350MW火電站風(fēng)機深度節(jié)能計算分析及應(yīng)用

李麗鋒，張培華 ，趙云凱

(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000； 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036800)

350MW火電站風(fēng)機深度節(jié)能計算分析及應(yīng)用

李麗鋒1，張培華2，趙云凱2

(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000； 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036800)

基于風(fēng)機高壓變頻調(diào)節(jié)方式以及入口擋板調(diào)節(jié)方式的性能曲線、管路特性曲線的性能研究，分析比較了兩種調(diào)節(jié)方式的節(jié)能原理及節(jié)能效果。針對風(fēng)機變頻調(diào)速不同工況下，結(jié)合山西某電廠350MW超臨界機組實際運行數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)速、風(fēng)量法和電壓、電流兩種方法，計算分析節(jié)能效果。經(jīng)計算在不同工況下，各風(fēng)機軸功率值，風(fēng)機差壓、流量下降明顯，實現(xiàn)風(fēng)機的深度節(jié)能，驗證了該方法的有效性。

風(fēng)機調(diào)節(jié)；變頻調(diào)速；深度節(jié)能

火電廠是最主要的能源消耗大戶，在我國的二次能源結(jié)構(gòu)中，約占74%。而在火力發(fā)電廠中，泵和風(fēng)機是最主要的耗電設(shè)備?；谶@些設(shè)備長期連續(xù)運行和常處于低負(fù)荷運行狀態(tài)，而設(shè)備在非滿負(fù)荷運行工況下存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，運行工況點偏離高效點，運行效率降低，大量的能源在終端利用中被白白地浪費[1]。因此，對電廠風(fēng)機進行節(jié)能研究有著突出重要的意義。如果使用變頻器對風(fēng)機進行變速調(diào)節(jié)來控制所需風(fēng)量，就可以將風(fēng)門盡可能地打開，減少節(jié)流損失從而節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本。

通過研究不同調(diào)節(jié)方式下風(fēng)機節(jié)能原理與節(jié)能效果，分析計算擋板和變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量的節(jié)能效果，可以更好地指導(dǎo)風(fēng)機的選型及運行應(yīng)用。

1 風(fēng)機調(diào)節(jié)方式特性分析

離心式風(fēng)機工作原理：當(dāng)葉輪隨軸旋轉(zhuǎn)時，葉片間的氣體也隨葉輪旋轉(zhuǎn)而獲得離心力，并從葉片之間的出口處甩出。被甩出的氣體進入機殼，于是機殼內(nèi)的氣體壓強增高，最后被導(dǎo)向出口排出,排出的高速氣流具有一定的風(fēng)壓[2]。

風(fēng)機的流量調(diào)節(jié)方式直接影響其性能和管路特性，要使風(fēng)機的節(jié)能量達到最大，必須對其特性曲線進行詳細分析。通過性能曲線和管路特性曲線的變化，可以對風(fēng)機的運行狀態(tài)和能量消耗進行較直觀的分析[3]。因此，要準(zhǔn)確預(yù)算使風(fēng)機變頻的節(jié)能效果，必須以接近實際風(fēng)機泵類情況的特性曲線為依據(jù)。

風(fēng)機泵類的性能曲線主要包括：壓力與流量(H—Q)、效率與流量(η—Q)關(guān)系曲線。這2條曲線可分別通過以下曲線擬合函數(shù)得到:

H=k0+k1Q+k2Q2

(1)

η=a0+a1Q+a2Q2

(2)

式中:k0、k1、k2及a0、a1、a2為待定系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品出廠試驗數(shù)據(jù)即可確定風(fēng)機的性能曲線。

風(fēng)機的管路特性曲線由具體的管路系統(tǒng)自然形成，具有固定性。管路曲線方程表達式：

R=c0+c1Q2

(3)

由此，風(fēng)機的性能曲線及管路特性曲線如圖1所示。

圖1 風(fēng)機特性曲線Fig.1 Fan characteristic curve

各種風(fēng)機特性曲線上的每一點都對應(yīng)著一個工況，風(fēng)機的工作點必然是管路特性曲線R—Q與其性能曲線H—Q的交點處[4]。穩(wěn)定工作點必定為風(fēng)機性能曲線單調(diào)下降段與管道阻力特性曲線的交點。為了節(jié)能，往往利用各種調(diào)節(jié)方式，通過改變風(fēng)機特性曲線及工況點達到調(diào)節(jié)目的。當(dāng)風(fēng)機以恒轉(zhuǎn)速運行時，風(fēng)機的工況點將沿H—Q特性曲線移動。風(fēng)機運行時的工況點不僅取決于本身的性能，而且取決于系統(tǒng)的特性，當(dāng)管網(wǎng)阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風(fēng)機調(diào)節(jié)的基本原理就是要通過外加條件來改變風(fēng)機本身的性能曲線或改變外部管網(wǎng)特性曲線，以得到所需的最佳工況。

假設(shè)風(fēng)機以額定轉(zhuǎn)速n1運行時，性能曲線和管路特性曲線分別為P1和R1，則A1點即為風(fēng)機全速運行時工況點，如圖2所示。采用閥門開度調(diào)節(jié)流量時，電機總是全速運轉(zhuǎn)，因此性能曲線不變。當(dāng)減小閥門開度，流量減小到Q2時，系統(tǒng)運行工況點移至A2點，相應(yīng)地管路特性曲線變?yōu)镽2。因此，改變閥門開度實際上就是通過改變管路特性實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的，方法簡單、易操作。

圖2 不同調(diào)節(jié)方式的風(fēng)機運行工況Fig.2 Fan operating conditions of different regulating modes

當(dāng)通過改變風(fēng)機或泵的轉(zhuǎn)速來進行流量調(diào)節(jié)時，由于閥門開度不變，其管路特性不變。如將流量調(diào)節(jié)到Q2時，工況點沿圖2中的管路特性曲線R1的A1移至A3點，相應(yīng)地電機的轉(zhuǎn)速降到n2，即性能曲線下移。因此，改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速實際上是通過改變其性能曲線實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的。

2 風(fēng)機變頻節(jié)能分析

對于離心式風(fēng)機來說，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，可寫作：

Q=K1·n

(4)

風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即：

H=K2·n2

(5)

電動機的軸功率P同Q與H的乘積成正比，即同轉(zhuǎn)速n的立方成正比．即：

P=K3·n3

(6)

風(fēng)機采用節(jié)流調(diào)節(jié)工況如圖3所示，管網(wǎng)阻力曲線R與擋板的開度有關(guān)，隨開度減小，R曲線變得陡峭，消耗功率可由風(fēng)量和風(fēng)壓的面積表示，流量由Q1逐漸減小為50%時，風(fēng)壓反而逐漸上升，從圖中可以直觀看出，軸功率P比調(diào)節(jié)前減少不多，這是因為閥門減小控制流量時，人為地增加了風(fēng)機閥門及管網(wǎng)阻力，使風(fēng)機運行效率降低，運行點偏離運行高效區(qū)，大部分電能被用來克服管道阻力而白白浪費了，存在嚴(yán)重的節(jié)流損失。

圖3 擋板調(diào)節(jié)風(fēng)機運行工況Fig.3 Fan operating conditions through Bezel adjustment

而采用變頻調(diào)節(jié)，風(fēng)機不同轉(zhuǎn)速的性能曲線近似為一組平行曲線，如圖4所示，隨著轉(zhuǎn)速的下降，流量下降的同時風(fēng)壓也隨著下降，因此軸功率下降較多。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制流量時，閥門可全開，管網(wǎng)阻力最小且保持不變，這樣減少了閥門上的壓力損耗。即使在閥門開度不大時其前后的壓差也不大，擋板產(chǎn)生的壓力損耗并不大。因此變頻改造后風(fēng)機節(jié)能效果明顯。

圖4 變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機運行工況Fig.4 Fan operating conditions through frequency conversion adjustment

采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使風(fēng)量減為50%時，從圖5可以看出風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1降至n2，管網(wǎng)阻力曲線R1不變，仍為擋板全開功率，可用風(fēng)量、風(fēng)壓乘積表示，轉(zhuǎn)速降為原來的1/2，而軸功率則減少為額定功率的1/8。采用擋板調(diào)節(jié)減少風(fēng)量為50%時，管網(wǎng)阻力曲線變?yōu)镽2，電機轉(zhuǎn)速n1不變。顯然，陰影面積S就代表二者之差，即可以節(jié)約的功率值。

圖5 風(fēng)機調(diào)速節(jié)能比較Fig.5 Comparisons of the fan speed adjusting and energy saving

當(dāng)風(fēng)機性能曲線逐漸下降，與風(fēng)機管網(wǎng)阻力特性曲線相交于H4，最大壓力與管路靜壓力相等，此時系統(tǒng)已無法克服管路阻力。因此，變頻調(diào)速時風(fēng)機泵類轉(zhuǎn)速不易過低。若電機輸出功率過低，或者工作頻率過度偏移額定頻率，都會使電機效率下降過快，最終都影響到整個機組的效率。為此，制造廠出廠風(fēng)機或泵時都會規(guī)定工作范圍，通常認(rèn)為變頻調(diào)速不宜低于額定頻率20%。

由以上分析可知，通過改變風(fēng)機的電機轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機運行效率，降低風(fēng)機耗電量的有效途徑，節(jié)能效果顯著。

3 轉(zhuǎn)速與風(fēng)量法節(jié)電計算

根據(jù)GB/T 12497—2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》[5]對電機經(jīng)濟運行管理的規(guī)定有如下的計算式，采用擋板調(diào)節(jié)流量對應(yīng)電動機輸入功率Pi1與輸出流量Qi的關(guān)系為：

(7)

式中：P0為風(fēng)機額定功率，kW；Q0為風(fēng)機額定風(fēng)量，104m3。

根據(jù)上述分析可得采用變頻調(diào)節(jié)電機可得功率Pi2與流量Qi的關(guān)系為：

(8)

山西河坡發(fā)電公司350 MW超臨界變壓運行直流爐形式為DG1184/25.31-Ⅱ，單爐膛、半露天M型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式，該機組引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機電機參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機電機參數(shù)Table 1 Parameters of fan motor

以該機組1號爐實際運行數(shù)據(jù)對其引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機進行節(jié)電計算，記錄實際運行不同工況下的流量Qi和轉(zhuǎn)速ni(i=1,2,…,6)，以及對應(yīng)的工作時間百分比ti，記錄數(shù)據(jù)見表2。

表2 運行數(shù)據(jù)平均值Table 2 Average value of operating data

注：表2中Q引、Q一、Q二分別為對應(yīng)引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機風(fēng)量，104m3/h；n引、n一、n二為對應(yīng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，r/min；ti為各負(fù)荷段運行時間百分比，%；Pi為負(fù)荷，MW。

采用變頻調(diào)節(jié)電機相對采用擋板調(diào)節(jié)電機年節(jié)約電量E計算如下：

(9)

E總=2×(E引+E一+E二)

(10)

式中：E為節(jié)約電量，kW·h；ni為對應(yīng)轉(zhuǎn)速，r/min；ti為對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的工作時間百分比，%；T為發(fā)電機一年工作時間，h。

將各風(fēng)機不同工況下計算出的工變頻功率差值做曲線如下圖6所示。結(jié)合計算出的功率各值，可以看出，各風(fēng)機差值隨著負(fù)荷的升高，差值逐漸變小，風(fēng)機變頻出力越大，越接近工頻狀態(tài)。因此，采用變頻風(fēng)機在負(fù)荷較低時節(jié)能效果越好。但受管網(wǎng)阻力和風(fēng)機效率限制，頻率值不能過低，通常在20%以上，風(fēng)機運行在所需風(fēng)量較小時，應(yīng)采用低頻率和擋板共同調(diào)節(jié)。

圖6 風(fēng)機工變頻運行功率差值曲線Fig.6 Power difference curves between work and variable frequency operations

河坡發(fā)電采用變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機采用轉(zhuǎn)速、采用風(fēng)量法計算，可得E總為5 925×104kW·h，以上網(wǎng)電價0.3元/(kW·h)計算，年可節(jié)約發(fā)電成本約1 778萬元。

4 電壓與電流法節(jié)電計算

統(tǒng)計該電廠風(fēng)機不同負(fù)荷下運行高壓側(cè)運行電流，運行平均數(shù)據(jù)見表3。

表3 風(fēng)機運行電流均值Table 3 Current average values of fan operating

采用電壓電流法計算電機所耗功率如下式：

(11)

式中:μ為電機功率因素;θ為電機效率,96%,

+P一工i+P二工i)×ti×T

(12)

計算可得E總為5 832×104kW·h，與采用轉(zhuǎn)速風(fēng)量法計算結(jié)果基本一致，相互驗證了兩種方法的正確性。

5 風(fēng)機電機軸功率計算

從風(fēng)機運行本質(zhì)上分析其節(jié)能效果，計算各風(fēng)機電機所需的軸功率N，計算方法如下式：

(13)

式中：Q為風(fēng)機體積流量，m3/h；P為風(fēng)機全壓，kPa；η1為風(fēng)機全壓效率，%；η2為機械傳遞效率，取經(jīng)驗值95%。

運行中保持尾部煙道出口氧量(4%)和爐膛頂部負(fù)壓(-100 Pa)基本不變，統(tǒng)計鍋爐BMCR工況(350 MW)和50%BMCR工況(175 MW)運行數(shù)據(jù)均值，見表4、表5。

風(fēng)機全壓為風(fēng)機出入口壓差，由表4、5中數(shù)據(jù)計算各風(fēng)機電機軸功率N，計算結(jié)果見表6。

表4 350MW風(fēng)機運行參數(shù)Table 4 350MW fan operating parameters

注：一次風(fēng)機鍋爐側(cè)風(fēng)壓為風(fēng)室壓力，二次風(fēng)機鍋爐側(cè)壓力為爐膛進口擋板處壓力，引風(fēng)機鍋爐側(cè)壓力為爐膛頂部壓力。

表5 175MW風(fēng)機運行參數(shù)Table 5 175MW fan operating parameters

表6 不同工況各風(fēng)機電機軸功率Table 6 Fan motor shaft powers in different conditions

一次風(fēng)機運行需保證最低流化風(fēng)量和風(fēng)壓，最小流化風(fēng)量為17×104m3，最低風(fēng)壓為床壓(7.5 kPa)、布風(fēng)板阻力、暖風(fēng)器阻力、空預(yù)器阻力及其他煙道阻力損失總和。煙道各阻力損失隨風(fēng)機出口壓力變化而變化。二次風(fēng)主要提供氧氣，加強燃燒，其爐膛進口處為微正壓。引風(fēng)機運行需保證爐膛頂部為微負(fù)壓狀態(tài)。

運行中各風(fēng)機出入口擋板全開，采用變頻運行，從表4、表5和表6中可以看出，175 MW工況相比350MW工況，風(fēng)機差壓、流量下降明顯，風(fēng)機運行所需的電機軸功率下降明顯，且均滿足機組經(jīng)濟穩(wěn)定運行要求，機組負(fù)荷越低，變頻節(jié)能效果越明顯。

風(fēng)機電機選型均有一定的安全裕度，從表6和表1中可得出，BMCR工況下，風(fēng)機電機仍然沒有滿出力運行，軸功率相對電機額定功率較小，表明了變頻的節(jié)能效果。

6 結(jié) 語

a.風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)通過改變其性能曲線實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，風(fēng)機擋板開度調(diào)節(jié)通過改變其管路特性實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

b.風(fēng)機擋板開度逐漸減小，增加了閥門及管網(wǎng)阻力，電機功率下降較少，運行點偏離運行高效區(qū)，大部分電能被用來克服管道阻力而浪費，節(jié)流損失嚴(yán)重。

c.采用變頻調(diào)節(jié)，隨著轉(zhuǎn)速下降，管網(wǎng)阻力不變，電機功率下降明顯，變頻運行頻率不可過低。所需風(fēng)量較小時，應(yīng)采用低頻率和擋板共同調(diào)節(jié)。

d.采用轉(zhuǎn)速與風(fēng)量計算風(fēng)機不同負(fù)荷下，變頻調(diào)節(jié)與擋板開度調(diào)節(jié)功率相比，計算實例中，電廠年可節(jié)約發(fā)電量5 925×104kW·h，節(jié)約發(fā)電成本1 778萬元，實現(xiàn)風(fēng)機運行的深度節(jié)能。

e.采用高壓側(cè)電壓與電流計算風(fēng)機不同負(fù)荷下，變頻調(diào)節(jié)與擋板開度調(diào)節(jié)功率，計算結(jié)果與采用轉(zhuǎn)速、風(fēng)量結(jié)果一致，從而實現(xiàn)風(fēng)機流量、風(fēng)壓、運行電流間相互換算。

f.采用變頻調(diào)節(jié)，50%BMCR工況相對BMCR工況各風(fēng)機電機軸功率、差壓、流量下降明顯，節(jié)能空間大，機組負(fù)荷越低，節(jié)能效果越顯著。BMCR工況相對風(fēng)機額定參數(shù)仍具有很好的節(jié)能效果，實現(xiàn)了風(fēng)機的深度節(jié)能。

[1] 藍曉村，夏大偉.600MW機組軸流式脫硫增壓機變頻改造[J].中國電力，2012,45(7):42-44.LAN Xiaocun,XIA Dawei.Retrofit of variable frequency on axial flue gas desulphurization booster fan in 600 MW units[J].China Power,2012,45(7):42～44.

[2] 汪書草,盛明珺,胡丹.風(fēng)機泵類高壓變頻改造的節(jié)能分析及計算方法[J].電力自動化設(shè)備，2011,31(3):117-120.WANG Shucao,SHENG Mingjun,HU Dan.Energy-saving analysis and calculation of HV frequency conversion retrofitting for fan and pump[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(3): 117-120.

[3] 于曉濤.火力發(fā)電廠350MW機組引風(fēng)機高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用研究[D].長春工業(yè)大學(xué)，2016.YU Xiaotao.Application of high voltage variable-frequency speed control device on induced draft fan of 350 MW thermal power plant[D].Changchun University of Technology,2016.

[4] 周培建.火電廠引風(fēng)機變頻節(jié)能改造的研究[D].碩士學(xué)位論文.青島理工大學(xué),2014.ZHOU Peijian.Thermal induced draft inverter energy-saving feasibility study[D].Qingdao Technological University,2014.

[5] GB/T 12497—2006《三相異步電動機經(jīng)濟運行》[S].

(編輯 李世杰)

Calculation and analysis on in-depth energy-saving of fan in a 350MW thermal power plant and its application

LI Lifeng1,ZHANG Peihua2,ZHAO Yunkai2

(1.Shanxi Hepo Power Generation Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China;2.Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co.,Ltd.,Shuozhou 036800,China)

Based on the performance study on performance curve and pipeline characteristic curve under fan’s high voltage frequency conversion and inlet baffle adjusting methods,the energy-saving principle and its effect of the two adjusting methods are analyzed and compared.According to the energy-saving effect of different frequency of wind turbine under different operating conditions,combined with the actual operation data of 350MW supercritical unit in a Shanxi power plant,speed-air volume method and voltage-current method are used to calculate and analyze the energy-saving effect.It is calculated that under different working conditions,the power value of all the fan shafts,the differential pressure of the fan and the flow rate are obviously reduced in ways to realize the energy-saving of the fan,therefore,the effectiveness of the method is verified.

fan adjustment; frequency conversion control; in-depth energy saving

2016-11-21;

2017-05-21。

李麗鋒(1990—)，男，碩士，從事火力發(fā)電熱控工作。

TM621.7

A

2095-6843(2017)04-0365-05