高效灵活“汽电双驱”引风机技术及工程应用

姚 君，蔺琪蒙，施刚夜，蒋 健，侯新建，曹 昊

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.国家能源集团宿迁发电有限公司，江苏 宿迁 223800)

0 引言

引风机为火力发电厂最耗电设备之一，并且在最近的大容量机组中，通常采用引、增合一的方案，引风机功率大幅增加，例如1 000 MW机组，单台引风机选型点功率达到9 000 kW[1]；同时，随着国家节能减排要求的不断提高，火电机组越来越多地承担区域内的供热任务，常规的减温减压供热方式，节流损失较大。两者相结合，已有相当多机组采用了汽动引风机排汽供热技术：通过设置背压式汽轮机，拖动引风机做功，其排汽对外供热[2]。可有效降低机组厂用电率，并且减少供热减温减压损失，提升机组效率。

而常规的汽动引风机排汽供热技术，在实际运行中，存在小汽轮机效率偏低(特别是低负荷)、排汽量与供热量匹配度较差等问题，在此基础上，华东电力设计院有限公司提出了高效灵活“汽电双驱”引风机技术──工频发电机调速的背压式小汽机驱动风机系统及方法(发明专利号：201310352592.9)、工频发电机调速的背压式小汽机驱动风机系统及发电机组(实用新型专利号：201320494695.4)。

1 高效灵活“汽电双驱”引风机技术

高效灵活“汽电双驱”引风机技术方案中的小汽轮机与常规汽动引风机系统一致，采用背压式汽轮机。

1.1 引风机调节方式

根据引风机调节方式的不同，“汽电双驱”引风机方案可分为：静叶调速风机方案和定速动叶调节风机方案。

静叶调速风机方案的轴系布置可以为发电机(异步)—调速齿轮箱—变速背压小汽机—定比齿轮箱—调速引风机。定速动叶调节风机方案的轴系布置可以为小汽机—定速比齿轮箱—电动/发电机(异步)—定速引风机。

静叶调速引风机方案中发电机通过调速齿轮箱与小汽机联接，而调速齿轮箱的传动效率仅有90%(部分负荷时更低)，传动效率损失相对较高。定速动叶可调引风机方案中发电机则可选用定速比齿轮箱实现与小汽机的联接，传动效率介于98%～99%，远高于调速齿轮箱。

在同样的进汽量下，定速动调引风机方案由于小汽机向发电机侧传递的功率较高，同时定速比齿轮箱的传动效率也远高于调速齿轮箱，因而发电机的输入功率较高，对应输出的电量增加，降低了厂用电率。

同时，调速齿轮箱较定速比齿轮箱价格昂贵，设备成本非常高。由此可见，从运行经济性和初投资角度，定速动叶调节引风机方案更具优势。

1.2 轴系布置

整个设备系统按轴系布置依次为小汽机—定速比齿轮箱(可离合)—电动/发电机(异步)—引风机，见图1。

1.3 技术特点

1)技术前瞻性

“汽电双驱”引风机方案的开发，基于解决汽动引风机在实际运行中效率较低和满足灵活供热的要求而开发的新技术，其中电动/发电机的应用，将改变目前国内引风机汽轮机效率较低和汽轮机汽源系统复杂的问题，具有较高的实用性和经济性。

2)运行灵活性

无论在电机或小汽机发生故障时，轴系均可单独正常运行；同时供热方式更为灵活，根据不同热负荷量，可以按照汽动/汽电双驱/电动不同方式运行。

3)运行经济性

进汽调节阀全开，采用小电机调节轴功率替代小汽机进汽调阀节流调节轴功率，提高了小汽轮机的运行效率，使其始终在高效区运行。

2 “汽电双驱”引风机电气方案

“汽电双驱”引风机方案中电机需要同时兼备发电机与电动机的功能，考虑到异步电机同时兼作发电机在石油化工行业已有运行先例，控制较为简单，后期维护工作量较小，可采用异步电机。

2.1 异步电动机/发电机的工作原理

异步电机的结构简单、可靠、耐用，且价格低廉。其主要由定子和转子两部分组成，定子为三相绕组形式，转子为鼠笼式结构。当定子的三相绕组接在电网上时，通过其定子的三相电流就会产生以同步转速旋转的磁场，当转子速度低于同步转速时，磁场对转子有切割运动，在鼠笼转子上产生感应电流，从而受力，使转子略低于磁场的同步转速运行。若转子上接有负载，就可以带动负载转动，此时异步电机工作在电动机状态，需要在电网上吸收无功电流建立激磁磁场，同时还要吸收有功电流输出负载转矩。随着转子转速的升高，磁场与转子的切割运动逐渐减弱，转子的输出转矩也相应减小，当转子的转速达到同步转速时，输出转矩为零。随着转速的继续升高，转子与磁场的切割运动又出现，并不断加强，在鼠笼转子上又产生感应电流从而受力，此电磁力将阻碍转子，不让其高于磁场的同步速运行，所以必须靠原动机拖着异步机转动，此时异步电机作为发电机运行，挂在电网上的定子继续吸收无功电流来激磁，同时输出有功电流，将原动机的机械功率转换成电功率。由此可见，异步电机并入电网运行，定子绕组上的电压、频率均与电机的转速无关，不存在类似与同步电机的振荡与失步等问题，电流大小与转速有关，但都是很好的正弦波，不会对电网产生谐波污染。其缺点是，不管异步电动机运行在何种状态，都要在电网吸收无功功率，两种工作状态在理论上吸收无功的量近似相同。然而，“汽电双驱”这一创新技术应用于厂用电系统，吸收无功带来的问题不明显，因此也就不存在这一缺点了。

2.2 运行方案

2.2.1 启动

启动时，小汽机与异步电机、引风机脱开，异步电机由厂用电供电，以电动机的形式启动，拖动风机至设计转速稳定运行。与此同时，小汽机缓慢升速至设计转速后，投入与电机、风机同轴运行。受到小汽机的驱动，电动机转速稳步提升(此时可同时调节风叶以保证风量基本不变)直至超过同步转速后，以发电机形式运行。

2.2.2 功率调节

在设计供热工况下满载运行时，由小汽机驱动引风机，异步电机以发电机的状态运行，转速略高于同步转速。若此时机组出力降低或供热量下降，则小汽机的进汽量减少，输出功率随之降低，转速略有下降(但仍高于同步转速)，异步电机仍运行在发电机状态，只是发电量有所下降。若小汽机输出功率进一步降低，则异步电机的转速随之下降至同步转速相同，此时异步电机处于空载状态。随着机组出力的进一步降低或供热量的下降，小汽机的输出功率进一步降低，异步电机转速低于同步转速，运行在电动机状态，从厂用电吸收电能与小汽机一起驱动引风机。

3 工程应用

2018年12月31日，由华东电力设计院承担设计的国家能源集团宿迁电厂660 MW二次再热3号机组通过168小时试运，正式投产发电。宿迁项目为国家科技部“高效灵活二次再热发电机组研制及工程示范项目”，高效、灵活“汽电双驱”引风机技术在示范项目上得以首次应用，具有以下特点：

1)高效：小汽机进汽阀全开运行，供热节流损失减少，机组宽负荷运行效率得以提高，综合工况供电煤耗降低约1g/kW·h；

2)灵活：满足机组不同负荷工况稳定供热的需求，同时解决二次再热机组供热带来的再热器受热面设计的难题，避免出现二次再热机组再热汽温欠温现象；

3)安全：引风机具有电动、汽电双驱、汽动等多种运行方式，驱动设备的备用率高，提高了设备运行的可靠性；

4)经济：在热耗率验收工况 (turbine heat acceptance，THA)下，厂用电率大幅降至1.99%，显著提高电厂的售电效益。

3.1 机组供热参数

该工程单台机组设计热负荷为：额定供热压力为1.5 MPa；额定供热温度为300℃～350℃；额定供热流量为156 t/h。

3.2 背压式汽轮机选型

二次再热机组，小汽机供汽汽源宜采用锅炉一次再热一级再热器出口(参数10.23 MPa，513℃(THA))的蒸汽，以满足供热所需的背压排汽参数要求。详见表1。

表1 背压小汽机参数表

3.3 运行经济性

“汽电双驱”引风机方案，由于一次再热一级再热器出口排汽热能得以充分做功利用，最终小汽机排汽焓值相对较低，虽然发电标煤耗增加，但是节省了部分厂用电，厂用电率得以大大降低，供电标煤耗略有降低。通过“汽电双驱”引风机方案，在保证对外热负荷的情况下，充分利用了供热汽源的做功能力，将抽汽热能转化为汽动引风机的动能，并补充部分电能，节省了厂用电，提高了供热效率，实现了能量的梯级利用。相比直接减温减压供热方案，供电煤耗降低约1 g/kW·h。

3.4 机组厂用电率

汽电双驱引风机技术可大幅降低机组厂用电率，THA工况低至1.99%。详见表2。

表2 厂用电率对比表

3.5 投资收益分析

“汽电双驱”引风机技术，采用电机平衡汽轮机输出功率，使汽轮机始终在高效区运行，但是相应增加了电机、离合器等配置。

“汽电双驱”引风机方案与减温减压供热方案相比，每台机组增加投资约3 200万元。详见表3。

表3 投资回收年限对比

虽然“汽电双驱”引风机方案的初投资高，但由于厂用电率的大大降低，多出的初投资1.9年即可回收。

3.6 现场“汽电双驱”引风机轴系

现场汽电双驱引风机轴系实际运行轴系设备依次为汽轮机－齿轮箱－电机－引风机。

3.7 “汽电双驱”引风机实际运行效果

从实际运行效果来看，在639.5 MW负荷下(约97%THA)，两组汽电双驱引风机电机均处于发电状态，分别向厂网提供3 561 kW、3 703 kW电量，机组整体厂用电率约1.9%，小汽机效率接近82%；在550 MW (83.3%额定负荷)时，两台小汽机可以提供140 t/h左右的供热流量和6 000 kW的发电量。在50%～100%THA工况下，小汽机效率均在80%以上，相比常规汽动引风机小汽机，综合工况效率提高10%以上。

宿迁电厂在“汽电双驱”小汽机投运后，综合厂用电率降低至1.99%以下，机组的综合厂用电率下降了46.50%，供电标煤耗下降了约1 g/kW·h，均达到了设计目标值。

4 结语

考虑到电动引风机能耗高、常规减温减压供热节流损失大，目前已有相当多机组采用了汽动引风机排汽供热技术：通过设置背压式汽轮机，拖动引风机做功，其排汽对外供热。可有效降低机组厂用电率，并且减少供热减温减压损失，提升机组效率。

在常规汽动引风机基础上，华东电力设计院有限公司提出了高效灵活“汽电双驱”引风机技术。在国家科技部“高效灵活二次再热发电机组研制及工程示范项目” 国家能源集团宿迁电厂中，高效、灵活“汽电双驱”引风机技术得以首次应用，并成功投运，运行情况良好。该技术具有运行经济性好、供热灵活性高、厂用电率低、供电煤耗低等优点。