(1.山西大學(xué),山西 太原 030013；2.山西漳電科學(xué)技術(shù)研究院，山西 太原 030000；3.山西漳電同華發(fā)電有限公司，山西 忻州 034114)

0 引 言

鍋爐引風(fēng)機(jī)作為火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)，在保持鍋爐爐膛燃燒壓力穩(wěn)定的前提下，抽吸鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣，經(jīng)脫硝、除塵、脫硫后排放到大氣中。在電廠的方案設(shè)計(jì)中,既要確保引風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性,又要達(dá)到引風(fēng)機(jī)的節(jié)能需求，其運(yùn)行效率的高低直接影響到廠用電率及煤耗率等能耗指標(biāo)。

隨著近年國(guó)內(nèi)燃煤發(fā)電廠大容量、高參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì),使鍋爐引風(fēng)機(jī)的容量也隨之越來(lái)越大。當(dāng)其與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并，稱作“增引合一”引風(fēng)機(jī)，當(dāng)考慮脫硝阻力后，成為“三合一”引風(fēng)機(jī)，其功率僅次于給水泵的大功率輔機(jī)。由于超低排放的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求電廠不斷進(jìn)行脫硫脫硝系統(tǒng)的改建,這些環(huán)保設(shè)施必然引起鍋爐煙氣阻力進(jìn)一步增大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)的功率也不斷增加。而合理選擇引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式,有利于減少?gòu)S用電耗能、增加機(jī)組的凈供電量、提高電廠的收益。

文獻(xiàn)[1]分析600 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，得出當(dāng)前引風(fēng)機(jī)存在選型偏大、電機(jī)容量與風(fēng)機(jī)容量不匹配等問(wèn)題，建議引風(fēng)機(jī)選型的流量裕度控制在10%～15%。文獻(xiàn)[2]采用供電煤耗率分析方法建立了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)節(jié)能效果計(jì)算模型，計(jì)算分析得出汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是否節(jié)能取決于機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的高低。文獻(xiàn)[3]提出了一種實(shí)現(xiàn)電站鍋爐大型軸流式風(fēng)機(jī)汽電雙驅(qū)的軸系結(jié)構(gòu)，可解決傳扭中間軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子熱態(tài)膨脹問(wèn)題，并避免由此引起的軸系振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電站鍋爐大型軸流式風(fēng)機(jī)汽電雙驅(qū)動(dòng)。本文以某燃煤電廠660 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)增容改造為分析對(duì)象，對(duì)引風(fēng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)、以及汽電雙驅(qū)三種不同驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行比較，分別計(jì)算初投資、耗煤量、廠用電量并進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析。

1 660 MW火電機(jī)組引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目概況

某電廠“超低排放”改造工程擬對(duì)2臺(tái)660 MW超臨界直接空冷機(jī)組進(jìn)行超低排放改造，總體技術(shù)路線包括脫硝改造、除塵改造、在脫硫塔入口前加裝煙氣余熱利用裝置、脫硫改造、引風(fēng)機(jī)增容改造。其中引風(fēng)機(jī)增容改造工程每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)引風(fēng)機(jī)。選型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 增容后引風(fēng)機(jī)基本選型參數(shù)

1.2 引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案及調(diào)節(jié)方式的選擇

660 MW等級(jí)火電機(jī)組的引風(fēng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式時(shí),一般采用定速電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，電機(jī)的容量增大使廠用電增加、啟動(dòng)電流增大，甚至可能引起母線電壓降低導(dǎo)致設(shè)備跳閘的問(wèn)題，需要提高廠用電的電壓等級(jí)。目前火電廠的廠用電壓等級(jí)大多為6 kV，6 kV電壓等級(jí)的廠用母線一般可以啟動(dòng)不超過(guò)約7 000～8 000 kW功率的設(shè)備，超過(guò)該功率就需要采用10 kV的電壓等級(jí)。而對(duì)于660 MW火電機(jī)組單臺(tái)50%容量引風(fēng)機(jī)，TB工況下(即Test Block，此工況點(diǎn)的風(fēng)量、風(fēng)壓為風(fēng)機(jī)能力考核點(diǎn)，即鍋爐最大連續(xù)出力并考慮風(fēng)量、風(fēng)壓裕量后的風(fēng)機(jī)工況)其軸功率已超過(guò)8 000 kW。而如果輔機(jī)單列布置時(shí)，引風(fēng)機(jī)100%容量TB工況就超過(guò)了14 000 kW，所以600 MW 級(jí)及以上新建機(jī)組引風(fēng)機(jī)若采用電動(dòng)方式，廠用電壓等級(jí)一般需要采用10 kV，這無(wú)疑增加了設(shè)備投資。

近幾年，已有不少電廠600 MW以上機(jī)組新建及改建項(xiàng)目中，采用了小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)方式，如華能海門(mén)電廠、國(guó)電北侖電廠、華電望亭電廠、國(guó)電滎陽(yáng)電廠等等。汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)可以解決引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，并大大降低廠用電率，提高機(jī)組上網(wǎng)電量，同時(shí)還可以通過(guò)不同負(fù)荷下小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),有效提高引風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷工況運(yùn)行下的效率,使風(fēng)機(jī)保持高效運(yùn)行。采用小汽輪機(jī)變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī),將蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能量損失，但由于需要從主汽輪機(jī)抽汽，所以機(jī)組熱耗及發(fā)供電煤耗都會(huì)增加,管路系統(tǒng)復(fù)雜。特別是采用汽動(dòng)方式時(shí)，小汽輪機(jī)軸功率要滿足引風(fēng)機(jī)的TB工況下的軸功率，導(dǎo)致小汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)軸功率與正常運(yùn)行時(shí)引風(fēng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)功率偏離較大，使小汽輪機(jī)在運(yùn)行中進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度偏小，機(jī)組在50%～100%負(fù)荷運(yùn)行工況下，小汽輪機(jī)的進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門(mén)閥位大約僅為30%～50%左右，效率偏低[4]。

綜合考慮到以上因素，提出汽動(dòng)為主、汽電雙驅(qū)的方式，采用小汽機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)動(dòng)葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)的定速調(diào)節(jié)方案，即小汽輪機(jī)、變速離合器(行星齒輪+超越離合器)、電動(dòng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)同軸布置。如圖1所示，小汽機(jī)經(jīng)變速離合器減速后與電機(jī)及引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速匹配，由于變速離合器變速比一定，小汽機(jī)的轉(zhuǎn)速一定。小汽機(jī)按照大于機(jī)組鍋爐最大連續(xù)工況下的引風(fēng)機(jī)軸功率進(jìn)行選型，為保證小汽機(jī)效率，小汽輪機(jī)汽門(mén)全開(kāi)，采用定速運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組在常用負(fù)荷及以下運(yùn)行時(shí)，由小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)，小汽輪機(jī)閥門(mén)全開(kāi)出力大于風(fēng)機(jī)所需功率，電機(jī)處于發(fā)電工況，剩余功率則由電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能回收至廠用電系統(tǒng)；高于此負(fù)荷率時(shí)，小汽輪機(jī)閥門(mén)全開(kāi)出力已不能滿足風(fēng)機(jī)所需功率，電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)工況，與小汽機(jī)共同驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，使用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，超越離合器將小汽機(jī)從系統(tǒng)中脫開(kāi)。

可見(jiàn)，汽電雙驅(qū)結(jié)合了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和小汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。由于小汽輪機(jī)全程處于閥門(mén)全開(kāi)工況運(yùn)行，較現(xiàn)有汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方式減少了小汽機(jī)進(jìn)汽節(jié)流的損失，從而提高了整體運(yùn)行效率。

2 不同驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)備配置分析

2.1 電動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案配置

需兩臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，并配兩臺(tái)功率約為9 200 kW電動(dòng)機(jī),無(wú)其他輔助設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

2.2 汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案配置

需兩臺(tái)50%容量的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，配兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)。小汽輪機(jī)主要參數(shù)如表2所示，每臺(tái)小汽輪機(jī)配置一套減速齒輪箱、小凝汽器和排汽閥，并設(shè)凝結(jié)水泵及抽真空系統(tǒng)及小機(jī)供汽系統(tǒng)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

2.3 汽電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案配置

需兩臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，配兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)和兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。小汽輪機(jī)主要參數(shù)表如表2所示，與汽動(dòng)方案中的小汽機(jī)僅是容量、低負(fù)荷時(shí)內(nèi)效率的不同，汽水系統(tǒng)的設(shè)置，包括汽源、冷卻水源、排汽方式、小機(jī)型式的選擇均一致。每臺(tái)小汽輪機(jī)配置一套變速離合器，一臺(tái)小凝汽器和排汽閥，兩臺(tái)小機(jī)凝結(jié)水泵及獨(dú)立的小機(jī)抽真空系統(tǒng)及小機(jī)供汽系統(tǒng)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)。

表2 小汽輪機(jī)主要參數(shù)表

按照風(fēng)機(jī)在BRL工況下的軸功率配置小汽機(jī)。小汽輪機(jī)采用凝汽式方案，間接冷卻，額定負(fù)荷按照BRL工況選型為5 500 kW，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于BRL工況時(shí)，電機(jī)投入使用，由小汽輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率按4 000 kW設(shè)計(jì)。小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速較高約為5 500 rpm，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，約為750 rpm，汽電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)的連接方式是小汽輪機(jī)通過(guò)變速離合器減速后與電動(dòng)機(jī)相連，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與引風(fēng)機(jī)匹配，即約為750 rpm。因此，引風(fēng)機(jī)與小汽機(jī)之間存在較大的轉(zhuǎn)速比，所配置的變速離合器需同時(shí)滿足大功率、高轉(zhuǎn)速(輸入端)、大速比的要求，變速離合器效率一般大于98%。

3 引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式配置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 初投資比較

三種方案(電動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案A，汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案B，汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案C)的初投資比較見(jiàn)表3。

在上表中，由于汽電聯(lián)驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案C與汽動(dòng)方案B中的小汽機(jī)容量不同,汽動(dòng)方案B中小汽輪機(jī)軸功率要滿足引風(fēng)機(jī)的TB工況下的軸功率，而汽電聯(lián)驅(qū)C按照BRL工況下的軸功率配置小汽機(jī),導(dǎo)致小汽機(jī)設(shè)備以及相關(guān)的循環(huán)水系統(tǒng)的投資費(fèi)用都有所不同。

表3 引風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方案初投資比較表(兩臺(tái)機(jī)組量)

3.2 耗煤量及上網(wǎng)電量的比較

針對(duì)三種方案的運(yùn)行特點(diǎn)，電動(dòng)方案A，操作簡(jiǎn)單,啟動(dòng)速度快,,負(fù)荷調(diào)節(jié)快范圍大,維護(hù)工作量少。電動(dòng)機(jī)效率較高為98%；而引風(fēng)機(jī)的效率在60%～80%變化，低負(fù)荷時(shí)效率變差。汽動(dòng)方案B，操作復(fù)雜，啟動(dòng)速度較慢，負(fù)荷變化率較慢，而且負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍受小汽機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速控制，維護(hù)工作量多。正常運(yùn)行引風(fēng)機(jī)由小汽輪機(jī)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其效率在70%～82%變化，尤其在低負(fù)荷時(shí)，小汽輪機(jī)和引風(fēng)機(jī)的效率都低。汽電雙驅(qū)方案C，操作復(fù)雜，啟動(dòng)速度快，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，維護(hù)工作量多。正常運(yùn)行由小汽輪機(jī)全開(kāi)汽門(mén)提供動(dòng)力，其效率在80%～82%變化，低負(fù)荷時(shí)效率遠(yuǎn)高于汽動(dòng)B方案。并且由于異步發(fā)電機(jī)回收部分電能，使得廠用電更低，能向外供較多電能，一定程序上抵消汽耗的增加。同時(shí)在低負(fù)荷時(shí)，由于主機(jī)汽量的增加，使得主機(jī)效率也較方案B高。

不同方案的差額發(fā)電成本主要為燃料成本的差額，可以根據(jù)機(jī)組年運(yùn)行模式，和對(duì)應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷下發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計(jì)算確定[2]?；诘刃ъ式捣ㄟM(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，并綜合考慮機(jī)組全年按5 000運(yùn)行小時(shí)，負(fù)荷率80%。按照加權(quán)平均的方法，計(jì)算各方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下表4(兩臺(tái)機(jī)組)。

表4 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

可見(jiàn)，采用汽動(dòng)或汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案時(shí)，由于主機(jī)增加了抽汽量，機(jī)組在額定出力下，主蒸汽流量增加，則發(fā)電熱耗會(huì)有所增加。以A方案為基準(zhǔn)，B,C方案增加的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別是6.49 g/kW·h和6.05 g/kW·h，年發(fā)電標(biāo)煤耗量分別是4.3萬(wàn)t、4.0萬(wàn)t。汽電雙驅(qū)相比汽動(dòng)方案煤耗量有所降低，相對(duì)減少了發(fā)電成本。

在廠用電負(fù)荷方面，電動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案的電耗主要為電動(dòng)機(jī)，汽動(dòng)方案引風(fēng)機(jī)廠用電耗包括小機(jī)供油裝置、小機(jī)凝結(jié)水泵、真空泵和循環(huán)水系統(tǒng)等設(shè)備的電耗，汽電雙驅(qū)方案引風(fēng)機(jī)廠用電耗包括汽動(dòng)方案中設(shè)備及電動(dòng)機(jī)電耗，但同時(shí)在低負(fù)荷情況下，小汽輪機(jī)又把多余的能量可通過(guò)異步發(fā)電機(jī)回收部分電能至廠用電系統(tǒng)。所以，以A方案為基準(zhǔn)，B,C方案廠用電負(fù)荷減少，即年上網(wǎng)電量分別增加了7 701萬(wàn)t和7 978萬(wàn)t。采用汽電雙驅(qū)使廠用電率降低1.53%，進(jìn)一步增加了發(fā)電收益。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較

以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)為基準(zhǔn)，對(duì)三種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，如表5所示。

表5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

以上計(jì)算中，標(biāo)煤價(jià)按照500元/t，上網(wǎng)電價(jià)取0.353 8元/kWh。年檢修維護(hù)費(fèi)用為設(shè)備費(fèi)用的10%。由計(jì)算結(jié)果可知，兩臺(tái)機(jī)組采用汽動(dòng)方案比電動(dòng)方案的初投資增加了約4 630萬(wàn)元，而每年年運(yùn)行盈利可增加毛利潤(rùn)約540萬(wàn)元，若不考慮費(fèi)率，約8.5年可收回成本。兩臺(tái)機(jī)組采用汽電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方案比電動(dòng)方案初投資則增加約4 610萬(wàn)元，而每年可增加毛利潤(rùn)約788萬(wàn)元，若不考慮費(fèi)率，約5.85年可收回成本。

因此，按定功率模式考慮，盡管汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案和汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案的年燃煤費(fèi)用、初投資均高于電動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案，但節(jié)省了廠用電，增加了上網(wǎng)電量，故電廠全年運(yùn)行收益要好于電動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案[5]。

4 結(jié) 論

(1)汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案中由于小汽機(jī)進(jìn)汽保持100%開(kāi)度，減少節(jié)流損失，運(yùn)行效率高于汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案。而且引風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，在低負(fù)荷的工況下，風(fēng)機(jī)效率優(yōu)于靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)。

(2)引增合一后引風(fēng)機(jī)軸功率達(dá)到了8 655 kW，采用汽電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方案來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)調(diào)引風(fēng)機(jī)，不僅避免了高廠變?nèi)萘渴芟?，而且在低?fù)荷情況下，通過(guò)異步發(fā)電機(jī)回收部分電能至廠用電系統(tǒng)，機(jī)組的廠用電率降低約1.53%，可使主機(jī)外送更多的電能，提高了運(yùn)行收益率。

(3)采用汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)方案，本體及其輔助系統(tǒng)復(fù)雜，除了需要配備汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)方案中的所有輔助設(shè)備，還需設(shè)置一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其系統(tǒng)包括供汽系統(tǒng)、潤(rùn)滑油及控制油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、本體疏水系統(tǒng)等，由于設(shè)置獨(dú)立的凝汽器，還要增加小機(jī)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)。與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)比較，設(shè)備多且布置復(fù)雜，靈活性將降低，增加了整體的運(yùn)行檢修維護(hù)工作量。

綜上所述，本660 MW等級(jí)超(超)臨界火電機(jī)組三合一軸流式引風(fēng)機(jī)汽電雙驅(qū)系統(tǒng)采用汽動(dòng)為主、汽電雙驅(qū)的方式，適應(yīng)不同負(fù)荷高效運(yùn)行的需要，能夠滿足到廠用電壓等級(jí)、廠用變壓器容量的要求，從而解決當(dāng)前火電廠環(huán)保設(shè)備增多、引風(fēng)機(jī)容量增大所帶來(lái)引風(fēng)機(jī)出力不足、以及設(shè)備投資大、耗電率大的問(wèn)題。研究成果將實(shí)際應(yīng)用于火電廠新建工程和改造工程，尤其對(duì)于當(dāng)前山西省超低排放改造工程中配套引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合并改造有很好的推廣價(jià)值。