660 MW超超临界锅炉单辅机系统设计及应用

顾 欣，叶勇健，邓文祥

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

0 引言

近些年来，随着我国电力设备制造能力、运行水平以及控制技术的提高，逐渐开始在350 MW、600 MW级机组工程的设计中提出单列辅机系统的配置和布置方案。锅炉辅机单列配置是指每台锅炉的空气预热器、一次风机、送风机、引风机(增压风机)采用一台全容量设备[1]。单列辅机配置在国际上已经有比较成熟的经验，德国火电机组的烟风系统大多采用单列辅机的配置方案[2]。2009年中国国电集团公司将布连电厂2×660 MW超超临界燃煤空冷机组列为主要辅机单列配置的试点工程，锅炉的空预器、送风机、一次风机、引风机以及增压风机均采用单列配置方案[3-7]。

平山电厂一期2×660 MW机组在借鉴国内外烟风系统单列辅机配置的基础上，总结国电布连电厂等单列辅机配置的设计和运行经验，充分考虑技术可靠性、选型经济性并优化单列辅机的系统和布置方案，2台机组风烟系统运行平稳，经济性较好，为同类型单列辅机系统的设计、辅机选型以及布置等提供借鉴和依据。

1 单列风机的机组可靠性分析

1.1 可靠性理论

发电设备(包括机组、辅助设备)可靠性，是指设备在规定的条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。要对一个系统或设备的可靠性进行评价，首先要了解衡量可靠性的指标。

中电联每年发布的《全国电力可靠性指标》，对辅机可靠性的统计主要包括五项指标，分别为运行系数、可用系数、计划停运系数、非计划停运系数和非计划停运率[8]。这五个指标中可用系数和非计划停运率是与设备可靠性最直接关联的指标。

1.2 可靠性分析

1.2.1 可靠性框图

双列设备的可靠性框图[9-10]是按照2×50 %设备容量进行分析，见图1(a)。单列设备的可靠性框图是按照1×100 %设备容量进行分析，见图1(b)。

1.2.2 机组非计划停运概率计算

对于双列辅机配置，当单侧设备出现故障时，机组可采用非计划减负荷运行，机组避免停运；而对于单列配置，任何一个辅机出现故障机组只能非计划停运。从非计划停机运行和非计划减负荷运行两个方面来分析600 MW等级机组辅机配置对其可靠性的影响。

双列风机的可靠性概率K'及非计划停运概率S'计算按式(1)和式(2)。

单列风机的可靠性概率K及非计划停运概率S计算按式(3)和式(4)。

式中：K、L、M分别表示一次风机、送风机、引风机，见图1。

以中电联2015年统计数据为例计算风机双列及单列配置可靠性概率和非计划停运概率。双列配置的送风机的运行可靠性为99.99% (非计划停运率即失效性概率为0.01 %)，引风机的运行可靠性为99.95 % (非计划停运率即失效性概率为0.05 %)，中电联统计数据中无一次风机运行可靠性数据，这里假设一次风机的可靠性数据与引风机相同，一次风机的运行可靠性按99.95 %计算。

根据可靠性概率计算，双列配置和单列配置的可靠性概率和非计划停运率见表1。

表1 风机双列及单列配置非计划停运概率

对于双列辅机配置，只有当并行设备同时出现故障时，机组才会跳闸停机。这里我们认为双列辅机的配置，当其中单侧辅机出现故障时，不影响另外一侧辅机的运行，机组能够成功降负荷运行。双列风机配置，机组每十万小时运行时间中会因为风机事故出现0.051 h的非计划停运。

对于单列风机配置，任何一个设备发生故障，机组均会发生非计划停运。单列风机配置的非计划停运率为0.11 %，风机单列配置每十万小时的运行时间中会出现110 h的非计划停运。可见单列风机配置的机组非计划停机概率比双列风机大。

1.2.3 机组非计划减负荷概率计算

对于双列风机配置来说，当任何一侧的风机出现故障时，机组均须减负荷运行。双列风机的非计划减负荷运行概率按式(5)和式(6)计算。

风机双列及单列非计划减负荷概率见表2。双列配置风机系统的机组发生减负荷运行概率为0.219 8 %，既相当于每十万小时的运行时间中会出现219.8 h因为风机故障而造成的非计划减负荷运行。单列辅机配置不会出现非计划减负荷运行情况，但可根据运行需求，计划内主动减负荷运行。

表2 风机双列及单列非计划减负荷概率

1.2.4 风机配置对机组运行可靠性影响

通过机组双列风机配置和单列风机配置运行时发生非计划停机和机组非计划减负荷运行的概率计算，可见，对于双列风机配置，双侧设备同时发生故障，机组发生非计划停机的概率非常低；当单侧设备发生故障时，若能成功快速减负荷(runback，RB)，机组可非计划减负荷运行。对于单列风机配置，每台设备发生故障，机组均会发生非计划停运。

实际上对于双列辅机配置，设备单侧故障时，可能会由于系统的连锁或互冲影响，对另一侧辅机的正常运行产生扰动，有可能会导致整个机组故障，严格意义上不能作为互不相干的双台设备，这与电厂的管理和运行水平都有较大关系。

由中电联的统计数据可知[8]，2012～2016年送风机的非计划停运率都非常低，2016年送风机的非计划停运率为0，其它年份为0.01%。引风机的非计划停运率分别为0.03%、0.03%、0.03%、0.05%、0%。由此可见，随着风机设备质量的提高、电厂运行管理水平的增强，国内的风机故障率越来越低，由于风机故障引起非计划停运概率越来越低，因此在660 MW超超临界机组中，重视风机设备的采购质量，尤其是关键部件，三大风机单列配置已经没有较大的风险。

2 单列辅机系统及布置设计

2.1 单列辅机烟风系统

平山电厂一期2×660 MW机组锅炉为超超临界塔式锅炉，锅炉紧身封闭。锅炉单列辅机配置烟风系统见图2。当锅炉单列配置时，一次风机、送风机和引风机出口的关断门均可以取消；空预器一次风进出口隔离门、空预器二次风出口隔离门也可以取消[11]。因此，单列辅机配置的烟风系统得到很大的简化，系统阻力降低，运行经济性会有所提高。另外不存在2 台风机抢风、运行不均衡而带来的风机实际效率下降的问题[12]。考虑到一次风机压头比较高，大容量锅炉单辅机运行和控制经验不足，一次风机出口隔离门保留；同时考虑到引风机检修时隔断脱硫系统和烟囱，引风机出口隔离门保留；为提高锅炉效率，送风机设计考虑室内和室外双吸风，送风机室内和室外吸风管段上各设置一个隔离门，用于切换吸风方式。

2.2 单列辅机的设备选型

锅炉的空气预热器采用单列，空气预热器转子φ19 824 m，双道/三道密封设计。预热器正常转速1.0 rpm，辅助传动转速0.25 rpm。

单列辅机配置三大风机选型的主要参数见表3。采用单列辅机配置，系统设计简单，管道系统取消了大部分风门，相对双列风机，管道布置更加流畅，烟风系统的风机选型阻力会减少 80～120 Pa。

表3 单列辅机配置三大风机选型的主要参数

2.3 单列辅机配置的烟风道布置

在单列辅机的风系统中，双列布置的联络风道取消，布置更加简洁、流畅，节约烟风道的材料，并且检修维护工作量降低。如果不考虑室内吸风，一次风机和送风机一般并列布置在炉后除尘器前的烟道支架下方。由于平山电厂660 MW机组送风机采用室内和室外双吸风，因此送风机布置在炉侧，单列辅机的一次风机和送风机进出口风道布置见图3。送风机吸风口沿着炉侧钢架上至炉顶，实现室内吸风布置。

除尘器前的烟道为一台空预器出口分四路进入两台双室五电场除尘器的四个通道，图4为单列辅机除尘器前烟道布置图。对于塔式锅炉，空预器出口的烟道可以设计与除尘器进口接近一致的标高，然后由空预器出口烟道引出4个出口分别连接至除尘器入口。为保证除尘器4个通道的流场、粉尘分布均匀，烟道的设计通过数值模拟分析，并吸收国外单辅机布置的经验，烟道布置尽量采用流线型，保证四个通道除尘器分布均匀的情况下，降低烟道的阻力。流线型烟道布置缩短了锅炉空预器出口至除尘器间的距离，烟道支架采用单跨设置，跨距为13.5 m，相比双列布置18～20 m的双跨布置，节约土建成本。同时流线型烟道布置有效缩短主厂房A排至烟囱的距离，节约厂房占地。

除尘器出口烟道为4个除尘器通道合并进入一台引风机进口，图5为单列辅机电除尘器后烟道布置图。与除尘器前烟道布置相同，除尘器后烟道也采用流线型布置，烟气流场顺畅，阻力小，同时烟道采用单跨，节约土建费用。

3 结论

1)对锅炉单列配置的机组可靠性进行分析，单列辅机配置中任何一个设备发生故障时，机组均会发生非计划停机。因此单列辅机配置时，需尽量提高设备的可靠性，使得机组非计划停机概率尽量减小。单列辅机配置不存在非计划减负荷运行状况，而相比较而言，双列辅机配置将会产生较大概率的非计划减负荷运行状况。随着设备制造能力的提高，三大风机的可靠性概率越来越高，单列风机配置的非计划停运概率为0.11 %，通过提高设备关键部件的可靠性，可进一步提高单列辅机的可靠性。

2)锅炉辅机单列配置，简化了烟风系统，风机进出口风门以及空预器进出口风门可取消，使得烟风道系统阻力降低，烟风系统的风机选型阻力会减少80～120 Pa，机组的运行经济性略高。

3)单列辅机烟风道布置，不需要联络风道，布置更加简洁、流畅。送风机为了实现炉顶吸风，布置在每台锅炉外侧。单列辅机的烟道采用流线型布置，流场顺畅，阻力小，烟道支架采用单跨布置，节约土建费用，并缩短主厂房至烟囱的距离。