引风机驱动方式比较-职称评审

1. 前言
随着火力发电厂机组蒸汽初参数的提高、机组容量的增大及电网整体规模的扩大，技术日趋成熟的600MW级或更高容量的1000MW级的超临界、超超临界机组在国内逐渐增多。同时，高参数、大容量机组所配辅机的容量也随之增大。
引风机是锅炉机组的主要辅机，是机组安全和经济运行的关键设备。引风机的功能是抽吸锅炉燃烧产生的烟气通过烟囱排放到大气中。对于脱硫装置和主体发电工程同步建设、预留脱硝（SCR）装置的电厂，引风机选型基本上分3种情况：引风机、脱硫增压风机分别设置，同时按预留SCR装置考虑；引风机和增压风机合并设置，同时按预留SCR装置考虑（2合1）；引风机和增压风机合并设置，同时按设置SCR装置考虑（3合1）。目前，国内已经运行的600MW级、1000MW级机组均有引风机按2合1、3合1设置的运行业绩。
1000MW机组采用3合1配置的单台50%容量引风机，其轴功率已高达8000kW以上，已接近600MW亚临界机组的50%汽动给水泵的轴功率。已成为电厂最大的厂用电负荷。
大功率的电站辅机采用电机驱动还是小汽机驱动，一直是人们讨论的话题。特别是目前国内大部分电网的调度特点是按发电机端的输出功率（铭牌功率）进行调度。减少厂用电耗能、增加机组的净供电量、提高电厂的收益一定程度上已成为企业所追求的目标。合理选择引风机的驱动方式也是电站设计的主要内容之一，对电厂安全、稳定和经济运行起着重要的作用。
本文针对1000MW机组的设计运行条件，对引风机的驱动方式进行初步的技术经济比较，并提出建议。

2. 引风机的驱动方式与引风机形式的关系
引风机由于风量、风压、变工况运行及经济性的要求，其形式有动叶可调轴流风机、静叶可调轴流风机和离心风机。由于百万机组风量较大，离心风机受到设备尺寸、材料强度和占地面积的限制，难于继续扩大容量，故一般难以选用离心风机。而轴流风机增加流量具有较大潜力，可以满足大容量机组的需要。因此风机本身均采用了定转速方式，配电动机驱动。80年代以来我国引进丹麦、德国等国家专利技术生产的轴流风机，已广泛应用在300MW、600MW和1000MW等级机组的锅炉风机上。风机的驱动方式与引进的技术一致，采用电动机驱动，风机转速不变。
如果考虑变转速的调节方式，可采用调速风机，采用汽轮机的驱动方式。在低负荷时风机效率又可得到进一步提高。
对于采用汽动驱动的引风机，可采用调速风机，风机选型考虑如下因素：
2.1 动调轴流风机临界转速较低，叶片窄而长，其固有频率偏低而且需要避开的频率密集，对速度调节相当敏感，如采用调速方式时，一般风机叶片也是定角度运行。
2.2与动调风机比较，静调风机临界转速高，叶片采用宽而短的等强度叶片，其固有频率十倍于设计转速甚至更高，对速度调节的适应性好，可采用变速汽轮机驱动。
综上所述，采用汽动驱动一般均考虑风机变转速调节，引风机宜配静叶可调轴流风机。采用电机驱动的引风机均为定转速风机，本文按照静叶可调轴流风机进行比较。
3 引风机驱动方式配置方案的技术经济分析
一般方案的技术经济性比较，既可以采用锅炉BMCR工况的蒸发量相同（定流量），也可以采用汽轮发电机组的出力相同（定功率）的方法。本章节按2种模式分别比较。
3.1 初投资比较
3.1.1 机组运行模式
如果机组每年运行7500h，发电利用5000h，则机组运行模式按以下方式：
序号负荷年小时数
1 100% 1365h
2 75% 4000h
3 50% 2200h

3.1.2 设备配置
3.1.2.1 电动引风机方案
电动引风机方案配置一般为：设2台50%容量的静调轴流风机，配2台功率约为9100kW电动机，不需要小汽轮机及其辅助设施，系统简单。
3.1.2.2 汽动引风机方案
汽动引风机方案配置为：设2台50%容量的静调轴流风机，配2台驱动小汽轮机。每台小汽轮机配置1套双级减速齿轮箱，1台小凝汽器和排汽蝶阀，2台小机凝结水泵及独立的小机抽真空系统，1套小机凝汽器胶球清洗系统及小机供汽系统。
目前，国内1000MW机组50%容量引风机采用小汽机驱动的配置形式已有订货业绩，没有运行业绩。
驱动引风机的小汽机转速较高约为6000r/min，汽动引风机的连接方式是通过齿轮箱减速后与引风机相连。引风机转速较低，约为745r/min。因此，引风机与小汽机之间存在较大的转速比（7.0~7.3），所配置的减速齿轮箱需同时满足大功率、高转速（输入端）、大速比的要求，可能要选择高可靠性的进口产品，也可采用国产的二级减速齿轮箱。减速齿轮箱效率一般为97%~95%。
汽动引风机的正常工作汽源来自主汽轮机的4段抽汽，蒸汽通过小汽轮机作功后排入独立的凝汽器冷却，凝结水经过小机凝结水泵送入主凝结水系统。小机凝汽器的冷却水水源来自于主机凝汽器循环冷却水系统。
为满足小汽机的正常检修维护要求，需考虑设置20t左右的电动双梁桥式起重机，小汽机布置时要考虑设置足够的空间和场地，以满足小汽机的检修维护。
汽动引风机方案的主汽轮机增加了小汽轮机的抽汽后，其进汽量将要增加。这时主机组配置和出力有以下2种情况：
1）机组的主蒸汽流量不变，汽轮机和锅炉的其它辅助设备的容量则可近似认为不变，但机组的额定出力要减少。
2）机组的额定出力不变，机组的主蒸汽流量则需要增大，相应的汽轮机和锅炉的相关辅助设备的容量也需要增大。
汽动引风机方案的循环冷却水系统增加了风机小机凝汽器的冷却水量，理论上机组的循环冷却水泵及循环冷却水管道也相应增加。
3.1.3 初投资比较
综合以上几方面因素，风机均为静叶可调轴流风机，两方案中不考虑风机投资差异。汽动引风机方案和电动引风机方案的初投资分别按定流量和定功率两种模式的比较见下表：
汽动和电动引风机方初投资比较表（定流量、2台机组量）
序号项目单位汽动引风机方案电动引风机方案差额（汽-电）
1 小汽机设备万元 4000
2 小汽机土建、安装、调试、检修等费用万元 1000
3 电机设备及安装万元 1000
4 小汽机凝泵、真空泵和胶球清洗等设备及其系统设施万元 120
5 冷却系统设备及管道万元 150
6 电气系统万元 500
合计万元 5270 1500 3770

3.2 运行费用比较
3.2.1 运行费用
3.2.1.1 主蒸汽流量相同，额定出力不同
由于主蒸汽流量不变，汽轮机和锅炉的其它辅机电耗可近似认为不变，同时年耗煤量也近似认为不变。
汽动引风机方案在同样的主蒸汽流量下，由于汽机需要增加一路到引风机小汽机的蒸汽量，机组额定出力有所降低。
汽动引风机方案的额定出力相同，主蒸汽流量不同厂用电耗包括小机供油装置、小机凝结水泵、小机机械真空泵和循环水系统等设备的电耗。电动引风机方案只有引风机电动机的电耗。
汽动引风机方案增加了小凝汽器等冷却设备，全厂循环冷却水量增加约5000t/h。循环水量增加，由于采用海水冷却，不存在冷却水塔的蒸发、风吹和排污等损失，全厂补水不增加。
以上各项因素汇总如下表（2台机组）：
序号项目单位汽动引风机方案电动引风机方案差值
1 厂用电负荷 kW 960 21462 -20502
2 额定工况出力 MW ~2×1051.013 2×1061.995 -21.964
按照年利用小时数5000h计算，若采用汽动引风机方案，2台1000MW级机组年厂用电耗减少约9926×104kWh。但与电动机驱动的引风机比较，汽动引风机方案每年少发电约10982×104kWh。
从能量转换角度看，引风机由汽机驱动和电机驱动能量的转换效率基本相当。但由于小汽机的效率低于主机的低压缸效率，又增加了齿轮箱转换的效率降低因素，因此，电机驱动的效率略高些。
3.2.1.2 额定出力相同，主蒸汽流量不同
采用汽动引风机方案，由于主机增加了抽汽量，机组在额定出力下，主蒸汽流量需加大，锅炉及其相关辅助设备的容量也相应加大，汽轮机和锅炉的相关辅机电耗将增大，同时年耗煤量也将增加。
假定机组的额定出力为1000MW。
以上各项因素汇总如下表（2台机组）：
序号项目单位汽动引风机方案电动引风机方案差值
1 厂用电负荷 kW 960+650 21462 -19852
2 发电标煤耗率 kg/kWh 0.27131 0.26851 0.0028
3 年发电标煤耗量 ×104t 288.12 285.15 2.97
4 供电标煤耗率 kg/kWh 0.27957 0.27938 0.00019
按照年利用小时数5000h计算，若采用汽动引风机方案，2台1000MW机组年厂用电耗减少约9926×104kWh。但与电动机驱动的引风机比较，汽动引风机方案每年多耗标准煤约2.97×104t。

3.3 技术经济比较
考虑机组额定出力相同时，采用汽动引风机方案，2台机组每年需多耗标准煤约2.97×104t，如果标煤价按1000元/t，折合人民币约2970万元。同时可减少厂用电约9926×104kWh，上网电价按413元/MWh（含税）计算，相当于2台机组每年可增加供电收入约4099万元。扣除增加的煤耗成本2970万元，2台机组每年可增加毛利润约1129万元。2台机组初投资增加约3770万元，若不考虑费率的影响，约3.5年可收回成本。因此，尽管汽动引风机方案的年燃煤费用、初投资均高于电动引风机方案，但汽动引风机方案节省了厂用电，使上网电量增加了，故电厂全年收益好。

4 结论
根据以上的分析比较，可得到以下结论：
4.1 引风机采用小汽轮机驱动，可减少厂用电的消耗。特别是当工程采用3合1式的超大功率的引风机时，不仅可以大大降低厂用电率，还可能影响高压厂用电电压等级的确定。
4.2在电网按发电机端的输出功率（铭牌功率）进行调度的前提下，汽动引风机方案的年运行经济性好于电动引风机方案。
4.3 由于小汽机加变速齿轮的传动效率低，采用汽动引风机方案的全厂效率并不会比电机方案的全厂效率高。
4.4与电动机驱动的引风机比较，采用汽动引风机方案，所配小汽轮机的辅助设备多，系统复杂，在设备布置上存在一定困难。同时需要另外占用较多的布置空间和检修空间，增加了一部分运行检修维护工作量和费用。

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