程度的下降，但幅度有限［4-6］。如何保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行成為單列配置方案的關(guān)鍵，原則上從2個(gè)方面考慮，首先要求選用高性能和可靠性的機(jī)務(wù)設(shè)備，同時(shí)對(duì)控制設(shè)備的配置方案、設(shè)備選型也提出更高的要求，控制系統(tǒng)的配置和邏輯控制方案必須適應(yīng)單列配置的需求，特別是熱工控制部分的穩(wěn)定可靠性要求更高，控制邏輯應(yīng)更簡(jiǎn)潔，但應(yīng)更安全、可靠、有效，防止系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)。

2.1 機(jī)務(wù)設(shè)備方面采取的措施

每臺(tái)單列輔機(jī)的跳閘均導(dǎo)致鍋爐跳閘，也就是說每臺(tái)輔機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行才能保證鍋爐安全運(yùn)行，決定機(jī)組整體的安全，對(duì)輔機(jī)可靠性的重視程度應(yīng)等同于主機(jī)。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)，造成風(fēng)機(jī)停運(yùn)的主要原因均為產(chǎn)品質(zhì)量不良和檢修質(zhì)量不良，因此設(shè)備選型時(shí)必須選用性能良好的單列輔機(jī)，運(yùn)行維護(hù)過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制。

輔機(jī)單列后，各輔機(jī)容量大于1000MW機(jī)組雙列配置的單機(jī)容量，多數(shù)為非標(biāo)產(chǎn)品，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，一旦出現(xiàn)故障，將影響機(jī)組的整體運(yùn)行，因此初期應(yīng)考慮足夠的常用備品備件，避免設(shè)備損壞時(shí)采購周期過長(zhǎng)。

2.2 熱工控制方面采取的措施

從熱工控制及保護(hù)措施上考慮，首先要提高熱控設(shè)備的單一測(cè)點(diǎn)、單一設(shè)備可靠性。要求在設(shè)備選擇中重視儀控設(shè)備的可靠性，相應(yīng)增加進(jìn)口設(shè)備范圍，同時(shí)國產(chǎn)設(shè)備也嚴(yán)格要求采用國內(nèi)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。將自動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)，油站內(nèi)變送器、開關(guān)、儀表閥，風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置、失速監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置等儀控設(shè)備納入風(fēng)機(jī)設(shè)備的進(jìn)口供貨范圍;并將空氣預(yù)熱器單列對(duì)應(yīng)的風(fēng)道、煙道執(zhí)行機(jī)構(gòu)，空氣預(yù)熱器的測(cè)速停轉(zhuǎn)測(cè)量機(jī)構(gòu)、空氣預(yù)熱器間隙測(cè)量裝置等儀控設(shè)備納入空氣預(yù)熱器以及煙道(風(fēng)道)設(shè)備的進(jìn)口供貨范圍。再者在一次檢測(cè)儀表設(shè)備的配置上，增加冗余度，主要考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行冗余度配置:風(fēng)機(jī)及其電機(jī)軸承溫度元件采用三冗余配置，風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)量裝置和失速測(cè)量裝置配置采用三冗余，風(fēng)機(jī)以及汽泵油站內(nèi)主參數(shù)變送器、開關(guān)等采用雙冗余或者三冗余，風(fēng)機(jī)電機(jī)內(nèi)線圈溫度采用同相三冗余、單點(diǎn)雙支測(cè)量方式。在系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)配置上適當(dāng)增加輔助測(cè)點(diǎn)和設(shè)備，做為保護(hù)和監(jiān)視的輔助手段，凡參與熱工保護(hù)的開關(guān)量信號(hào)宜輔以模擬量信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視，增加油箱油位的連續(xù)測(cè)量點(diǎn)，并設(shè)置油位低報(bào)警;增加回油系統(tǒng)的回油溫度測(cè)點(diǎn)和就地回油溫度測(cè)點(diǎn);在風(fēng)機(jī)失速測(cè)量管路上安裝防堵取樣裝置。

2.3 合理配置控制系統(tǒng)

合理配置控制系統(tǒng)，并從邏輯組態(tài)上完善控制系統(tǒng)、提高調(diào)制控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高控制邏輯的合理性，避免系統(tǒng)大的波動(dòng)，避免誤動(dòng)和拒動(dòng);同時(shí)遵循熱工保護(hù)系統(tǒng)“獨(dú)立性”原則，做好保護(hù)控制設(shè)計(jì)。熱控保護(hù)應(yīng)滿足下列要求:(1)保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立的I/O通道，并有電隔離措施;(2)冗余的I/O信號(hào)通過不同的I/O模件引入;(3)觸發(fā)主輔機(jī)跳閘的保護(hù)信號(hào)的開關(guān)量?jī)x表和變送器單獨(dú)設(shè)置;(4)保護(hù)回路中不設(shè)置切、投保護(hù)的任何操作設(shè)備。

分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)配置方案主要考慮單列輔機(jī)能可靠停機(jī)，其配套油站及附屬設(shè)備能可靠啟動(dòng)。輔機(jī)控制I/O分配原則:(1)輔機(jī)狀態(tài)信號(hào)直接送到需進(jìn)行聯(lián)鎖控制的控制柜，防止網(wǎng)絡(luò)故障及本控制柜故障，聯(lián)鎖邏輯仍保持正常;(2)與保護(hù)相關(guān)的重要數(shù)字量輸入信號(hào)采用三取二方式;(3)重要模擬量信號(hào)按三重化設(shè)計(jì)，輸出信號(hào)經(jīng)冗余卡件輸出;(4)在測(cè)點(diǎn)上引用品質(zhì)判斷，剔除壞值。

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)不再考慮左右側(cè)煙風(fēng)系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)方案，也不需設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)和停運(yùn)過程交叉隔離煙風(fēng)通道的控制邏輯，不必設(shè)計(jì)“三大風(fēng)機(jī)”以及空氣預(yù)熱器的RB邏輯。

2.4 基建調(diào)試過程中采取的措施

輔機(jī)設(shè)備安裝過程中，嚴(yán)格按照廠家及設(shè)計(jì)要求，把控每道工序，采取有效措施保證系統(tǒng)內(nèi)的清潔度。

潤滑油及控制油系統(tǒng)是動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流式風(fēng)機(jī)的故障多發(fā)點(diǎn)。在油系統(tǒng)試運(yùn)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(shè)備運(yùn)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(guān)量及模擬量顯示正確，能代表目前系統(tǒng)的真實(shí)工況等。

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)門擋板，均需檢查其內(nèi)部位置、就地位置指示器與DCS監(jiān)視畫面是否一致;對(duì)于調(diào)節(jié)型風(fēng)門擋板及動(dòng)葉還需確認(rèn)擋板葉片開關(guān)的同步性;對(duì)于動(dòng)葉，確保葉片開關(guān)時(shí)液壓油系統(tǒng)無內(nèi)部泄露等。

調(diào)試過程中，全面檢查控制邏輯，分析各項(xiàng)保護(hù)邏輯的必要性及合理性，對(duì)部分保護(hù)提出優(yōu)化方案，避免保護(hù)拒動(dòng)及誤動(dòng)的發(fā)生，同時(shí)提早檢查和優(yōu)化模擬量控制系統(tǒng)邏輯。對(duì)測(cè)量元件與取樣點(diǎn)一一核對(duì)，確保取樣位置合理，插入深度合適，每個(gè)測(cè)量回路必須從就地安裝位置進(jìn)行回路校驗(yàn)，確保測(cè)點(diǎn)的正確性及可靠性。試驗(yàn)過程中復(fù)核熱控聯(lián)鎖保護(hù)定值，及時(shí)修訂完善，確保機(jī)組運(yùn)行后，各聯(lián)鎖保護(hù)功能動(dòng)作可靠。

3 單、雙列方案的對(duì)比分析

3.1 單、雙列方案技術(shù)分析

雙列風(fēng)煙系統(tǒng)布置方案每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)50%容量的一次風(fēng)機(jī)，2臺(tái)50%容量的二次風(fēng)機(jī)，2臺(tái)50%容量的引風(fēng)機(jī)。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(jìn)入2臺(tái)容克式三分倉空氣預(yù)熱器，然后通過煙道進(jìn)入電氣除塵器，再由靜葉可調(diào)吸風(fēng)機(jī)至脫硫島后經(jīng)煙囪排至大氣。從可靠性方面考慮，任何1臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組能夠保持50%負(fù)荷以下運(yùn)行，而無須與電網(wǎng)解列，減少非停次數(shù)。運(yùn)行時(shí)，操作及監(jiān)護(hù)設(shè)備多，需要考慮設(shè)備并列運(yùn)行等操作，檢修維護(hù)工作量大。

單列風(fēng)煙系統(tǒng)布置方案每臺(tái)鍋爐配置1臺(tái)100%容量的一次風(fēng)機(jī)、1臺(tái)100%容量的二次風(fēng)機(jī)、1臺(tái)100%容量的引風(fēng)機(jī)。鍋爐尾部采用單列配置，鍋爐豎井下設(shè)置1臺(tái)三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。簡(jiǎn)化了風(fēng)煙系統(tǒng)，取消了聯(lián)絡(luò)風(fēng)道和風(fēng)機(jī)進(jìn)出口擋板，減小了檢修維護(hù)工作量。即使低負(fù)荷工況，也不會(huì)降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，且單列風(fēng)機(jī)避免了2臺(tái)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)，運(yùn)行不平衡而帶來的風(fēng)機(jī)實(shí)際效率下降的問題。滿負(fù)荷工況下，單列風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率略優(yōu)于雙列方案，系統(tǒng)在50%負(fù)荷工況下，單列風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率可達(dá)到75%，比雙列風(fēng)機(jī)提高3% ～4%。低負(fù)荷下，單列風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振區(qū)。從可靠性方面考慮，任何1臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障跳閘或停運(yùn)時(shí)，鍋爐無法保持運(yùn)行，機(jī)組均需與電網(wǎng)解列，從而導(dǎo)致非停次數(shù)增加。但運(yùn)行時(shí)，操作簡(jiǎn)便靈活，調(diào)整工作量小，而且檢修維護(hù)量較小。

總之，單列方案的可靠性可以通過提高單機(jī)、儀控設(shè)備及控制邏輯合理性等方面得到補(bǔ)償，而在運(yùn)行簡(jiǎn)便及維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)顯著。

3.2 單、雙列方案投資經(jīng)濟(jì)性比較

單、雙列方案的設(shè)備數(shù)量相差較大，因設(shè)備容量差異大，各設(shè)備價(jià)格差異較大，投資方面主要考慮風(fēng)機(jī)設(shè)備以及風(fēng)門擋板，詳細(xì)經(jīng)濟(jì)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(yù)熱器設(shè)備的價(jià)格較雙列設(shè)備高出300萬元，其余單列設(shè)備較雙列方案低203萬元;而在安裝及土建費(fèi)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(fèi)用，單列方案應(yīng)略低于雙列方案。

表1 單、雙列配置投資經(jīng)濟(jì)性比較Tab.1 Comparison of investment economy between single-row and double-row configuration

3.3 單、雙列方案運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

表2中列出單、雙列方案在不同的負(fù)荷時(shí)各風(fēng)機(jī)的電氣參數(shù)。對(duì)其進(jìn)行比對(duì)可以看出，與雙列配置方案對(duì)比，單列配置時(shí)送風(fēng)機(jī)效率相當(dāng)，而一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的效率有一定程度的提高［7-8］。分析單、雙列配置方案時(shí)，考慮機(jī)組運(yùn)行煤質(zhì)差異，機(jī)組參數(shù)對(duì)煤量及風(fēng)量分配的影響。對(duì)于一次風(fēng)機(jī)，剔除不同負(fù)荷工況下因煤質(zhì)差異造成的一次風(fēng)量差別因素，單列效率提高6%左右。主要是由于單列配置時(shí)彌補(bǔ)了雙列配置時(shí)壓頭高、流量小的不足;同時(shí)與空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率降低也有一定關(guān)系。對(duì)于引風(fēng)機(jī)，剔除因煙氣量差異造成的差別，單列效率提高3%左右。經(jīng)估算，每年僅此節(jié)約廠用電約1031萬kW·h，電價(jià)以0.3元/(kW·h)計(jì)，運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約309.3萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

從實(shí)踐結(jié)果及理論分析來看，當(dāng)機(jī)組在低于50%的額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，雙列配置方案風(fēng)機(jī)單側(cè)運(yùn)行并不能提高效率，達(dá)到節(jié)約廠用電的目的，因?yàn)閱蝹?cè)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離高效區(qū)，效率下降明顯。引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)串聯(lián)布置時(shí)，在75%負(fù)荷下，可以不啟動(dòng)增壓風(fēng)機(jī)，整體效率顯著優(yōu)于雙列配置方案。而對(duì)于引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)合并采用50%并聯(lián)布置方案，啟動(dòng)初期需要雙側(cè)運(yùn)行，低負(fù)荷下運(yùn)行于低效率區(qū)。高負(fù)荷下，單、雙列方案的效率接近。近年來，電網(wǎng)裝機(jī)容量大幅度增加，調(diào)度負(fù)荷很難長(zhǎng)期運(yùn)行在滿負(fù)荷下，效率提升取得的經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。

表2 單、雙列方案運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比較Tab.2 Comparison of operation economy between single-row and double-row configuration

4 結(jié)論

(1)從投資經(jīng)濟(jì)性來看，單列風(fēng)煙系統(tǒng)布置方式與雙列配置基本相當(dāng)，但前者占地面積小;從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性來看，單列風(fēng)煙系統(tǒng)總體效率有一定程度的提高(3% ～4%)，運(yùn)行操作簡(jiǎn)便靈活，調(diào)整工作量少，維護(hù)檢修方便。

(2)單系統(tǒng)輔機(jī)的可靠性通過提高輔機(jī)、熱控設(shè)備的性能及合理的配置控制系統(tǒng)等措施得到補(bǔ)償，對(duì)輔機(jī)可靠性的重視程度應(yīng)等同于主機(jī)。從機(jī)組試運(yùn)及移交生產(chǎn)后的情況來看，單列布置的空氣預(yù)熱器、三大風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未發(fā)生因風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致的停機(jī)停爐事故。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，需要繼續(xù)積累統(tǒng)計(jì)可靠性數(shù)據(jù)。

(3)鍋爐輔機(jī)單列配置后，受控對(duì)象發(fā)生了較大變化，鍋爐MFT保護(hù)條件、風(fēng)機(jī)和空氣預(yù)熱器控制邏輯必須進(jìn)行相應(yīng)的修改，同時(shí)RB功能中對(duì)此不必考慮。

總體來講風(fēng)機(jī)單列配置方式啟動(dòng)便捷，調(diào)整靈活，穩(wěn)定可靠，運(yùn)行效率有一定程度的提高，取得的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)在600MW級(jí)機(jī)組建設(shè)中值得借鑒。

［1］DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］DL 468—2004電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］呂明.國電建投內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司鍋爐輔機(jī)單列配置專題報(bào)告［R］.石家莊:河北省電力勘測(cè)研究院，2009.

［4］劉鶴忠.鍋爐單列輔機(jī)配置在600MW級(jí)機(jī)組運(yùn)用探討［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2011，18(3):27-32.

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