劉海峽

(北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100022)

截至2017年底，全國(guó)火電裝機(jī)容量約11億kW，占全國(guó)總發(fā)電裝機(jī)容量的61.9%。提升火電節(jié)能減排實(shí)效已成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的核心內(nèi)容，也是創(chuàng)建生態(tài)環(huán)境友好型和能源節(jié)約型社會(huì)的前提保障。

近年來(lái)，國(guó)外采用的軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)、靜葉調(diào)節(jié)技術(shù)和變轉(zhuǎn)速技術(shù)均取得顯著的節(jié)能效果。研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)外提出的電站風(fēng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)僅關(guān)注于提高風(fēng)機(jī)本體各工況點(diǎn)效率是不夠的[1]，還要從風(fēng)煙系統(tǒng)整體著手進(jìn)一步降低能耗。研究指出，針對(duì)風(fēng)機(jī)本體的改造可提升風(fēng)機(jī)效率3.5%～8.3%，風(fēng)煙系統(tǒng)的改善可提高風(fēng)機(jī)效率17.5%[2]。

2016年我國(guó)火電機(jī)組廠用電率為6%，但電站風(fēng)機(jī)耗電率占廠用電率比例仍在30%以上，部分機(jī)組甚至更高。同時(shí)，國(guó)內(nèi)火電機(jī)組風(fēng)煙管道仍存在以下問(wèn)題：內(nèi)部流場(chǎng)分布不利于風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和污染物超低排放；風(fēng)煙系統(tǒng)布置、設(shè)備選型優(yōu)化、流量精確測(cè)量、高效運(yùn)行、管道降阻等方面協(xié)同應(yīng)對(duì)策略不強(qiáng)；生產(chǎn)人員無(wú)法深入得到風(fēng)煙系統(tǒng)及其設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，難以深度評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)運(yùn)行優(yōu)化與檢修優(yōu)化；電廠風(fēng)機(jī)耗電率差別較大，部分電廠風(fēng)煙系統(tǒng)耗電率較高。

筆者在對(duì)火電機(jī)組節(jié)能改造技術(shù)路線和燃煤機(jī)組超低排放技術(shù)路線進(jìn)行綜合性研究[3-4]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜合性研究工作，在電站鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)配置、選型優(yōu)化及效益評(píng)價(jià)等方面提出了建議。

1 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

1.1 優(yōu)化煙風(fēng)系統(tǒng)管道布置

火電機(jī)組煙風(fēng)系統(tǒng)管道布置不合理不僅增加系統(tǒng)阻力，而且會(huì)降低風(fēng)機(jī)性能。某300 MW火電廠雙吸離心一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道布置不合理，其系統(tǒng)效應(yīng)損失達(dá)到1 641 Pa，風(fēng)機(jī)出口彎管系統(tǒng)效應(yīng)損失達(dá)到100 Pa，共計(jì)1 741 Pa，見表1。

表1 一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效應(yīng)損失(額定負(fù)荷)

從表1中可看出：風(fēng)機(jī)進(jìn)口管道系統(tǒng)效應(yīng)損失較大，造成風(fēng)機(jī)效率下降。

1.2 空氣預(yù)熱器漏風(fēng)控制技術(shù)

通過(guò)雙向密封、徑向密封、環(huán)形密封和軸向密封改造及密封跟蹤控制系統(tǒng)優(yōu)化等常規(guī)措施對(duì)空氣預(yù)熱器密封進(jìn)行改造，治理效果明顯，而對(duì)空氣預(yù)熱器接觸式密封改造可實(shí)現(xiàn)漏風(fēng)率的進(jìn)一步降低。

以某600 MW火電廠安裝了空氣預(yù)熱器柔性接觸式密封改造為例：1號(hào)、2號(hào)鍋爐高負(fù)荷下的兩側(cè)空氣預(yù)熱器平均漏風(fēng)率為4.55%和4.43%，低于鍋爐額定負(fù)荷(BRL)工況的設(shè)計(jì)漏風(fēng)率為5.59%，機(jī)組600 MW負(fù)荷下，排煙總量約降低4.23%，供電煤耗下降約0.60 g/(kW·h)，引風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到12.15%，一次風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到19.51%[5]。

1.3 鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)單列配置

近年來(lái)，隨著輔機(jī)可用率的日益提高，機(jī)組采用輔機(jī)單列布置成為發(fā)展趨勢(shì)[6]。A電廠和B電廠均為300 MW機(jī)組且均配置雙吸離心一次風(fēng)機(jī)，A電廠為單列配置，B電廠為雙列布置。在機(jī)組額定工況下單列布置比雙列布置運(yùn)行效率高0.5%，在75%負(fù)荷工況下高2.8%，在50%負(fù)荷工況下高3.4%，見圖1。

圖1 一次風(fēng)機(jī)單、雙列布置運(yùn)行效率對(duì)比

1.4 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式

風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式的合理選擇與匹配成為風(fēng)機(jī)節(jié)能工作的一項(xiàng)重要技術(shù)工作。風(fēng)機(jī)采用變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)工況時(shí)，其效率幾乎不變(當(dāng)負(fù)荷率低于80%時(shí)，才略有下降)。在變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中風(fēng)機(jī)壓力與體積流量平方的變化關(guān)系，與系統(tǒng)阻力與體積流量的變化關(guān)系近似[7]。因此，風(fēng)機(jī)在變轉(zhuǎn)速流體狀態(tài)相似轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能一直保持高效運(yùn)行，見圖2。同時(shí)，采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后還可降低風(fēng)機(jī)的噪聲，減輕引風(fēng)機(jī)葉輪的磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

圖2 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)特性

在實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)同工況變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，變頻器的轉(zhuǎn)換效率高于液力耦合器(滑差損失較大)。由于進(jìn)口擋板調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失，所以進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方式的離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率要高于進(jìn)口擋板調(diào)節(jié)方式(見圖3)。

圖3 不同調(diào)節(jié)方式耗功比較

1.4.1 風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)

風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗的目的，但在風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速應(yīng)用過(guò)程中可能遇到的失速、設(shè)備振動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻等問(wèn)題，需要加以重視。

某火電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)各配置2 臺(tái)50%容量的雙吸雙支撐離心式風(fēng)機(jī)，入口擋板調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)變頻改造前后節(jié)能效果見表2(DCS為分布式控制系統(tǒng)；Δp為機(jī)組相同負(fù)荷下風(fēng)機(jī)工頻和變頻運(yùn)行方式下的電功率差；p1為風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行的電功率)。

表2 風(fēng)機(jī)變頻改造前后節(jié)能效果對(duì)比

從表2可明顯看出：離心風(fēng)機(jī)經(jīng)過(guò)變頻改造采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)在50%和100%的負(fù)荷下節(jié)電效果顯著，一次風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到33.25%，二次風(fēng)機(jī)節(jié)電率達(dá)到65.2%。

1.4.2 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

(1) 風(fēng)機(jī)失速分析。

風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(進(jìn)口導(dǎo)葉全開)時(shí)，失速區(qū)域相比額定轉(zhuǎn)速進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)要大，轉(zhuǎn)速降低，失速裕量減小。因此，在系統(tǒng)阻力變大的情況下，風(fēng)機(jī)容易進(jìn)入失速區(qū)，見圖4。通過(guò)合理選型和運(yùn)行調(diào)整，避免風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)入失速區(qū)運(yùn)行，出現(xiàn)失穩(wěn)工況。當(dāng)轉(zhuǎn)速降到失速界限時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)聯(lián)合調(diào)節(jié)葉片進(jìn)行調(diào)整。

圖4 風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速的失速工況

(2)風(fēng)機(jī)共振。

風(fēng)機(jī)各部件和進(jìn)、出口管道的固有頻率與風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的傳輸頻率(每秒轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪片數(shù)乘積)相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振。變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)隨轉(zhuǎn)速變化，其激振力頻率也隨之發(fā)生變化。若某個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)速下激振力頻率(包括轉(zhuǎn)速頻率和傳輸頻率)與風(fēng)機(jī)各部件和進(jìn)、出口管道固有頻率同步，將會(huì)引起共振。

(3)風(fēng)機(jī)扭振。

扭振是區(qū)別于風(fēng)機(jī)橫向振動(dòng)的另一種振動(dòng)。當(dāng)扭矩脈動(dòng)頻率與軸系扭振固有頻率相等或成倍數(shù)關(guān)系(扭振頻率)時(shí)，就會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)或風(fēng)機(jī)軸斷裂或聯(lián)軸器損壞，見圖5。大型電站風(fēng)機(jī)尤其是離心式風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，扭振固有頻率較低，容易發(fā)生軸系扭振。

圖5 風(fēng)機(jī)扭振頻率曲線

風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速前，首先應(yīng)計(jì)算風(fēng)機(jī)傳動(dòng)軸系的扭振固有頻率。若扭振固有頻率進(jìn)入調(diào)速范圍內(nèi)，可調(diào)整扭矩脈動(dòng)頻率，使扭振頻率不落在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

(4)風(fēng)機(jī)滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑。

根據(jù)滑動(dòng)軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑理論可知：在風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速降低到一定程度后，軸承內(nèi)最小油膜厚度很薄，或者油膜破裂，無(wú)法形成穩(wěn)定的油膜，軸頸與軸承之間可能會(huì)產(chǎn)生直接的固體摩擦。因此，風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速改造時(shí)，需要對(duì)保證軸承可靠工作的最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核，風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速范圍不能低于下限轉(zhuǎn)速，保證滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑能力的最低轉(zhuǎn)速可以根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下軸承最小油膜厚度來(lái)確定。

1.4.3 風(fēng)機(jī)雙速調(diào)節(jié)

以某660 MW火電廠在機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)雙速調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)為例，風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的機(jī)組負(fù)荷分別為560 MW、660 MW和458 MW，在機(jī)組滿負(fù)荷( 660 MW) 時(shí)，送風(fēng)機(jī)平均體積流量為240 m3/s，風(fēng)壓為2 000 Pa，風(fēng)機(jī)最大出力(TB)工況的體積流量和風(fēng)壓相比額定負(fù)荷裕量分別是28% 和128% 。風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)開度在50% ( 葉片角度在35°) 以下，風(fēng)機(jī)效率分別處在62%～78%和58%～80%，且隨負(fù)荷降低，風(fēng)機(jī)效率下降明顯。由于送風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)比功選擇過(guò)大，實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)負(fù)載率和功率因數(shù)很低，電動(dòng)機(jī)效率低下，三個(gè)試驗(yàn)工況電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率分別約為32%、36%、19%。

考慮到風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)特性較好，送風(fēng)機(jī)改造確定為雙速調(diào)節(jié)運(yùn)行，將原設(shè)計(jì)的6極電動(dòng)機(jī)改為8極電動(dòng)機(jī)，工作轉(zhuǎn)速由990 r/min變?yōu)?40 r/min。風(fēng)機(jī)(型號(hào)ASN-3040/1600)轉(zhuǎn)速為740 r/min時(shí)系統(tǒng)阻力曲線見圖6。

圖6 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為740 r/min時(shí)系統(tǒng)阻力曲線

從圖6中可明顯看出：風(fēng)機(jī)在機(jī)組458 MW、560 MW和660 MW負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行效率分別為74.0%、84.0%和84.5%，較改造前分別提高約15.0%、13.0%和11.5%，風(fēng)機(jī)電功率分別節(jié)約70 kW、88 kW和89 kW。

1.5 基于寬負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)性的風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型

某350 MW超臨界供熱機(jī)組一次動(dòng)葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型過(guò)程中，根據(jù)不同葉型、輪轂比組合與管道匹配特性，結(jié)合風(fēng)機(jī)效率橢圓長(zhǎng)軸線與管道阻力協(xié)同變化，經(jīng)過(guò)不同葉型和輪轂比組合的風(fēng)機(jī)優(yōu)化選型研究對(duì)比(不同葉型和輪轂比的風(fēng)機(jī)型號(hào)為：PAF18.6-13.6-2 24NA24、PAF20.5-15-2 24HB24、PAF20.5-15-2 22HB24、PAF18.6-13.6-2 20DA20)，確定中低負(fù)荷段風(fēng)機(jī)運(yùn)行覆蓋高效區(qū)域，同時(shí)增加風(fēng)機(jī)失速裕量的風(fēng)機(jī)型號(hào)，見圖7(BMCR為鍋爐最大出力；THA為汽輪機(jī)熱耗驗(yàn)收)。從圖7可看出：最終定型的風(fēng)機(jī)(PAF18.6-13.6-2 20DA20)效率與初次定型相比，在50%THA、75%THA和100%THA的工況下分別提高了6.51%、8.97%和13.13%，而且增加中低負(fù)荷區(qū)域失速裕量。

1.6 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)布置

采用汽輪機(jī)代替電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)可將蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)和能量損失。引風(fēng)機(jī)汽動(dòng)和電動(dòng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較除能耗因素外，還要結(jié)合廠用電率、發(fā)電調(diào)度、電價(jià)、煤價(jià)的敏感性等因素綜合考慮。

1.7 風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

優(yōu)化風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行方式有以下幾個(gè)方面主要工作：一是減少系統(tǒng)無(wú)效壓損和控制泄漏率，降低風(fēng)門擋板節(jié)流損失；二是結(jié)合鍋爐燃燒需求，使輔機(jī)出力處于最佳工況，可配合采用低氧燃燒技術(shù)；三是合理安排運(yùn)行方式，減少輔機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和空載功耗；四是改變輔機(jī)出力調(diào)節(jié)方式，使輔機(jī)工作點(diǎn)處于高效區(qū)。

優(yōu)化燃燒和制粉系統(tǒng)調(diào)整，按合理的過(guò)量空氣系數(shù)和一次風(fēng)率運(yùn)行。在機(jī)組啟停和長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可采用單風(fēng)機(jī)運(yùn)行，但需要經(jīng)試驗(yàn)確定單風(fēng)機(jī)耗電率比雙風(fēng)機(jī)耗電率低。

1.8 基于大數(shù)據(jù)的風(fēng)煙系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化

首先，利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)設(shè)備特性及能耗的時(shí)序變化進(jìn)行分析與追蹤，獲得當(dāng)前該設(shè)備運(yùn)行存在的缺陷與不足；其次，對(duì)標(biāo)風(fēng)煙系統(tǒng)過(guò)程數(shù)據(jù)集成管理平臺(tái)中具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征用戶的同類型設(shè)備，同時(shí)借鑒已建成的風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成風(fēng)機(jī)設(shè)備的有效更換。對(duì)改造后的引風(fēng)機(jī)建立在線應(yīng)用評(píng)價(jià)模型，對(duì)改造后的經(jīng)濟(jì)與安全收益進(jìn)行量化，明確了在線應(yīng)用評(píng)價(jià)模型的輸入輸出關(guān)系與評(píng)價(jià)周期，尋求到能夠真實(shí)反映設(shè)備改造后安全、節(jié)能、環(huán)保等具體的量化指標(biāo)，從而強(qiáng)化了設(shè)備技改、專修的管理。

2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

根據(jù)風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究和應(yīng)用情況，經(jīng)過(guò)初步分析和測(cè)算，各項(xiàng)風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)投入和收益情況見表3。

表3 部分風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)投入和收益

根據(jù)每臺(tái)機(jī)組實(shí)際情況，其風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用也有所不同，總體看風(fēng)煙系統(tǒng)的節(jié)能投入的回收期一般在1～2年，同時(shí)，機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)故障非停次數(shù)降低，機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力提高，改善超低排放流場(chǎng)分布，提高機(jī)組靈活性和調(diào)峰技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能降耗。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜合研究得出如下結(jié)論：

(1) 從風(fēng)機(jī)和風(fēng)煙系統(tǒng)同時(shí)著手挖掘節(jié)能潛力，會(huì)取得更好的節(jié)能收益。

(2) 將合理的系統(tǒng)配置、優(yōu)化選型、優(yōu)化運(yùn)行和優(yōu)化檢修結(jié)合起來(lái)，會(huì)更深入地拓展節(jié)能空間。

(3) 綜合考慮設(shè)計(jì)工況和中低負(fù)荷工況的最佳收益，將會(huì)適應(yīng)電力形勢(shì)發(fā)展，獲得更高的整體收益，有助于實(shí)現(xiàn)國(guó)家的節(jié)能減排要求和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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[7] 北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司. 電站風(fēng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2017.