660 MW燃煤锅炉三大风机单列配置的可靠性分析

李双江

(中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司， 石家庄 050031)

根据目前国内火电机组的配置情况，600 MW等级机组采用一次风机、送风机、引风机(简称三大风机)单列配置运行的情况较少，且缺乏对机组可靠性的研究。某2台660 MW超超临界燃煤空冷机组，三大风机均为单列配置，这种配置方式是在国内的首次应用，以此为基础，建立可靠性分析模型，分析单列配置可靠性相关问题，可为采用锅炉风机单列配置的项目提供可靠性分析的参考。

1 三大风机可靠性现状

根据中国电力企业联合会2011年发布的《200 MW及以上容量火电机组主要辅助设备运行可靠性指标》对全国200 MW及以上容量火电机组的磨煤机、给水泵组、送风机、引风机和高压加热器这五种辅助设备的可靠性及其对主机的影响进行了统计、评价，其中送风机、引风机在2007年—2011年的运行可靠性指标见表1。

三大风机单、双列配置对主机的影响是不同的：单列配置设备的不可靠会直接导致机组的停机，而双列配置中单个设备的不可靠通常会使机组负荷降低，但一般不会造成机组停机[1]。造成火电机组非计划停运的设备主要是锅炉、汽轮机和发电机这三大主设备，由三大主设备引发的非计划停运时间占到了全部非计划停运总时间的84.7%。燃煤锅炉配套的风机可靠性非常高，发生故障引起机组非计划停运的可能性很小。

2 可靠性分析

2.1 术语解释

(1) 可靠性：元件或系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力，将其称为该元件或系统的可靠性[2-3]。

(2) 可靠性概率：为了描述一个元件或系统可靠性水平的高低，利用概率将描述可靠性的概念数量化[2-3]，为可用系数与计划停运系数的和。

(3) 故障率：设备故障的概率，为100%减去可靠性概率。

2.2 假设条件

分析机组辅机单列配置的可靠性时，作出如下假设：

(1) 计划停机可认为是非辅机故障引起的机组停机，取用可用系数与计划停运系数的和作为可靠性概率。

(2) 各种工况下的可用系数与计划停运系数为固定值。凝汽式机组在夏天负荷高，故障率高、可用系数大；供热机组在冬天负荷高，故障率高、可用系数大。锅炉在100%、75%、50%负荷时的可用系数是不一致的，并且可能有很大差别，会直接影响计算，故在进行可靠性计算时假设各种工况下可用系数及计划停运系数为固定值。

(3) 风机系统由风机本体、电动机、电源等组件串联组成，所取的可用系数按照整体考虑。

(4) 由于缺乏一次风机可靠性统计数据，假设一次风机与送风机可靠性概率相同。

(5) 三大风机可靠性概率取表1中2009年、2010年、2011年所统计的全国机组辅机可用系数及计划停运系数之和的平均值，一次风机和送风机的可靠性概率为99.917%、引风机可靠性概率为99.98%。

(6) 锅炉本体、汽轮机本体，以及其他系统和设备的可靠性概率是固定不变的，不因风机的配置改变而发生变化。

(7) 由于只研究锅炉风机单列配置的可靠性，假设其他系统和设备的可靠性概率是固定不变的。

2.3 逻辑框图及可靠性计算

全厂可分成三个大系统，分别为：BOP(Balance of Plant)辅助系统，包括冷却水系统、压缩空气系统、输煤系统、辅助蒸汽系统；锅炉本体及辅助系统，包括一次风机、送风机、引风机、磨煤机和锅炉本体；汽轮机本体及辅助系统，包括给水泵组、凝结水泵组、真空泵组、高压加热器给水及抽气系统、汽轮机本体。以上三个大系统是按照某个设备或系统故障会导致全厂故障，即每个设备可靠性概率与机组可靠性概率是“与”的关系(可靠性概率相乘)。

2.3.1 逻辑框图

全厂可靠性逻辑框图见图1。

其他系统和设备的可靠性概率是固定不变的，4种风机配置方案(方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)下机组可靠性框图见图2，其中：方案Ⅰ为三大风机全部单列配置，方案Ⅱ为一次风机及引风机单列配置、送风机双列配置，方案Ⅲ为送风机单列配置、一次风机及引风机双列配置，方案Ⅳ为三大风机全部双列配置。

2.3.2 可靠性计算

根据概率分析理论中的加法乘法定理、互不相容事件、相互对立事件和二项式展开定理，结合逻辑框图2得出方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ所对应的可靠性概率P(Ⅰ)、P(Ⅱ)、P(Ⅲ)、P(Ⅳ)分别为：

P(Ⅰ)=P(K)·P(L)·P(M)

(1)

P(Ⅱ)=P(K)·[P(L1)+P(L2)-

P(L1)·P(L2)]·P(M)

(2)

P(Ⅲ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

P(L)·[P(M1)+P(M2)-

P(M1)·P(M2)]

(3)

P(Ⅳ)=[P(K1)+P(K2)-P(K1)·P(K2)]·

[(P(L1)+P(L2)-P(L1)·P(L2)]·

[P(M1)+P(M2)-P(M1)·P(M2)]

(4)

式中：P(i)为设备i的可靠性概率。

2.4 综合分析

2.4.1 辅机配置方式对机组可靠性的影响

不同的单列辅机配置方式对机组的可靠性是有影响的，机组可靠性概率随辅机配置的变化见表2及图3。

表2 机组可靠性概率计算结果

由表2可得：辅机对机组可靠性的影响相对来说是比较小的，即使是全部单列配置，机组的可靠性概率也能达到99.8%以上，与全部双列配置相比低0.186 4百分点，当仅有一台辅机单列配置时，可靠性概率仅降低0.082 9百分点。不同的辅机配置对机组可靠性的影响也是比较小的，每增加一台单列辅机，机组可靠性概率下降仅0.020 0～0.083 5百分点。

2.4.2 设备可靠性对机组可靠性的影响

一次风机与送风机可靠性概率按照94%～99%进行取值，引风机可靠性概率固定为99.98%，计算得到不同方案的机组可靠性概率(见表3及图4)。

表3 一次风机和送风机可靠性概率的影响计算结果

引风机可靠性概率按照94%～99%进行取值，一次风机与送风机的可靠性概率固定为99.917%，计算得到不同方案的机组可靠性概率(见表4及图5)。

表4 引风机可靠性概率的影响计算结果

由表3、表4可得：三大风机全部双列配置时，机组可靠性对辅机可靠性的敏感性相对较小，当辅机可靠性提高后，机组可靠性随之提高，但提高的幅度不大，当一次风机及送风机可靠性概率从94%提高到99%时，机组可靠性概率提高0.699百分点，引风机可靠性概率从94%提高到99%时，机组可靠性概率提高0.350百分点；三大风机全部单列配置后，机组可靠性概率变化较大，当一次风机及送风机可靠性概率从94%提高到99%时，机组可靠性概率提高9.648百分点，引风机可靠性概率从94%提高到99%时，机组可靠性概率提高4.992百分点。

2.4.3 机组负荷的影响

按照年利用时间为5 500 h计算，以表5中的负荷分配模式为基础建立趋势分析模型，得到模式A、B、C、D的合计年运行时间分别为7 060 h、7 360 h、7 510 h、7 890 h。

表5 机组负荷分配模式

由于不同的配置模式可能造成机组事故停机，设备故障停机将使每台机组产生经济损失，由于变化趋势相同，笔者只对三大风机全部单列配置(方案Ⅰ)及全部双列配置(方案Ⅳ)的情况进行计算，故障损失费用见表6及图6。

表6 各工况故障损失费用计算结果

由表6可得：模式A、B、C、D的方案Ⅰ故障损失费用分别为191.4万元、191.4万元、191.4万元、192.0万元，模式A、B、C、D的方案Ⅳ故障损失费用为0.054 3万元、0.050 3万元、0.262 2万元、0.257 5万元。

由图6可得：三大风机全部单列配置时，随着机组调峰能力的增加，故障损失费用明显增加，而全部双列配置时，故障损失费用虽有增加，但是增加幅度不大。这说明调峰机组在三大风机全部单列配置后，对其可靠性要求更高，一旦停机将会面对更大的机组停机损失和更严重的后果，因此调峰机组在采用单列配置时需要更加谨慎，在确保辅机绝对可靠性的情况下才可采用单列配置。

3 可靠性保障及工程应用

3.1 可靠性的保障措施

近年来国产三大风机的可靠性已经明显提高，为保证单列配置的可靠性，主要采取如下措施：(1)选择优良设备，应重点关注一次风机、送风机和引风机的转子、轴承、液压缸、电动执行器、轴承测振、喘振报警、油站等，采用可靠性高的产品；(2)提高安装、调试质量；(3)加强对设备的实时监测；(4)提高电厂锅炉辅机的可靠性指标，必须加强对设备的实时监测；(5)防止误动、误跳；(6)选择可靠的仪表；(7)提高润滑和液压油等辅助系统的可靠性。

3.2 工程应用

该660 MW机组三大风机均为单列配置，据电厂反映，机组投运6 a以来，频繁地进行冷热态启停，作为深度调峰机组长时间处于变负荷工况，三大风机单列配置后经受住了较恶劣运行环境的考验，没有对主系统的运行造成不良影响，未发生因单列配置造成的机组非计划停运情况，主要辅机运行情况良好。

辅机单列配置后，设备后期维护检修工作量大大降低，设备维护及备件费用较双列配置机组大大降低，机组启停更加便捷，全厂厂用电指标在同类机组中处于领先地位，提升了电厂竞价上网的竞争力。

4 结语

(1) 三大风机运行可靠性对机组可靠性的影响相对较小，即使是三大风机全部单列配置，机组的可靠性概率也能达到99.8%以上，与三大风机全部双列配置相比，低0.186 4百分点，当仅有一台风机单列配置时，可靠性概率仅降低0.082 9百分点。不同的辅机配置对机组可靠性的影响也是比较小的，每增加一台单列配置的风机，机组可靠性概率下降仅0.020 0～0.083 5百分点，可靠性概率降低较小。

(2) 三大风机全部单列配置后，机组可靠性对风机设备本体的可靠性相当敏感，当设备可靠性比较差时，对机组的可靠性影响非常大，因此在三大风机全部采用单列配置后对辅机设备的可靠性要求非常高，采取相应措施提高可靠性，如采用可靠性高的设备。

(3) 随着机组调峰能力的增加，三大风机全部单列配置的故障损失费用明显增加，而全部双列配置的故障损失费用虽有增加，但是增加幅度不大。