李昊燃, 馬玉華, 郭雪濤

(1. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710049； 2. 華能國(guó)際電力股份有限公司丹東電廠，遼寧東港 118000； 3. 河北國(guó)華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北定州 073000)

大型火電機(jī)組廠用電率一般在4.0%～8.0%，三大風(fēng)機(jī)耗電率占廠用電率的20%～30%，具有較高的占比。因此，對(duì)三大風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造在進(jìn)行火電廠深度節(jié)能改造過(guò)程中扮演著重要角色。

降低風(fēng)機(jī)能耗[1-7]主要從3個(gè)方面著手：(1)通過(guò)對(duì)葉型、蝸殼、集流器、進(jìn)氣箱等關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高風(fēng)機(jī)本身設(shè)計(jì)效率；(2)降低風(fēng)煙系統(tǒng)阻力或風(fēng)量；(3)做好風(fēng)機(jī)選型工作或采用合適的調(diào)節(jié)手段，使風(fēng)機(jī)盡量在其高效區(qū)運(yùn)行。在當(dāng)前火電機(jī)組參與深度調(diào)峰的形勢(shì)下，初投資及回報(bào)周期成為選擇節(jié)能改造方案的重要關(guān)注點(diǎn)。

針對(duì)火電機(jī)組深度調(diào)峰現(xiàn)狀，需要探索更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的風(fēng)機(jī)改造方式，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能降耗。筆者提出了低速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的改造技術(shù)方案(簡(jiǎn)稱低速驅(qū)動(dòng)方案)，研發(fā)變頻調(diào)速裝置，可應(yīng)用于火電機(jī)組送風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

1 應(yīng)用背景

隨著新能源發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的增加，火電機(jī)組年總利用時(shí)間下降，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率減少，部分機(jī)組深度調(diào)峰已成為常態(tài)。當(dāng)火電機(jī)組處于深度調(diào)峰狀態(tài)時(shí)，由于偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行點(diǎn)較遠(yuǎn)，負(fù)荷較低，機(jī)組主設(shè)備和輔助設(shè)備暴露出一些問(wèn)題，如水冷壁局部溫度較高、主蒸汽及再熱蒸汽溫度波動(dòng)較大、設(shè)備達(dá)到調(diào)整極限、設(shè)備運(yùn)行效率較低、能耗偏高[8-10]。

對(duì)于300 MW等級(jí)及以上的調(diào)峰機(jī)組，風(fēng)煙系統(tǒng)中普遍存在2個(gè)問(wèn)題：

(1) 在低負(fù)荷工況和深度調(diào)峰工況下，送風(fēng)機(jī)開(kāi)度較低，有的甚至低至10%，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率較低。若機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步下降，由于送風(fēng)機(jī)出力一定，導(dǎo)致?tīng)t膛氧量較高，風(fēng)量和煙氣量相對(duì)較大，造成送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)做功浪費(fèi)。在深度調(diào)峰工況下，送風(fēng)機(jī)的調(diào)整精度和可靠性較差。例如，當(dāng)送風(fēng)機(jī)開(kāi)度為10%時(shí)，對(duì)其調(diào)整1百分點(diǎn)的開(kāi)度，相當(dāng)于調(diào)整10%的出力，對(duì)整個(gè)風(fēng)煙系統(tǒng)和鍋爐的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

(2) 在火電機(jī)組進(jìn)行脫硝改造、煙氣超低排放環(huán)保改造過(guò)程中，大部分都進(jìn)行了引風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)合并改造，并且都取得了可觀的節(jié)能收益[10-12]。但有些電廠選擇保留增壓風(fēng)機(jī)，隨著火電機(jī)組參與深度調(diào)峰，機(jī)組甚至只運(yùn)行至20%發(fā)電負(fù)荷左右；此時(shí)，增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)處于惰走狀態(tài)，變成阻力元件，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。

在此種情況下，亟需尋求火電機(jī)組在深度調(diào)峰工況下實(shí)現(xiàn)風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能降耗、提高運(yùn)行可靠性并具有良好經(jīng)濟(jì)性的解決措施。

2 低速驅(qū)動(dòng)裝置介紹

2.1 裝置組成

低速驅(qū)動(dòng)裝置主要由配套電動(dòng)機(jī)、裝置主體、嚙合件等組成(見(jiàn)圖1)。為最大程度利用原有現(xiàn)場(chǎng)條件，低速驅(qū)動(dòng)裝置安裝在風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)主軸自由端上，通過(guò)嚙合件與風(fēng)機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)低速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的功能。

圖1 低速驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

2.2 運(yùn)行原理和功能

低速驅(qū)動(dòng)裝置本體外部設(shè)計(jì)有離合器，可調(diào)節(jié)低速驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)的嚙合件，使其與風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)軸頭的嚙合件處于嚙合或者分離狀態(tài)。當(dāng)需要低速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)，操作離合器使嚙合件處于嚙合狀態(tài)，即可驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要以額定轉(zhuǎn)速正常啟動(dòng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，操作離合器使嚙合件處于分離狀態(tài)即可。同時(shí)，該低速驅(qū)動(dòng)裝置可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并對(duì)自身轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 低速驅(qū)動(dòng)方案

低速驅(qū)動(dòng)方案的主要目的是解決目前火電機(jī)組在低負(fù)荷工況甚至處于深度調(diào)峰工況下風(fēng)煙系統(tǒng)新出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和安全性的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)低速驅(qū)動(dòng)送風(fēng)機(jī)或增壓風(fēng)機(jī)，提高低負(fù)荷工況和深度調(diào)峰工況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率和調(diào)節(jié)精度，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.1 應(yīng)用范圍

3.1.1 送風(fēng)機(jī)

低速驅(qū)動(dòng)方案可以應(yīng)用于裕量較大的送風(fēng)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)在低負(fù)荷或深度調(diào)峰工況下低速驅(qū)動(dòng)送風(fēng)機(jī)，使送風(fēng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，從而提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

以某300 MW火電機(jī)組動(dòng)調(diào)軸流送風(fēng)機(jī)為例，送風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為985 r/min，設(shè)計(jì)介質(zhì)密度為1.051 kg/m3，表1為送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)主要性能參數(shù)(其中，試驗(yàn)1～3的發(fā)電負(fù)荷分別為274.4 MW、244.7 MW、186.5 MW，主蒸汽質(zhì)量流量分別為838.0 t/h、741.8 t/h、472.3 t/h)。

由表1可以看出：高負(fù)荷工況下送風(fēng)機(jī)開(kāi)度最高約為55%，風(fēng)機(jī)效率最高約為71%；低負(fù)荷工況下送風(fēng)機(jī)開(kāi)度降至33%左右，風(fēng)機(jī)效率低至53%左右。該送風(fēng)機(jī)裕量較大，實(shí)際運(yùn)行效率低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。鑒于目前火電機(jī)組負(fù)荷率低，同時(shí)需要參與深度調(diào)峰的情況，該送風(fēng)機(jī)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低效區(qū)。

根據(jù)實(shí)測(cè)低負(fù)荷(170 MW)工況數(shù)據(jù)，按照送風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)與機(jī)組蒸發(fā)量之間的擬合關(guān)系，換算得到機(jī)組在120 MW工況下的相關(guān)參數(shù)。該工況點(diǎn)在送風(fēng)機(jī)85%開(kāi)度下變轉(zhuǎn)速曲線的位置見(jiàn)圖2。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在120 MW工況時(shí)，利用低速驅(qū)動(dòng)裝置以280 r/min左右的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)送風(fēng)機(jī)即可滿足系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)出力要求，此時(shí)風(fēng)機(jī)效率為77.0%，與實(shí)測(cè)低負(fù)荷(170 MW)時(shí)的風(fēng)機(jī)效率相比提高了20百分點(diǎn)以上，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 送風(fēng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 變轉(zhuǎn)速曲線工況點(diǎn)位置示意

綜上所述，將低速驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)用于送風(fēng)機(jī)裕量較大的機(jī)組，可滿足深度調(diào)峰工況甚至是低負(fù)荷工況下的送風(fēng)機(jī)出力要求，并顯著提高送風(fēng)機(jī)深度調(diào)峰工況或低負(fù)荷工況下的運(yùn)行效率，從而提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.1.2 增壓風(fēng)機(jī)

機(jī)組處于低負(fù)荷工況時(shí)，風(fēng)煙系統(tǒng)阻力和煙氣量均處于較低的水平，僅靠引風(fēng)機(jī)即可滿足風(fēng)煙系統(tǒng)的出力要求，此時(shí)某些機(jī)組會(huì)停運(yùn)增壓風(fēng)機(jī)主電動(dòng)機(jī)，使增壓風(fēng)機(jī)處于惰走狀態(tài)，變成阻力元件。經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，增壓風(fēng)機(jī)惰走產(chǎn)生的阻力可達(dá)500～800 Pa。此時(shí)，利用低速驅(qū)動(dòng)裝置將增壓風(fēng)機(jī)葉輪維持在一個(gè)合適的轉(zhuǎn)速范圍，可消除惰走阻力，減少風(fēng)煙系統(tǒng)能耗。

3.2 低速驅(qū)動(dòng)裝置安裝

3.2.1 安裝位置確定

根據(jù)火電機(jī)組送風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的布置規(guī)律，可以增加低速驅(qū)動(dòng)裝置的位置見(jiàn)圖3。

圖3 安裝位置示意圖

安裝位置一：電動(dòng)機(jī)尾部(遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)端)。在增壓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)尾部安裝，利用原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配裝一對(duì)嚙合件，實(shí)現(xiàn)低速驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)占地空間小，低速驅(qū)動(dòng)裝置體積小，耗資低。

安裝位置二：聯(lián)軸器電動(dòng)機(jī)半部或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上。在聯(lián)軸器電動(dòng)機(jī)上半部增加齒輪或更換電動(dòng)機(jī)側(cè)半部聯(lián)軸器滿足齒輪安裝，采用切向嚙合技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)占地空間相對(duì)較大，低速驅(qū)動(dòng)裝置體積較大，耗資相對(duì)較高。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)布置條件、改造經(jīng)濟(jì)性等因素，安裝位置一是較為合適的安裝點(diǎn)。

3.2.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

采用低速驅(qū)動(dòng)方案的主要目的是為了在低負(fù)荷工況和深度調(diào)峰工況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，主要優(yōu)勢(shì)是現(xiàn)場(chǎng)工作量少、投資費(fèi)用低。因此，低速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速和配套電動(dòng)機(jī)的額定功率是重要的影響因素。

低速驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速需要根據(jù)風(fēng)機(jī)的性能、風(fēng)煙系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行變轉(zhuǎn)速計(jì)算，確定一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速范圍。額定功率與轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)效率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、主電動(dòng)機(jī)軸質(zhì)量等因素有關(guān)，需要進(jìn)行負(fù)載計(jì)算。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

4.1 改造背景

在某350 MW火電調(diào)峰機(jī)組中，鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)配備2臺(tái)雙吸離心引風(fēng)機(jī)，脫硫系統(tǒng)配備1臺(tái)靜葉可調(diào)軸流增壓風(fēng)機(jī)。

機(jī)組長(zhǎng)期處于低負(fù)荷工況和深度調(diào)峰工況運(yùn)行狀態(tài)。由于現(xiàn)有引風(fēng)機(jī)具有一定的裕量，除少數(shù)高負(fù)荷(260 MW以上)工況外，運(yùn)行人員將增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)，僅使用引風(fēng)機(jī)來(lái)滿足風(fēng)煙系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行要求。但是增壓風(fēng)機(jī)在中、低負(fù)荷停運(yùn)處于惰走狀態(tài)時(shí)，增壓風(fēng)機(jī)成為阻力元件。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)惰走情況下，其阻力為400～600 Pa(不同工況)。為了實(shí)現(xiàn)最大程度上的節(jié)能，據(jù)此提出2種改造方案，即新增增壓風(fēng)機(jī)旁路煙道改造方案(簡(jiǎn)稱旁路煙道改造方案)和采用低速驅(qū)動(dòng)方案。

4.2 旁路煙道改造方案

根據(jù)圖紙建立現(xiàn)有增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)煙管道三維模型，綜合改造經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)場(chǎng)條件、改造效果等因素提出旁路煙道改造方案[11-12]，見(jiàn)圖4。

圖4 改造方案示意圖

為探究旁路煙道改造方案中旁路煙道煙氣流場(chǎng)情況及煙道阻力，利用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。借助流場(chǎng)計(jì)算程序求解三維定常N-S方程組，對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬[13-20]。

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行低負(fù)荷工況計(jì)算，在不考慮煙道內(nèi)部支撐桿的情況下，低負(fù)荷(175 MW)工況下煙道計(jì)算阻力為150 Pa左右。若以低負(fù)荷(175 MW)工況為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)效率及旁路煙道阻力，可計(jì)算得到旁路煙道耗功約為66 kW。

4.3 低速驅(qū)動(dòng)方案

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，增壓風(fēng)機(jī)在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)點(diǎn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為385 r/min，低負(fù)荷(175 MW)工況惰走轉(zhuǎn)速為25～50 r/min，選定低速驅(qū)動(dòng)裝置額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)估算，選取一定裕量，最終選定低速驅(qū)動(dòng)裝置額定功率為90 kW。

4.4 改造方案對(duì)比

單臺(tái)機(jī)組旁路煙道改造方案初投資較高，為400萬(wàn)元左右(含防腐材料)；低速驅(qū)動(dòng)方案初投資為70萬(wàn)元左右(包括現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、施工、設(shè)備等)。

旁路煙道改造方案工程量較大，需要新增煙道，土建基礎(chǔ)、支架、擋板門等；低速驅(qū)動(dòng)方案僅需要增加設(shè)備。

旁路煙道改造方案停機(jī)改造工期需要40 d；低速驅(qū)動(dòng)方案僅需要5 d。

2種改造方案節(jié)能量相當(dāng)。

旁路煙道改造方案需要在增壓風(fēng)機(jī)正上方新增煙道，所占空間較大，影響增壓風(fēng)機(jī)檢修。低速驅(qū)動(dòng)方案僅需在增壓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)后新增驅(qū)動(dòng)裝置，所占空間較小。

綜上所述，最終選定低速驅(qū)動(dòng)方案。

4.5 改造效果

按照上述設(shè)計(jì)思路及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用機(jī)組檢修期間進(jìn)行了設(shè)備安裝調(diào)試。

機(jī)組投運(yùn)后，對(duì)不同工況下該低速驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行情況及節(jié)能收益進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)。選取機(jī)組常規(guī)低負(fù)荷(175 MW)工況和深度調(diào)峰(95 MW)工況2個(gè)代表運(yùn)行點(diǎn)。主要數(shù)據(jù)及節(jié)能量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 低負(fù)荷(175 MW)工況改造前后主要測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 深度調(diào)峰(95 MW)工況改造前后主要測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2、表3可以看出：低負(fù)荷(175 MW)工況時(shí)，投運(yùn)低速驅(qū)動(dòng)裝置后，降低增壓風(fēng)機(jī)惰走阻力485 Pa，風(fēng)煙系統(tǒng)耗功降低192.5 kW。深度調(diào)峰(95 MW)工況時(shí)，投運(yùn)低速驅(qū)動(dòng)裝置后，降低增壓風(fēng)機(jī)惰走阻力350 Pa，風(fēng)煙系統(tǒng)耗功降低59.2 kW。

以低負(fù)荷(175 MW)工況作為機(jī)組全年平均運(yùn)行工況，則低速驅(qū)動(dòng)裝置投運(yùn)后可降低阻力350～600 Pa，若機(jī)組年利用時(shí)間按照6 000 h、上網(wǎng)電價(jià)按照0.33元/(kW·h)計(jì)算，年可節(jié)電115.6萬(wàn)kW·h，年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約38.1萬(wàn)元左右，廠用電率可下降0.07%，2 a左右即可回收成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

在火電機(jī)組大幅參與深度調(diào)峰的現(xiàn)狀下，由于偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行點(diǎn)較遠(yuǎn)，機(jī)組主設(shè)備和輔助設(shè)備暴露出一些新的可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題。為探索更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的風(fēng)機(jī)改造方式，筆者提出了低速驅(qū)動(dòng)方案，采用低速驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，提高低負(fù)荷工況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率和調(diào)節(jié)精度，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

低速驅(qū)動(dòng)方案及裝置已在某350 MW等級(jí)機(jī)組增壓風(fēng)機(jī)上得到成功應(yīng)用，年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約38.1萬(wàn)元左右，2 a左右即可回收成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。