600 MW 機組脫硫增壓風(fēng)機與引風(fēng)機二合一節(jié)能改造

于 泳，馬月明

(華潤電力常熟有限公司，江蘇常熟 215536)

根據(jù)國家環(huán)保政策和江蘇省地方政府要求，在2013年底，江蘇省所有燃煤機組的旁路煙道均要全部拆除，并且全省運行火電機組均要建設(shè)完成脫硝裝置（SCR）。火電機組旁路煙道拆除后，增壓風(fēng)機和引風(fēng)機串聯(lián)布置的方式就顯得過于復(fù)雜。為了便于調(diào)節(jié)，可將增壓風(fēng)機與引風(fēng)機合并改造[1]。引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并可簡化系統(tǒng)、減少系統(tǒng)阻力和占地面積、降低運行成本，在保證機組安全運行的同時，實現(xiàn)節(jié)能減排。經(jīng)計算，機組加裝脫硝系統(tǒng)后，鍋爐系統(tǒng)煙氣側(cè)阻力將增加1000 Pa，加之合并改造后脫硫煙道阻力為2000 Pa，引風(fēng)機總?cè)珘荷仨氝_到5167 Pa 以上，而現(xiàn)有引風(fēng)機最大全壓升為3830 Pa 無法達到鍋爐帶負荷能力的要求，故需對引風(fēng)機進行增容改造。

1 風(fēng)機選型比較

引風(fēng)機輸送介質(zhì)為具有含塵且溫度較高的煙氣。選用引風(fēng)機的因素除考慮風(fēng)機體積、重量、效率和調(diào)節(jié)性能外，還要求耐磨、對灰塵的適應(yīng)性好，以保證在規(guī)定的檢修周期內(nèi)能安全運行。目前，電站鍋爐引風(fēng)機一般采用動葉可調(diào)軸流式、靜葉可調(diào)軸流式、和靜葉可調(diào)軸流式加變頻調(diào)節(jié)3 種方式[2]，采用哪一種方式需科學(xué)的論證。

1.1 動葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機

動葉可調(diào)風(fēng)機軸承箱為整體式結(jié)構(gòu),整體式軸承箱及其固定方式在多次拆裝后，葉輪總能保證與機殼同心，不需重新調(diào)心。葉輪輪轂采用低碳合金鋼焊接結(jié)構(gòu)，重量輕、強度高、離心力小。葉片采用低碳合金鋼經(jīng)數(shù)控加工中心銑切并壓制成型，表面噴焊硬質(zhì)合金耐磨層。運行經(jīng)驗表明，采用該技術(shù)可從根本上解決動葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機葉片的抗磨損問題。葉輪內(nèi)部設(shè)置平衡配重，克服葉片回復(fù)力矩，液壓調(diào)節(jié)裝置操縱力矩僅為30～50 Nm，采用100 Nm 電動執(zhí)行器即可調(diào)節(jié)。

1.2 靜葉可調(diào)式軸流式

靜葉可調(diào)引風(fēng)機受其特性限制，風(fēng)機裝置效率不會超過87%，比動葉可調(diào)試軸流風(fēng)機低，且高效率區(qū)比軸流式風(fēng)機小，適用于壓力系數(shù)介于離心風(fēng)機和動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機之間。另外，會使風(fēng)機在小流量運行或啟動后調(diào)節(jié)靜葉至運行工況的小流量階段，進入喘振區(qū)。因此對于大型調(diào)峰機組不宜選用靜葉可調(diào)式軸流式風(fēng)機。

靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機主軸兩端各由2個軸承座支持。葉輪與主軸用高強度螺栓直接連接。葉輪檢修裝拆后，需要重新調(diào)心。葉片為由鋼板制成的扭曲葉片，與輪轂焊接，所以不能進行耐磨處理。葉片磨損后只能割掉，在輪轂其他位置焊上新葉片，經(jīng)熱處理后方能使用。更換2至3 次葉片后，需更換整個葉輪。

1.3 靜葉可調(diào)軸流式+變頻組合方式

1.3.1 靜葉可調(diào)軸流式+變頻驅(qū)動優(yōu)點

無論在怎樣的設(shè)定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機都有其特定的內(nèi)特性。在不同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機所提供流量和壓力的能力隨轉(zhuǎn)速變化。采用變頻驅(qū)動后，風(fēng)機在設(shè)計點的效率不變，風(fēng)機運行在低于設(shè)計工況的其他工況點具有較高效率[3]。

1.3.2 靜葉可調(diào)軸流式+變頻驅(qū)動缺點

（1）轉(zhuǎn)子橫向振動。轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的剛性在垂直方向與水平方向不同，通常垂直剛度要大于水平剛度，轉(zhuǎn)子的不平衡載荷會在一倍工作轉(zhuǎn)速和二倍的工作轉(zhuǎn)速產(chǎn)生激振作用。在恒速驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子的計算要簡單得多，只考慮主軸的一階模態(tài)就可以了，轉(zhuǎn)子的設(shè)計計算需要保證臨界轉(zhuǎn)速遠離工作轉(zhuǎn)速并有一定的裕量，同時轉(zhuǎn)子的各個模態(tài)的自然頻率要避開一倍工作轉(zhuǎn)速和二倍工作轉(zhuǎn)速下的諧振頻率。在變頻驅(qū)動下，需計算各轉(zhuǎn)速下的自然頻率與一倍工作轉(zhuǎn)速、二倍工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系，確保轉(zhuǎn)子安全。所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定必須確保避開主軸的各個模態(tài)與一倍工作轉(zhuǎn)速和二倍工作轉(zhuǎn)速產(chǎn)生諧振的頻率點，并有一定裕量。因此變頻驅(qū)動條件下轉(zhuǎn)子的設(shè)計計算非常復(fù)雜。

（2）轉(zhuǎn)子扭振。除了轉(zhuǎn)子的橫向振動，還要考慮轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)振動。通常情況下風(fēng)機采用變頻驅(qū)動時會使用撓性聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的剛性會隨著轉(zhuǎn)速的改變而變化，使整個軸系的扭轉(zhuǎn)頻率也隨之變化，所以轉(zhuǎn)速的設(shè)定必須使軸系的扭轉(zhuǎn)頻率避開一倍工作轉(zhuǎn)速和二倍工作轉(zhuǎn)速的諧振頻率點，避免轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)共振。

（3）葉輪振動。采用變頻驅(qū)動，必須先計算確定葉輪各模態(tài)下的自然頻率。在轉(zhuǎn)速設(shè)定時必須避開這些振型的自然頻率的共振頻率點，一旦產(chǎn)生共振，葉輪會發(fā)生毀壞。

（4）風(fēng)機采用變頻驅(qū)動時，由于風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化特別是大范圍頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子在這個過程中承受了交變載荷，如果改變轉(zhuǎn)速從100%至30%，將會產(chǎn)生超過葉輪最大應(yīng)力90%的疲勞應(yīng)力，轉(zhuǎn)子的疲勞是逐漸積累的，如果轉(zhuǎn)子承受過大的疲勞載荷，將會損傷其疲勞壽命，嚴重時會導(dǎo)致疲勞破壞。

1.4 技術(shù)比較

1.4.1 引風(fēng)機動葉可調(diào)和靜葉可調(diào)工藝比較

（1）系統(tǒng)中使用的聯(lián)合風(fēng)機，要求風(fēng)機提供大流量的同時，還要滿足較高的壓力要求。無論是動葉可調(diào)軸流風(fēng)機還是靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機，在氣動性能上都可以滿足要求，只是動葉可調(diào)軸流風(fēng)機通常為雙級設(shè)計，轉(zhuǎn)速高、尺寸小、功耗低。

（2）動葉可調(diào)軸流風(fēng)機和靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機在不同工況下的性能比較如表1 所示。表1的比較表明動葉可調(diào)軸流風(fēng)機與靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機相比，具有變工況性能好，效率高的優(yōu)點。

表1 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機與靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機氣動性能比較

1.4.2 引風(fēng)機動葉可調(diào)和引風(fēng)機變頻改造路線比較

（1）對于引風(fēng)機動葉可調(diào)路線，電氣改動量相對較少，而引風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)則需考慮配套改造控制環(huán)節(jié)，該改動工作量大。

（2）在引風(fēng)機變頻改造中，需增加變頻裝置、動力電纜、控制電纜及一些輔助設(shè)備，其電氣改造總費用較引風(fēng)機動葉可調(diào)改造增加約538.3 萬元。

1.4.3 經(jīng)濟性比較

（1）據(jù)估算，采用動葉可調(diào)風(fēng)機投資（含電機）約500 萬元，采用靜葉可調(diào)風(fēng)機投資（含電機）約360 萬元。

（2）在風(fēng)機改造中，除考慮初投資外，還應(yīng)該考慮風(fēng)機的運行經(jīng)濟性。通常，發(fā)電機組并不總是在額定負荷工作，為滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，多數(shù)電廠在40%～100%額定負荷范圍運行。這種情況下，如果只以額定負荷工況下的風(fēng)機功率來評估其運行經(jīng)濟性，顯然與真實情況相差甚遠。因此更為實際、客觀的方法是選擇機組在年平均負荷工況下的風(fēng)機功率消耗和運行時間作比較。以年平均負荷為80%，對2 種風(fēng)機的實際功耗進行的比較如表2 所示。按上網(wǎng)電價0.3 元/（kW·h），年平均5500 h 計算，2 臺動葉可調(diào)軸流風(fēng)機年運行節(jié)省電費87 萬元。

表2 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機與靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機功耗比較

（3）綜合以上分析，一臺機組進行動葉可調(diào)軸流風(fēng)機和靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機+變頻改造綜合經(jīng)濟技術(shù)比較如表3 所示。

表3 動葉可調(diào)軸流風(fēng)機和靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機+變頻改造綜合經(jīng)濟技術(shù)比較 萬元

從表3 看出，一臺機組動調(diào)方案初投資較靜調(diào)+變頻方案節(jié)約744.3 萬元，機組按年運行5500 h，平均負荷率80%計，一臺機組動調(diào)方案運行電費比靜調(diào)+變頻方案節(jié)約87 萬元。可見在增壓風(fēng)機、引風(fēng)機二合一改造中，選用動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機方案較為經(jīng)濟。

1.4.4 選型結(jié)論

通過對動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機和靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機配變頻器調(diào)速風(fēng)機的經(jīng)濟性比較發(fā)現(xiàn)，采用大功率高壓變頻器的初投資成本非常高，其所帶來的風(fēng)機節(jié)電效果在短期內(nèi)不足以彌補初投資差距。即使未來上網(wǎng)電價提高，考慮到銀行利息、長期維護成本等因素，采用變頻器方案也是不經(jīng)濟的。

通過上述分析，對于600 MW 及以上容量燃煤鍋爐，應(yīng)用動葉可調(diào)軸流風(fēng)機無論在技術(shù)、運行可靠性和經(jīng)濟性等方面都具有明顯優(yōu)勢。

2 改造實例

在某電廠2 號爐增壓風(fēng)機與引風(fēng)機二合一技改中，風(fēng)機改造為上海鼓風(fēng)機廠生產(chǎn)的動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機，風(fēng)機運行穩(wěn)定，節(jié)電效果明顯。改造前的原引風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)如表4 所示。改造前的原增壓風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)如表5 所示。改造后的動葉可調(diào)風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)如表6 所示。

表4 改造前的原引風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)

表5 改造前的原增壓風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)

2 號爐引風(fēng)機最終改造設(shè)備費用565 萬元，改造施工費用410 萬元，共975 萬元，與預(yù)算較為接近。

2.1 引風(fēng)機實際運行工況節(jié)電分析

改造前2 號爐增壓風(fēng)機與引風(fēng)機能量消耗占總發(fā)電量比率為1.098%，改造后二合一風(fēng)機能量消耗占總發(fā)電量比率為0.920%。按單機年發(fā)電42×108 kW·h計，改造后引風(fēng)機年節(jié)電為750×104 kW·h，年節(jié)省225 萬元。

表6 改造后的動葉可調(diào)風(fēng)機的主要性能數(shù)據(jù)

2.2 假設(shè)無脫硝裝置工況下引風(fēng)機節(jié)電分析

脫硝改造后，引風(fēng)機入口負壓增加約800 Pa，這部分阻力為脫硝改造新增的阻力，將增大改造后的引風(fēng)機實測能耗，故假設(shè)無脫硝裝置，引風(fēng)機的節(jié)電效果將更加明顯。即扣除脫硝阻力后，引風(fēng)機電流估算將比目前的電流下降約140 A，這部分可另外節(jié)約電費達到473 萬元。綜合上述2 項分析結(jié)果，如假設(shè)本次改造無脫硝裝置的話，總計可節(jié)能698 萬元。

3 結(jié)束語

通過對比分析靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機和動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機的設(shè)備特點、初投資、運行和節(jié)能效果，在機組脫硝改造配套引風(fēng)機增容過程中，應(yīng)選用動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機。改造結(jié)果表明，采用動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機不僅投資少，運行安全穩(wěn)定，且節(jié)能效果明顯。

[1]劉家鈺，王寶華，岳佳全，等.1000 MW 機組引風(fēng)機與脫硫增壓風(fēng)機合并改造研究[J].熱力發(fā)電，2010，39(8)：45-50.

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