益陽(yáng)電廠300 MW機(jī)組排粉風(fēng)機(jī)節(jié)能改造研究＊*

左寧心，舒 展，王良超

(1.中國(guó)國(guó)電益陽(yáng)發(fā)電有限公司，湖南 益陽(yáng) 413000;2.湖北省電力建設(shè)第二工程公司，湖北 武漢 430030)

目前，國(guó)產(chǎn)300 MW機(jī)組中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)普遍采用離心風(fēng)機(jī)作為排粉風(fēng)機(jī)，但實(shí)際運(yùn)行中離心風(fēng)機(jī)效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機(jī)及拖動(dòng)電機(jī)選型偏大，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。我國(guó)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程(DL5000—94)明文規(guī)定:中間儲(chǔ)倉(cāng)式燃煤鍋爐的排粉風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度為5%至10%，風(fēng)壓裕度為10%至15%。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到管網(wǎng)的阻力及長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)值。但風(fēng)機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。這樣，火電廠排粉風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20%至30%是比較常見的。風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。因此，根據(jù)火電廠實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)量及風(fēng)壓參數(shù)所需，定制個(gè)性化高效排粉風(fēng)機(jī)，是風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗最有效的途徑之一［1－4］。

1 設(shè)備概述

國(guó)電益陽(yáng)電廠2×300 MW機(jī)組鍋爐制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配4臺(tái)鋼球磨煤機(jī)，型號(hào)為MTZ3570型，配4臺(tái)型號(hào)為M6－31－11NO21D的排粉風(fēng)機(jī)和對(duì)應(yīng)的細(xì)粉分離器、給煤機(jī)等設(shè)備。系統(tǒng)流程如圖1所示［5］。排粉機(jī)及電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 鍋爐制粉系統(tǒng)流程圖Fig.1 Boiler coal pulverizing system

表1 排粉機(jī)及電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameter of powder ejector and electric machine

正常運(yùn)行中排粉機(jī)電流為60～72 A，平均為66 A左右，出力偏大、制粉單耗偏高(為29～31 kWh/噸煤)，高出中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)電耗20%～30%，有較大的節(jié)能降耗空間。

2 改造前試驗(yàn)

2009年8月，國(guó)電益陽(yáng)電廠委托國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院北京電力技術(shù)研究分院對(duì)2×300 MW機(jī)組中運(yùn)行電流最低的1C排粉風(fēng)機(jī)分別在入口擋板門開度為100%，80%，60% 時(shí)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試并記錄有關(guān)鍋爐運(yùn)行參數(shù)。測(cè)量?jī)?nèi)容有風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口靜壓;風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口溫度;風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口動(dòng)壓;風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率參數(shù);再循環(huán)風(fēng)量、再循環(huán)風(fēng)壓及再循環(huán)風(fēng)溫度;3次風(fēng)靜壓。通過(guò)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量，評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)與制粉系統(tǒng)的匹配性和風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性，為風(fēng)機(jī)的改進(jìn)提供依據(jù)。測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 排粉風(fēng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Summary test data of powder exhausting fan

由表2測(cè)試結(jié)果可知，隨著排粉機(jī)入口擋板開度由100%減小到65%，排粉機(jī)流量略有減小，由33.3 m3/s降低到32.7 m3/s;排粉機(jī)入口靜壓降低，由－5240 Pa降低到－4325 Pa;入口擋板前后壓差增大，由260 Pa增加到2385 Pa;風(fēng)機(jī)的效率下降，由71.0%降低到64.3%?？偟膩?lái)說(shuō)風(fēng)機(jī)效率不高，風(fēng)機(jī)效率在70%左右。

從運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，額定300 MW負(fù)荷時(shí)在3臺(tái)磨運(yùn)行的情況下，1次風(fēng)率約為30%，2次風(fēng)率約為50%，3次風(fēng)率約為20%。1次風(fēng)率和3次風(fēng)率都偏大，造成爐內(nèi)組織燃燒的2次風(fēng)量比例偏小，爐內(nèi)燃燒組織較為困難。此時(shí)為穩(wěn)定燃燒，運(yùn)行操作人員不得不在循環(huán)風(fēng)門開度(最大達(dá)80%，低負(fù)荷時(shí)最大為全開)加大3次風(fēng)，浪費(fèi)了排粉風(fēng)機(jī)的出力。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)電益陽(yáng)電廠2×300 MW機(jī)組排粉機(jī)設(shè)計(jì)出力偏大，效率偏低。通過(guò)多次試驗(yàn)及計(jì)算，風(fēng)溫100℃時(shí)，選用風(fēng)量及全壓分別為 105 km3/h(29.17 m3/s)、11 kPa 的排粉風(fēng)機(jī)適宜，而風(fēng)機(jī)的保證效率為80%以上。

3 選型及計(jì)算

3.1 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)風(fēng)機(jī)選型計(jì)算，介質(zhì)溫度為100℃、介質(zhì)密度為0.93 kg/m3、風(fēng)量為105 km3/h(TB)、全壓為11 kPa、轉(zhuǎn)速為1490 rpm時(shí)，可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)的一階比轉(zhuǎn)速為ns=32。根據(jù)此比轉(zhuǎn)速可選用M6－29系列風(fēng)機(jī)作為改造后的基礎(chǔ)模型，該模型風(fēng)機(jī)具有效率高、性能曲線平坦、耐磨損、工作穩(wěn)定好等的特點(diǎn)。在此模型基礎(chǔ)上，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為單吸入式、錐形前盤、后彎雙圓弧葉片(推薦葉片數(shù)量Z=10、出口角度β2=45°)、葉輪有效直徑D= Φ1990 mm(可由公式D=28.87/n×pst1/2初步計(jì)算，式中n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min;pst為用戶要求靜壓，Pa;D為輪轂直徑，m)額定工況下，風(fēng)機(jī)效率設(shè)計(jì)為82%。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，風(fēng)機(jī)的具體型號(hào)定為M6－29－NO19.9D。為提高風(fēng)機(jī)的耐磨性，葉輪、蝸殼均采用鑲崁陶瓷進(jìn)行防磨，為便于葉輪拆裝，蝸殼設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)，與進(jìn)、出口管道均采用法蘭連接［2－3］。

風(fēng)機(jī)的特性曲線及選型報(bào)告見圖2和表3～表4。

圖2 離心風(fēng)機(jī)性能曲線Fig.2 Performance curve of centrifugal fan

表3 離心風(fēng)機(jī)選型報(bào)告Table 3 Centrifugal fan model selection report

表4 風(fēng)機(jī)性能表Table 4 Performance of fan

3.2 功率計(jì)算

(1)設(shè)計(jì)參數(shù)下風(fēng)機(jī)有效功率Nyx=Q×H=(105×1000/3600)×11000=321 kW，式中Q和H分別為設(shè)計(jì)參數(shù)下風(fēng)機(jī)的的流量及全壓。但考慮到實(shí)際運(yùn)行中介質(zhì)溫度要低于100℃，且全壓為11000 Pa時(shí)應(yīng)考慮到介質(zhì)的壓縮性即馬赫數(shù)，因此風(fēng)機(jī)實(shí)際有效功率應(yīng)比計(jì)算有效功率要小。經(jīng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)單位計(jì)算該風(fēng)機(jī)實(shí)際有效功率應(yīng)在310 kW左右。

(2)風(fēng)機(jī)軸功率 Nz=Nyx/η =310/0.82=378 kW，式中η為風(fēng)機(jī)效率(對(duì)于后向式葉片風(fēng)機(jī)的效率一般為 0.8～0.9，本風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)效率為82%)。

(3)配套電機(jī)功率

電機(jī)功率N=k×Nz/ηm，式中k為電機(jī)容量的儲(chǔ)備系數(shù)，由表3選k=1.08;ηm為機(jī)械傳動(dòng)效率，由表4選ηm=0.98(所設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直聯(lián)傳動(dòng))，則 N=1.08 × 391/0.98=431 kW［6－8］。

3.3 配套電機(jī)選型

上世紀(jì)末至本世紀(jì)初，YFQF，YFSK，YFKK 6KV系列火電設(shè)備風(fēng)機(jī)專用三相異步電動(dòng)機(jī)在國(guó)產(chǎn)常規(guī)火力發(fā)電廠普遍使用。其中YFKK 6KV系列電機(jī)在益陽(yáng)電廠得以廣泛應(yīng)用，且多數(shù)同型設(shè)備均配有2～3臺(tái)備用電機(jī)。根據(jù)表5，可以選用YFKK4004－4型電機(jī)，該電機(jī)功率為450 kW、額定電流53.6 A、功率因數(shù)為0.86、許用負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 415 kg·m2［9］

表5 電機(jī)容量的儲(chǔ)備系數(shù)kTable 5 Reserve coefficient of electric machine capacity

表6 機(jī)械傳動(dòng)效率ηmTable 6 Transmission efficiency of machine

4 改造后風(fēng)機(jī)效率測(cè)試

2010年6月A級(jí)檢修期間，益陽(yáng)電廠對(duì)2 A排粉機(jī)進(jìn)行了換型(保留型號(hào)為YFKK500－4、功率為710KW的老電機(jī)，將風(fēng)機(jī)換成 M6－29－NO19.9D型號(hào))改造。同年10月，委托湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司在機(jī)組負(fù)荷為300 MW、排粉機(jī)入口擋板開度為100%、再循環(huán)風(fēng)門開度為23.4%的情況下，對(duì)2 A排粉機(jī)進(jìn)行了效率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示在正常出力工況下，2 A排粉機(jī)電流為52 A、風(fēng)機(jī)效率為83%，在最大出力工況下，電流為53 A、風(fēng)機(jī)效率為81%(改造前2 A排粉機(jī)正常運(yùn)行電流為68 A，其他排粉機(jī)電流在70 A左右)，排粉機(jī)改造后的工作電流下降了16 A。

2010年11月，利用停機(jī)檢修機(jī)會(huì)，將2 A排粉機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)由YFKK500－4型、710KW更換成YKK4502－4、560 KW，同時(shí)在正常工況及最大出力工況下記錄風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電流分別為47，49 A，比電機(jī)更換前下降了5 A左右。由此可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率越接近設(shè)計(jì)所需功率(431 kW)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電流亦越小，但減小的幅度變小(預(yù)計(jì)采用YFKK4004－4，450 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，工作電流應(yīng)該在45 A左右)，考慮到節(jié)能值與電機(jī)采購(gòu)成本，使用淘汰下來(lái)的YKK4502－4，560 kW電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，比較經(jīng)濟(jì)適用［10－11］。

5 改造后風(fēng)機(jī)節(jié)能分析

2A排粉風(fēng)機(jī)改造前風(fēng)機(jī)所消耗有效功率Nxh=×U×I×cosψ=×6×68×0.86=607 kW(改造前運(yùn)行電流為68 A)，風(fēng)機(jī)換型改造后，電機(jī)消耗有效功率Nxh=×U ×I×cosψ可以算出Nxh=×6×47×0.86=420 kW(式中U為電壓、I為電流、ψ為功率因數(shù)角、cosψ為功率因數(shù)選0.86)。則風(fēng)機(jī)改造前后所節(jié)省的功率為Njs=607－420=187 kW，則每小時(shí)節(jié)約廠用電量W=187度電，折合成人民幣37.4元。益陽(yáng)電廠共計(jì)8臺(tái)同型號(hào)的排粉風(fēng)機(jī)，按年利用5000 h計(jì)算，則每年可節(jié)省廠用電187×5000×8=748萬(wàn)度，折合成人民幣150萬(wàn)元。按每臺(tái)排粉風(fēng)機(jī)改造費(fèi)用15萬(wàn)元計(jì)算則共計(jì)需要15×8=120萬(wàn)元，改造后不到1年即可全部收回成本。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在運(yùn)行中試驗(yàn)并測(cè)量系統(tǒng)各相關(guān)參數(shù)，獲得為益陽(yáng)電廠排粉機(jī)及電機(jī)選型改造的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出節(jié)能改造方法，實(shí)際運(yùn)行表明所提出的節(jié)能改造方法正確可行，節(jié)能效果明顯。

表7 YFKK系列(6 kV)IP44、IP54(空冷)Table 7 YFKK series(6 kv)IP44 IP54(Air－cooling)

［1］孫 研.通風(fēng)機(jī)選型實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.SUN Yan.The ventilator selection for manual［M］.Beijing:China Machine Press，2000.

［2］商景泰.通風(fēng)機(jī)實(shí)用技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.SHANG Jing-tai.The ventilator applicable technical manual［M］.Beijing:China Machine Press，2005.

［3］續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.JI Kui-chang.Fan manual［M］.Beijing:China Machine Press，1999.

［4］DL/T 468—2004，電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則［S］.DL/T 468—2004，Guide for type selection and application for power boiler fans［S］.

［5］劉 洪，柴桂森，唐軍生.柳電公司鍋爐排粉風(fēng)機(jī)改造［J］.廣西電力，2002，25(4):30 －31.LIU Hong，CHAI Gui-sen，TANG Jun-sheng.Boiler row powder transformation fan in liu electricity company［J］.Guangxi Electric Power，2002，25(4):30 －31.

［6］孔 煜.風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)適用手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)知識(shí)出版社，2006.KONG li.Fan type design，applicable manual［M］.Beijing:Chinese Knowledge Press，2006.

［7］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(5版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.CHENG Da-xian.Handbook of mechanical design，Sth E-dition［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2008.

［8］李建峰，呂俊復(fù)，張 海，等.排粉風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)特性研究［J］.流體機(jī)械，2008，36(2):22－26.LI Jiang-feng，LU Jun-fu，ZHANG Hai，et al.Research on characteristic of particle－gas two－phase flow inside the coal － powder exhauster.［J］.Fluid Machinery，2008，36(2):22 －26.

［9］文鳴明.M9－26排粉風(fēng)機(jī)節(jié)能改造［J］.青海電力，2008，27(2):36 －37.WEN Ming-ming.Reform for energy saving of M9－26 powder exaust fan ［J］.Qinghai Electric Power，2008，27(2):36－37.

［10］孫長(zhǎng)輝，劉正先，王 斗，等.蝸殼變型線改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)性能的研究［J］.流體機(jī)械，2007，35(4):1－5.SUN Chang-hui，LIU Zheng-xian，WANG Dou，et al.Investigation on the performance influence of centrifugal blower by changing the volute type［J］.Fluid Machinery，2007，35(4):1 －5.

［11］孫龍彪，劉新利，石瑞興.電站鍋爐排粉風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005(1):15－18.SUN Long-biao，LIU Xin-li，SHI Rui-xing.Energy － saving and transformation of dust exhausting fan for boiler in power plant［J］.Compressor Blower and Fan Technology，2005(1):15 －18.