第一章 電力行業
第六節 軸流式風機的調速控制和節能計算
1 前言
在火力發電廠中，風機和水泵也是最主要的耗電輔機設備，且容量大、耗電多。加上
由于軸流式風機比起離心式風機具有優越的氣動性能，電站風機越來越多的采用軸流式風機。特別是2000年以后，電站送風機和一次風機采用動葉可調軸流式風機的設計方式幾乎成了發電廠的標配，因而數量巨大；另一方面設計院為了安全起見，設計時留有較大余量，這就為動葉可調軸流式風機的調速改造留下了較大的節能空間。動葉可調的軸流式風機由于其運行能耗低，所以號稱是除了調速風機以外最節能的風機。在電站風機節能改造的前期，動葉可調的軸流式風機被認為調速節能改造的空間不明顯而不受重視。隨著我國煤電機組綜合升級改造逐步深入，低投入高回報的項目越來越少，跟液力耦合器調速的電動給水泵和“引增合一”大風機節能改造一樣，動葉可調軸流式風機的調速改造逐漸成為電廠節能改造的主戰場之一，所謂的“蒼蠅腿也是肉” ，盡管都面臨著改造投資和節能效益之間的嚴峻考量，但是在今天降低廠用電率的強烈需求下也勢在必行了。
2 軸流式風機靜葉調節和動葉調節的差別
軸流式風機有兩種：靜葉可調軸流式風機和動葉可調軸流式風機。兩者目的相同：都是調節風機的風量、風壓使之適應負荷變化的要求；只是調節方式不同：靜葉可調是改變入口導流葉片的方向，使出口氣流方向改變，從而實現風量、風壓的調節。動 葉 可 調 則 是 改 變 動 葉 的 安 裝 角 度，實 現 風 量、風 壓 的 調 節。調節機 構 相 對 要 復 雜 一 些 ，它 是 通過液壓調節油站、調節臂、液壓缸及葉片調節機構等帶動動葉轉動的。這兩種風機簡單概括起來有區別的地方是：
靜葉可調式風機與動葉可調式風機的本質區別就在于可以起調節風機工況作用的葉片是可以隨傳動軸轉動與不轉動上。動葉可調式風機的風葉是可以轉動的，其風葉既能隨傳動軸轉動充當做功的角色，也可以通過調節葉片的安裝角度的大小來達到調節風機工況的目的；靜葉可調式風機做功的風葉是固定在軸上不可調的，即只能隨傳動軸轉動，風葉本身則是不可調的，它是通過調節風機入口處的導葉的開合大小來達到調節風機工況的目的的，就像離心式風機的入口風門一樣，它的可調靜葉片是不隨風機的傳動軸轉動的！所謂的“靜”和“動”并不是說工作葉片的絕對的靜和動，而是指葉片隨傳動軸的轉動與否。
靜葉可調軸流式風機對塵粒的適應性優于動葉可調軸流式風機。靜葉可調軸流式風機對含塵量的適應性一般不大于400mg/Nm3，而動葉可調軸流風機一般則只能承受不大于150mg/Nm3的含塵量。引風機是輸送含塵量大且溫度較高的煙氣的，工作條件較差，主要考慮靜葉調節風機的耐磨性能強于動葉調節風機。從目前國內大型機組引風機的配套及生產情況來看，動、靜葉調節的軸流風機均可選用。
動葉可調軸流式風機的優點是負荷調節性能較好，效率高，能耗低，是除調速風機之外最節能的風機。其缺點是價格較高，葉片對煙氣的含塵量較為敏感。
具體選擇動葉可調與靜葉可調與風機參數如風壓風量等要求有關，一般靜葉可調范圍較小，投資也較少，但能耗較大。動葉可調風機調節范圍大，節能效果較好，但投資較大，結構復雜，可靠性差一點。
3 軸流式風機的調節性能
動葉可調軸流式風機在運行中可以調節葉片的安裝角，其工況范圍不是一條直線，而是一個面，風機的等效率運行區寬，等效率曲線與系統阻力曲線接近平行，所以風機保持高效率運行的范圍相當寬，在滿足鍋爐設計點條件下，100％MCR工況點位于高效區，平均運行效率高，單風機運行時可滿足鍋爐60％～80％負荷。就運行效率而言，動葉可調的軸流式風機是除調速風機外最節能的風機。如圖1所示。
圖1所示為某300MW火電機組動葉可調軸流式送風機性能曲線，圖中虛線為等效率線，0°代表最高效率點的設計安裝角，負值為動葉片從設計安裝角向關閉方向轉動的角度，正值則相反。在最高效率區的上下都有相當大的調節范圍。當風機變負荷尤其是低負荷運行時，它的經濟性就顯示出來了。因此動葉可調軸流風機的優點是調節效率很高，風機始終在高效區運行，節能效果顯著。缺點：結構復雜，制造 成 本 較 高 ，調 節 部 分 容 易 生 銹 ，轉 動 部 件 多 ，動 葉 調 節機 構 復 雜 而 精 密，需 要 另設油站，維護費用高，而且葉片磨損比較嚴重。風機價格是靜葉可調子午加速軸流風機的1.5～2倍。對于發電廠來說，送風機和一次風機用的比較多，引風機也有使用。
動葉可調軸流式風機葉片的安裝角可在最小安裝角到最大安裝角之間從0～100％調節，隨著葉片安裝角的增大，風機沿阻力曲線方向風量和風壓同時增大，反之則同時減小。100％鍋爐負荷（B-MCR）時，葉片開度為70％左右，相對于安裝角＋5°；100％汽輪機負荷（THB）時，葉片開度為65％左右，相對于安裝角0°；這兩個點應在風機的最高效率區內。但是在鍋爐設計時，由于無法精確計算鍋爐風道的阻力曲線（圖1中上面一條是雙風機運行時的阻力曲線，下面一條則是單風機運行時的阻力曲線），因此所選用的風機性能曲線不能保證B-MCR點和THB點在高效區內，從而就降低了風機的運行效率，有時甚至可達20％～30％！軸流式風機葉片的安裝角過大或過小，都會使風機的運行工況點偏離高效點，降低風機的運行效率。
靜葉可調子午加速軸流式風機在氣動性能上介于離心式和動葉可調軸流風機之間。可輸送含有灰分或腐蝕性的大流量氣體，具有優良的氣動性能，高效節能，磨損小，壽命長，結構簡單，運行可靠，安裝維修方便，具有良好的調節性能。在相同的選型條件下可獲得比單吸式離心風機和動葉可調軸流風機低一擋的工作轉速。
4 動葉可調軸流式風機的變頻調速改造
軸流式風機在進行變頻調速改造時，無論是靜葉可調風機還是動葉可調風機都應該將風機的葉片角度固定在效率最高的位置運行，以獲得最高的運行效率。而通過改變風機的轉速實現風量及風壓控制，風機將在很大的范圍內維持高效率運行，實質上風機是通過調速提高了本身的運行效率而達到節能目的的。但是由于沒有風機準確的性能曲線，并且同類風機的性能差別也很大，所以其高效率點不能預先加以設定，而要在運行調試時通過反復的尋優試驗來確定，這就大大增加了現場調試的難度和工作量。
如果將風機的葉片角度開得過大，一方面風機效率將下降，同時也會使電動機過載。對于動葉可調的風機來說，葉片角度開得過大時還容易發生“失速”現象，影響風機的安全運行。所以在進行變頻調速改造時，可將葉片角度固定在風機效率最大處運行。只有在風量和風壓不滿足工況要求時，才允許適當開大葉片角度，如流化床鍋爐的一次風機在進行冷態流化試驗時，但也要注意不能使電動機過載。
例1：某電廠350MW機組動葉可調軸流式一次風機改造前后的運行數據如下：
電動機額定功率為1400 kW。
當機組負荷為185 MW時，一次風機功率為685.8 kW，效率為34.7％；
當機組負荷為260 MW時，一次風機功率為830.0 kW，效率為37.0％；
當機組負荷為351 MW時，一次風機功率為1064 kW，效率為40.3％；
實現了變頻調速改造后風機和變頻器的整體效率可以提高到83％，提高了一倍多，按每天185 MW負荷運行10小時，260 MW負荷運行8小時，350 MW負荷運行6小時，按平均節省電功率448 kW，機組年運行5000小時，上網電價0.3元/度計算：448 kW×5000h×0.3元/度=67.2萬元。二年就可以收回投資成本。送風機的情況也一樣，一般2～3年就可以收回投資成本。
5 軸流式風機的節能計算
軸流式風機是采用葉片（靜葉或動葉）的安裝角度來調節風量的，靜葉調節的角度調節范圍較大（例如－70o～+30o），而動葉調節的角度調節范圍較小（例如－30o～+20o）。葉片調節范圍一般是以0～100％的百分比開度表示的，應折算成實際的葉片角度后，再在阻力曲線上找到工作點，就可以查到風機工作點的風量、風壓和效率數據了，據此就可以計算出風機的軸功率，并進行變頻調速節能計算和節能效果的檢驗。
例2：某電廠600MW機組動葉可調軸流式送風機的參數如下，試計算其節能效果。送風機及電動機參數如表1所示。
表1 送風機及電動機參數
|
送風機型號 （型式） |
PAF 19-14-2 動葉可調軸流式 |
匹配電機型號 （產地） |
YKK710-4G-W 上海電機廠 |
|
動葉調節范圍 |
10o～55o |
額定功率 |
2400kW |
|
軸功率 |
1878 kW |
額定電壓 |
6000V |
|
風量 |
100.83 m3/s |
額定電流 |
266 A |
|
全壓 |
17126 Pa |
額定轉速 |
1491r/min |
|
額定轉速 |
1470r/min |
功率因數 |
0.86 |
|
效率 |
86.21% |
額定效率 |
94.5 % |
|
數量 |
4臺 |
防護等級 |
IP54 |
送風機運行參數及節能計算結果如表2所示。
表2 送風機運行參數及節能計算結果
|
機組負荷（％） |
100％ |
90％ |
80％ |
70％ |
60％雙 |
60％單 |
|
葉片開度（％） |
53％ |
50％ |
47％ |
43％ |
39％ |
63％ |
|
電動機電流（A） |
125A |
118A |
112A |
108A |
105A |
158A |
|
電動機功率（kW） |
2234kW |
2110kW |
2002kW |
1930 kW |
1876kW |
1363kW |
|
變頻功率（kW） |
2192kW |
1922kW |
1636kW |
1406 kW |
1196 kW |
1196kW |
|
節約電功率（kW） |
42kW |
188kW |
366kW |
524 kW |
680 kW |
167kW |
|
節電率（％） |
1.9％ |
8.9％ |
18.3％ |
27.2％ |
36.3％ |
12.3％ |
由送風機性能曲線可以看出，送風機在鍋爐設計工況（B-MCR）點運行，葉片角度為＋5o（開度65％）運行時效率最高可達87％。通過變頻器調速運行，以滿足鍋爐風量的要求。下面是將風機的葉片角度固定為＋5o（開度60％）時，變頻調速運行的節能計算：
（1）機組在額定負荷（600MW）運行時，送風機葉片開度為53％，風量約為額定風量的91.0％，電動機電流為125A，工頻運行電功率約為額定風量時的80％，此時送風機轉速為91.0％額定轉速，頻率為45.5 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×125×0.86＝1117 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.80)× 0.913/0.96＝1096 kW
節約的電功率為：1117－1096＝21 kW
節電率為: 21 kW/1117 kW＝1.9％；
（2）機組在90％額定負荷（540MW）運行時，送風機葉片開度為50％，風量約為額定風量的86.5％，電動機電流為118A，工頻運行電功率約為額定風量時的74％，此時送風機轉速為86.5％額定轉速，頻率為43.3 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×118×0.86＝1055 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.74)× 0.8653/0.96＝961 kW
節約的電功率為：1055－961＝94 kW
節電率為: 94 kW/1055 kW＝8.9％；
（3）機組在80％額定負荷（480MW）運行時，送風機葉片開度為47％，風量約為額定風量的81.5％，電動機電流為112A，工頻運行電功率約為額定風量時的69％，此時送風機轉速為81.5％額定轉速，頻率為40.8 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×112×0.86＝1001 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.69)× 0.8153/0.96＝818 kW
節約的電功率為：1001－818＝183 kW
節電率為: 183 kW/1001 kW＝18.3％；
（4）機組在70％額定負荷（420MW）運行時，送風機葉片開度為43％，風量約為額定風量的76.5％，電動機電流為108A，工頻運行電功率約為額定風量時的64％，此時送風機轉速為76.5％額定轉速，頻率為38.3 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×108×0.86＝965 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝( Pd1/0.64)× 0.7653/0.96＝703 kW
節約的電功率為：965－703＝262 kW
節電率為: 262 kW/965 kW＝27.2％；
（5）機組在60％額定負荷（360MW）運行時，雙送風機工作，葉片開度為39％，風量約為額定風量的71.6％，電動機電流為105A，工頻運行電功率約為額定風量時的60％，此時送風機轉速為71.6％額定轉速，頻率為35.8 Hz，則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×105×0.86＝938 kW
變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝（Pd1/0.60）× 0.7163/0.96＝598 kW
節約的電功率為：938－598＝ 340 kW
節電率為: 340 kW/938 kW＝36.3％；
一般機組在65％以下負荷運行時，可以單風機運行。下面就來分析一下工頻單風機運行而變頻則雙風機運行時的節能情況：
（6）機組在60％額定負荷（360MW）運行時，工頻單送風機工作，葉片開度為63％（如果是雙風機運行的話，在此角度時的風量約為額定風量的98.8％，已經十分接近額定風量了）。當單風機運行時，由圖2可見，工作點從阻力曲線R1移到R2，對于工作風機來說，相當于體積擴大一倍，風壓就會減小一半，所以風量增加到√2倍，約為140％額定風量。（由阻力曲線R1、R2得：P1=kQ12=4kQe2，P2=kQ22=P1/2=2kQe2，則Q2=√2Qe=1.4142Qe）。這時因為壓力下降了一半，定速風機的有用功率（等于壓力和流量的乘積）卻反而減小了，只有額定軸功率的約70%左右（140%*50%=70%），但是由于風機效率下降了接近30%，所以軸功率卻基本保持不變（70%/(0.57/0.87)=106.8%），甚至還略有增加。電動機電流為158 A，電動機功率為1363 kW。
此時若采用單風機變頻運行已經毫無意義，不但達不到節能目的，可能反而還會費能。如果采用雙風機變頻運行，通過調節風機轉速將風量開到額定風量時的71.6％，兩臺風機總風量超過140％額定風量，完全可以滿足鍋爐燃燒要求。則工頻運行時的電動機功率為：
Pd1＝1.732×6×158×0.83＝1363 kW
如果采用雙引風機變頻運行，由上述e）已經算出單臺風機變頻運行的功率為598 kW，兩臺風機變頻運行時的電動機功率為：
Pb1＝598 kW ×2＝1196 kW
節約的電功率為：1363－1196＝167 kW
節電率為: 167 kW/1363 kW＝12.3％；
由于機組在低負荷單風機運行時穩定性較差，采用雙風機變頻運行，可以增強機組應對突發事故的能力，提高機組低負荷運行時的穩定性，同時還可以取得明顯的節能效果。所以電站鍋爐即使在低負荷時也應該采用雙風機變頻運行。
若機組的平均負荷以75％額定負荷（450MW）計算，平均節電率按20％計算，兩臺送風機約可節約電功率900kW；年運行時間以7000小時計算，可節約電能630萬kW.h,以上網電價0.35元/kW.h計算：每年可節約電費220萬元，不到二年就可以收回全部改造投資。計算數據列于上表，由表中數據可以看出，機組不同負荷時的節電率基本上是與風機運行效率的提高相一致的。
6 結論
隨著風機水泵壓縮機變頻調速節能改造工作的深入廣泛開展，調速節能效果最好的離心式風機已經基本上都進行了調速節能改造；接著大量通過液力耦合器調速的風機水泵也在進行改造；現在到了“動刀”號稱除了調速風機之外最節能風機的動葉可調的軸流式風機的時候了！由于動葉可調的軸流式風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，因而調節范圍寬。如果采用轉速調節，可將風機的安裝角固定在高效區，通過改變風機轉速達到控制風量從而達到節能目的。但是由于調速范圍有限，所取得的節能效果有限，與離心式風機的調速節能效果是無法相比的。即使在低負荷區也有較高的節電率，但是由于動葉可調的軸流式風機本身的能耗就較低，所以節省的電功率和節電量是很有限的，在進行變頻調速節能改造之前一定要認真做好投資規模與節能效益之間的嚴格考量，確保節能改造工程的經濟效益。
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