電站鍋爐風(fēng)機(jī)能耗偏高的原因與節(jié)能改造方案的分析

董琨，謝建文，周克毅

(1.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025;2東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

0 引言

在火力發(fā)電機(jī)組中，鍋爐風(fēng)機(jī)(送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī))運(yùn)行電耗是機(jī)組廠用電的主要組成部分。由于風(fēng)機(jī)選型、調(diào)節(jié)方式選擇以及系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)等方面存在問(wèn)題，使各機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗差異較大。在通常情況下，鍋爐風(fēng)機(jī)所耗電能占機(jī)組發(fā)電量的1%～3%，占機(jī)組廠用電的20% ～50%，這些因素已成為火電機(jī)組節(jié)能改造的重點(diǎn)。本文基于5臺(tái)機(jī)組的鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，針對(duì)目前風(fēng)機(jī)運(yùn)行中能耗較高的現(xiàn)狀，分析了影響鍋爐風(fēng)機(jī)能耗高的原因，提出了風(fēng)機(jī)節(jié)能改造的初步方案，為風(fēng)機(jī)的實(shí)際改造設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 5家發(fā)電廠(5臺(tái)機(jī)組)鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

表1給出了各機(jī)組的功率和鍋爐風(fēng)機(jī)的類型及調(diào)節(jié)方式。表1中TC廠機(jī)組為超臨界600 MW機(jī)組，其余均為亞臨界機(jī)組。SH廠300 MW機(jī)組為供熱機(jī)組，為便于比較分析，后續(xù)分析或計(jì)算數(shù)據(jù)均取自于機(jī)組不供熱工況。表2列出了各廠機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)鍋爐風(fēng)機(jī)的能耗率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是由現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，數(shù)值等于風(fēng)機(jī)的耗電量與機(jī)組發(fā)電量的比值，反映了風(fēng)機(jī)電耗占機(jī)組發(fā)電功率的份額。表1中各風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗率為實(shí)際運(yùn)行風(fēng)機(jī)的能耗率之和，例如，有2臺(tái)送風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行，則送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗率就為2臺(tái)風(fēng)機(jī)的能耗率之和;鍋爐風(fēng)機(jī)總能耗率為鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)所有3種風(fēng)機(jī)的能耗率之和，5家發(fā)電廠各機(jī)組滿負(fù)荷工況下鍋爐風(fēng)機(jī)能耗率見(jiàn)表2。

表2中的能耗率數(shù)據(jù)表明，各廠鍋爐風(fēng)機(jī)總能耗率差異較大，最大值為最小值的2倍以上;同一種風(fēng)機(jī)的能耗率差異也非常明顯，如PS廠送風(fēng)機(jī)的能耗率比NH廠要高出2倍以上。這些差異說(shuō)明這5臺(tái)機(jī)組中有不少風(fēng)機(jī)能耗過(guò)高，需要深入分析能耗偏高的原因，確定導(dǎo)致能耗過(guò)高的主要因素，由此確定合適的風(fēng)機(jī)改造方案，為現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。

2 風(fēng)機(jī)能耗率高的原因分析

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗主要與風(fēng)機(jī)本體效率、系統(tǒng)管路特性和運(yùn)行調(diào)節(jié)方式有關(guān)，另外還與電動(dòng)機(jī)效率和傳動(dòng)效率有關(guān)，本文重點(diǎn)分析前面3種因素對(duì)能耗的影響。

2.1 風(fēng)機(jī)本體效率的影響

風(fēng)機(jī)性能參數(shù)主要有效率、全壓、軸功率，三者的關(guān)系一般可表示為

式中:η為風(fēng)機(jī)效率;Pe為風(fēng)機(jī)的輸出功率(即有效功率)，kW;P為風(fēng)機(jī)的輸入功率(即軸功率)，kW;qV為風(fēng)機(jī)流量，m3/s;p為風(fēng)機(jī)全壓，Pa。

由式(1)可知，當(dāng)輸出功率或流量和全壓確定后，風(fēng)機(jī)效率的高低直接反映了軸功率的大小，成為影響風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗率的重要因素。風(fēng)機(jī)類型的不同會(huì)帶來(lái)風(fēng)機(jī)效率的不同，工作點(diǎn)的改變也可能致使風(fēng)機(jī)效率的變化。風(fēng)機(jī)技術(shù)規(guī)范中給出的效率通常是風(fēng)機(jī)的最高效率，在(0.85 ～0.90)ηmax的流量區(qū)域稱為“高效工作區(qū)”。表3給出了各廠3種風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷工況下的效率偏差相對(duì)值，所有計(jì)算均以各風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量BMCR(BoilerMaximum Continuous Rating)工況設(shè)計(jì)效率為基準(zhǔn)值，即以該工況下的效率為最高效率。表3中用黑體數(shù)字標(biāo)出了不在高效工作區(qū)的效率相對(duì)偏差，即實(shí)際滿負(fù)荷工作點(diǎn)的效率已超出(0.85～0.90)ηmax的流量范圍。表3中數(shù)據(jù)表明:

表1 5家發(fā)電廠風(fēng)機(jī)類型及調(diào)節(jié)方式

表2 5家發(fā)電廠各機(jī)組滿負(fù)荷工況下鍋爐風(fēng)機(jī)能耗率 %

表3 5家發(fā)電廠機(jī)組滿負(fù)荷工況下鍋爐風(fēng)機(jī)效率相對(duì)偏差 %

(1)NH廠的3種風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)均能在高效區(qū)運(yùn)行，B側(cè)引風(fēng)機(jī)偶然偏離高效工作區(qū)。

(2)PS電廠的送引風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作點(diǎn)均嚴(yán)重偏離高效工作區(qū)。

(3)SH和TC電廠的送風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作點(diǎn)在高效工作區(qū)之外，后者更明顯。

(4)TS電廠引風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作點(diǎn)全部在高效工作區(qū)之外。

為降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗率，對(duì)于那些已經(jīng)超出高效工作區(qū)的風(fēng)機(jī)，應(yīng)該從風(fēng)機(jī)類型、風(fēng)機(jī)容量、風(fēng)機(jī)性能等多方面深入分析風(fēng)機(jī)效率低的原因，確定合理的改造措施。如圖1所示，PS廠引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，致使最高運(yùn)行效率僅為50%左右，遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)值(85%)，因而能耗率急劇增大。

2.2 風(fēng)機(jī)管路系統(tǒng)阻力特性的影響

當(dāng)流量一定時(shí)，風(fēng)機(jī)全壓的大小與風(fēng)機(jī)所連接的管路阻力特性有關(guān)，在工作點(diǎn)上風(fēng)機(jī)的全壓正好等于管路系統(tǒng)的阻力。由式(1)可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)效率和流量一定時(shí)，管路系統(tǒng)阻力的增大同樣會(huì)增加風(fēng)機(jī)的軸功率，從而使風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗增加。

圖2顯示出了TC和NH發(fā)電廠在滿負(fù)荷時(shí)的引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻力特性曲線，實(shí)線為設(shè)計(jì)曲線，虛線為實(shí)際運(yùn)行曲線(2個(gè)廠家同為600 MW機(jī)組，都采用了軸流風(fēng)機(jī))。由圖2可知，2個(gè)廠家的引風(fēng)機(jī)流量相近，但TC發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管路阻力明顯高出NH發(fā)電廠，原BMCR工況管路阻力設(shè)計(jì)值也是如此。2個(gè)廠家引風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷時(shí)的效率差異很小，即風(fēng)機(jī)效率相近。由表2可知，在滿負(fù)荷時(shí)，TC發(fā)電廠的能耗明顯高于NH發(fā)電廠。因此，可以認(rèn)為管路系統(tǒng)阻力偏高是TC發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)能耗高的重要原因之一，在確定改造措施時(shí)必須考慮管路阻力的影響。

2.3 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方式的影響

在5家發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)所采用的調(diào)節(jié)方式有離心風(fēng)機(jī)液力偶合器調(diào)節(jié)、軸流風(fēng)機(jī)靜葉調(diào)節(jié)、軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)。不同調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的影響各不相同，這里以液力偶合器調(diào)節(jié)為例說(shuō)明調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗的影響。

采用液力偶合器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，液力偶合器主要由輸入軸、輸出軸、泵輪、渦輪和調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成。輸入軸一端與動(dòng)力機(jī)相連(如電動(dòng)機(jī)等)，另一端與泵輪相連;輸出軸一端與渦輪相連，另一端與風(fēng)機(jī)相連。泵輪與渦輪對(duì)稱布置，輪內(nèi)設(shè)置不同數(shù)量的葉片，腔內(nèi)填充工作液體以傳遞動(dòng)力。調(diào)節(jié)裝置(如勺管)改變腔內(nèi)液體量調(diào)節(jié)泵輪和渦輪的轉(zhuǎn)速比，從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。泵輪轉(zhuǎn)速總是高于渦輪，兩者之間存在轉(zhuǎn)速差，這是液力偶合器液力傳動(dòng)的必要條件。可以用轉(zhuǎn)差率(也可以稱為滑差)s反映泵輪、渦輪轉(zhuǎn)速相差的程度，其定義為

式中:nB，nT分別為泵輪轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)速;i為轉(zhuǎn)速比。其中

如忽略軸承、密封、空氣摩擦等外部機(jī)械損失，液力偶合器傳動(dòng)效率恒等于轉(zhuǎn)速比，即

由上式可知，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，則液力偶合器調(diào)節(jié)的傳動(dòng)效率就越低。這表明采用液力偶合器調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)該保持較高的轉(zhuǎn)速比，從而獲得較高的傳動(dòng)效率。

SH電廠的一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)均采用液力偶合器調(diào)節(jié)，圖3列出了該廠一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)液力偶合器開(kāi)度隨機(jī)組負(fù)荷變化的曲線。近似認(rèn)為液力偶合器調(diào)節(jié)開(kāi)度與液力偶合器轉(zhuǎn)速比為線性關(guān)系，即認(rèn)為液力偶合器調(diào)節(jié)開(kāi)度百分比近似等于液力偶合器的轉(zhuǎn)速比，由圖3可知，一次風(fēng)機(jī)液力偶合器轉(zhuǎn)速比為0.50～0.65，引風(fēng)機(jī)液力偶合器轉(zhuǎn)速比為0.34～0.58。也就是說(shuō)，實(shí)際運(yùn)行中 SH 發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率最高為65%，引風(fēng)機(jī)最高為58%。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)的分布可知，一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的最高效率約為84%和85%。如果不考慮電動(dòng)機(jī)效率，則SH電廠一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率最高為55%和50%。液力偶合器調(diào)節(jié)開(kāi)度過(guò)小，液力偶合器轉(zhuǎn)速比處于較小值狀態(tài)，從而使傳動(dòng)效率下降，這是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)效率降低、能耗增加的最主要原因。

圖3 SH發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)液力偶合器開(kāi)度隨機(jī)組負(fù)荷變化曲線

因此，在風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中要注意分析調(diào)節(jié)方式對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗的影響，改造方案設(shè)計(jì)中不僅要考慮風(fēng)機(jī)本體性能和系統(tǒng)管路特性的改造，同樣要重視調(diào)節(jié)方式的改造。

3 節(jié)能改造方案

根據(jù)對(duì)5家發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)能耗偏高原因的分析，可初步確定風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造方案。

3.1 PS發(fā)電廠送、引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造

由實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)分布、流量和全壓偏差計(jì)算、系統(tǒng)管路阻力特性可確定風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造方案，PS發(fā)電廠送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)能耗高的主要原因有2點(diǎn)。

(1)原設(shè)計(jì)裕量過(guò)大，致使風(fēng)機(jī)運(yùn)行一直處于低效區(qū)，運(yùn)行效率大幅度下降。

(2)2種風(fēng)機(jī)均為靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)，高效區(qū)范圍較小，一旦實(shí)際工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)較遠(yuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率將更低，在低負(fù)荷情況下，風(fēng)機(jī)的能耗將大幅度升高。

表4列出了PS發(fā)電廠送、引風(fēng)機(jī)可能采用的改造方案。表4中方案1采用了重新設(shè)計(jì)和選型的改造方法，容易實(shí)現(xiàn)節(jié)能的預(yù)計(jì)目標(biāo)，但改造投資較多，涉及的現(xiàn)場(chǎng)改造工作量較大，改造實(shí)現(xiàn)工期較長(zhǎng)。因?qū)嶋H運(yùn)行偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)較遠(yuǎn)，故方案2實(shí)施后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直處于低速運(yùn)行狀態(tài)，特別是在低負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)效率會(huì)明顯下降，不能充分發(fā)揮變速調(diào)節(jié)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。方案3采用了2種調(diào)節(jié)方式，在高負(fù)荷時(shí)可采用靜葉調(diào)節(jié);低負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)半速運(yùn)行，同時(shí)采用靜葉調(diào)節(jié)。方案3具有投資少的優(yōu)勢(shì)，理論上也能降低風(fēng)機(jī)的能耗，但節(jié)能空間不會(huì)很大。在實(shí)際改造中，可以重點(diǎn)從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、投資及回收、可靠性等方面重點(diǎn)比較方案1和方案3，另外還要注意PS發(fā)電廠機(jī)組大部分時(shí)間處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，要重點(diǎn)比較分析低負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)的能耗情況。

表4 PS廠送、引風(fēng)機(jī)可能的改造方案

3.2 SH發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造

SH廠的一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)均為液力偶合器調(diào)節(jié)的離心風(fēng)機(jī)，能耗高的主要原因有4點(diǎn)。

(1)原設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速偏低，在實(shí)際運(yùn)行中，2種風(fēng)機(jī)的液力偶合器開(kāi)度都較小，在實(shí)際運(yùn)行中，液力偶合器傳動(dòng)效率太低。

(2)引風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速更明顯，進(jìn)一步降低了液力偶合器的傳動(dòng)效率。

(3)一次風(fēng)系統(tǒng)管道阻力偏高，增加了一次風(fēng)機(jī)的軸功率。

(4)盡管2種風(fēng)機(jī)的理論效率都在80%左右，但因液力偶合器實(shí)際傳動(dòng)效率太低，致使一次風(fēng)系統(tǒng)和引風(fēng)系統(tǒng)的能耗過(guò)高。

表5列出了SH發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)可能采用的改造方案。表中方案1針對(duì)引風(fēng)機(jī)通過(guò)切削方法減小葉輪外徑，提高引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，從而增大液力偶合器傳動(dòng)效率，在一定程度上提高引風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。從目前運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)看，2種風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率都比較高，可以采用方案2，即采用變頻調(diào)速的方法替代原有的液力偶合器調(diào)速，能夠明顯降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能耗。對(duì)于引風(fēng)機(jī)而言，還可以在變頻調(diào)速改造的同時(shí)采用切削減小葉輪外徑的方案(方案3)，進(jìn)一步減小引風(fēng)系統(tǒng)的能耗率。為減少改造費(fèi)用和縮短改造施工工期，采用變頻調(diào)速改造時(shí)建議保持電動(dòng)機(jī)的原有位置不變;變頻方案設(shè)計(jì)中要詳細(xì)考慮電動(dòng)機(jī)工頻轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)原最高轉(zhuǎn)速之間的匹配，確保變頻調(diào)節(jié)范圍最大。

3.3 TS和TC發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)節(jié)能改造

TS廠和TC發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)能耗高的主要原因是:

(1)引風(fēng)系統(tǒng)管道阻力明顯高于NH發(fā)電廠，特別是TS發(fā)電廠更為明顯，使軸功率趨于增大。

表5 SH發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)可能的改造方案

(2)2家發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)均為靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)，高效區(qū)范圍較小，一旦實(shí)際工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)后風(fēng)機(jī)效率將明顯降低，這一特征在TS發(fā)電廠中表現(xiàn)得更為明顯。

表6列出了TS和TC發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)可能采用的改造方案。表中方案1針對(duì)引風(fēng)系統(tǒng)管路阻力較大的問(wèn)題，從根本上減小風(fēng)機(jī)的功耗。方案2通過(guò)更換小直徑葉輪提高實(shí)際工作點(diǎn)的效率，從而降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能耗。方案3在低負(fù)荷時(shí)將采用低速運(yùn)行的方式，在降低風(fēng)機(jī)軸功率的同時(shí)提高了風(fēng)機(jī)效率。在3種方案中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮方案1實(shí)施的可行性，在此基礎(chǔ)上再考慮其余2種方案的可行性。考慮到靜葉調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)改變頻節(jié)能空間較小，系統(tǒng)管道阻力大是引風(fēng)機(jī)能耗高的最主要原因，所以，在2家發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)可能的改造方案中不建議采用變頻調(diào)節(jié)改造。

表6 TS廠和TC廠引風(fēng)機(jī)可能的改造方案

4 結(jié)論

影響5家發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)能耗高的因素不盡相同，主要有風(fēng)機(jī)本體效率低、系統(tǒng)管路阻力大和運(yùn)行調(diào)節(jié)方式差3個(gè)方面。在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造之前，需先分析、確定影響風(fēng)機(jī)能耗高的主要因素，并根據(jù)這些因素確定風(fēng)機(jī)改造路線，進(jìn)行風(fēng)機(jī)節(jié)能改造評(píng)估和方案論證。

［1］徐常武，彭秀蔓，石雪松.風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力分析及主要對(duì)策(一)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008(1):63－69.

［2］徐常武，彭秀蔓，石雪松.風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力分析及主要對(duì)策(二)［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008(2):61－66.

［3］董凌.電站鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)淺析［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008(4):57－59.