姚 君，藺琪蒙，施剛夜，蔣 健，侯新建，曹 昊

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2.國家能源集團(tuán)宿遷發(fā)電有限公司，江蘇 宿遷 223800)

0 引言

引風(fēng)機(jī)為火力發(fā)電廠最耗電設(shè)備之一，并且在最近的大容量機(jī)組中，通常采用引、增合一的方案，引風(fēng)機(jī)功率大幅增加，例如1 000 MW機(jī)組，單臺(tái)引風(fēng)機(jī)選型點(diǎn)功率達(dá)到9 000 kW[1]；同時(shí)，隨著國家節(jié)能減排要求的不斷提高，火電機(jī)組越來越多地承擔(dān)區(qū)域內(nèi)的供熱任務(wù)，常規(guī)的減溫減壓供熱方式，節(jié)流損失較大。兩者相結(jié)合，已有相當(dāng)多機(jī)組采用了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)排汽供熱技術(shù)：通過設(shè)置背壓式汽輪機(jī)，拖動(dòng)引風(fēng)機(jī)做功，其排汽對外供熱[2]?？捎行Ы档蜋C(jī)組廠用電率，并且減少供熱減溫減壓損失，提升機(jī)組效率。

而常規(guī)的汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)排汽供熱技術(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中，存在小汽輪機(jī)效率偏低(特別是低負(fù)荷)、排汽量與供熱量匹配度較差等問題，在此基礎(chǔ)上，華東電力設(shè)計(jì)院有限公司提出了高效靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)──工頻發(fā)電機(jī)調(diào)速的背壓式小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及方法(發(fā)明專利號(hào)：201310352592.9)、工頻發(fā)電機(jī)調(diào)速的背壓式小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組(實(shí)用新型專利號(hào)：201320494695.4)。

1 高效靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)

高效靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)方案中的小汽輪機(jī)與常規(guī)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一致，采用背壓式汽輪機(jī)。

1.1 引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式

根據(jù)引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式的不同，“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案可分為：靜葉調(diào)速風(fēng)機(jī)方案和定速動(dòng)葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)方案。

靜葉調(diào)速風(fēng)機(jī)方案的軸系布置可以為發(fā)電機(jī)(異步)—調(diào)速齒輪箱—變速背壓小汽機(jī)—定比齒輪箱—調(diào)速引風(fēng)機(jī)。定速動(dòng)葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)方案的軸系布置可以為小汽機(jī)—定速比齒輪箱—電動(dòng)/發(fā)電機(jī)(異步)—定速引風(fēng)機(jī)。

靜葉調(diào)速引風(fēng)機(jī)方案中發(fā)電機(jī)通過調(diào)速齒輪箱與小汽機(jī)聯(lián)接，而調(diào)速齒輪箱的傳動(dòng)效率僅有90%(部分負(fù)荷時(shí)更低)，傳動(dòng)效率損失相對較高。定速動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)方案中發(fā)電機(jī)則可選用定速比齒輪箱實(shí)現(xiàn)與小汽機(jī)的聯(lián)接，傳動(dòng)效率介于98%～99%，遠(yuǎn)高于調(diào)速齒輪箱。

在同樣的進(jìn)汽量下，定速動(dòng)調(diào)引風(fēng)機(jī)方案由于小汽機(jī)向發(fā)電機(jī)側(cè)傳遞的功率較高，同時(shí)定速比齒輪箱的傳動(dòng)效率也遠(yuǎn)高于調(diào)速齒輪箱，因而發(fā)電機(jī)的輸入功率較高，對應(yīng)輸出的電量增加，降低了廠用電率。

同時(shí)，調(diào)速齒輪箱較定速比齒輪箱價(jià)格昂貴，設(shè)備成本非常高。由此可見，從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和初投資角度，定速動(dòng)葉調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)方案更具優(yōu)勢。

1.2 軸系布置

整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)按軸系布置依次為小汽機(jī)—定速比齒輪箱(可離合)—電動(dòng)/發(fā)電機(jī)(異步)—引風(fēng)機(jī)，見圖1。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1)技術(shù)前瞻性

“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案的開發(fā)，基于解決汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中效率較低和滿足靈活供熱的要求而開發(fā)的新技術(shù)，其中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，將改變目前國內(nèi)引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)效率較低和汽輪機(jī)汽源系統(tǒng)復(fù)雜的問題，具有較高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

2)運(yùn)行靈活性

無論在電機(jī)或小汽機(jī)發(fā)生故障時(shí)，軸系均可單獨(dú)正常運(yùn)行；同時(shí)供熱方式更為靈活，根據(jù)不同熱負(fù)荷量，可以按照汽動(dòng)/汽電雙驅(qū)/電動(dòng)不同方式運(yùn)行。

3)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開，采用小電機(jī)調(diào)節(jié)軸功率替代小汽機(jī)進(jìn)汽調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)軸功率，提高了小汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，使其始終在高效區(qū)運(yùn)行。

2 “汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)電氣方案

“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案中電機(jī)需要同時(shí)兼?zhèn)浒l(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功能，考慮到異步電機(jī)同時(shí)兼作發(fā)電機(jī)在石油化工行業(yè)已有運(yùn)行先例，控制較為簡單，后期維護(hù)工作量較小，可采用異步電機(jī)。

2.1 異步電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的工作原理

異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、可靠、耐用，且價(jià)格低廉。其主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子為三相繞組形式，轉(zhuǎn)子為鼠籠式結(jié)構(gòu)。當(dāng)定子的三相繞組接在電網(wǎng)上時(shí)，通過其定子的三相電流就會(huì)產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，磁場對轉(zhuǎn)子有切割運(yùn)動(dòng)，在鼠籠轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而受力，使轉(zhuǎn)子略低于磁場的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。若轉(zhuǎn)子上接有負(fù)載，就可以帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)異步電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，需要在電網(wǎng)上吸收無功電流建立激磁磁場，同時(shí)還要吸收有功電流輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，磁場與轉(zhuǎn)子的切割運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，轉(zhuǎn)子的輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩為零。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，轉(zhuǎn)子與磁場的切割運(yùn)動(dòng)又出現(xiàn)，并不斷加強(qiáng)，在鼠籠轉(zhuǎn)子上又產(chǎn)生感應(yīng)電流從而受力，此電磁力將阻礙轉(zhuǎn)子，不讓其高于磁場的同步速運(yùn)行，所以必須靠原動(dòng)機(jī)拖著異步機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，掛在電網(wǎng)上的定子繼續(xù)吸收無功電流來激磁，同時(shí)輸出有功電流，將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率。由此可見，異步電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行，定子繞組上的電壓、頻率均與電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，不存在類似與同步電機(jī)的振蕩與失步等問題，電流大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)，但都是很好的正弦波，不會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。其缺點(diǎn)是，不管異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在何種狀態(tài)，都要在電網(wǎng)吸收無功功率，兩種工作狀態(tài)在理論上吸收無功的量近似相同。然而，“汽電雙驅(qū)”這一創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于廠用電系統(tǒng)，吸收無功帶來的問題不明顯，因此也就不存在這一缺點(diǎn)了。

2.2 運(yùn)行方案

2.2.1 啟動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)，小汽機(jī)與異步電機(jī)、引風(fēng)機(jī)脫開，異步電機(jī)由廠用電供電，以電動(dòng)機(jī)的形式啟動(dòng)，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。與此同時(shí)，小汽機(jī)緩慢升速至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速后，投入與電機(jī)、風(fēng)機(jī)同軸運(yùn)行。受到小汽機(jī)的驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)步提升(此時(shí)可同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)葉以保證風(fēng)量基本不變)直至超過同步轉(zhuǎn)速后，以發(fā)電機(jī)形式運(yùn)行。

2.2.2 功率調(diào)節(jié)

在設(shè)計(jì)供熱工況下滿載運(yùn)行時(shí)，由小汽機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)，異步電機(jī)以發(fā)電機(jī)的狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速。若此時(shí)機(jī)組出力降低或供熱量下降，則小汽機(jī)的進(jìn)汽量減少，輸出功率隨之降低，轉(zhuǎn)速略有下降(但仍高于同步轉(zhuǎn)速)，異步電機(jī)仍運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，只是發(fā)電量有所下降。若小汽機(jī)輸出功率進(jìn)一步降低，則異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之下降至同步轉(zhuǎn)速相同，此時(shí)異步電機(jī)處于空載狀態(tài)。隨著機(jī)組出力的進(jìn)一步降低或供熱量的下降，小汽機(jī)的輸出功率進(jìn)一步降低，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，從廠用電吸收電能與小汽機(jī)一起驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)。

3 工程應(yīng)用

2018年12月31日，由華東電力設(shè)計(jì)院承擔(dān)設(shè)計(jì)的國家能源集團(tuán)宿遷電廠660 MW二次再熱3號(hào)機(jī)組通過168小時(shí)試運(yùn)，正式投產(chǎn)發(fā)電。宿遷項(xiàng)目為國家科技部“高效靈活二次再熱發(fā)電機(jī)組研制及工程示范項(xiàng)目”，高效、靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)在示范項(xiàng)目上得以首次應(yīng)用，具有以下特點(diǎn)：

1)高效：小汽機(jī)進(jìn)汽閥全開運(yùn)行，供熱節(jié)流損失減少，機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行效率得以提高，綜合工況供電煤耗降低約1g/kW·h；

2)靈活：滿足機(jī)組不同負(fù)荷工況穩(wěn)定供熱的需求，同時(shí)解決二次再熱機(jī)組供熱帶來的再熱器受熱面設(shè)計(jì)的難題，避免出現(xiàn)二次再熱機(jī)組再熱汽溫欠溫現(xiàn)象；

3)安全：引風(fēng)機(jī)具有電動(dòng)、汽電雙驅(qū)、汽動(dòng)等多種運(yùn)行方式，驅(qū)動(dòng)設(shè)備的備用率高，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；

4)經(jīng)濟(jì)：在熱耗率驗(yàn)收工況 (turbine heat acceptance，THA)下，廠用電率大幅降至1.99%，顯著提高電廠的售電效益。

3.1 機(jī)組供熱參數(shù)

該工程單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為：額定供熱壓力為1.5 MPa；額定供熱溫度為300℃～350℃；額定供熱流量為156 t/h。

3.2 背壓式汽輪機(jī)選型

二次再熱機(jī)組，小汽機(jī)供汽汽源宜采用鍋爐一次再熱一級再熱器出口(參數(shù)10.23 MPa，513℃(THA))的蒸汽，以滿足供熱所需的背壓排汽參數(shù)要求。詳見表1。

表1 背壓小汽機(jī)參數(shù)表

3.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案，由于一次再熱一級再熱器出口排汽熱能得以充分做功利用，最終小汽機(jī)排汽焓值相對較低，雖然發(fā)電標(biāo)煤耗增加，但是節(jié)省了部分廠用電，廠用電率得以大大降低，供電標(biāo)煤耗略有降低。通過“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案，在保證對外熱負(fù)荷的情況下，充分利用了供熱汽源的做功能力，將抽汽熱能轉(zhuǎn)化為汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)的動(dòng)能，并補(bǔ)充部分電能，節(jié)省了廠用電，提高了供熱效率，實(shí)現(xiàn)了能量的梯級利用。相比直接減溫減壓供熱方案，供電煤耗降低約1 g/kW·h。

3.4 機(jī)組廠用電率

汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)技術(shù)可大幅降低機(jī)組廠用電率，THA工況低至1.99%。詳見表2。

表2 廠用電率對比表

3.5 投資收益分析

“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)，采用電機(jī)平衡汽輪機(jī)輸出功率，使汽輪機(jī)始終在高效區(qū)運(yùn)行，但是相應(yīng)增加了電機(jī)、離合器等配置。

“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案與減溫減壓供熱方案相比，每臺(tái)機(jī)組增加投資約3 200萬元。詳見表3。

表3 投資回收年限對比

雖然“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)方案的初投資高，但由于廠用電率的大大降低，多出的初投資1.9年即可回收。

3.6 現(xiàn)場“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)軸系

現(xiàn)場汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)軸系實(shí)際運(yùn)行軸系設(shè)備依次為汽輪機(jī)－齒輪箱－電機(jī)－引風(fēng)機(jī)。

3.7 “汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效果

從實(shí)際運(yùn)行效果來看，在639.5 MW負(fù)荷下(約97%THA)，兩組汽電雙驅(qū)引風(fēng)機(jī)電機(jī)均處于發(fā)電狀態(tài)，分別向廠網(wǎng)提供3 561 kW、3 703 kW電量，機(jī)組整體廠用電率約1.9%，小汽機(jī)效率接近82%；在550 MW (83.3%額定負(fù)荷)時(shí)，兩臺(tái)小汽機(jī)可以提供140 t/h左右的供熱流量和6 000 kW的發(fā)電量。在50%～100%THA工況下，小汽機(jī)效率均在80%以上，相比常規(guī)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)小汽機(jī)，綜合工況效率提高10%以上。

宿遷電廠在“汽電雙驅(qū)”小汽機(jī)投運(yùn)后，綜合廠用電率降低至1.99%以下，機(jī)組的綜合廠用電率下降了46.50%，供電標(biāo)煤耗下降了約1 g/kW·h，均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

4 結(jié)語

考慮到電動(dòng)引風(fēng)機(jī)能耗高、常規(guī)減溫減壓供熱節(jié)流損失大，目前已有相當(dāng)多機(jī)組采用了汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)排汽供熱技術(shù)：通過設(shè)置背壓式汽輪機(jī)，拖動(dòng)引風(fēng)機(jī)做功，其排汽對外供熱?？捎行Ы档蜋C(jī)組廠用電率，并且減少供熱減溫減壓損失，提升機(jī)組效率。

在常規(guī)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上，華東電力設(shè)計(jì)院有限公司提出了高效靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)。在國家科技部“高效靈活二次再熱發(fā)電機(jī)組研制及工程示范項(xiàng)目” 國家能源集團(tuán)宿遷電廠中，高效、靈活“汽電雙驅(qū)”引風(fēng)機(jī)技術(shù)得以首次應(yīng)用，并成功投運(yùn)，運(yùn)行情況良好。該技術(shù)具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好、供熱靈活性高、廠用電率低、供電煤耗低等優(yōu)點(diǎn)。