顧 欣，葉勇健，鄧文祥

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

0 引言

近些年來，隨著我國電力設(shè)備制造能力、運行水平以及控制技術(shù)的提高，逐漸開始在350 MW、600 MW級機組工程的設(shè)計中提出單列輔機系統(tǒng)的配置和布置方案。鍋爐輔機單列配置是指每臺鍋爐的空氣預(yù)熱器、一次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機(增壓風(fēng)機)采用一臺全容量設(shè)備[1]。單列輔機配置在國際上已經(jīng)有比較成熟的經(jīng)驗，德國火電機組的煙風(fēng)系統(tǒng)大多采用單列輔機的配置方案[2]。2009年中國國電集團公司將布連電廠2×660 MW超超臨界燃煤空冷機組列為主要輔機單列配置的試點工程，鍋爐的空預(yù)器、送風(fēng)機、一次風(fēng)機、引風(fēng)機以及增壓風(fēng)機均采用單列配置方案[3-7]。

平山電廠一期2×660 MW機組在借鑒國內(nèi)外煙風(fēng)系統(tǒng)單列輔機配置的基礎(chǔ)上，總結(jié)國電布連電廠等單列輔機配置的設(shè)計和運行經(jīng)驗，充分考慮技術(shù)可靠性、選型經(jīng)濟性并優(yōu)化單列輔機的系統(tǒng)和布置方案，2臺機組風(fēng)煙系統(tǒng)運行平穩(wěn)，經(jīng)濟性較好，為同類型單列輔機系統(tǒng)的設(shè)計、輔機選型以及布置等提供借鑒和依據(jù)。

1 單列風(fēng)機的機組可靠性分析

1.1 可靠性理論

發(fā)電設(shè)備(包括機組、輔助設(shè)備)可靠性，是指設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。要對一個系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性進行評價，首先要了解衡量可靠性的指標(biāo)。

中電聯(lián)每年發(fā)布的《全國電力可靠性指標(biāo)》，對輔機可靠性的統(tǒng)計主要包括五項指標(biāo)，分別為運行系數(shù)、可用系數(shù)、計劃停運系數(shù)、非計劃停運系數(shù)和非計劃停運率[8]。這五個指標(biāo)中可用系數(shù)和非計劃停運率是與設(shè)備可靠性最直接關(guān)聯(lián)的指標(biāo)。

1.2 可靠性分析

1.2.1 可靠性框圖

雙列設(shè)備的可靠性框圖[9-10]是按照2×50 %設(shè)備容量進行分析，見圖1(a)。單列設(shè)備的可靠性框圖是按照1×100 %設(shè)備容量進行分析，見圖1(b)。

1.2.2 機組非計劃停運概率計算

對于雙列輔機配置，當(dāng)單側(cè)設(shè)備出現(xiàn)故障時，機組可采用非計劃減負(fù)荷運行，機組避免停運；而對于單列配置，任何一個輔機出現(xiàn)故障機組只能非計劃停運。從非計劃停機運行和非計劃減負(fù)荷運行兩個方面來分析600 MW等級機組輔機配置對其可靠性的影響。

雙列風(fēng)機的可靠性概率K'及非計劃停運概率S'計算按式(1)和式(2)。

單列風(fēng)機的可靠性概率K及非計劃停運概率S計算按式(3)和式(4)。

式中：K、L、M分別表示一次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機，見圖1。

以中電聯(lián)2015年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例計算風(fēng)機雙列及單列配置可靠性概率和非計劃停運概率。雙列配置的送風(fēng)機的運行可靠性為99.99% (非計劃停運率即失效性概率為0.01 %)，引風(fēng)機的運行可靠性為99.95 % (非計劃停運率即失效性概率為0.05 %)，中電聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中無一次風(fēng)機運行可靠性數(shù)據(jù)，這里假設(shè)一次風(fēng)機的可靠性數(shù)據(jù)與引風(fēng)機相同，一次風(fēng)機的運行可靠性按99.95 %計算。

根據(jù)可靠性概率計算，雙列配置和單列配置的可靠性概率和非計劃停運率見表1。

表1 風(fēng)機雙列及單列配置非計劃停運概率

對于雙列輔機配置，只有當(dāng)并行設(shè)備同時出現(xiàn)故障時，機組才會跳閘停機。這里我們認(rèn)為雙列輔機的配置，當(dāng)其中單側(cè)輔機出現(xiàn)故障時，不影響另外一側(cè)輔機的運行，機組能夠成功降負(fù)荷運行。雙列風(fēng)機配置，機組每十萬小時運行時間中會因為風(fēng)機事故出現(xiàn)0.051 h的非計劃停運。

對于單列風(fēng)機配置，任何一個設(shè)備發(fā)生故障，機組均會發(fā)生非計劃停運。單列風(fēng)機配置的非計劃停運率為0.11 %，風(fēng)機單列配置每十萬小時的運行時間中會出現(xiàn)110 h的非計劃停運?？梢妴瘟酗L(fēng)機配置的機組非計劃停機概率比雙列風(fēng)機大。

1.2.3 機組非計劃減負(fù)荷概率計算

對于雙列風(fēng)機配置來說，當(dāng)任何一側(cè)的風(fēng)機出現(xiàn)故障時，機組均須減負(fù)荷運行。雙列風(fēng)機的非計劃減負(fù)荷運行概率按式(5)和式(6)計算。

風(fēng)機雙列及單列非計劃減負(fù)荷概率見表2。雙列配置風(fēng)機系統(tǒng)的機組發(fā)生減負(fù)荷運行概率為0.219 8 %，既相當(dāng)于每十萬小時的運行時間中會出現(xiàn)219.8 h因為風(fēng)機故障而造成的非計劃減負(fù)荷運行。單列輔機配置不會出現(xiàn)非計劃減負(fù)荷運行情況，但可根據(jù)運行需求，計劃內(nèi)主動減負(fù)荷運行。

表2 風(fēng)機雙列及單列非計劃減負(fù)荷概率

1.2.4 風(fēng)機配置對機組運行可靠性影響

通過機組雙列風(fēng)機配置和單列風(fēng)機配置運行時發(fā)生非計劃停機和機組非計劃減負(fù)荷運行的概率計算，可見，對于雙列風(fēng)機配置，雙側(cè)設(shè)備同時發(fā)生故障，機組發(fā)生非計劃停機的概率非常低；當(dāng)單側(cè)設(shè)備發(fā)生故障時，若能成功快速減負(fù)荷(runback，RB)，機組可非計劃減負(fù)荷運行。對于單列風(fēng)機配置，每臺設(shè)備發(fā)生故障，機組均會發(fā)生非計劃停運。

實際上對于雙列輔機配置，設(shè)備單側(cè)故障時，可能會由于系統(tǒng)的連鎖或互沖影響，對另一側(cè)輔機的正常運行產(chǎn)生擾動，有可能會導(dǎo)致整個機組故障，嚴(yán)格意義上不能作為互不相干的雙臺設(shè)備，這與電廠的管理和運行水平都有較大關(guān)系。

由中電聯(lián)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知[8]，2012～2016年送風(fēng)機的非計劃停運率都非常低，2016年送風(fēng)機的非計劃停運率為0，其它年份為0.01%。引風(fēng)機的非計劃停運率分別為0.03%、0.03%、0.03%、0.05%、0%。由此可見，隨著風(fēng)機設(shè)備質(zhì)量的提高、電廠運行管理水平的增強，國內(nèi)的風(fēng)機故障率越來越低，由于風(fēng)機故障引起非計劃停運概率越來越低，因此在660 MW超超臨界機組中，重視風(fēng)機設(shè)備的采購質(zhì)量，尤其是關(guān)鍵部件，三大風(fēng)機單列配置已經(jīng)沒有較大的風(fēng)險。

2 單列輔機系統(tǒng)及布置設(shè)計

2.1 單列輔機煙風(fēng)系統(tǒng)

平山電廠一期2×660 MW機組鍋爐為超超臨界塔式鍋爐，鍋爐緊身封閉。鍋爐單列輔機配置煙風(fēng)系統(tǒng)見圖2。當(dāng)鍋爐單列配置時，一次風(fēng)機、送風(fēng)機和引風(fēng)機出口的關(guān)斷門均可以取消；空預(yù)器一次風(fēng)進出口隔離門、空預(yù)器二次風(fēng)出口隔離門也可以取消[11]。因此，單列輔機配置的煙風(fēng)系統(tǒng)得到很大的簡化，系統(tǒng)阻力降低，運行經(jīng)濟性會有所提高。另外不存在2 臺風(fēng)機搶風(fēng)、運行不均衡而帶來的風(fēng)機實際效率下降的問題[12]?？紤]到一次風(fēng)機壓頭比較高，大容量鍋爐單輔機運行和控制經(jīng)驗不足，一次風(fēng)機出口隔離門保留；同時考慮到引風(fēng)機檢修時隔斷脫硫系統(tǒng)和煙囪，引風(fēng)機出口隔離門保留；為提高鍋爐效率，送風(fēng)機設(shè)計考慮室內(nèi)和室外雙吸風(fēng)，送風(fēng)機室內(nèi)和室外吸風(fēng)管段上各設(shè)置一個隔離門，用于切換吸風(fēng)方式。

2.2 單列輔機的設(shè)備選型

鍋爐的空氣預(yù)熱器采用單列，空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子φ19 824 m，雙道/三道密封設(shè)計。預(yù)熱器正常轉(zhuǎn)速1.0 rpm，輔助傳動轉(zhuǎn)速0.25 rpm。

單列輔機配置三大風(fēng)機選型的主要參數(shù)見表3。采用單列輔機配置，系統(tǒng)設(shè)計簡單，管道系統(tǒng)取消了大部分風(fēng)門，相對雙列風(fēng)機，管道布置更加流暢，煙風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機選型阻力會減少 80～120 Pa。

表3 單列輔機配置三大風(fēng)機選型的主要參數(shù)

2.3 單列輔機配置的煙風(fēng)道布置

在單列輔機的風(fēng)系統(tǒng)中，雙列布置的聯(lián)絡(luò)風(fēng)道取消，布置更加簡潔、流暢，節(jié)約煙風(fēng)道的材料，并且檢修維護工作量降低。如果不考慮室內(nèi)吸風(fēng)，一次風(fēng)機和送風(fēng)機一般并列布置在爐后除塵器前的煙道支架下方。由于平山電廠660 MW機組送風(fēng)機采用室內(nèi)和室外雙吸風(fēng)，因此送風(fēng)機布置在爐側(cè)，單列輔機的一次風(fēng)機和送風(fēng)機進出口風(fēng)道布置見圖3。送風(fēng)機吸風(fēng)口沿著爐側(cè)鋼架上至爐頂，實現(xiàn)室內(nèi)吸風(fēng)布置。

除塵器前的煙道為一臺空預(yù)器出口分四路進入兩臺雙室五電場除塵器的四個通道，圖4為單列輔機除塵器前煙道布置圖。對于塔式鍋爐，空預(yù)器出口的煙道可以設(shè)計與除塵器進口接近一致的標(biāo)高，然后由空預(yù)器出口煙道引出4個出口分別連接至除塵器入口。為保證除塵器4個通道的流場、粉塵分布均勻，煙道的設(shè)計通過數(shù)值模擬分析，并吸收國外單輔機布置的經(jīng)驗，煙道布置盡量采用流線型，保證四個通道除塵器分布均勻的情況下，降低煙道的阻力。流線型煙道布置縮短了鍋爐空預(yù)器出口至除塵器間的距離，煙道支架采用單跨設(shè)置，跨距為13.5 m，相比雙列布置18～20 m的雙跨布置，節(jié)約土建成本。同時流線型煙道布置有效縮短主廠房A排至煙囪的距離，節(jié)約廠房占地。

除塵器出口煙道為4個除塵器通道合并進入一臺引風(fēng)機進口，圖5為單列輔機電除塵器后煙道布置圖。與除塵器前煙道布置相同，除塵器后煙道也采用流線型布置，煙氣流場順暢，阻力小，同時煙道采用單跨，節(jié)約土建費用。

3 結(jié)論

1)對鍋爐單列配置的機組可靠性進行分析，單列輔機配置中任何一個設(shè)備發(fā)生故障時，機組均會發(fā)生非計劃停機。因此單列輔機配置時，需盡量提高設(shè)備的可靠性，使得機組非計劃停機概率盡量減小。單列輔機配置不存在非計劃減負(fù)荷運行狀況，而相比較而言，雙列輔機配置將會產(chǎn)生較大概率的非計劃減負(fù)荷運行狀況。隨著設(shè)備制造能力的提高，三大風(fēng)機的可靠性概率越來越高，單列風(fēng)機配置的非計劃停運概率為0.11 %，通過提高設(shè)備關(guān)鍵部件的可靠性，可進一步提高單列輔機的可靠性。

2)鍋爐輔機單列配置，簡化了煙風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機進出口風(fēng)門以及空預(yù)器進出口風(fēng)門可取消，使得煙風(fēng)道系統(tǒng)阻力降低，煙風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機選型阻力會減少80～120 Pa，機組的運行經(jīng)濟性略高。

3)單列輔機煙風(fēng)道布置，不需要聯(lián)絡(luò)風(fēng)道，布置更加簡潔、流暢。送風(fēng)機為了實現(xiàn)爐頂吸風(fēng)，布置在每臺鍋爐外側(cè)。單列輔機的煙道采用流線型布置，流場順暢，阻力小，煙道支架采用單跨布置，節(jié)約土建費用，并縮短主廠房至煙囪的距離。