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1000MW超超临界机组三大风机风量设计裕量的选择叶勇健 陈汉兵（华东电力设计院，上海市，200063）摘 要：国内若干台自行设计、制造的1000MW超超临界火电机组正处于设计和安装阶段，对于锅炉三大风机的风量裕量的选取，国内尚未有明确的导则可以遵循。本文作者在设计国内首台900MW超临界机组上海外高桥电厂二期和首台1000MW超超临界机组华能玉环电厂的经验上，充分调研国外具有同类机组业绩的制造厂和设计公司的有关设计导则，提出了三大风机风量裕量的取值建议。关键词：1000MW级；风机；裕量近年来，随着我国火电技术的发展，一批我国自行设计、制造的1000MW级火电机组正处在建设过程中。对于1000MW级机组的一次风机、送风机和引风机的风量裕量和压头裕量的选择，国内没有可遵守的设计导则。2000版的火力发电厂设计技术规程（以下简称“火规”）的适用范围在600MW及以下机组。对于600MW以上的火电机组，“火规”可起到参考作用。对此，笔者结合我国首台900MW超临界机组上海外高桥电厂二期工程和我国首台1000MW超超临界机组华能玉环电厂工程的设计经验，并对国外1000MW等级机组的三大风机的风量裕量的取值和国外有经验的制造厂和设计公司的有关设计导则进行了分析，试图对三大风机风量裕量的选择作一些探讨。华能玉环电厂的锅炉由哈尔滨锅炉厂有限公司设计制造，该锅炉为超超临界直流一次再热型炉，引进了日本三菱公司的技术。其一次风机和送风机分别为动叶可调轴流风机，由上海鼓风机厂设计制造，引风机为静叶可调轴流风机，由成都电力机械厂设计制造。上海外高桥电厂二期工程的锅炉由德国ALSTOM/EVT公司设计制造，该锅炉为超临界直流一次再热塔式炉。其一次风机为离心式，送风机和引风机为动叶可调轴流式，均为德国TLT公司的产品。外高桥电厂二期工程两台900MW机组已于2004年投入商业运行。1 一次风机的风量裕量2000版“火规”中的条文说明中规定：采用三分仓空预器正压直吹式制粉系统的一次风机的风量裕量为不小于35加温度裕量，当空预器漏风率变化较大，煤质变化较大和送粉管道布置复杂时推荐40加温度裕量。在玉环电厂工程的设计中，一次风机的基本风量包括锅炉在最大连续蒸发量时所需的一次风量、全部磨煤机的密封风量和制造厂保证的运行一年后的空气预热器漏风量。考虑1000MW机组的空气预热器是国产的首台1000MW锅炉空预器，对于其漏风率的大小国内没有同类型设备的运行数据可供参考，因此在选择一次风机风量裕量时考虑了可能造成漏风率增加的不可预见因素。所以，在一次风机风量裕量的选择上，玉环工程遵照2000“火规”的推荐意见采用40的质量流量裕量，外加夏季工况下气温上升造成的体积流量裕量。一次风机风量计算汇总见表1.1。表1.1 玉环工程一次风机风量汇总项 目单位风机风量计算炉膛入口热一次风总量kg/s148.88炉膛入口冷一次风总量kg/s42.56合同规定空预器一次风漏风率30一次风机进口温度17夏季通风温度34.7BMCR工况单台一次风机质量风量kg/s127.62BMCR工况单台一次风机容积风量m3/s105.48TB工况单台一次风机质量风量kg/s178.67TB工况单台一次风机容积风量m3/s156.68风量质量裕量%40考虑夏季温度的容积裕量48.5外高桥二期工程的一次风机风量裕量与外商的合同中规定的数值是依据94版“火规”，即为50。由于没有在合同中规定该风量裕量是质量裕量还是容积余量，ALSTOM在风机选型设计中采用了容积裕量为50的思路。外高桥二期的风机裕量无论是质量裕量还是容积裕量都大于玉环工程。由于外高桥二期采用的SM28/17型磨煤机，所需的风煤比大大小于玉环工程采用的HP1163型磨煤机，因此一次风的绝对数值也较玉环工程小很多，这在锅炉和磨煤机的设计匹配中已经考虑。外高桥二期其具体设计数据如下：表1.2 外高桥二期工程一次风机风量设计值汇总项 目单位风机风量计算炉膛入口热一次风总量kg/s142.2炉膛入口冷一次风总量kg/s11.05空预器一次风漏风率设计值27空预器进口一次风总量kg/s195.9一次风机进口温度15.8夏季通风温度38.1BMCR工况单台一次风机质量风量kg/s103.4BMCR工况单台一次风机容积风量m3/s85.5TB工况单台一次风机质量风量kg/s147.2TB工况单台一次风机容积风量m3/s131.5风量质量裕量%42.36考虑夏季温度的容积裕量53.8外高桥二期尽管选用了较大一次风机风量裕量，但是在实际运行中却仍然感到风量偏紧。下表是进行风机BMCR工况性能试验的数据。在实际运行中BMCR工况下，进入炉膛的一次风的实际风量与设计值非常接近，然而一次风机的风量却超过与TB点的风量。这是由于ALSTOM在一次风机的基本风量的计算选用的空预器漏风系数仅为5.4，是合同规定的空预器一年内的漏风系数保证值，一次风的漏风率为27，而空气预热器的实际漏风量大大高于设计值。在一次风机性能试验时，空气预热器一次风的漏风率接近50，比设计时选定的数据高出近一倍。在用足设计裕量的情况下，一次风机勉强能够满足机组在BMCR下温度运行。然而，如果在此时进行磨煤机的切换，或者在高环境温度的夏季运行，则一次风量就会出现不足的情况。可见，在设计时需要充分考虑空预器漏风量高于设计值的可能。表1.3 外高桥二期工程一次风机风量（100.01%BMCR）运行汇总项 目单位风机风量计算炉膛入口一次风总量（含密封风）kg/s158.95风机A质量流量kg/s139.79风机B质量流量kg/s157.65一次风机平均风量kg/s148.72超出BMCR风量百分比43环境温度26.1风机A容量流量m3/s120.89风机B容量流量m3/s136.42一次风机平均风量m3/s128.66超出BMCR风量百分比50.5日本三菱公司在某1000MW电厂的设计中，计算风机基本风量时一次风漏风率取值为50，就是考虑了空预器未能调整在最佳状态下也能满足机组带满负荷运行。在选取较大的基本风量的基础上，三菱公司规定一次风机的质量裕量不应小于20，笔者认为，这可解释未该质量裕量是运用于BMCR工况下切磨运行的情况。而且，三菱公司也规定应考虑夏季温度的容积裕量。如采用三菱公司的选取方法，假定TB点风机风量的绝对数值不变，计算基本风量时空预器一次风漏风率选为30，则该方法的风量质量裕量达60左右（视冷一次风风份额大小略有变化）。表1.4日本三菱某1000MW电厂的一次风机风量设计数据项 目单位风机风量计算风机形式双吸离心式风机数量台2设计风量m3/s170一次风漏风率50风量质量裕量不小于20考虑夏季温度的容积裕量7.1由此可见，日本三菱公司某1000MW电厂一次风机的风量裕量是上述三个工程中最大的，外高桥二期工程由于按空预器一次风漏风率27计算，且质量裕量为42，其风机实际裕量是最小的。玉环工程选取的一次风机风量裕量介于两者之间。笔者认为，玉环工程在选择一次风机的裕量上比较合理。2 送风机的风量裕量94版“火规”将送风机的风量裕量从原5提高到1015，并推荐300MW以上的机组取用上限。这是由于当时300MW、600MW机组的空气预热器漏风较为严重，而计算送风机基本风量时空预器的漏风系数取得较小，因此送风机须取较大的裕量来弥补空预器实际运行时高于制造厂保证的漏风损失。随着空预器设计，制造和安装技术的提高，近年来300MW、600MW机组空预器运行的漏风率一般能够满足810，达到了制造厂保证值。在2000版“火规”中将送风机的风量裕量规定为：质量流量的裕量不小于5，体积流量的裕量在此基础上考虑夏季温度下的体积流量的增量（总体积流量的裕量一般为1115）。由此可见，对于300MW、600MW机组的空预器的密封性，国内的制造，安装和运行单位在引进消化国外技术的基础上，经过10年左右的实践，总结大量同类型机组的经验，取得了良好的效果，为降低送风机的风量裕量创造了前提条件。玉环工程送风机的风量裕量采用了美国EBASCO公司的选型导则，送风机的风量裕量为17，不考虑夏季温度裕量。EBASCO公司的规程要求对于燃煤机组，计算送风机基本风量时空预器的漏风系数取得较小，因此，送风机须取较大的裕量来弥补空预器实际运行时高于制造厂保证的漏风损失。在玉环工程的设计中，考虑到玉环工程首次采用国产1000MW机组空预器，其烟气和空气通流量，空预器回转半径都是国内最大的，虽然可以借鉴600MW机组空预器的经验，但是对于其漏风率的大小还需通过实际运行来考证。送风机基本风量选择计算取锅炉燃用设计煤种和锅炉在最大连续蒸发量时所需要的二次空气量及制造商保证的空气预热器运行1年后的送风侧净漏风量之和。适当增加送风机风量裕量，目的是为了避免将来机组运行时由于空预器漏风大，风机风量不够造成机组出力不足的情况。如根据2000版“火规”的规定，取5的质量裕量加夏季温度裕量，计算可得，玉环工程的送风机容量裕量为11.4%。需要指出的是，玉环工程送风机的基本风量是以锅炉炉膛过剩空气系数为1.15作为计算外部条件的。国内工程中一般取锅炉炉膛过剩空气系数为1.2来计算送风机基本风量。外高桥二期工程的锅炉制造厂ALSTOM的设计导则中也规定在送风机的基本风量的取值中，对于不同的煤种，炉膛的过剩空气系数分别取不同的值：对于燃烧烟煤的锅炉一般取1.2，对于燃烧硬煤的电厂一般取1.181.25，对于燃烧褐煤的电厂一般取1.1。因此，对于玉环工程，如果按炉膛的过剩空气系数为1.2计，送风机TB点的风量不变，不考虑夏季温度裕量，基本风量增加，送风机流量裕量为12（见表2.1），与2000版“火规”的要求相当。玉环工程送风机风量计算汇总见表2.1。表2.1 玉环工程送风机风量计算汇总项 目单位风机风量计算炉膛出口过剩空气系数1.151.2炉膛二次风量kg/s735.2767.0合同规定一年后预热器漏风率%8一次风漏风系数3030二次风漏风量的净值kg/s48.551.6BMCR工况送风机质量风量kg/s391.85409.3BMCR工况送风机容积风量m3/s323.8338.3风量裕量%1712TB工况送风机质量风量kg/s458.5458.5TB工况送风机容积风量m3/s378.9378.9外高桥二期工程中，合同规定的送风机风量裕量为15，ALSTOM公司还考虑了夏季温度裕量。表2.2是设计时的送风机风量参数。根据空预器厂商提供的设计参数，由于一次风泄漏到二次风的风量大于二次风泄漏到烟气中的风量，因此通过空预器二次风的风量还有所增加。事实证明，随着空预器直径的增大，各风室之间的携带漏风量增加得很快，因此，二次风泄漏到烟气的风量比设计的数值大。另外，运行中空预器的密封也不可能一直处在最佳状态。表2.3反映的是2004年11月风机在BMCR工况下性能试验的相关参数。当时空预器的漏风系数较大，造成送风机挡板开度接近最大值，几乎将风机裕量全部用尽。可见，送风机的风量裕量在空预器漏风较大的工况下是保证机组在BMCR工况下连续运行的重要手段。表2.2 外高桥二期工程送风机风量设计汇总项 目单位风机风量计算炉膛出口过剩空气系数1.2炉膛二次风量kg/s712.2合同规定一年内预热器漏风率%5.4一次风漏风系数27二次风漏风量的净值kg/s-1.4BMCR工况送风机质量风量kg/s356.65BMCR工况送风机容积风量（15.8）m3/s295.65风量质量裕量%15风量容量裕量%24TB工况送风机质量风量kg/s410.14TB工况送风机容积风量（38.1）m3/s367.06表2.3 外高桥二期工程送风机风量（100.01BMCR）运行数据项 目单位风机风量计算炉膛入口二次风总量kg/s696.9风机A风量kg/s422.39风机B风量kg/s395.07一次风机平均风量kg/s408.73超出BMCR风量百分比14.6环境温度19.0风机A风量m3/s351.39风机B风量m3/s328.57一次风机平均风量m3/s339.89超出BMCR风量百分比15%从日本三菱公司某1000MW电厂的资料来看，送风机风量容积裕量为19，其风量裕量的取值分配为：考虑锅炉负荷变化时风量的裕量9.5%，考虑空预器运行后期漏风增加得裕量2.3%，温度裕量（从13到37）为7.2%。由于日本有十多台1000MW机组正在运行，对于空预器的实际漏风率有比较准确的认识，送风机的裕量与玉环工程相当。本文认为，随着我国1000MW机组空预器运行经验的增加，空预器的漏风将逐步降低。外高桥二期已对空预器作了一些改造，对降低空预器的漏风取得了一些成果。当玉环电厂，邹县电厂，以及其它国产1000MW机组投运后，应对实际的运行数据进行分析，送风机的风量裕量还有降低的空间。对于目前阶段，设计时如采用合同规定的空预器漏风系数作计算，送风机的裕量不宜太小，17的风量裕量应是较为合理的选择。3 引风机的风量裕量对于引风机的风量裕量，94版“火规”和2000版“火规”都规定对于引进型锅炉，由于引风机的基本风量计算中如不考虑尾部受热面、烟道和除尘器的漏风，空预器的漏风率也取值较低，引风机的风量裕量可取得大些。94版“火规”规定对于空预器出口过剩空气系数1.35左右时，风量裕量取为17。2000版“火规”规定的引风机风量裕量不低于10另加不低于10温度裕量，并说明如不计锅炉尾部受热面的漏风、空预器漏风取值偏小的情况下，引风机风量裕量可增大到15。玉环工程的热力计算中不计算锅炉尾部受热面漏风，而且考虑到锅炉炉膛出口的过剩空气系数为1.15，空预器出口的过剩空气系数仅为1.26，引风机的风量裕量选择为17另加10温度裕量。如引风机的TB点风量不变，以炉膛过空气系数1.2计，风量的质量流量裕量为12.6。玉环工程引风机风量计算汇总见表3.1。表3.1 玉环工程引风机风量计算汇总项 目单位风机风量计算炉膛出口过剩空气系数1.151.2锅炉出口烟气流量kg/s1004.91044.4合同规定预热器一年后漏风率%88空预器出口烟气流量kg/s108510552.6除尘器出口烟温121121温度裕量1010BMCR工况引风机质量风量kg/s558.8580.7BMCR工况引风机容积流量m3/s614.0638.1风量质量裕量%1712.6风量容积裕量%19.515.1TB工况引风机质量风量kg/s653.8653.8TB工况引风机容积风量m3/s734.6734.6外高桥二期的引风机的基本风量计算时也不考虑尾部受热面、烟道和除尘器的漏风，空预器的漏风系数为5.4，引风机的风量裕量为15，并考虑15的温度裕量。在2004年引风机的性能试验中引风机的风量高于BMCR的设计值，其具体数据见表3.2和表3.3。可见，虽然空预器的漏风系数仍然大于合同值，漏风系数增加的百分数几乎等于引风机风量的百分数，当对于引风机影响不大。对于大型机组部受热面、烟道和除尘器的漏风量对应烟气量总值的比率相对下降，对引风机的影响也不大。因此，引风机的风量裕量采用2000版“火规”的规定是较为合适的。表3.2 外高桥二期引风机