第一章 電力行業(yè)
第一節(jié) 火力發(fā)電廠風機變頻調(diào)速節(jié)能綜述
1 引言
風機和水泵在國民經(jīng)濟各部門的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關部門
在火力發(fā)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
我國火電機組的平均煤耗為400g／kW.h，比發(fā)達國家高出70～100g／kW.h，而廠
國外火電廠的風機和水泵已紛紛增設調(diào)速裝置，而目前我國火電廠中除少量采用汽動給水泵，液力耦合器及雙速電機外，大量的風機和水泵還采用定速驅(qū)動。這種定速驅(qū)動的風機和水泵，由于采用入口風門和出口閥門調(diào)節(jié)流量，都存在嚴重的節(jié)流損耗。尤其是在機組變負荷運行時，風機和水泵的運行偏離高效點，使運行效率降低。調(diào)查表明：我國50MW以上機組鍋爐風機運行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占20％左右。由于目前普遍的機組負荷偏低，風機的效率就更低，有的甚至不到30％，結果是白白地浪費掉大量的電能，已經(jīng)到了非改不可的地步。
經(jīng)過近20年來的努力，火力發(fā)電廠在主要輔機節(jié)能改造方面取得了驕人的業(yè)績，已經(jīng)
（1）動刀號稱火電機組“心臟”的液力耦合器調(diào)速的電動給水泵已經(jīng)勢在必行了。由于電動給水泵的改造不僅僅是變頻改造而已，還包括液力耦合器的改造和前置泵的改造工作；不僅牽涉到電氣系統(tǒng)、機械驅(qū)動系統(tǒng)的改造，還要牽涉到高壓水路系統(tǒng)的改造工作；而且給水泵的安裝位置又十分緊湊，必須另找地方安裝變頻器。另外由于發(fā)電廠給水系統(tǒng)的重要性，決定了其對設備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標和動態(tài)響應速度特別高的高壓變頻器；同時對給水系統(tǒng)的控制、連鎖、保護的要求也特別高，還牽涉到DCS系統(tǒng)擴容改造和組態(tài)設計改造等問題，涉及面極廣，工作量巨大，因而往往使人望而卻步。所以改造的關鍵是要拿出可靠性最高，改動最小，投資最少，節(jié)能效果最好的科學合理的改造方案來。
（2）另一個改造的重點就是隨著環(huán)評要求的不斷提高，脫硫脫硝設備的投入使用，煙道阻力越來越大，原來的引風機和增壓風機的容量已經(jīng)不能適應要求，必須更換大容量的風機，這就使得“引增合一”改造工程 被提上了議事日程。所謂的“引增合一”改造工程就是拆除原來小容量的引風機和增壓風機，換上一臺大容量的風機。該項工程除了拆除原有風機更換新風機之外，還要進行煙道系統(tǒng)的改造和變頻調(diào)速系統(tǒng)的增容改造工作，以及DCS控制系統(tǒng)的擴容改造和組態(tài)設計工作。
（3）2000年以后，火力發(fā)電從送風機和一次風機采用動葉可調(diào)軸流式風機的設計方式幾乎成了發(fā)電廠的標配，因而數(shù)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(diào)軸流式風機的調(diào)速改造留下了較大的節(jié)能空間。動葉可調(diào)的軸流式風機由于其運行能耗低，所以號稱是除了調(diào)速風機以外的最節(jié)能的風機。在火力發(fā)電廠風機節(jié)能改造的前期，動葉可調(diào)的軸流式風機被認為調(diào)速節(jié)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(diào)速的電動給水泵和“引增合一”大風機節(jié)能改造一樣，動葉可調(diào)軸流式風機的調(diào)速改造逐漸成為電廠節(jié)能改造的主戰(zhàn)場之一，即所謂的“蒼蠅腿也是肉”。盡管都面臨著改造投資和節(jié)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 火力發(fā)電廠風機變頻調(diào)速節(jié)能控制原理
2.1 火力發(fā)電廠風機概述
風機是火力發(fā)電廠重要的輔助設備之一，鍋爐的四大風機(送風機、引風機、一次風機（或排粉風機）和脫硫增壓風機的總耗電量約占機組發(fā)電量的2％左右。隨著火電機組容量的增大和環(huán)保排放標準提高，火力發(fā)電廠鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產(chǎn)200MW機組，風機的總功率6440kW，占機組容量的3％以上。因此，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。
風機的可用性和性能直接影響火電機組的安全經(jīng)濟運行，火力發(fā)電廠風機的功率消耗約占機組發(fā)電量的1.5%~2.3%，其中送風機，引風機，一次風機和排粉風機占了功率消耗的絕大部分，若再計及排煙脫硫裝置的增壓風機，火力發(fā)電廠風機的功率消耗則更大。為降低運行費用和適應火力發(fā)電廠運行工藝要求，運行效率高，調(diào)節(jié)性能好，結構先進可靠是火電機組對風機的基本要求。
我國火力發(fā)電廠風機雖巳普遍采用了高效風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調(diào)速性能差，二是運行點偏離風機的最高效率點。我國現(xiàn)行的火電設計規(guī)程SDJ—79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5％和5％～10％，風壓裕度分別為10％和10％～15％。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常總是把系統(tǒng)的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的系列和型號規(guī)格是有限的，往往在選擇不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠，這樣火力發(fā)電廠鍋爐送引風機的風量和風壓富裕度高達20％～30％是比較常見的現(xiàn)象。
一般在鍋爐風機容量設計時，單側(cè)風機運行時具備帶75％負荷運行的能力，這主要是從機組運行的安全性出發(fā)的；當失去一側(cè)送引風機時，機組還能帶75％的負荷運行。所以當雙側(cè)風機運行，機組帶滿負荷時，送引風機的設計余量在30～50％左右，風門開度一般為40～60%，這也是從風門調(diào)節(jié)的靈敏度出發(fā)來考慮的。這就為風機的變頻調(diào)速節(jié)能改造留下了巨大的潛力，即使在機組滿負荷運行時，也應該有20～30%的節(jié)電率。
火力發(fā)電廠鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調(diào)峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調(diào)節(jié)的風機，在兩者偏離10％時，效率下降8％左右；偏離20％時，效率下降20％左右；而偏離30％時，效率則下降30％以上。對于采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進葉片式風機的調(diào)節(jié)方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。
如果在風機上加裝目前國內(nèi)已經(jīng)普遍采用的高壓變頻器，對風機電動機進行調(diào)速控制，從而實現(xiàn)對風量的調(diào)節(jié)以滿足鍋爐負荷的變化，通過提高風機的運行效率將風門調(diào)節(jié)中的能量損失節(jié)約下來。
2.2 不同類型風機性能的區(qū)別
圖1 某300MW火電機組離心式一次風機的性能曲線
圖2 某300MW火電機組動葉可調(diào)軸流式送風機的性能曲線
由圖1、圖2可見，風機性能曲線呈梳狀，隨著風門（動葉片）開大，風機的出口風量和風壓都沿阻力曲線增大，其等效率曲線是一組閉合的橢園形。這一點是與水泵的性能曲線不同的。
圖2所示是典型的動葉可調(diào)軸流式風機的性能曲線。動葉可調(diào)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(diào)節(jié)，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＋50；100％汽輪機負荷（THB）時，葉片開度為65％左右，相對于安裝角00；這兩個點應在風機的最高效率區(qū)內(nèi)。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2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(qū)內(nèi)，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。
圖2所示是典型的動葉可調(diào)軸流式風機的性能曲線。動葉可調(diào)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(diào)節(jié)，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＋50；100％汽輪機負荷（THB）時，葉片開度為65％左右，相對于安裝角00；這兩個點應在風機的最高效率區(qū)內(nèi)。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2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(qū)內(nèi)，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。
圖3 定速軸流風機和離心風機性能曲線重疊比較
為了將兩種風機的性能進行比較，圖3所示為定速軸流風機和離心風機性能曲線的重疊。由圖3可見，離心式風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。能滿足TB點（鍋爐風機設計點），而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)的軸流風機要低得多。如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風門開到最大，使風機在高效區(qū)運行，而通過改變風機的轉(zhuǎn)速達到控制風量的目的，風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。
而動葉可調(diào)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(diào)節(jié)范圍寬。鍋爐設計點（TB）與最大連續(xù)運行工況點（100％MCR）相比，流量約大15％～25％，壓力約高30％～40％。在滿足鍋爐設計點條件下，100％MCR工況點位于高效區(qū)，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(diào)的軸流式風機是除轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外的風機最佳調(diào)節(jié)方式。因而動葉可調(diào)的軸流式風機也是目前火力發(fā)電廠最節(jié)能的風機。
如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風機的安裝角固定在高效區(qū)，而通過改變風機的轉(zhuǎn)速達到控制風量的目的，風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(diào)試時通過反復的尋優(yōu)試驗來確定，這就大大增加了現(xiàn)場調(diào)試的難度和工作量。
由于絕大部分風機都采用風門擋板和葉片角度調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，所以風機若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。直到上世紀七十年代，都采用機械調(diào)速或滑差電機調(diào)速，但這都屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗，并且驅(qū)動功率受到限制；到上世紀八十年代，開始采用液力耦合器調(diào)速，并且突破了驅(qū)動功率的限制，向大功率方向發(fā)展，但它與滑差電機調(diào)速一樣，也屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗。直到上世紀九十年代，隨著電力電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，變頻器很快占領電動機調(diào)速市場，并向高壓領域發(fā)展，使采用高壓電動機驅(qū)動的風機水泵進行變頻調(diào)速節(jié)能改造成為可能。進入新世紀以來，國產(chǎn)高壓變頻器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般的涌現(xiàn)，并且其質(zhì)量和可靠性直迫進口產(chǎn)品，且價格低廉，服務周到，備品備件容易獲得。因此在很多領域已經(jīng)逐步取代進口產(chǎn)品并占領了市場優(yōu)勢。發(fā)電廠風機變頻調(diào)速節(jié)能改造工作正在全面展開：其改造的對象從離心式風機開始，繼而改造液力耦合器驅(qū)動的風機，最后是靜葉調(diào)節(jié)風機和動葉可調(diào)的軸流式風機。
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