第一章 電力行業
第一節 火力發電廠風機變頻調速節能綜述
1 引言
風機和水泵在國民經濟各部門的數量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據有關部門
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
我國火電機組的平均煤耗為400g／kW.h，比發達國家高出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動。這種定速驅動的風機和水泵，由于采用入口風門和出口閥門調節流量，都存在嚴重的節流損耗。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，已經到了非改不可的地步。
經過近20年來的努力，火力發電廠在主要輔機節能改造方面取得了驕人的業績，已經
（1）動刀號稱火電機組“心臟”的液力耦合器調速的電動給水泵已經勢在必行了。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、機械驅動系統的改造，還要牽涉到高壓水路系統的改造工作；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。另外由于發電廠給水系統的重要性，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響應速度特別高的高壓變頻器；同時對給水系統的控制、連鎖、保護的要求也特別高，還牽涉到DCS系統擴容改造和組態設計改造等問題，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，還要進行煙道系統的改造和變頻調速系統的增容改造工作，以及DCS控制系統的擴容改造和組態設計工作。
（3）2000年以后，火力發電從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的最節能的風機。在火力發電廠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，即所謂的“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 火力發電廠風機變頻調速節能控制原理
2.1 火力發電廠風機概述
風機是火力發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電量的2％左右。隨著火電機組容量的增大和環保排放標準提高，火力發電廠鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產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濟運行，火力發電廠風機的功率消耗約占機組發電量的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電廠運行工藝要求，運行效率高，調節性能好，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速性能差，二是運行點偏離風機的最高效率點。我國現行的火電設計規程SDJ—79規定，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的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通常總是把系統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％是比較常見的現象。
一般在鍋爐風機容量設計時，單側風機運行時具備帶75％負荷運行的能力，這主要是從機組運行的安全性出發的；當失去一側送引風機時，機組還能帶75％的負荷運行。所以當雙側風機運行，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%，這也是從風門調節的靈敏度出發來考慮的。這就為風機的變頻調速節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%的節電率。
火力發電廠鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調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，采用風門調節的風機，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。對于采用調節門調節風量的風機，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系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門消耗掉的。因此，改進葉片式風機的調節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已經普遍采用的高壓變頻器，對風機電動機進行調速控制，從而實現對風量的調節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節中的能量損失節約下來。
2.2 不同類型風機性能的區別
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軸流式風機的性能曲線。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＋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。
圖2所示是典型的動葉可調軸流式風機的性能曲線。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＋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。
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節門的最大開度處，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（鍋爐滿負荷連續運行點）在低效率區，變工況時效率則更低，其平均運行效率比動葉可調的軸流風機要低得多。如采用轉速調節，可將風門開到最大，使風機在高效區運行，而通過改變風機的轉速達到控制風量的目的，風機將在很大的范圍內維持高效運行，從而達到節能的目的。
而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。鍋爐設計點（TB）與最大連續運行工況點（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，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轉速調節外的風機最佳調節方式。因而動葉可調的軸流式風機也是目前火力發電廠最節能的風機。
如采用轉速調節，可將風機的安裝角固定在高效區，而通過改變風機的轉速達到控制風量的目的，風機將在很大的范圍內維持高效運行，從而達到節能的目的。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。
由于絕大部分風機都采用風門擋板和葉片角度調節流量，造成大量的節流損耗，所以風機若采用轉速調節，具有巨大的節能潛力。直到上世紀七十年代，都采用機械調速或滑差電機調速，但這都屬于低效調速方式，仍有較大的能量損耗，并且驅動功率受到限制；到上世紀八十年代，開始采用液力耦合器調速，并且突破了驅動功率的限制，向大功率方向發展，但它與滑差電機調速一樣，也屬于低效調速方式，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展，變頻器很快占領電動機調速市場，并向高壓領域發展，使采用高壓電動機驅動的風機水泵進行變頻調速節能改造成為可能。進入新世紀以來，國產高壓變頻器生產企業如雨后春筍般的涌現，并且其質量和可靠性直迫進口產品，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逐步取代進口產品并占領了市場優勢。發電廠風機變頻調速節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動的風機，最后是靜葉調節風機和動葉可調的軸流式風機。
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