孟慶龍，韋紅旗，何長征

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096；2.南京博沃科技發(fā)展有限公司，江蘇南京210006)

送風(fēng)機(jī)是電站鍋爐機(jī)組的主要輔機(jī)，也是保證機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備之一。因此，通過對送風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱態(tài)試驗，以了解風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和電廠現(xiàn)場情況，對送風(fēng)機(jī)改造提出不同方案，分析可行性和經(jīng)濟(jì)性，選擇最優(yōu)方案，改造后的風(fēng)機(jī)能高效、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，以保證鍋爐機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行和較低的廠用電率，同時也起到節(jié)能降耗的作用。

1 鍋爐和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)概述

寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱京能寧電）的一期2號機(jī)組為660 MW燃煤汽輪發(fā)電空冷機(jī)組，鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈加垂直管直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)干式排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐、室內(nèi)布置煤粉鍋爐，鍋爐采用緊身封閉。鍋爐型號：HG-2210/25.4-YM16，4只低NOx墻式直流燃燒器，采用四面墻布置，燃燒器一、二次風(fēng)噴嘴呈間隔排列，頂部設(shè)有SOFA二次風(fēng)，底部設(shè)有AA直吹二次風(fēng)，6臺ZGM113G-II中速磨煤機(jī)配正壓直吹制粉系統(tǒng)。

寧東電廠送風(fēng)機(jī)選配為沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司2×50%動葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，型號為ASN-3040/1600型。其主要參數(shù)見表1。電動機(jī)型號為YKK710-6，其參數(shù)為：額定功率1800 kW；額定電壓6000 V；額定電流206 A；額定轉(zhuǎn)速995 r/min；功率因數(shù)0.879。

2 性能試驗

送風(fēng)機(jī)試驗和有關(guān)數(shù)據(jù)的計算是依據(jù)DL/T 469—2004[1]和 DL/T 5240—2010[2]進(jìn)行的。送風(fēng)機(jī)試驗分別在機(jī)組負(fù)荷644 MW，560 MW，458 MW下進(jìn)行，結(jié)果見圖1和表2。圖中的最大蒸發(fā)量（推算）工況點是以試驗煤質(zhì)、最大蒸發(fā)量（2210 t/h）為條件，通過相關(guān)理論計算，得出送風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)機(jī)全壓。

表1 送風(fēng)機(jī)設(shè)備性能參數(shù)表

圖1 2號爐送風(fēng)機(jī)各試驗工況點與最大蒸發(fā)量點

通過計算，將644 MW實測值換算到最大蒸發(fā)量工況點（即試驗BMCR工況），風(fēng)機(jī)流量為249.1 m3/s，風(fēng)機(jī)全壓為2276 Pa；而BMCR工況的送風(fēng)機(jī)設(shè)計流量為283.94 m3/s，設(shè)計壓力為4142 Pa。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，該工況點的流量及壓力均低于BMCR設(shè)計工況點，其中流量略小于設(shè)計值，其原因是由于空預(yù)器二次風(fēng)側(cè)與一次風(fēng)側(cè)之間的密封裝置在試驗期間為固定間隙，使得一次風(fēng)道部分風(fēng)量串入二次風(fēng)道，導(dǎo)致送風(fēng)機(jī)風(fēng)量有所減小，所以送風(fēng)機(jī)風(fēng)量偏小是正常的。

送風(fēng)機(jī)的實測參數(shù)與TB點比較，風(fēng)量裕量22.95%，風(fēng)壓裕量100.13%。從風(fēng)機(jī)選型的角度出發(fā)，則風(fēng)機(jī)的選型較不合理，尤其是風(fēng)機(jī)全壓裕量過于偏大。

表2 送風(fēng)機(jī)性能試驗數(shù)據(jù)

從風(fēng)機(jī)效率來看，該風(fēng)機(jī)在高負(fù)荷 （550 MW以上）運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)效率在70%以上，但在低負(fù)荷運(yùn)行（450 MW）時，風(fēng)機(jī)效率（約60%）相比高負(fù)荷工況有明顯下降。同時，試驗工況下，風(fēng)機(jī)效率在58%～80%之間，與性能曲線圖中各運(yùn)行工況點對應(yīng)效率 （約為57%～73%）略有偏差，而且與該型風(fēng)機(jī)最高效率區(qū)的效率（87%）相比，仍有一定節(jié)能空間。

試驗工況下，2號機(jī)組送風(fēng)機(jī)的電動機(jī)功率因數(shù)較低，尤其是在450 MW機(jī)組負(fù)荷時，其數(shù)值只有0.50，分析認(rèn)為主要是電動機(jī)的負(fù)載率過低所致，3個試驗工況的負(fù)載率分別為32%，36%，19%。電動機(jī)的額定功率達(dá)到1800 kW，由此可知電動機(jī)的額定功率選型值偏大，致使實際運(yùn)行中電動機(jī)負(fù)載率和功率因數(shù)偏低，電動機(jī)效率低下。

3 送風(fēng)機(jī)改造方案研究

送風(fēng)機(jī)一般有葉輪本體改造、降速改造以及變頻調(diào)速改造3種主要改造思路[3-6]。根據(jù)上述試驗結(jié)果分析，結(jié)合電廠的實際情況和要求，在盡量減少現(xiàn)場改動量的前提下，選擇了風(fēng)機(jī)降速和變頻調(diào)速2種節(jié)能改造方案進(jìn)行研究。

3.1 送風(fēng)機(jī)降速改造方案

3.1.1 電機(jī)降速改造方案

送風(fēng)機(jī)的降速改造方案主要是對其電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，送風(fēng)機(jī)電機(jī)原設(shè)計為6極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為1000 r/min，工作轉(zhuǎn)速為990 r/min，轉(zhuǎn)差率為1%，由于電機(jī)變極降速要求，改后送風(fēng)機(jī)電機(jī)極數(shù)只能為8極，對應(yīng)同步轉(zhuǎn)速為750 r/min。取1%～5%的轉(zhuǎn)差率范圍，所以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為710～740 r/min。同時通過計算得知轉(zhuǎn)速從996 r/min降到740r/min后能滿足鍋爐各種運(yùn)行工況的需要，而且降速后各個運(yùn)行工況點都位于高效區(qū)，各運(yùn)行工況點也都遠(yuǎn)離失速區(qū)。圖2給出了降速改造后的性能曲線和各運(yùn)行工況點的的位置（因2號機(jī)組A側(cè)與B側(cè)情況大致相同，故以后分析皆以B側(cè)為例）。表3給出了改造后節(jié)能量的估算。改造后2臺風(fēng)機(jī)年節(jié)電量為1 235 000 kW·h。

圖2 送風(fēng)機(jī)各試驗工況點與最大工作點在740 r/min轉(zhuǎn)速下性能曲線中的位置

表3 送風(fēng)機(jī)降速改造后的節(jié)能量分析

3.1.2 送風(fēng)機(jī)電機(jī)功率的確定

與寧東公司的技術(shù)人員交流及試驗得知，其空預(yù)器一、二次風(fēng)間漏風(fēng)量較大，而且也準(zhǔn)備進(jìn)行改造。進(jìn)行電機(jī)功率確定時考慮到此問題，假設(shè)其改造后的空預(yù)器性能達(dá)到設(shè)計值，屆時在維持最大入爐二次風(fēng)量的情況下，送風(fēng)機(jī)流量將要增加。為確定送風(fēng)機(jī)改造后的最大工作點，從寧東公司收集并統(tǒng)計了2號機(jī)組在冬季、夏季不同典型負(fù)荷下的送風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，在660 MW工況下，2臺送風(fēng)機(jī)最大合計流量為1890 t/h；同時，由試驗、計算可大致算得空預(yù)器一次風(fēng)側(cè)至二次風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量比其設(shè)計值大160 t/h左右，建議最大工作點流量取1025 t/h（1890/2+160/2），送風(fēng)機(jī)進(jìn)口空氣密度為1.0 kg/m3，則送風(fēng)機(jī)進(jìn)口體積流量284.7 m3/s，由表2試驗數(shù)據(jù)推算，最大工作點的比功為2643 J/kg（即送風(fēng)機(jī)的全壓約為2643 Pa）。取改造后送風(fēng)機(jī)的最大工作點流量為284.7 m3/s，全壓為2643 Pa，此工況點風(fēng)機(jī)運(yùn)行的效率為80%。則單臺送風(fēng)機(jī)運(yùn)行時的軸功率為931 kW，此時電機(jī)的負(fù)載率為51.7%，同時考慮機(jī)械傳動效率為98%、電機(jī)效率為94%，電機(jī)輸入功率為1011 kW，電機(jī)裕量取為5%，電機(jī)功率則為1062 kW。考慮到TB點的工況，電機(jī)功率的選取應(yīng)在1062 kW以上。

3.2 送風(fēng)機(jī)變頻改造方案

3.2.1 變頻改造的基本原理

變頻調(diào)速的改造也是對電機(jī)方面的改造，是通過增加變頻器，使風(fēng)機(jī)實現(xiàn)變速運(yùn)行。變頻效果主要依據(jù)風(fēng)機(jī)相似定律，由相似定律可得到同一工況點在不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)機(jī)效率及各轉(zhuǎn)速的下的風(fēng)機(jī)性能曲線。在相似工況下運(yùn)行的風(fēng)機(jī)其流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可由如下簡化公式表示：

式中：q 為風(fēng)機(jī)流量，m3/s；p 為風(fēng)機(jī)壓力，Pa；P 為風(fēng)機(jī)功率，W；n風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化使送風(fēng)量減小時，揚(yáng)程隨著轉(zhuǎn)速下降而降低，可以大幅度減少節(jié)流損失；采用變頻調(diào)速時風(fēng)機(jī)的工作效率η總是處于高效區(qū)；而且變頻改造后，變頻器具有根據(jù)負(fù)載輕重情況調(diào)節(jié)輸入電壓的功能，提高了電動機(jī)的工作效率和功率因數(shù)。

3.2.2 變頻改造效果分析

通過計算分析可知，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)動葉在45°開度時，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率最高。風(fēng)機(jī)的出力也能滿足其最大蒸發(fā)量工況點的運(yùn)行需求。圖3給出了動葉固定在45°時的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能曲線和各運(yùn)行工況點的位置。表4給出了風(fēng)機(jī)變頻改造前后節(jié)能量的估算。改造后2臺風(fēng)機(jī)年節(jié)電量為1 280 000 kW·h。

圖3 送風(fēng)機(jī)動葉角度45°變頻后的性能曲線及設(shè)計參數(shù)的位置

表4 送風(fēng)機(jī)變頻改造后的節(jié)能分析

4 2種改造方案比較

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析對比

由上述分析可知，在高中負(fù)荷時，2種方案的風(fēng)機(jī)效率提高差不多；而在低負(fù)荷時，變頻改造方案的節(jié)能效果稍微明顯一些。從節(jié)電量上來看，送風(fēng)機(jī)的變頻改造比降速改造每年多節(jié)約45 000 kW·h。2種方案的投資回收比較分析見表5。

表5 2種改造方案投資、回收的對比

由表5可以看出，2種方案的年節(jié)省費用基本相同，但變頻改造前期投資大，回收期達(dá)4年多，而降速改造僅不到2年就可以收回投資，由于變頻改造的控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，可能需要更多的投入，而降速改造則簡單很多，幾乎和改造前一樣，而且如果再算上維護(hù)、檢修費用，兩者的投資費用差距更為明顯。由此考慮，送風(fēng)機(jī)降速改造的經(jīng)濟(jì)性更為理想。

4.2 安全性分析對比

送風(fēng)機(jī)的降速改造，本體以及其他設(shè)備不需進(jìn)行改動，只要對電機(jī)改動即可，改動量極少，安全性較高。

送風(fēng)機(jī)的變頻改造，也不用對風(fēng)機(jī)本體改造，但送風(fēng)機(jī)的熱工控制系統(tǒng)、電氣保護(hù)系統(tǒng)等需要進(jìn)行改造，還要加裝變頻設(shè)備柜。同時，為了防止送風(fēng)機(jī)在較低轉(zhuǎn)速時風(fēng)機(jī)本體與其構(gòu)件、風(fēng)道導(dǎo)流葉片等發(fā)生共振（比如葉片共振和軸系扭振，可能會造成葉片疲勞折斷和主軸斷裂等）或是相鄰風(fēng)機(jī)機(jī)組產(chǎn)生的拍振危險，所以電廠還需對變頻后可能的共振或拍振頻率進(jìn)行測量，以避開危險運(yùn)行頻率，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。同時，在控制系統(tǒng)方面，變頻器的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，可靠性沒有原來的系統(tǒng)高。

綜上分析，從經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行維護(hù)及產(chǎn)出比與安全性等方面的對比可知，將現(xiàn)有送風(fēng)機(jī)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由995 r/min降到740 r/min的降速方案更優(yōu)。

5 改造后的效果評估

寧東電廠2號機(jī)組在大修間實施了送風(fēng)機(jī)電機(jī)降速節(jié)能改造,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速從995 r/min降至747 r/min（電動機(jī)從6級改為8級），能夠滿足各個工況的運(yùn)行要求，機(jī)組運(yùn)行中送風(fēng)機(jī)效率在各個工況點都有不同程度的提高。表6給出了改造前后電機(jī)參數(shù)對比。

表6 電機(jī)改造前后參數(shù)對比

送風(fēng)機(jī)改后試驗結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)降速改造后，其運(yùn)行開度明顯增大（增大約40%～80%），運(yùn)行效率明顯提高（提高約4%～15%），如果按年運(yùn)行7500 h，年平均三個工況點各運(yùn)行2500 h算，每臺機(jī)組 （2臺送風(fēng)機(jī)）可以節(jié)約耗電量1 534 000 kW·h，上網(wǎng)電價每千瓦時按0.4元計算[7]，每年可節(jié)約61.36萬元。表7給出了改造前后送風(fēng)機(jī)性能對比及節(jié)電量分析。

表7 送風(fēng)機(jī)改造前后性能參數(shù)對比及節(jié)電量分析

6 結(jié)束語

通過試驗可知，送風(fēng)機(jī)出力較大，選型不合理且電動機(jī)的額定功率選擇也過大，有很大的節(jié)能空間。確定降速改造方案時，最大蒸發(fā)量工況點的確定十分重要，需根據(jù)電廠實際情況及試驗數(shù)據(jù)來計算。試驗工況下送風(fēng)機(jī)的效率與性能曲線中各運(yùn)行工況點對應(yīng)效率，由圖可知略有偏差，這與制造、安裝、測量誤差都有一定關(guān)系。通過對2種改造方案的對比分析可知，對于寧東電廠的送風(fēng)機(jī)而言，送風(fēng)機(jī)降速改造的經(jīng)濟(jì)性以及安全性等更為理想。改造后，2臺風(fēng)機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行時，風(fēng)機(jī)效率在86%以上，高于設(shè)計值（≥85%），兩側(cè)阻力平衡，2臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠。綜合考慮，對送風(fēng)機(jī)而言，降速改造方案改動少，投資小，且改造的經(jīng)濟(jì)性十分理想，值得推廣。

[1]中華人民共和國國家發(fā)展和改個委員會.DL/T 469—2004電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場性能試驗[S].北京：中國電力出版社，2004.

[2]國家能源局.DL/T 5240—2010火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2010.

[3]劉家鈺.我國電站風(fēng)機(jī)節(jié)能的途徑探討[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2007（3）：50-55.

[4]衛(wèi)運(yùn)鋼.變頻技術(shù)在熱電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2010 （5）：57-61.

[5]冒士平，丁 平，趙啟明.330 MW機(jī)組送風(fēng)機(jī)電機(jī)降容改造及節(jié)能分析[J].電力科學(xué)與工程，2009，25（8）：62-64.

[6]宓洪武，李智娟，許鳳玲，等.淺談火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2010（3）：53-57.

[7]嚴(yán)加發(fā).650 MW燃煤機(jī)組引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合并節(jié)能分析[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32（4）：74-76.