馬 翔,董康田,鄭 金,李昊燃
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離心式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速是一種非常有效的節(jié)能方式,在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1],也是《電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則》中推薦的離心式風(fēng)機(jī)調(diào)速方式。然而,變頻調(diào)速的節(jié)能效果往往達(dá)不到理論計算值,有時甚至?xí)l(fā)運(yùn)行故障。主要表現(xiàn)在:1)管網(wǎng)阻力特性曲線不在風(fēng)機(jī)高效區(qū),有些電廠試驗(yàn)工況下的實(shí)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率僅處于72%~78%之間;2)管網(wǎng)阻力特性曲線落入了風(fēng)機(jī)性能曲線中的不穩(wěn)定區(qū),造成壓力波動、風(fēng)機(jī)振動,甚至影響機(jī)組帶負(fù)荷能力;3)大量風(fēng)機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)表明,變頻器輸出轉(zhuǎn)速往往大于風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)量和風(fēng)壓所對應(yīng)的變轉(zhuǎn)速曲線上的轉(zhuǎn)速。一般風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計轉(zhuǎn)速的差別為30~50 r/min,個別電廠轉(zhuǎn)速差達(dá)到60~85 r/min。因此,實(shí)際運(yùn)行過程只能通過提高變頻器轉(zhuǎn)速的方式來保證鍋爐風(fēng)量、風(fēng)壓的需求。
本文針對以上問題,首先理論闡述了變頻調(diào)速原理;然后總結(jié)大量電廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了電廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速存在的問題及規(guī)律;最后,針對上述問題提出了切實(shí)可行的解決方案。
變頻器調(diào)速屬于無級調(diào)速。若風(fēng)機(jī)采用此種方式進(jìn)行調(diào)節(jié),理論上風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率保持不變。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論,風(fēng)機(jī)功率計算式如下:
式中:N、N′分別為調(diào)速風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的軸功率,kW;ρ、ρ′分別為新風(fēng)機(jī)和原始風(fēng)機(jī)介質(zhì)密度,kg/m3;n、n′分別變頻器輸轉(zhuǎn)速(認(rèn)定為風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速)和電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,r/min;D、D′分別為新風(fēng)機(jī)和原始風(fēng)機(jī)葉輪直徑,mm;p′為風(fēng)機(jī)全壓,Pa;Q′v體積流量,m3/s;k為壓縮性修正系數(shù);η′風(fēng)機(jī)效率、機(jī)械效率和變頻器效率等效率乘積。
圖1為根據(jù)上述公式計算的某離心式風(fēng)機(jī)調(diào)速性能曲線,以表征風(fēng)機(jī)設(shè)備本身的性能。
當(dāng)風(fēng)機(jī)在整個煙風(fēng)系統(tǒng)中運(yùn)行時,其運(yùn)行參數(shù)是由風(fēng)機(jī)本身性能和管網(wǎng)阻力特性共同決定的,其運(yùn)行點(diǎn)即為管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速性能曲線的交點(diǎn)(圖2)。
圖2中3 條管網(wǎng)阻力特性曲線是根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出的具有代表性的曲線。管網(wǎng)阻力特性曲線2 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配較好,機(jī)組在高(100%BMCR 工況)、中(75%BMCR 工況)、低(50%BMCR 工況)負(fù)荷時,風(fēng)機(jī)效率均在83%左右。管網(wǎng)阻力特性曲線3 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配較差,機(jī)組在高、中、低負(fù)荷時,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率分別為73%、78%和80%左右,其原因是風(fēng)機(jī)壓力裕量過大。管網(wǎng)阻力特性曲線1 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配最差,在個別電廠可遇到該情況。例如,某電廠135 MW 機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行到90 MW 負(fù)荷工況時,引風(fēng)機(jī)振動明顯,壓力波動較大,不能穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)測發(fā)現(xiàn),其該機(jī)組管網(wǎng)阻力特性曲線與圖2中曲線1 接近,在低負(fù)荷時風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入了不穩(wěn)定區(qū)域,即圖2中的A點(diǎn)。
圖1 某離心風(fēng)機(jī)調(diào)速性能曲線Fig.1 The speed regulation characteristic curves of a centrifugal air fan
圖2 風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)阻力性能曲線交點(diǎn)示意Fig.2 Schematic diagram of the intersection of the performance curves of the fan and the resistance performance curve of the pipe network
風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)與電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線相關(guān),其運(yùn)行效率取決于管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速性能曲線的交點(diǎn)位置。若運(yùn)行點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)變速性能曲線上的高效區(qū),節(jié)能效果最佳;若運(yùn)行點(diǎn)位于低效區(qū),則節(jié)能效果較差;若運(yùn)行點(diǎn)落入不穩(wěn)定區(qū)域,會造成煙風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力波動、風(fēng)機(jī)振動,甚至影響電廠帶負(fù)荷能力。
造成這種問題的原因主要是電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速等效率曲線不匹配,即很難達(dá)到轉(zhuǎn)速變化而風(fēng)機(jī)效率不變的理論要求。各電廠管網(wǎng)阻力特性曲線的指數(shù)不盡相同,即使同一電廠,當(dāng)煙風(fēng)系統(tǒng)中有設(shè)備發(fā)生堵塞或煤質(zhì)發(fā)生變化時,都會改變管網(wǎng)阻力特性曲線的指數(shù),使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生偏移。因此,掌握電廠管網(wǎng)阻力特性對風(fēng)機(jī)選型、設(shè)計、節(jié)能等尤為重要。
本文對十幾家電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線進(jìn)行統(tǒng)計分析,引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)值一般為1.5~1.8,個別電廠由于預(yù)熱器或袋式除塵器堵塞嚴(yán)重,導(dǎo)致其引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)大于或等于2。一次風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)一般為1.1~1.5,即曲線較平滑,這是因?yàn)殡姀S負(fù)荷變化時要保持一次風(fēng)母管壓力穩(wěn)定。
管網(wǎng)阻力特性曲線一般計算式為
式中:p為管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力,Pa;a、k為系數(shù),對某一管網(wǎng)來講為定值;Q為風(fēng)量,m3/s;x為管網(wǎng)系統(tǒng)阻力特性曲線指數(shù)。
本文對28 臺機(jī)組56 臺采用變頻器調(diào)速的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對比分析,表1為其中典型機(jī)組實(shí)測參數(shù)。由表1可見,變頻器轉(zhuǎn)速對應(yīng)風(fēng)機(jī)變速曲線上的轉(zhuǎn)速,不同程度上都低于變頻器輸出轉(zhuǎn)速,即風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力未達(dá)到曲線上設(shè)計轉(zhuǎn)速下的值。
表1 典型機(jī)組實(shí)測參數(shù)Tab.1 The actually measured parameters of typical units
根據(jù)這56 臺風(fēng)機(jī)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,轉(zhuǎn)速差在20 r/min 以下的風(fēng)機(jī)臺數(shù)約占總風(fēng)機(jī)臺數(shù)的30%,轉(zhuǎn)速差30 r/min 左右的風(fēng)機(jī)臺數(shù)占18%,轉(zhuǎn)速差大于40 r/min 以上的風(fēng)機(jī)臺數(shù)占42%。轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓變化關(guān)系如圖3、圖4所示。
從圖3和圖4可以看出:風(fēng)機(jī)變速曲線上的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出轉(zhuǎn)速低30 r/min 左右,風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約3.6%,風(fēng)壓下降約7%;若轉(zhuǎn)速低50 r/min 左右,風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約5.7%,風(fēng)壓下降約11%;若轉(zhuǎn)速低80 r/min 左右,風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約9%,風(fēng)壓下降約17%;若轉(zhuǎn)速低100 r/min,風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降達(dá)11%,風(fēng)壓下降達(dá)21%。由此可得:當(dāng)風(fēng)機(jī)變速曲線上 對應(yīng)轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出轉(zhuǎn)速低50 r/min 左右時,風(fēng)量、風(fēng)壓裕量為設(shè)計值的50%;若轉(zhuǎn)速差超過 80 r/min,風(fēng)機(jī)已無裕量。
圖3 轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化關(guān)系Fig.3 The relationship between speed difference and percentage drop of fan air volume
圖4 轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)壓變化關(guān)系Fig.4 The relationship between speed difference and percentage drop of fan total pressure
以某電廠300 MW 機(jī)組為例,其離心引風(fēng)機(jī)采用加變頻器調(diào)速方式。風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)為(單臺):風(fēng)量300 m3/s,風(fēng)壓9 800 Pa,轉(zhuǎn)速980 r/min。根據(jù)上述分析,若風(fēng)機(jī)廠提供的風(fēng)機(jī)變速曲線上對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比變頻器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速低30 r/min,對應(yīng)風(fēng)量減少10.8 m3/s,風(fēng)壓降低686 Pa;若轉(zhuǎn)速低50 r/min,對應(yīng)風(fēng)量減少17.1 m3/s,風(fēng)壓降低1 078 Pa;若轉(zhuǎn) 速低80 r/min,對應(yīng)風(fēng)量減少27 m3/s,風(fēng)壓降低 1 666 Pa。由此可見,轉(zhuǎn)速差對風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓 影響很大。
造成轉(zhuǎn)速差原因主要有以下幾個方面。
1)風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)
離心式風(fēng)機(jī)分為徑向進(jìn)氣(配置進(jìn)氣箱)和軸向進(jìn)氣(不配置進(jìn)氣箱)。電廠引風(fēng)機(jī)大多是徑向進(jìn)氣,需配置進(jìn)氣箱。而有的制造廠家選用軸向進(jìn)氣的風(fēng)機(jī),通過葉輪直徑增大5%作為帶進(jìn)氣箱的風(fēng)機(jī)使用,可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能無法滿足煙風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力的要求。
2)安裝不當(dāng)
影響離心式風(fēng)機(jī)性能的另一關(guān)鍵因素是葉輪與集流器間的間隙,安裝時須盡可能按設(shè)計要求保證其軸向和徑向間隙。由于集流器變形、安裝位置狹小,難以保證軸向和徑向間隙設(shè)計要求,也會使風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、效率降低[2-4]。
3)系統(tǒng)效應(yīng)
風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家提供的風(fēng)機(jī)性能曲線是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)管下測得,并按風(fēng)機(jī)相似理論換算得到的。而在實(shí)際煙風(fēng)系統(tǒng)管道實(shí)際設(shè)計時,考慮到現(xiàn)場場地限制,直管段很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的長度,實(shí)際管道存在收縮段、彎管等異形件,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)氣不可能像實(shí)驗(yàn)室那樣均勻,因此,也會對風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生一定的影響[5-15]。
4)制造質(zhì)量問題
風(fēng)機(jī)制造質(zhì)量優(yōu)劣對風(fēng)機(jī)性能影響較大。風(fēng)機(jī)制造質(zhì)量涉及風(fēng)機(jī)制造工藝、工裝、葉片形線誤差、葉片進(jìn)出角誤差等諸多因素。
提高風(fēng)機(jī)性能與煙風(fēng)系統(tǒng)的匹配性是解決電廠風(fēng)機(jī)運(yùn)行問題的關(guān)鍵。本文根據(jù)不同電廠提出相應(yīng)的解決措施。
2.1.1 新建電廠
1)在新建電廠設(shè)計階段,要根據(jù)電廠管網(wǎng)布局、煤質(zhì)等資料計算出機(jī)組BMCR 工況、100%、80%、60%負(fù)荷工況的風(fēng)量、壓力等參數(shù),從而繪制出理論阻力特性曲線。
2)新建電廠若選用離心風(fēng)機(jī)加變頻器的調(diào)速方案,建議風(fēng)機(jī)能力考核點(diǎn)、設(shè)計工況壓力裕量取大些(在標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力裕量上增加5%左右),風(fēng)量裕量仍采用標(biāo)準(zhǔn)要求值。這樣既可以解決煙風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備堵塞導(dǎo)致帶不起負(fù)荷的問題,又可保持正常節(jié)能運(yùn)行。
3)離心風(fēng)機(jī)選型時,根據(jù)機(jī)組BMCR 工況參數(shù)選取轉(zhuǎn)速,計算出比轉(zhuǎn)速,選取對應(yīng)或接近此比轉(zhuǎn)速且高效區(qū)寬的風(fēng)機(jī),使風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在高、中、低負(fù)荷段均落入變速曲線的高效區(qū)內(nèi)。
2.1.2 在役電廠改造
對圖2中管網(wǎng)阻力特性曲線1 和曲線3 與風(fēng)機(jī)性能匹配比較差的在役電廠提出解決思路和方法。
1)出現(xiàn)管網(wǎng)阻力特性曲線1 的情況,是因煙風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行比轉(zhuǎn)速小,而配套風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速大,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在小流量區(qū)域運(yùn)行即靠近風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)域,使得其運(yùn)行不穩(wěn)定?;谠谝垭姀S的管網(wǎng)阻力特性不變,提出以下解決思路和方法。
①將風(fēng)機(jī)葉輪寬度縮窄5%~10%。根據(jù)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場改造實(shí)例[9]可知,風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)機(jī)葉輪寬度呈一次方關(guān)系,風(fēng)機(jī)壓力基本不變,減小風(fēng)機(jī)葉輪寬度可使風(fēng)機(jī)性能曲線整體向左偏移,不穩(wěn)區(qū)域減小,風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入穩(wěn)定區(qū)城運(yùn)行。
②更換風(fēng)機(jī)小比轉(zhuǎn)速葉輪,使風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速與運(yùn)行比轉(zhuǎn)速接近。改造前需要進(jìn)行流動模擬計算,分析原機(jī)殼配新葉輪對風(fēng)機(jī)動靜能轉(zhuǎn)化的影響。
③也可以整體更換成小比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)。
2)出現(xiàn)煙風(fēng)管道阻力特性曲線3 的情況,是由于煙風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行比轉(zhuǎn)速大,而配套風(fēng)機(jī)設(shè)計比轉(zhuǎn)速小,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低。本文提出以下解決方思路和方法,提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。
①改變風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口角。理論上,在風(fēng)機(jī)葉輪其他尺寸不變的條件下,減小葉輪葉片出口角,可降低風(fēng)機(jī)壓力系數(shù),提高風(fēng)機(jī)效率。應(yīng)進(jìn)行流場模擬計算,得到葉輪各尺寸、葉片形線及出口角的最佳值。
②減小葉輪直徑,并對風(fēng)機(jī)喉部進(jìn)行改造,從而減小風(fēng)機(jī)設(shè)計比轉(zhuǎn)速,以滿足與煙風(fēng)系統(tǒng)性能匹配性的要求。
③風(fēng)機(jī)整體更換成與煙風(fēng)系統(tǒng)管道阻力特性相匹配的風(fēng)機(jī)。
對于變頻器輸出轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速曲線的轉(zhuǎn)速差過大,而影響機(jī)組帶負(fù)荷的在役風(fēng)機(jī),提出以下解決措施。
1)電廠停爐檢修時,檢查葉輪與集流器間隙是否符合設(shè)計要求及時進(jìn)行調(diào)整[2]。
2)分析管道布置情況,尤其是管道的彎頭、收縮段布置情況,通過優(yōu)化改造達(dá)到降阻和節(jié)能的效果。
3)若實(shí)施上述措施后仍無法滿足風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷要求,需對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行改造,如加長原風(fēng)機(jī)葉片等。若條件允許,也可對風(fēng)機(jī)進(jìn)行葉輪組的局部改造。此時需對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、輪轂及機(jī)殼進(jìn)行整體更換,并對原風(fēng)機(jī)主軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核,在必要時,也需要更換原有主支撐軸承。
1)本文基于理論計算結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析,提出火電廠離心式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速存在的轉(zhuǎn)速差過大的問題原因有:風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)、安裝不當(dāng)、系統(tǒng)效應(yīng)、制造質(zhì)量問題。
2)基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)分析,并提出了幾種有效的解決思路:提高風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)系統(tǒng)的匹配性,如通過優(yōu)化選型、增加葉輪寬度等;控制現(xiàn)場安裝精度、通過煙道優(yōu)化改善風(fēng)機(jī)進(jìn)氣條件等。文中關(guān)于提高風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)系統(tǒng)匹配性及控制系統(tǒng)效應(yīng)的措施同樣適用于軸流式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速。