引风机汽电双驱与单设小汽轮机技术对比

2020-07-16乔加飞温新宇

节能技术 2020年1期

付鹏，乔加飞，温新宇，郝卫

(1.神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京 100024; 2.中国科学院电工研究所，北市 100190)

近年来，对燃煤电厂进行节能降耗技术改造已成为发电企业落实“建设资源节约型”战略的重要措施。国家发改委、环境保护部、国家能源局三部委联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》[1]对火电机组的节能降耗做出了严格要求。面对国家对火力发电越来越高的节能要求，提高效益、降低成本成为发电企业经营管理的长期目标[2]。

汽轮机通流改造及热力系统优化改造(增设0号高加[3]、增设前置蒸冷[4]等)是目前重要的两种改造措施，可以较好降低机组煤耗，但投资相对较大[5]，而且节能降耗效果有限[6]。近几年，部分电厂通过增设小汽轮机来实现抽汽或乏汽的梯级利用[7]，或用于解决由于增容改造带来的高中压缸通流能力不匹配问题[8]，同时实现降低机组的厂用电率以增加售电收益等目的[9]，该方法成为当前许多机组提效创收改造方案的选项。

加装小汽轮机技术主要可分为两种类别：(1)小汽轮机驱动辅机技术，如目前最常见的小汽轮机驱动给水泵技术，部分电厂应用的汽动引风机技术[10]，以及近年来出现的引风机汽电双驱技术[11]；(2)小汽轮机带发电机技术，例如上海外高桥第三电厂的变频中心(变速小汽轮机+变频发电机)[12]，以及单设小汽轮机技术，如目前应用较广泛的背压机供热技术[7]。

小汽轮机驱动辅机技术类别中，引风机汽电双驱技术较为灵活可靠[13-14]。孔祥杰[13]分析了火力发电厂汽电双驱引风机的启停过程、保护逻辑、结构与经济性特点。吕春俊[14]提出了一种引风机汽电双驱背压机供热方案，在满足供热需求的前提下，既降低能耗同时也有助于控制二次再热机组的再热汽温。小汽轮机带发电机技术中单设小汽轮机技术相对更简单，且具有效率高运行效果好的优点[15-16]。刘辉[15]提出了一种基于高效清洁燃烧技术的煤基冷热电三联供系统，并研究了背压机负荷和排气压力变化对系统性能的影响规律。王新雷[16]通过建立背压机煤耗特性变工况计算模型，并结合实际调研，找出了实施背压机供热存在的问题。本文重点选取引风机汽电双驱与单设小汽轮机技术进行了对比研究。

本文对比分析了引风机汽电双驱技术与单设小汽轮机的技术特点，并选取浙江某电厂拟进行增容改造的1000MW超超临界机组作为案例进行研究，分别设计了引风机汽电双驱与单设小汽轮机的技术方案，从能耗、运行与投资收益进行比较并得出了推荐方案，该研究可为火电机组类似节能改造项目提供借鉴。

1 技术分析

1.1 引风机汽电双驱技术

引风机汽电双驱技术是锅炉引风机采用小汽轮机和电动机两种驱动方式，小汽轮机驱动引风机后富余的功率可以通过异步发电机输出电能的技术。主要设备包括：小汽轮机(背压式/纯凝式)、齿轮箱(定速比)、异步电机和引风机等。该技术可利用主汽轮机中低压连通管抽汽或其它抽汽作为小汽轮机的汽源，在驱动引风机的同时，富余电能可接至厂用电系统消纳，降低厂用电率。图 1展示了引风机汽电双驱技术的流程示意图。

图1 引风机汽电流程示意图1-小汽轮机(背压式/)；2-定速比齿轮箱；3-异步电机；4-引风机

引风机汽电双驱系统各设备选型特点如表1所示。

表1 引风机汽电双驱系统选型特点

设备选型特点齿轮箱定速比、可离合传动效率可达98.9%,高于变速比齿轮箱(约90%)引风机动叶定速与定速比齿轮箱匹配小汽轮机背压式/凝汽式根据机组实际特点选择,背压式小汽轮机应用较多电机异步电机可根据实际运行情况切换发电/电动模式,较纯汽动驱动更为灵活

1.2 单设小汽轮机技术

汽电双驱技术的优点主要体现为：

(1)与汽动引风机相比可不设启动汽源；

(2)引风机采用汽动和电动两种驱动方式，一定程度上提高了设备的可靠性；

(3)小汽轮机进汽调节阀可以全开，有助于提高小汽轮机效率。

缺点主要体现为：

(1)汽电双驱方案一般包括2套设备(小汽轮机+定速比齿轮箱+异步电机+引风机)，系统复杂；

(2)管道铺设较长且布置复杂，损失较高；

(3)为提供足够布置空间，可能需要进行引增合一改造，投资高收益小。

因为小汽轮机匹配引风机数量为2×50%方案，小汽轮机的容量小，效率低，供电煤耗指标差。

因此，结合汽电双驱的设备选型优点，以及单设小汽轮机技术的思路，提出一种单设小汽轮机带发电机接厂用电的方案。本章主要对该技术进行了介绍与理论分析，并与引风机汽电双驱技术进行了对比。

图 2展示了单设小汽轮机的流程示意图。单独设立一台旁路小汽轮机，通过定速比齿轮箱驱动一台发电机，所发电量接入厂用电系统。与引风机汽电双驱技术相对应的，单设小汽轮机方案中的引风机为电动引风机。

图2 单独设置小汽轮机带发电机技术流程示意图1-小汽轮机；2-变速器；3-发电机

单设小汽轮机技术应用的场景以及对应的具体技术主要分为3种：(1)低压缸排汽面积优化，具体技术为B透平；(2)供热改造，具体技术为背压机供热改造技术；(3)增容改造，单设小汽轮机以解决高中压缸通流能力不匹配问题。

1.3 技术对比

与单设小汽轮机技术相比，引风机汽电双驱适用的场景与实现的效果类似，具体对比如表2所示。

表2 引风机汽电双驱与单设小汽轮机技术对比

引风机汽电双驱单设小汽轮机设备包括两套设备,增加了系统的安全可靠性,但同时也增加了建设或改造的投资与运维成本。一台汽轮机,设备更简单,小汽轮机效率更高,能耗相对更低。流程小汽轮机带动异步电机以发电机模式驱动引风机,富余电量通厂用电单台小汽轮机发电并入厂用电土建需解决两台小汽轮机占地、烟道与蒸汽管道铺设问题需解决单台小汽轮机占地与管道铺设问题运行受引风机性能影响,低负荷运行时效率不高相对更灵活

2 计算平台简介

本文是采用全面热平衡计算方法，并联合国内有关高校开发了全厂热力系统集成优化(TPIS)软件，该软件已综合考虑1 000 MW机组的具体特性，可以深入研究各机组节能综合升级改造的原则性技术方案，探索各种节能关键技术应用于各机组的可行性和技术经济性。

TPIS软件平台主要针对电厂及热电前期设计及后期改造中的物料平衡、热量平衡提供计算方案。软件中融合了热力系统模块化建模、换热器(包括高低压加热器、表面式换热器、凝汽器)端差变工况分析、透平变工况计算以及热力系统集成优化等多种先进功能，以机组设计参数或实际运行参数为基准工况，实现不同改造方案和模型的自由转换和热力性能分析。

针对常规矩阵法只适用于回热系统计算的缺点，软件所用方法可对电厂各设备进行热力分析，因此，本文采用TPIS平台进行某1 000 MW机组热力系统的建模计算工作。具体计算方法可查阅已有研究[17-18]，本文不再赘述。

3 案例介绍

本文选取的案例机组为浙江某电厂1 000 MW超超临界机组，主要设备包括：锅炉，发电机，汽轮机(包括高压缸级组、中压缸级组和低压缸级组)，3级高压给水回热加热器，4级低压给水回热加热器，湿冷凝汽器，给水泵，凝结水泵和除氧器。主蒸汽在汽轮机级组依次膨胀做功后驱动发电机，做功后乏气进入凝汽器，凝结水由凝结水泵加压进入各级低压加热器和除氧器，随后经由给水泵加压经由各级高压加热器最终进入锅炉受热面。

该电厂拟进行增容提效改造，确定高压缸更换，中低压缸保留原设备，并进行1级前置蒸汽冷器的加装与凝汽器的增容改造，如图3所示。为充分消纳增容后高压缸增加的蒸汽流量，适当增大高压缸通流能力，需在高压缸排汽至中压缸进汽系统中抽取一定量的蒸汽驱动小汽轮机，从而保持中低压缸的进汽量不变，以最大程度提高汽轮发电机组增容能力，增加电厂售电收入。引风机汽电双驱与单设小汽轮机技术均可解决上述问题。

图3 增容改造示意图

针对上述两种技术，本文进行了方案对比，具体方案如图 4所示。

(1)方案一:汽电双驱引增合一方案

每台锅炉设置2台50%BMCR引风机，进行引增合一改造后改用汽电双驱动。每台机组配置2套汽电双驱引风机系统，即：2台背压式小汽轮机+2台齿轮箱+2台异步电机+2台引风机。

(2)方案二：小汽轮发电机+电动引风机

每台机组配置一套小汽轮发电机系统+2套50%容量的电动引风机系统，即1台小汽轮机+1台减速箱+1台发电机、2台电动机+2台引风机。凝汽器小汽轮机经过减速箱降低转速后推动励磁发电机旋转发电，再并入厂用电。根据小汽轮机采凝汽式或背压式以及背压的不同，方案二又可以分为三个子方案。

(1)方案二A：凝汽式小汽轮发电机组。

(2)方案二B：方案二B1背压式小汽轮机排汽进入6号低压加热器。

(3)方案二B2：背压式小汽轮机排汽进入5号低压加热器。

图4 方案关系示意图

4 结果分析

4.1 基准方案的选取

由于上述4种小汽轮机方案(方案一、方案二A、方案二B1、方案二B2)均包含了加装前置蒸汽冷却器与凝汽器增容，因此将方案比较基准设置为带有前置蒸冷与增容凝汽器的电动引风机方案，如图3所示。机组现状与电动引风机方案的对比如表3所示。可以看到，由于加装了前置蒸汽冷却器和增大了凝汽器换热面积，电动引风机方案效率更高，体现为主蒸汽量基本相当时，机组出力可增加约5%(45 MW)，供电煤耗降低约1.5 g/kWh，而厂用电率基本不变。

表3 案例机组现状与电动引风机方案对比

序号名称现状电动引风机1机组出力/MW1 0001 0452主蒸汽流量/t·h-13 0913 0773主汽轮机热耗/kJ·(kWh)-17 3777 3254厂用电率/[%]4.084.105厂用电量/kW40 80042 8156引风机功率/kW3 8726 5467增压风机功率/kW1 668/8发电标煤耗/g·(kWh)-1269.51267.609供电标煤耗/g·(kWh)-1280.97279.05

4.2 技术方案综合对比

各方案小汽轮机汽源可选择一再出口或高排出口，选取一再出口蒸汽作为汽源时，较高的蒸汽参数可显著增加小汽轮机效率，因此，各方案的小汽轮机汽源为一再出口，具体蒸汽参数如表4所示。

表4 各方案小汽轮机参数

序号名称方案一方案A方案B1方案B21进汽参数压力/MPa(a)5.845.845.845.84温度/℃488488488488流量/t·h-1601201201202其他参数转速/r·min-15 5007 4007 4005 500输出功率/kW9 95032 02320 08015 2843排汽参数背压/MPa(a)0.280.006 30.280.645排汽温度/℃16637166233排汽量/t·h-159.72119.06119.44119.24小机效率/[%]84.1684.984.984.95小机输出功率/kW19 90033 17420 08015 7696引风机轴功率/kW6 2846 5466 5466 5467异步电动发电机输出有功功率/kW3 432///

由表4可见，方案一采用了2×50%小汽轮机，故单台小汽轮机THA工况时的流量约为60 t/h，只为单设小汽轮机方案中小汽轮机流量的1/2(约120 t/h)。故单设小汽轮机方案(方案二A，方案二B1，方案二B2)中，小汽轮机效率(84.9%)显著高于方案一(84.16%)，有助于降低机组整体的能耗。

在TPIS平台进行建模计算后，各方案的性能指标如表5所示。

方案一与基准方案的对比，说明汽电双驱的投入会增加能耗，约1.5 g/kWh。

对于汽电双驱方案(方案一)，其机组出力可由1 000 MW增加至1 065 MW。对于单设小汽轮机方案，小汽轮机排汽至5抽(方案二B2)、6抽(方案二B1)和凝汽器(方案A)，首先，小汽轮机出力逐渐增加，分别为15 284 kW，20 080 kW，32 023 kW；其次，小汽轮机中的蒸汽在中低压缸逐渐降低，导致主机出力降低，分别为1 070 MW、1 065 MW、1 050 MW；此外，从方案二B2、方案二B1至方案二A，同样的蒸汽在主机中做功逐渐降低，小机出力逐渐增加，由于主机效率显著高于小机，等量的蒸汽在主机和小机的整体出力是增加的，因此供电煤耗呈现增加的趋势。

4.3 技术方案详细对比

单设小汽轮方案包括小汽轮机排汽至凝汽器(方案二A)、6抽(方案二B1)和5抽(方案二B2)，其中，排5抽的方案能耗性能最优(供电煤耗最低，为280.53 g/kWh)，并且增容效果最好(主机出力最高，为1 070 MW)，故为全面清晰地对比引风机汽电双驱和单设小汽轮机技术的特点，本部分分别从能耗、运行和投资收益3个方面详细对比方案一与方案二。

表5 各方案能耗性能指标

序号名称基准方案一方案二A方案二B1方案二B21机组出力/MW1 0451 0651 0501 0651 0702主蒸汽流量/t·h-13 0773 2003 2003 2003 2003主汽轮机热耗/kJ·(kWh)-17 3257 5087 6077 5087 4644厂用电率/[%]4.102.241.112.292.685厂用电量/kW42 81523 90411 70724 39828 5766引风机功率/kW6 5466 2846 5466 5466 5467增压风机功率/kW/////8小机输出功率/kW/19 90033 17420 08015 7699小机发电量/kW/6 86432 15319 46215 28410发电标煤耗/g·(kWh)-1267.60274.30277.91274.3011供电标煤耗/g·(kWh)-1279.05280.58280.57280.53

图5 方案一(汽电双驱)流程图

图6 方案二B2流程图

4.3.1 能耗

(1)与汽电双驱方案相比，煤耗可降低近0.4 g/kWh。因为小机(效率为83.4%)的120 t/h的抽汽在5、6抽之间的大机(效率为91.3%)做了功，使蒸汽能量得到更合理的利用;

(2)小机容量1万5，相对于小汽机排凝汽器的方案，小机出力少50%，接厂用电的难度降低;

(3)大机容量可增容至1 070 MW。估算方法：120 t蒸汽在5抽与6抽间的大机做功，约为6 MW，考虑汽轮机机械效率和发电机效率，机组在1 065 MW基础上可再增容5 MW。

4.3.2 运行

(1)系统简单，抽排汽管道更短，运行维护更为方便；

(2)汽电双驱方案中，小汽轮机排5抽，低负荷运行时需要在6、7号低加之间进行切换；方案二B2的小汽轮机排汽至5抽，无此问题。

4.3.3 投资收益

汽电双驱与单设小汽轮机方案的收益，均来自于厂用电降低带来的售电收入增加。与基准方案相比，汽电双驱与小汽机带厂用电排5抽的方案的年收益更高，考虑排5抽方案可使大机容量增加5 MW，核算后排5抽方案收益增加值最高。

表6 投资收益对比

序号名称基准方案一方案二B212每小时售电量/MWh基础+38.911+39.13913年运行小时数/h4 9354 9354 93514年售电量/GWh基础+192.03+193.1715年售电收入/万元基础+8 110+8 15716年燃煤量/t基础+61 583+53 16417年燃煤费/万元基础+5 100+4 80318年售电盈利/万元基础+2 610+3 033

通过对引风机汽电双驱与单设小汽轮机方案的详细对比，可以看出：

(1)单设小汽轮机方案供电煤耗可降低约0.5 g/kWh;

(2)两方案的投资水平相当，单设小汽轮机方案的综合收益较高。

因此，对浙江某电厂的百万机组增容改造项目，推荐采用单设小汽轮机排5抽的方案。

汽电双驱技术的引入，会使供电煤耗增加约1.5 g/kWh，并且增加系统复杂度以及运行维护困难，因此不推荐汽电双驱方案。小汽机带厂用电排5抽方案与汽电双驱方案相比，可降低供电煤耗约0.4 g/kWh，并且可增加年售电收入，因此推荐该方案。