動葉可調(diào)引風(fēng)機變頻改造的經(jīng)濟性論證

毛 剛，湯載陽

(1.武漢電之鋒技術(shù)服務(wù)有限公司，湖北 武漢 430000；2. 華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

1 概述

由于目前絕大部分風(fēng)機都采用風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，所以風(fēng)機若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。20世紀90年代，隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器很快占領(lǐng)電動機調(diào)速市場，并向高壓領(lǐng)域發(fā)展，使采用高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機進行變頻調(diào)速節(jié)能改造成為可能。伴隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)于2014年全面實施，國內(nèi)大多數(shù)火力發(fā)電廠均已完成了脫硫、脫硝、除塵等項目的增容提效改造，引風(fēng)機也相應(yīng)改造為動葉可調(diào)的形式。隨著新一輪節(jié)能減排鼓勵政策的實施，對動葉可調(diào)引風(fēng)機進行變頻改造也備受關(guān)注。

2 改造原則及節(jié)能分析

2.1 改造原則

對于330 MW機組，按大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范(GB50660－2011)，每臺機組配套兩臺引風(fēng)機，，每臺風(fēng)機的壓頭按設(shè)計煤種在鍋爐BMCR工況下，煙氣系統(tǒng)的計算阻力，且須有20%以上的裕量。風(fēng)機的總風(fēng)量裕量不低于設(shè)計煤種下鍋爐BMCR下煙氣量的10%，且宜加10℃～15℃的溫度裕量。隨著日趨嚴格的環(huán)保要求，原有的引風(fēng)機都進行引增合一的改造，改造后，引風(fēng)機軸功率將達到2625 kW(BMCR)，單臺風(fēng)機的功率很高，廠用電耗也將提高。是否增加變頻器，需從鍋爐平均負荷及負荷變化率結(jié)合風(fēng)機本身的性能來做分析。由于此項目引風(fēng)機選用雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，本身高效區(qū)較寬，適應(yīng)鍋爐負荷變化能力較強。以下為對雙級動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機變頻改造的經(jīng)濟性進行論證。

2.2 節(jié)能分析

風(fēng)機軸功率計算公式：

Ns= QsHφρ/1000/ηF/ηm/Kr( kW)

式中：Ns為軸功率 ( kW)；Qs為風(fēng)機流量 (m3/h)；H為風(fēng)機全壓(Pa)；φρ為氣體壓縮系數(shù)；ηF為風(fēng)機空氣動力效率；ηm為風(fēng)機機械效率；Kr為制造廠樣板功率數(shù)據(jù)換算系數(shù)。

由風(fēng)機軸功率公式可知，在風(fēng)機的流量、全壓的參數(shù)都一致時，風(fēng)機的軸功率主要取決于風(fēng)機的效率，而采用變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以使風(fēng)機能在較大的范圍內(nèi)一直保持很高的運行效率，這樣就大大減少了風(fēng)機的軸功率的額外損失，達到省電的目的。

對兩種(離心和軸流)風(fēng)機的性能進行比較，圖1為定速軸流風(fēng)機和離心風(fēng)機性能曲線的重疊。

圖1 定速軸流風(fēng)機和離心風(fēng)機性能曲線的重疊

由圖1可見，離心式風(fēng)機的最高效率在進口調(diào)節(jié)門的最大開度處，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。風(fēng)機能滿足TB點(鍋爐風(fēng)機設(shè)計點)，但在100%MCR點(鍋爐滿負荷連續(xù)運行點)在低效率區(qū)，變工況時效率則更低，其平均運行效率比動葉可調(diào)的軸流風(fēng)機要低得多。如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)門開到最大，使風(fēng)機在高效區(qū)運行，而通過變頻改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速達到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機將在很大的范圍內(nèi)維持高效運行，從而達到很好的節(jié)能目的。

而動葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機的等效率線與鍋爐的阻力曲線接近平行，高效率范圍寬，且位置適中，因而調(diào)節(jié)范圍寬。在滿足鍋爐設(shè)計點條件下，100%MCR工況點位于高效區(qū)，平均運行效率高。

如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)機的安裝角固定在高效區(qū)，而通過改變風(fēng)機的轉(zhuǎn)速達到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機將在很大的范圍內(nèi)維持高效運行，從而達到節(jié)能的目的，但是由于這時的調(diào)速范圍小，節(jié)能效果也就差。所以一般將風(fēng)機的安裝角調(diào)到最大，這樣雖然會降低一些運行效率，但是卻大大增加了調(diào)速范圍，增設(shè)變頻器后，風(fēng)機效率變化見圖2。

圖2 風(fēng)機效率變化

3 項目改造實例

寧夏某熱電聯(lián)產(chǎn)工程裝設(shè)2臺330 MW亞臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機組，采用自然循環(huán)，四角切向燃燒方式，單爐膛，一次再熱，平衡通風(fēng)，鍋爐緊身封閉，室內(nèi)布置，固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)Ⅱ型汽包鍋爐。由環(huán)保類項目增容改造后，配置兩臺動葉可調(diào)式軸流引風(fēng)機，引風(fēng)機參數(shù)見表1，圖3為成都風(fēng)機廠給出的風(fēng)機選型性能參數(shù)圖。

表1 引風(fēng)機參數(shù)匯總

圖3 成都風(fēng)機廠風(fēng)機選型性能參數(shù)圖

如圖3三點，分別是引風(fēng)機在TB工況、BMCR工況及80%負荷工況的運行工況點。根據(jù)以上的選型數(shù)據(jù)，在鍋爐80%負荷時，引風(fēng)機效率依舊保持在83%以上。

3.1 節(jié)能分析(鍋爐年平均負荷大于80%)

根據(jù)某熱電廠提供的運行數(shù)據(jù)，機組年平均負荷在82%左右，常年負荷率較高，負荷較為穩(wěn)定。如此項目改造中，對雙級動葉可調(diào)引風(fēng)機再增設(shè)變頻器，將顯得不經(jīng)濟。

按機組常年平均負荷維持在80%以上，如增設(shè)變頻器節(jié)電，保守計算，效率由83%提高 到87%，及提高4個百分點，在80%負荷時，單臺風(fēng)機軸功率為1599 kW左右，即每小時可節(jié)約電量64 kWh，年運行小時數(shù)按7500小時計，單臺風(fēng)機總節(jié)約電量為48萬 kWh，按上網(wǎng)電價按0.4元/ kWh計，單臺風(fēng)機總節(jié)約電費19.2萬元。

通過對變頻器廠家的詢價了解，國產(chǎn)單臺4000 kW電機變頻器價格在170萬左右，變頻器一次性投資較高。

如每臺變頻器價格定為170萬元，單臺風(fēng)機配變頻器的投資回收年限為8.86年，相對來說是不經(jīng)濟。

由此可見，對于使用雙級動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，且鍋爐年平均負荷能在80%以上時，引風(fēng)機增設(shè)變頻裝置是不經(jīng)濟的。

3.2 節(jié)能分析(鍋爐年平均負荷大于70%)

如鍋爐年平均負荷略大于70%時，由風(fēng)機的性能曲線圖可知，風(fēng)機的效率將有比較大的下降，大約在72%左右，如增加變頻裝置，風(fēng)機的效率可提高到83%左右。單臺風(fēng)機軸功率為1200 kW左右，即每小時可節(jié)約電量132 kWh，年運行小時數(shù)按7500小時計，單臺風(fēng)機總節(jié)約電量為99萬 kWh，按上網(wǎng)電價按0.4元/ kWh計，單臺風(fēng)機總節(jié)約電費39.6萬元。如按最低價取值，每臺變頻器價格定為170萬元，單臺風(fēng)機配變頻器的投資回收年限為4.2年，相對來說這又是經(jīng)濟的。

4 結(jié)語

隨著環(huán)保要求的日趨嚴格，現(xiàn)階段大多數(shù)火力發(fā)電廠均已經(jīng)使用動葉可調(diào)軸流引風(fēng)機。動葉可調(diào)風(fēng)機加裝變頻裝置是否經(jīng)濟，從而實現(xiàn)節(jié)能的目標，我們還需從機組的年平均負荷、機組的運行小時數(shù)、當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價及結(jié)合引風(fēng)機本身的性能特性來進行判斷。

由于理論計算的煙氣阻力本身存在誤差，或電廠燃燒煤質(zhì)發(fā)生變化，加之引風(fēng)機選型時有較大的余量，這就可能產(chǎn)生引風(fēng)機的選型不能與煙氣系統(tǒng)的完美匹配，從而導(dǎo)致風(fēng)機效率偏低的情況時有發(fā)生。

對于年平均負荷較低、風(fēng)機選型偏離最高效率區(qū)域且年運行時間較長的機組，可以推薦采用增設(shè)變頻裝置，節(jié)約電量，以起到積極的節(jié)能減排作用。

對于軸流風(fēng)機，它有駝峰形的性能曲線這一特點，理論上決定了軸流風(fēng)機有不穩(wěn)定工作的區(qū)域，當(dāng)風(fēng)機的實際工作點移動至不穩(wěn)定區(qū)域時，就有可能引起風(fēng)機失速及喘振等現(xiàn)象的發(fā)生。因此在軸流引風(fēng)機項目改造之前，應(yīng)充分了解機組負荷的變化情況，風(fēng)機具體運行工況點等，以避免失速及喘振問題的發(fā)生。

實際風(fēng)機在運行過程中，風(fēng)機的控制系統(tǒng)得到鍋爐的信號后，根據(jù)流量、壓力等來調(diào)整動葉的安裝角度來匹配鍋爐的負荷變化，如此系統(tǒng)再增加變頻的控制調(diào)節(jié)裝置，控制系統(tǒng)將變得比較復(fù)雜，不利于實際的運行管理。

因此，在機組的實際運行負荷不是偏離設(shè)計值太大的情況下，動葉可調(diào)軸流風(fēng)機增設(shè)變頻器的必要性不是很大。

[1]GB50660－2011，大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]DL/T468－2004，電站鍋爐和風(fēng)機選型和使用導(dǎo)則[S]．

[3]孫研．風(fēng)機產(chǎn)品樣本(上冊、下冊)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003．

[4]魏新利．泵與風(fēng)機節(jié)能技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011．