董琨，謝建文，周克毅

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025;2東南大學，江蘇 南京 211189)

0 引言

在火力發(fā)電機組中，鍋爐風機(送風機、一次風機和引風機)運行電耗是機組廠用電的主要組成部分。由于風機選型、調節(jié)方式選擇以及系統(tǒng)管路設計等方面存在問題，使各機組鍋爐風機運行電耗差異較大。在通常情況下，鍋爐風機所耗電能占機組發(fā)電量的1%～3%，占機組廠用電的20% ～50%，這些因素已成為火電機組節(jié)能改造的重點。本文基于5臺機組的鍋爐風機運行數(shù)據，針對目前風機運行中能耗較高的現(xiàn)狀，分析了影響鍋爐風機能耗高的原因，提出了風機節(jié)能改造的初步方案，為風機的實際改造設計提供理論依據。

1 5家發(fā)電廠(5臺機組)鍋爐風機運行現(xiàn)狀

表1給出了各機組的功率和鍋爐風機的類型及調節(jié)方式。表1中TC廠機組為超臨界600 MW機組，其余均為亞臨界機組。SH廠300 MW機組為供熱機組，為便于比較分析，后續(xù)分析或計算數(shù)據均取自于機組不供熱工況。表2列出了各廠機組滿負荷時鍋爐風機的能耗率數(shù)據，這些數(shù)據是由現(xiàn)場風機測量數(shù)據計算得到的，數(shù)值等于風機的耗電量與機組發(fā)電量的比值，反映了風機電耗占機組發(fā)電功率的份額。表1中各風機系統(tǒng)的能耗率為實際運行風機的能耗率之和，例如，有2臺送風機實際運行，則送風機系統(tǒng)的能耗率就為2臺風機的能耗率之和;鍋爐風機總能耗率為鍋爐實際運行時所有3種風機的能耗率之和，5家發(fā)電廠各機組滿負荷工況下鍋爐風機能耗率見表2。

表2中的能耗率數(shù)據表明，各廠鍋爐風機總能耗率差異較大，最大值為最小值的2倍以上;同一種風機的能耗率差異也非常明顯，如PS廠送風機的能耗率比NH廠要高出2倍以上。這些差異說明這5臺機組中有不少風機能耗過高，需要深入分析能耗偏高的原因，確定導致能耗過高的主要因素，由此確定合適的風機改造方案，為現(xiàn)場機組的節(jié)能降耗提供理論依據。

2 風機能耗率高的原因分析

風機系統(tǒng)的能耗主要與風機本體效率、系統(tǒng)管路特性和運行調節(jié)方式有關，另外還與電動機效率和傳動效率有關，本文重點分析前面3種因素對能耗的影響。

2.1 風機本體效率的影響

風機性能參數(shù)主要有效率、全壓、軸功率，三者的關系一般可表示為

式中:η為風機效率;Pe為風機的輸出功率(即有效功率)，kW;P為風機的輸入功率(即軸功率)，kW;qV為風機流量，m3/s;p為風機全壓，Pa。

由式(1)可知，當輸出功率或流量和全壓確定后，風機效率的高低直接反映了軸功率的大小，成為影響風機系統(tǒng)能耗率的重要因素。風機類型的不同會帶來風機效率的不同，工作點的改變也可能致使風機效率的變化。風機技術規(guī)范中給出的效率通常是風機的最高效率，在(0.85 ～0.90)ηmax的流量區(qū)域稱為“高效工作區(qū)”。表3給出了各廠3種風機在滿負荷工況下的效率偏差相對值，所有計算均以各風機對應的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量BMCR(BoilerMaximum Continuous Rating)工況設計效率為基準值，即以該工況下的效率為最高效率。表3中用黑體數(shù)字標出了不在高效工作區(qū)的效率相對偏差，即實際滿負荷工作點的效率已超出(0.85～0.90)ηmax的流量范圍。表3中數(shù)據表明:

表1 5家發(fā)電廠風機類型及調節(jié)方式

表2 5家發(fā)電廠各機組滿負荷工況下鍋爐風機能耗率 %

表3 5家發(fā)電廠機組滿負荷工況下鍋爐風機效率相對偏差 %

(1)NH廠的3種風機滿負荷時均能在高效區(qū)運行，B側引風機偶然偏離高效工作區(qū)。

(2)PS電廠的送引風機滿負荷工作點均嚴重偏離高效工作區(qū)。

(3)SH和TC電廠的送風機滿負荷工作點在高效工作區(qū)之外，后者更明顯。

(4)TS電廠引風機滿負荷工作點全部在高效工作區(qū)之外。

為降低風機系統(tǒng)能耗率，對于那些已經超出高效工作區(qū)的風機，應該從風機類型、風機容量、風機性能等多方面深入分析風機效率低的原因，確定合理的改造措施。如圖1所示，PS廠引風機實際運行工作點嚴重偏離設計工作點，致使最高運行效率僅為50%左右，遠低于原設計值(85%)，因而能耗率急劇增大。

2.2 風機管路系統(tǒng)阻力特性的影響

當流量一定時，風機全壓的大小與風機所連接的管路阻力特性有關，在工作點上風機的全壓正好等于管路系統(tǒng)的阻力。由式(1)可知，當風機效率和流量一定時，管路系統(tǒng)阻力的增大同樣會增加風機的軸功率，從而使風機系統(tǒng)的能耗增加。

圖2顯示出了TC和NH發(fā)電廠在滿負荷時的引風機系統(tǒng)阻力特性曲線，實線為設計曲線，虛線為實際運行曲線(2個廠家同為600 MW機組，都采用了軸流風機)。由圖2可知，2個廠家的引風機流量相近，但TC發(fā)電廠引風機系統(tǒng)管路阻力明顯高出NH發(fā)電廠，原BMCR工況管路阻力設計值也是如此。2個廠家引風機在滿負荷時的效率差異很小，即風機效率相近。由表2可知，在滿負荷時，TC發(fā)電廠的能耗明顯高于NH發(fā)電廠。因此，可以認為管路系統(tǒng)阻力偏高是TC發(fā)電廠引風機能耗高的重要原因之一，在確定改造措施時必須考慮管路阻力的影響。

2.3 風機調節(jié)方式的影響

在5家發(fā)電廠中，風機所采用的調節(jié)方式有離心風機液力偶合器調節(jié)、軸流風機靜葉調節(jié)、軸流風機動葉調節(jié)。不同調節(jié)方式對風機運行能耗的影響各不相同，這里以液力偶合器調節(jié)為例說明調節(jié)方式對風機運行能耗的影響。

采用液力偶合器調節(jié)風機轉速，液力偶合器主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪和調節(jié)裝置構成。輸入軸一端與動力機相連(如電動機等)，另一端與泵輪相連;輸出軸一端與渦輪相連，另一端與風機相連。泵輪與渦輪對稱布置，輪內設置不同數(shù)量的葉片，腔內填充工作液體以傳遞動力。調節(jié)裝置(如勺管)改變腔內液體量調節(jié)泵輪和渦輪的轉速比，從而改變風機的轉速。泵輪轉速總是高于渦輪，兩者之間存在轉速差，這是液力偶合器液力傳動的必要條件?？梢杂棉D差率(也可以稱為滑差)s反映泵輪、渦輪轉速相差的程度，其定義為

式中:nB，nT分別為泵輪轉速、渦輪轉速;i為轉速比。其中

如忽略軸承、密封、空氣摩擦等外部機械損失，液力偶合器傳動效率恒等于轉速比，即

由上式可知，風機轉速越低，則液力偶合器調節(jié)的傳動效率就越低。這表明采用液力偶合器調節(jié)時應該保持較高的轉速比，從而獲得較高的傳動效率。

SH電廠的一次風機和引風機均采用液力偶合器調節(jié)，圖3列出了該廠一次風機和引風機液力偶合器開度隨機組負荷變化的曲線。近似認為液力偶合器調節(jié)開度與液力偶合器轉速比為線性關系，即認為液力偶合器調節(jié)開度百分比近似等于液力偶合器的轉速比，由圖3可知，一次風機液力偶合器轉速比為0.50～0.65，引風機液力偶合器轉速比為0.34～0.58。也就是說，實際運行中 SH 發(fā)電廠一次風機系統(tǒng)的傳動效率最高為65%，引風機最高為58%。根據實際運行工作點的分布可知，一次風機和引風機的最高效率約為84%和85%。如果不考慮電動機效率，則SH電廠一次風機系統(tǒng)和引風機系統(tǒng)的效率最高為55%和50%。液力偶合器調節(jié)開度過小，液力偶合器轉速比處于較小值狀態(tài)，從而使傳動效率下降，這是風機系統(tǒng)效率降低、能耗增加的最主要原因。

圖3 SH發(fā)電廠一次風機和引風機液力偶合器開度隨機組負荷變化曲線

因此，在風機節(jié)能改造中要注意分析調節(jié)方式對風機系統(tǒng)能耗的影響，改造方案設計中不僅要考慮風機本體性能和系統(tǒng)管路特性的改造，同樣要重視調節(jié)方式的改造。

3 節(jié)能改造方案

根據對5家發(fā)電廠鍋爐風機能耗偏高原因的分析，可初步確定風機的節(jié)能改造方案。

3.1 PS發(fā)電廠送、引風機節(jié)能改造

由實際運行工作點分布、流量和全壓偏差計算、系統(tǒng)管路阻力特性可確定風機的節(jié)能改造方案，PS發(fā)電廠送風機和引風機能耗高的主要原因有2點。

(1)原設計裕量過大，致使風機運行一直處于低效區(qū)，運行效率大幅度下降。

(2)2種風機均為靜葉調節(jié)軸流風機，高效區(qū)范圍較小，一旦實際工作點偏離設計較遠時，風機的運行效率將更低，在低負荷情況下，風機的能耗將大幅度升高。

表4列出了PS發(fā)電廠送、引風機可能采用的改造方案。表4中方案1采用了重新設計和選型的改造方法，容易實現(xiàn)節(jié)能的預計目標，但改造投資較多，涉及的現(xiàn)場改造工作量較大，改造實現(xiàn)工期較長。因實際運行偏離設計點較遠，故方案2實施后電動機轉速一直處于低速運行狀態(tài)，特別是在低負荷時風機效率會明顯下降，不能充分發(fā)揮變速調節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢。方案3采用了2種調節(jié)方式，在高負荷時可采用靜葉調節(jié);低負荷時發(fā)電機半速運行，同時采用靜葉調節(jié)。方案3具有投資少的優(yōu)勢，理論上也能降低風機的能耗，但節(jié)能空間不會很大。在實際改造中，可以重點從運行經濟性、投資及回收、可靠性等方面重點比較方案1和方案3，另外還要注意PS發(fā)電廠機組大部分時間處于低負荷運行狀態(tài)，要重點比較分析低負荷時風機的能耗情況。

表4 PS廠送、引風機可能的改造方案

3.2 SH發(fā)電廠一次風機和引風機節(jié)能改造

SH廠的一次風機和引風機均為液力偶合器調節(jié)的離心風機，能耗高的主要原因有4點。

(1)原設計風機滿負荷轉速偏低，在實際運行中，2種風機的液力偶合器開度都較小，在實際運行中，液力偶合器傳動效率太低。

(2)引風機實際工作點轉速偏離設計轉速更明顯，進一步降低了液力偶合器的傳動效率。

(3)一次風系統(tǒng)管道阻力偏高，增加了一次風機的軸功率。

(4)盡管2種風機的理論效率都在80%左右，但因液力偶合器實際傳動效率太低，致使一次風系統(tǒng)和引風系統(tǒng)的能耗過高。

表5列出了SH發(fā)電廠一次風機和引風機可能采用的改造方案。表中方案1針對引風機通過切削方法減小葉輪外徑，提高引風機實際運行轉速，從而增大液力偶合器傳動效率，在一定程度上提高引風系統(tǒng)的運行經濟性。從目前運行數(shù)據來看，2種風機的運行效率都比較高，可以采用方案2，即采用變頻調速的方法替代原有的液力偶合器調速，能夠明顯降低風機系統(tǒng)的能耗。對于引風機而言，還可以在變頻調速改造的同時采用切削減小葉輪外徑的方案(方案3)，進一步減小引風系統(tǒng)的能耗率。為減少改造費用和縮短改造施工工期，采用變頻調速改造時建議保持電動機的原有位置不變;變頻方案設計中要詳細考慮電動機工頻轉速與風機原最高轉速之間的匹配，確保變頻調節(jié)范圍最大。

3.3 TS和TC發(fā)電廠引風機節(jié)能改造

TS廠和TC發(fā)電廠引風機能耗高的主要原因是:

(1)引風系統(tǒng)管道阻力明顯高于NH發(fā)電廠，特別是TS發(fā)電廠更為明顯，使軸功率趨于增大。

表5 SH發(fā)電廠一次風機和引風機可能的改造方案

(2)2家發(fā)電廠引風機均為靜葉調節(jié)軸流風機，高效區(qū)范圍較小，一旦實際工作點偏離設計點后風機效率將明顯降低，這一特征在TS發(fā)電廠中表現(xiàn)得更為明顯。

表6列出了TS和TC發(fā)電廠引風機可能采用的改造方案。表中方案1針對引風系統(tǒng)管路阻力較大的問題，從根本上減小風機的功耗。方案2通過更換小直徑葉輪提高實際工作點的效率，從而降低風機系統(tǒng)能耗。方案3在低負荷時將采用低速運行的方式，在降低風機軸功率的同時提高了風機效率。在3種方案中，應該重點考慮方案1實施的可行性，在此基礎上再考慮其余2種方案的可行性?？紤]到靜葉調節(jié)軸流風機改變頻節(jié)能空間較小，系統(tǒng)管道阻力大是引風機能耗高的最主要原因，所以，在2家發(fā)電廠引風機可能的改造方案中不建議采用變頻調節(jié)改造。

表6 TS廠和TC廠引風機可能的改造方案

4 結論

影響5家發(fā)電廠鍋爐風機能耗高的因素不盡相同，主要有風機本體效率低、系統(tǒng)管路阻力大和運行調節(jié)方式差3個方面。在對風機進行節(jié)能改造之前，需先分析、確定影響風機能耗高的主要因素，并根據這些因素確定風機改造路線，進行風機節(jié)能改造評估和方案論證。

［1］徐常武，彭秀蔓，石雪松.風機節(jié)能潛力分析及主要對策(一)［J］.風機技術，2008(1):63－69.

［2］徐常武，彭秀蔓，石雪松.風機節(jié)能潛力分析及主要對策(二)［J］.風機技術，2008(2):61－66.

［3］董凌.電站鍋爐風機節(jié)能技術淺析［J］.風機技術，2008(4):57－59.