变频调速节能技术讲座（七）

    第五节  发电厂引增合一风机节能改造

       1 概述

    发电厂锅炉的送风机、引风机、一次风机和增压风机的总耗电率达2%左右，占电厂发电厂用电率的30%以上。降低其能耗是发电企业提升经济效益和社会效益的重要途径之一。

近年来，随着国内其他发电集团公司火力发电机组节能降耗力度的不断加大，超（超）临界机组的大规模投产，华能集团公司供电煤耗和发电厂用电率指标领先的压力增大。为实现华能集团公司火力发电机组主要技术经济指标和主力机型能耗指标达到行业领先的目标，在集团公司正确领导和组织安排下，全公司各电厂及西安热工院进行了大量卓有成效的节能降耗工作，并制定出了“华能火力发电机组节电技术导则”，提出了通过试验确定风机改造设计参数；合理选取风机裕量和风机型式，使之与锅炉风烟系统相匹配；对现有风机进行局部改造；改造不合理的管道布置和阻力超常规的设备；通过改变电动机级对数，降低风机转速或改成双速电机，以及对离心式风机和静叶调节轴流式风机经过论证后采用变转速调节（变频或其它变速装制），以适应实际系统阻力和提升低负荷时的风机运行效率；优化运行控制等节能改造方法。取得了显著的效益。目前发电厂风机能耗的下降空间己很小，以上各种风机单独的可行节能措施很难达到使厂用电下降0.1个百分点。

    随着国家环保政策的进一步落实，火电厂普遍开展脱硝、除尘、脱硫等设备改造工作，而与之相配套的风机也需进行相应改造。经对20余个电厂风机节能改造方案的研究分析以及10余台机组改造结果证明，按以往风机选型设计方法选取风机的绝大多数电厂，引、增压风机合一的节能改造方案最佳。可取得厂用电率下降0.2个百分点左右的显著节电效果和一定的其它经济效益，同时引风机与增压风机合一还可提高发电机组的运行安全性，是火电厂可以进行大力推广的节能措施之一。

    2 引增压风机合一改造节电的理论基础

    发电厂锅炉风机属通风机范畴，其消耗功率由下式计算。



    式中：P：风机消耗功率（kW） q：风机流量（m³/s）  p：风机压力（kPa）

                kp：压缩修正系数            η_f：风机轴效率           η_d：原动机效率

                η_b：变速系统效率

    由上式可见，风机耗功主要决定于风机的流量、压力（全压升）和风机、原动机（电动机或其它提供风机动力的机械如汽轮机）及变速设备（若有，如变频器、液力耦合器）的运行效率。风机的流量和压力取决于锅炉风、烟系统的需要，风机、原动机及变速设备的运行效率则取决于设备本身的设计效率和工作时的负荷系数。因此，要降低锅炉风机的能耗，需从两个方面入手。一是在保证锅炉燃烧需要的前提下尽可能降低风机的流量和系统阻力：二是设法提高风机以及驱动装置的实际运行效率。引、增压风机合一可在此两个方面取得效果。

    （1）引风机与增压风机合一，取消增压风机后，可简化引风机出口至脱硫系统入口间的烟道布置（如减少弯头、异形件数量和烟道长度），降低烟气系统阻力，从而降低风机耗电。

    特别是，我国相当一部分机组的脱硫系统是在投产后添加的，因受到现场场地的限制，往往存在烟道曲折、弯头过多等问题，系统的阻力更大，引风机出口至脱硫系统入口的阻力，一般在400~600Pa，极端情况可能高达800Pa以上，取消增压风机后通过烟道优化设计，该段烟道系统阻力下降空间较大。

    （2）迄今为止，由于种种原因，绝大多数电厂的引风机和增压风机均不同程度的存在与所在烟气系统不匹配的问题，致使实际运行工况点偏离风机高效区，实际运行效率偏低，通过引风机与增压风机合一改造（需经现场试验确定合理选型设计参数和正确选型），可提高风机实际运行效率。

    （3）引风机与增压风机合并后，由于其压力高，所需转速较高，驱动功率较大，如1000MW机组，其驱动电动机容量可达8000kW以上。对于异步电动机，转速高功率大时效率也高些。对于有条件的电厂（如有供热负荷的电厂，采用背压式汽轮机驱动，利用其排汽供热），经可行性论证后，可采用小汽轮机驱动合一的引风机，进行变转速调节，还可提高低负荷时的风机运行效率。

    3 引风机与增压风机合一改造可提高机组运行安全性

    （1）取消了增压风机，减少了大型转动设备的运行，从而减少了故障点，可提高机组运行安全性。同时也减小了设备维护工作量和维修费用。

    （2）随着环保政策的进一步深入，脱硫系统旁路烟道将取消。而我国除1000MW机组一台锅炉配备两台增压风机外，其它容量机组基本上一台锅炉均只配一台增压风机，而引风机均是一台锅炉配两台。当脱硫系统旁路烟道取消或封堵后，一旦配备单台增压风机出现故障，则需停运整个发电机组。实施引增压风机合一改造后，即便有一台引风机故障停运，仍可单台引风机带60%以上负荷运行，避免了停运整个机组。提高了机组运行的安全可靠性，同时也提升了经济性。

    4 引、增压风机合一改造对锅炉烟气系统运行的影响

    4.1 正常运行情况

    引风机、增压风机合并改造后，引风机流量不会改变，引风机的压力为原引风机与增压风机压力之和。

    在正常运行时，引风机入口压力与合并前相同，对引风机前的烟气系统和炉膛运行压力无影响。引风机的运行控制与合并前相同，同样是跟踪锅炉炉膛压力。

    引风机出口压力为引风机出口至烟囱入口整个烟气系统（包括脱硫设备）的总阻力（脱硫系统旁路封死、烟囱自拨力忽略情况）。由于引、增压风机合并前，从引风机出口至增压风机入口之间的烟道基本处于微负压状态运行，而合并后此段烟道将承受较大正压力（由脱硫系统及此段烟道阻力而定）。因此必须对此段烟道的承压能力进行校核，必要时进行加固处理。

    4.2 极端非正常运行情况

    本节讨论，当机组在最高负荷下运行时，因某种原因引起了锅炉MFT动作，送风机和一次风机全部跳停，而引风机调节失灵又无法停运时的极端情况。

    目前需采用引、增压风机合并的机组均是大型机组，其引风机和增压风机均为轴流式风机。与离心式风机不同，轴流式风机存在较大的失速区域，且在调节叶片角度（动叶调节为动叶的角度）不变的情况下，其压力曲线较陡，流量变化范围较小。当出现上述极端情况时，合并后的引风机在流量减小不多时就将失速，导致风机压力大大降低，因而压力升高有限，不会像离心式风机那样可能升至风机本身可能达到的最高压力。具体升高多少，需根据当时具体运行工况点在风机性能曲线上的位置而定。也不可能造成将风机设计的最大压力全加在引风机入口烟气系统上。因此，我们认为对烟气系统包括锅炉炉膛压力的影响有限，绝大多数机组不可能升至炉膛设计瞬时承压能力8.7kPa（设计压力为5.2kPa时），二合一改造时应具体分析。下面举例说明。

    表1为某电厂1000MW机组引、增压风机合并后的选型参数，图1为所选合并后引风机性能曲线及各运行工况点的位置。  

表1 引风机与增压风机合并后的风机选型及各运行工况点参数

图1 引、增压风机合并后的风机性能曲线及各运行工况点

    从表1和图1可见，当机组在滿负荷（1000MW）运行时，引风机的流量为697.1m³/s，压力为6738Pa（据实测，其中引风机前烟气系统阻力4077Pa，脱硫系统阻力2661Pa），静叶调节轴流风机的调节叶片角度约4°。当锅炉MFT动作，若送、一次风机全跳停而引风机调节机构失灵，调节叶片角度既不能关闭，引风机也不能跳停时，由于送、一次风机的惰走和从炉膛到引风机入口的整个烟道容积很大，引风机的流量不可能瞬时降到0。其运行工况点将沿着图1中的4°压力曲线向小流量方向移动，流量迅速减小、压力迅速升高。但当流量减小到约550 m³/s时，风机压力达到最大，约7600Pa。随即风机失速，压力骤降。即引风机最高压力比滿负荷的正常压力升高了862Pa。但由于流量减小，脱硫系统阻力下降，引风机入口压力将升高更多。按阻力随流量平方关系变化，此时脱硫系统阻力将下降到1656Pa。因而引风机入口压力将升至7600-1656=5944Pa，即比MFT动作前升高了5944-4077=1867Pa。引风机入口瞬时压力将达-5944Pa。不可能给锅炉炉膛的安全带来危害（以往锅炉炉膛的设计压力为5.2kPa，瞬时承載压力为8.7kPa），但需校核引风机入口烟道及除尘器的承压能力。

    5 引、增压风机合一改造工作步骤

    5.1 改前试验

    引、增压风机改前试验，目的是全面了解引风机、增压风机运行状况，即风机风量、风压及运行效率等参数。也要了觪烟风系统阻力特性和脱硫系统阻力特性，为改造提供技术依据。

    5.2 确定设计参数

根据试验数椐确定二合一风机改造设计参数，该环节决定改造成败。确定设计参数时要考虑多重因素，一是要考虑煤质变化的影响；二是考虑脱硝催化剂投入层数的影响；三是考考虑脱硫系统GGH堵塞造成阻力上升及喷淋层投入数的影响，同时也要兼顾考虑空预器阻力变化及漏风率的变化等因素。确保设计参理合理、正确。

    5.3 选型设计

    设计参数提出后，首先要据比转速确定改造风机的型式，动叶调节轴流式和静叶可调轴流式风机。选择风机型式除节电效果和经济性外，还要视现场布置条件、资金来源等因素。从节能角度讲，动调风机优于静调风机。由于合一后，压力大幅升高，一般多采用二级动叶调节风机。选型设计时，重点考虑风机性能与合一后的管网阻力特性相匹配。既要考虑高负荷的运行效率，也要考虑中、彽负荷的运行效率，在留够失速裕度，防止合一后风机出现失速现象的基础上。根据机组负荷系数选取年耗电量最小的风机。

    5.4 电气校核

    引增压风机二合一后，所配的电动机功率可能增大较多，需对原风机配电系统（如启动容量、开关容量、电缆、计量和保护装置等）进行校核。

    5.5 管道优化

    引增压合一风机改造，去掉了增压风机，必须用管道把它连接起来。为达到最佳节电效果，须根据现场管道布置的实际状况，通过流场计算优化确定管道改造方案。

    5.6 风机制造

    风机加工制造的关键是保证风机各部件按设计要求进行，尤其是叶片型线，外壳变型公差以及调节机构和传动组另件的加工精度及平衡质量要严格控制。

    5.7 安装调试

    风机准确安装也是保证风机达到设计性能的重要环节。风机安装时，要严格按设计图纸及技术要求进行，要有专业技术人员现场指导，特别是传动组的安装质量、叶顶间隙、调节叶片的同步性、调节机构的灵活性及稳定性等应严格把关。

    DCS控制方面，由于增压风机取掉了，控制逻辑关系略有变化，需要调整。风机启停、检测及有关保护也得调整。

    5.8 改后试验

    引增压风机二合一改造后，需要进行现场试验，目的是检验其改造效果，同时也是为了总结经验，分析发现不足，为今后进一步提高引增压风机二合一改造效果积累经验。试验内容和步骤可以参照一般的电站风机现场试验的有关规范和要求进行。

    6 引、增压风机二合一改造典型案例

    某电厂1036MW机组的锅炉配置了两台AN42e6(V13+4°)型静叶调节式轴流引风机和两台AN42e6(13+4°) 型静叶调节式轴流式脱硫增压风机。

    6.1 改前风机运行情况

    经现场试验，引风机和增压风机在机组不同负荷下的运行参数分别示于表2和表3。

表2 №2锅炉引风机热态试验主要结果

表3 №2锅炉增压风机热态试验主要结果

 
    从表2和表3可以看出：引风机改前运行效率在30%～70%区域，增压风机改前运行效率在30%～61%区域。运行效率均很低。

    6.2 二合一改造设计参数

    由表2和表3的试验结果经分析研究确定出的引、增压风机二合一的选型设计参数示于表4。

表4 引风机与增压风机二合一改造选型参数表

    6.3 改造方案

    保持现引风机基础不动，更换现引风机的集流器、转子、主机壳、中间轴、联轴器、后导叶组及扩压器等部件，风机叶轮由4250mm减少为3750mm，电机工作转速提高一档，由585r/min增加到745r/min。主轴承装配组、出口膨胀节可利用，电动执行器（电动执行器的基础需要改造）、冷却风机等辅助配套设备也可以利用原风机。

    6.4 改造效果

    项目实施后大幅降低了厂用电率，厂用电率下降0.20-0.28％，优化了电厂的运行指标，增加了发电量；改造后每年可多创造利润645万元，项目的投资在改后运行不到1年即可回收。

    7 引、增压风机二合一改造后烟道系统优化设计实例

    
    7.1 烟道系统优化方案简介

由于合并后需要对引风机出口至脱硫系统GGH或吸收塔入口的烟道进行优化改造，我们根据工程经验提出了四种改造方案。

方案1：保留增压风机及全部烟道，只利用钢制圆锥段代替增压风机叶轮部分，如图2所示。

图2 方案1烟道改造示意图

方案2：保留主体烟道不动，将原有增压风机从进气箱至扩压筒全部拆除，利用方形烟道在原有增压风机基础上对原增压风机进出口管道进行连接，如图3所示。

图3 方案2烟道改造示意图

方案3：将原有增压风机以及增压风机进口烟道全部拆掉，在引风机出口汇总水平烟道的一段接出烟道向下与原有GGH入口烟道汇合，如图4所示。

图4 方案3 烟道改造示意图

方案4：将原有增压风机以及增压风机进口烟道全部拆掉，将B引风机出口底面出口直烟道延长与原有GGH入口烟道汇合，A侧引风机的出口烟气通过引风机出口汇合水平烟道与B引风机出口烟气汇合，如图5所示。

图5 方案4烟道改造示意图

    7.2烟道系统优化效果分析

由于4种烟道改造方案的思路不同，所以其烟道阻力也有很大差别。为了进一步对比烟道优化效果，在相同条件下对四种方案的烟道流场情况进行数值模拟进行，并给出了相对烟道阻力，4种优化方案压损计算结果比较见表5：

表5 四种优化方案压损计算结果比较

由表5可以看出，方案一由于没有对原有烟道进行优化，所以阻力最大。而方案三和方案四的烟道阻力情况比较理想。阻力偏差主要来自于流场中的流动旋涡。

    8 结论

（1） 从理论分析和实践结果都证明了引风机与增压风机二合一的风机系统改造可以取得显著的节能效果，是最佳节能改造方案之一。并可提高机组的安全运行可靠性，值得在火电厂推广应用。

（2）引、增压风机二合一改造后，正常运行时不会造成引风机入口烟气系统负压力增加，但需对引风机出口至增压风机入口间的烟道承压能力进行校核。在机组滿负荷运行时，因某种原因导致锅炉MFT动作，送、一次风机全部跳停，而又遇引风机调节机构失灵无法关闭，且引风机又无法跳停的极端情况下，引风机入口负压力将升高。但由于轴流风机的失速特性，其升高有限，绝大多数不可能升至锅炉炉膛内爆的压力（8.7kPa），但可能需对引风机入口段烟道及除尘器的承压能力进行校核。

（3）引、增压风机合一改造为一系统工程，不但要对风机进行匹配优化设计，而且对风（烟）道系统也要同时进行优化设计，方能取得最佳节能效果。改造后的引风机一般都采用变频调速控制，进一步发挥其节能效果。

    （4）引风机、增压风机二合一改造以前，一般都已采用变频器调速控制，在引增合一改造以后，由于风机功率大大增加，原有的变频器已经不能使用，必须更换更大容量的高压变频器驱动，而且对变频器的控制功能和可靠性要求也就更高了。因为改造前当引风机故障时，可让增压风机提高出力来弥补；同样当增压风机故障时也可以通过引风机的出力加以弥补。引增合一改造后，取消了增压风机，只有引风机一台风机了（对于一侧风机来讲，一般锅炉均采取双侧风机设计），所以对其的可靠性要求也就大大提高了。