電廠鍋爐送風(fēng)機節(jié)能改造方案分析

李 旭，董 達(dá)，陳學(xué)兵，胡海濱

(1.華能安陽熱電有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000；2.中國華能集團(tuán)有限公司，北京 100000)

0 引 言

設(shè)備設(shè)計選型裕量偏大或者偏小等問題在電力基建過程中時有發(fā)生，尤其是風(fēng)機，需要多臺風(fēng)機相互配合，考慮鍋爐整體平衡通風(fēng)，風(fēng)機效率曲線一般較寬，且受溫度影響明顯，容易發(fā)生選型偏差與偏離性能高效區(qū)等問題[1]。在基建轉(zhuǎn)生產(chǎn)后，需進(jìn)行必要的技術(shù)改造來提升風(fēng)機的運行經(jīng)濟(jì)性，滿足考核指標(biāo)要求。風(fēng)機節(jié)能技術(shù)改造在電力電源系統(tǒng)中較為普遍，技術(shù)也比較成熟，為達(dá)到少投資大收益目的，需選取一種最佳技術(shù)路線。

1 概 述

某電廠一期共建成2臺12 MW燃煤背壓機組，配 3臺130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐, 1號、2號機組分別于2021年2月、5月投產(chǎn)，3號鍋爐于6月投產(chǎn)，鍋爐為自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、前墻給煤、固態(tài)排渣、半露天布置、管式空氣預(yù)熱器、全懸吊結(jié)構(gòu)式高溫高壓、循環(huán)流化床鍋爐，SNCR脫硝(預(yù)留SCR空間)；汽輪機為單軸、單缸、單排汽、高溫高壓背壓式汽輪機，單級回?zé)嵯到y(tǒng)。采用單系列風(fēng)機設(shè)計，每臺鍋爐配 1臺100%容量的離心式引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機，均為入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，2臺100%容量的多級離心式高壓流化風(fēng)機。

2 改造前設(shè)備參數(shù)及運行狀況

2.1 改造前設(shè)備參數(shù)

送風(fēng)機型號為G6-29NO18.8F，單吸離心式風(fēng)機，入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)；配套電動機型號為YXKK400-4L，電壓等級10 kV電動機，額定功率450 kW，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 改造前送風(fēng)機設(shè)計技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of forced draft fan design before transformation

2.2 改造前實際運行狀況

機組剛投產(chǎn)，尚未進(jìn)行性能試驗，所有運行數(shù)據(jù)均取自1號機組DCS，高負(fù)荷數(shù)據(jù)來自滿負(fù)荷試運工況，中、低負(fù)荷數(shù)據(jù)來自日常運行工況。送風(fēng)機出口壓力測點位置在擴(kuò)壓管后，風(fēng)量取自空氣預(yù)熱器出口兩側(cè)熱風(fēng)分支母管，管式空預(yù)器漏風(fēng)率按2%計算，各工況運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 送風(fēng)機實際運行參數(shù)Table 2 Actual operation parameters of forced draft fan

2.3 改造前分析

鍋爐大負(fù)荷運行時，送風(fēng)機實際總壓升為8.25 kPa，大幅低于設(shè)計總壓升(12.93 kPa)。在鍋爐蒸發(fā)量112 t/h工況下，送風(fēng)機運行內(nèi)效率為47.2%；鍋爐蒸發(fā)量88 t/h工況下，送風(fēng)機運行內(nèi)效率為29.3%；鍋爐蒸發(fā)量63 t/h工況下，送風(fēng)機運行內(nèi)效率僅為9.8%，以上工況下風(fēng)機內(nèi)效率均大幅低于考核點效率。在原設(shè)計中，送風(fēng)機壓力和流量裕量選取原則均為20%。綜合來看，送風(fēng)機設(shè)計選型裕量過大，導(dǎo)致風(fēng)機長期運行在低效區(qū)，風(fēng)機進(jìn)出口溫升較高，在輸出功率一定時較大部分輸入功率轉(zhuǎn)化為熱能，風(fēng)機電耗損失大，低負(fù)荷時更加明顯。另外，鍋爐BMCR蒸發(fā)量130 t/h，汽輪機非采暖季最大能力工況112 t/h，采用蒸汽母管制，鍋爐最大出力高于汽輪機最大出力16%，進(jìn)一步放大了該問題。

因機組新投產(chǎn)，熱力市場處于培育期，熱負(fù)荷整體較低，鍋爐長時間低負(fù)荷運行，既要節(jié)約燃料，又要維持循環(huán)流化床床溫保證鍋爐穩(wěn)定運行，運行中二次風(fēng)量較低，送風(fēng)機持續(xù)低出力運行，入口擋板開度小。入口擋板低開度運行時線性較陡，對送風(fēng)量與爐膛負(fù)壓、床溫影響較大，造成運行調(diào)節(jié)困難。

3 改造方案

為減小送風(fēng)機不必要的裕量，使風(fēng)機的實際工作點位于性能高效區(qū)，降低輸入損失，并改善風(fēng)機運行調(diào)節(jié)性能，需要對送風(fēng)機進(jìn)行調(diào)速改造[2]。調(diào)速改造后送風(fēng)機入口調(diào)節(jié)擋板保持全開，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來適應(yīng)機組負(fù)荷工況，理想狀況下風(fēng)機能夠始終工作在最高效率點。低負(fù)荷時，還可以開大鍋爐前后墻熱二次風(fēng)擋板，進(jìn)一步降低送風(fēng)機運行電耗。結(jié)合送風(fēng)機實際運行狀況及對標(biāo)送風(fēng)機內(nèi)效率設(shè)計值，送風(fēng)機調(diào)速改造節(jié)能潛力如圖1所示。

圖1 風(fēng)機調(diào)速改造節(jié)能潛力Fig.1 Fan speed regulation transformation energy saving potential

永磁調(diào)速和變頻調(diào)速是泵與風(fēng)機等離心負(fù)載廣泛應(yīng)用的兩種調(diào)速方式[3]。

3.1 變頻調(diào)速

3.1.1 變頻調(diào)速工作原理及優(yōu)缺點

通過控制電子功率單元對輸入的10 kV工頻電源進(jìn)行有控制的整流、逆變后輸出可變頻率和電壓的交流電，利用電源頻率的改變實現(xiàn)電動機的無級變速。當(dāng)前高壓變頻技術(shù)已經(jīng)十分成熟，國產(chǎn)變頻器可靠性已經(jīng)大幅提高。變頻器調(diào)節(jié)具有響應(yīng)快、范圍寬、精度高、節(jié)能效果好等優(yōu)點[4]，但也存在以下缺點：

1)電子元器件相對壽命周期短、故障率高。對于風(fēng)機單系列設(shè)計，可能會因為變頻器故障旁路切換不成功導(dǎo)致機組跳閘；

2)對環(huán)境粉塵、溫度、濕度條件和電磁、輸入電壓、頻率、啟停頻次等運行條件相對苛刻，需要設(shè)置封閉的建筑來改善變頻器的運行條件，增加了改造和運行成本；

3)設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，運行維護(hù)難度相對較大、成本相對較高。

3.1.2 變頻調(diào)速改造主要內(nèi)容

1)增加10 kV高壓變頻器柜、旁路柜和進(jìn)線柜各1套，因現(xiàn)場10 kV配電室空間不足，需要在送風(fēng)機旁邊布置變頻相關(guān)盤柜；

2)新建變頻器設(shè)備室及配套安裝空調(diào)(按變頻器功率的2%～3%設(shè)置)、照明、消防等輔助設(shè)施；

3)在鍋爐MCC負(fù)荷段上選用2～3個備用電源開關(guān)(用于變頻器空調(diào)和照明供電，現(xiàn)場有冗余)，并增加與鍋爐MCC連接的電纜；

4)增加變頻器與送風(fēng)機電機之間的動力電纜，并變更電纜通道；

5)占用DCS AI、DI通道各1個(DCS系統(tǒng)有冗余)；

6)增加變頻器與DCS通訊電纜，走現(xiàn)有送風(fēng)機測控電纜通道；

7)運行中全開送風(fēng)機入口調(diào)節(jié)擋板，根據(jù)運行工況調(diào)整鍋爐前后墻二次風(fēng)擋板開度；

8)修改并優(yōu)化鍋爐送風(fēng)量和氧量自動調(diào)節(jié)邏輯。

3.2 永磁調(diào)速

3.2.1 永磁調(diào)速工作原理及優(yōu)缺點

電動機輸入的電壓和頻率不變，通過改變連接于電動機側(cè)的導(dǎo)體和連接于負(fù)載設(shè)備的永磁體之間的氣隙實現(xiàn)負(fù)載設(shè)備的無級變速。電動機帶動導(dǎo)體在永磁體的磁場中旋轉(zhuǎn)切割磁力線，在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流并在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生永磁體的反磁場力，帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)[5]。氣隙增大，反磁場力變小，電動機轉(zhuǎn)矩變小，負(fù)載的轉(zhuǎn)速降低；氣隙減小，反磁場力變大，電動機轉(zhuǎn)矩變大，負(fù)載的轉(zhuǎn)速增加。永磁調(diào)速工作原理和結(jié)構(gòu)相對簡單，近些年永磁體技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了永磁調(diào)速裝置性能的提升，技術(shù)比較成熟[6]。

永磁調(diào)速的主要優(yōu)點：

1)無需外接電源即可工作，穩(wěn)定性和可靠性相比變頻器高，在大功率情況下尤其突出；

2)關(guān)鍵部件是永磁體、銅導(dǎo)體材料和氣隙調(diào)節(jié)裝置，主要部件均為機械設(shè)備，全壽命周期長，故障率低；

3)對運行環(huán)境沒有特殊要求，環(huán)境適應(yīng)性強，可以頻繁啟停，完全軟啟動，堵轉(zhuǎn)自動保護(hù)，不需要專門的防護(hù)設(shè)施，附帶增加的運行成本小；

4)結(jié)構(gòu)簡單，運行維護(hù)容易，免維護(hù)性強；

5)電動機和負(fù)載間通過氣隙傳遞扭矩，能夠很好地隔離電動機和送風(fēng)機之間的機械振動。

永磁調(diào)速的主要缺點：

1)改造時需要變更送風(fēng)機電動機的基礎(chǔ)，施工難度比較大；

2)對永磁調(diào)速器進(jìn)行維護(hù)期間需要停機，對于單系列風(fēng)機設(shè)計，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。

3.2.2 變頻調(diào)速改造主要內(nèi)容

1)在送風(fēng)機電動機和風(fēng)機對輪之間增加1套永磁調(diào)速裝置；

2)增加永磁調(diào)速執(zhí)行機構(gòu)1套；

3)占用DCS AI、DI通道各1個(DCS系統(tǒng)有冗余)；

4)增加永磁調(diào)速執(zhí)行機構(gòu)與DCS通信電纜，走現(xiàn)有送風(fēng)機測控電纜通道；

5)運行中全開送風(fēng)機入口調(diào)節(jié)擋板，根據(jù)運行工況調(diào)整鍋爐前后墻二次風(fēng)擋板開度；

6)修改并優(yōu)化鍋爐送風(fēng)量和氧量自動調(diào)節(jié)邏輯。

4 改造經(jīng)濟(jì)性分析

選取機組經(jīng)常性運行工況(工況2：鍋爐蒸發(fā)量88 t/h，鍋爐負(fù)荷率67.7%，供熱量65 t/h)進(jìn)行調(diào)速改造經(jīng)濟(jì)性分析，單臺送風(fēng)機調(diào)速改造節(jié)能潛力為197.5 kW/h。按非采暖季1臺爐運行，運行時間5 880 h；采暖季2臺鍋爐運行，運行時間2 880 h，電價0.347元/ (kW·h)進(jìn)行測算。

4.1 改造投資及運行維護(hù)成本

對變頻器市場進(jìn)行調(diào)研，選用國產(chǎn)設(shè)備，其中該廠在基建期已經(jīng)考慮到送風(fēng)機改造的可能性，對送風(fēng)機基礎(chǔ)承臺進(jìn)行了一體化的設(shè)計施工。送風(fēng)機變頻、永磁調(diào)速改造投資及日常運行維護(hù)成本測算見表3。

表3 單臺送風(fēng)機調(diào)速改造項目測算表Table 3 Calculation table of single forced draft fan speed regulation transformation project

單臺送風(fēng)機變頻調(diào)速改造投資68萬元，3臺鍋爐3臺風(fēng)機總投資204萬元；單臺送風(fēng)機永磁調(diào)速改造投資48萬元，3臺鍋爐3臺風(fēng)機總投資144萬元。

變頻調(diào)速裝置年運行維護(hù)支出為非采暖季年電耗支出、采暖季年電耗支出、維護(hù)費支出之和，總計10.9萬元。

永磁調(diào)速裝置年運行維護(hù)支出為非采暖季年電耗支出、采暖季年電耗支出、維護(hù)費支出之和，總計1.4萬元。

4.2 改造后節(jié)能收益

變頻調(diào)速與永磁調(diào)速改造后的收益都是由節(jié)約電能產(chǎn)生，年收益為非采暖季節(jié)能收益、采暖季節(jié)能收益之和，總計79.7萬元。

變頻調(diào)速改造年綜合收益為節(jié)能年收益、變頻調(diào)速裝置年運行支出之差，總計68.8萬元。

永磁調(diào)速改造年綜合收益為節(jié)能年收益、永磁調(diào)速裝置年運行支出之差，總計78.3萬元。

4.3 綜合效益分析

3臺鍋爐3臺風(fēng)機變頻調(diào)速改造總投資204萬元，投資回收期為2.97年；變頻改造壽命周期10年，扣除投資成本后年效益48.4萬元。

3臺鍋爐3臺風(fēng)機永磁調(diào)速改造總投資144萬元，投資回收期1.84年；永磁改造壽命周期25年，扣除投資成本后年效益72.7萬元。

5 結(jié) 語

該廠選型的G6-29NO18.8F單吸離心式送風(fēng)機裕量偏大，在實際運行中風(fēng)機效率低于設(shè)計值較多，運行中電能損耗大，在低負(fù)荷時風(fēng)機入口調(diào)節(jié)擋板開度小調(diào)節(jié)困難，需要通過技術(shù)改造解決這一問題。綜合對比變頻調(diào)速和永磁調(diào)速兩種改造方案及結(jié)合該廠實際條件，在技術(shù)實施方面，永磁調(diào)速改造優(yōu)于變頻調(diào)速改造；在經(jīng)濟(jì)收益方面，永磁調(diào)速改造年收益為72.7萬元，高于變頻調(diào)速改造的48.4萬元，建議選用永磁調(diào)速。如果在基建期沒有預(yù)留送風(fēng)機電機改造的基礎(chǔ)承臺，在選取改造路線時需綜合考慮實施難易度及經(jīng)濟(jì)收益。