離心風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行中存在問題及解決方法

馬 翔，董康田，鄭 金，李昊燃

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710032）

離心式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速是一種非常有效的節(jié)能方式，在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]，也是《電站鍋爐風(fēng)機(jī)選型和使用導(dǎo)則》中推薦的離心式風(fēng)機(jī)調(diào)速方式。然而，變頻調(diào)速的節(jié)能效果往往達(dá)不到理論計(jì)算值，有時(shí)甚至?xí)l(fā)運(yùn)行故障。主要表現(xiàn)在：1）管網(wǎng)阻力特性曲線不在風(fēng)機(jī)高效區(qū)，有些電廠試驗(yàn)工況下的實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率僅處于72%～78%之間；2）管網(wǎng)阻力特性曲線落入了風(fēng)機(jī)性能曲線中的不穩(wěn)定區(qū)，造成壓力波動(dòng)、風(fēng)機(jī)振動(dòng)，甚至影響機(jī)組帶負(fù)荷能力；3）大量風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，變頻器輸出轉(zhuǎn)速往往大于風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)風(fēng)量和風(fēng)壓所對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速曲線上的轉(zhuǎn)速。一般風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的差別為30～50 r/min，個(gè)別電廠轉(zhuǎn)速差達(dá)到60～85 r/min。因此，實(shí)際運(yùn)行過程只能通過提高變頻器轉(zhuǎn)速的方式來(lái)保證鍋爐風(fēng)量、風(fēng)壓的需求。

本文針對(duì)以上問題，首先理論闡述了變頻調(diào)速原理；然后總結(jié)大量電廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了電廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速存在的問題及規(guī)律；最后，針對(duì)上述問題提出了切實(shí)可行的解決方案。

1 原因分析

1.1 理論分析

變頻器調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速。若風(fēng)機(jī)采用此種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，理論上風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率保持不變。根據(jù)風(fēng)機(jī)相似理論，風(fēng)機(jī)功率計(jì)算式如下：

式中：N、N′分別為調(diào)速風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)的軸功率，kW；ρ、ρ′分別為新風(fēng)機(jī)和原始風(fēng)機(jī)介質(zhì)密度，kg/m3；n、n′分別變頻器輸轉(zhuǎn)速（認(rèn)定為風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速）和電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；D、D′分別為新風(fēng)機(jī)和原始風(fēng)機(jī)葉輪直徑，mm；p′為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Q′v體積流量，m3/s；k為壓縮性修正系數(shù)；η′風(fēng)機(jī)效率、機(jī)械效率和變頻器效率等效率乘積。

圖1為根據(jù)上述公式計(jì)算的某離心式風(fēng)機(jī)調(diào)速性能曲線，以表征風(fēng)機(jī)設(shè)備本身的性能。

當(dāng)風(fēng)機(jī)在整個(gè)煙風(fēng)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)是由風(fēng)機(jī)本身性能和管網(wǎng)阻力特性共同決定的，其運(yùn)行點(diǎn)即為管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速性能曲線的交點(diǎn)（圖2）。

圖2中3 條管網(wǎng)阻力特性曲線是根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出的具有代表性的曲線。管網(wǎng)阻力特性曲線2 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配較好，機(jī)組在高（100%BMCR 工況）、中（75%BMCR 工況）、低（50%BMCR 工況）負(fù)荷時(shí)，風(fēng)機(jī)效率均在83%左右。管網(wǎng)阻力特性曲線3 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配較差，機(jī)組在高、中、低負(fù)荷時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率分別為73%、78%和80%左右，其原因是風(fēng)機(jī)壓力裕量過大。管網(wǎng)阻力特性曲線1 與風(fēng)機(jī)變速性能曲線匹配最差，在個(gè)別電廠可遇到該情況。例如，某電廠135 MW 機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行到90 MW 負(fù)荷工況時(shí)，引風(fēng)機(jī)振動(dòng)明顯，壓力波動(dòng)較大，不能穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，其該機(jī)組管網(wǎng)阻力特性曲線與圖2中曲線1 接近，在低負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入了不穩(wěn)定區(qū)域，即圖2中的A點(diǎn)。

圖1 某離心風(fēng)機(jī)調(diào)速性能曲線Fig.1 The speed regulation characteristic curves of a centrifugal air fan

圖2 風(fēng)機(jī)性能曲線與管網(wǎng)阻力性能曲線交點(diǎn)示意Fig.2 Schematic diagram of the intersection of the performance curves of the fan and the resistance performance curve of the pipe network

風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)與電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線相關(guān)，其運(yùn)行效率取決于管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速性能曲線的交點(diǎn)位置。若運(yùn)行點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)變速性能曲線上的高效區(qū)，節(jié)能效果最佳；若運(yùn)行點(diǎn)位于低效區(qū)，則節(jié)能效果較差；若運(yùn)行點(diǎn)落入不穩(wěn)定區(qū)域，會(huì)造成煙風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力波動(dòng)、風(fēng)機(jī)振動(dòng)，甚至影響電廠帶負(fù)荷能力。

造成這種問題的原因主要是電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)變速等效率曲線不匹配，即很難達(dá)到轉(zhuǎn)速變化而風(fēng)機(jī)效率不變的理論要求。各電廠管網(wǎng)阻力特性曲線的指數(shù)不盡相同，即使同一電廠，當(dāng)煙風(fēng)系統(tǒng)中有設(shè)備發(fā)生堵塞或煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)改變管網(wǎng)阻力特性曲線的指數(shù)，使得風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生偏移。因此，掌握電廠管網(wǎng)阻力特性對(duì)風(fēng)機(jī)選型、設(shè)計(jì)、節(jié)能等尤為重要。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文對(duì)十幾家電廠的管網(wǎng)阻力特性曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)值一般為1.5～1.8，個(gè)別電廠由于預(yù)熱器或袋式除塵器堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致其引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)大于或等于2。一次風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力特性曲線指數(shù)一般為1.1～1.5，即曲線較平滑，這是因?yàn)殡姀S負(fù)荷變化時(shí)要保持一次風(fēng)母管壓力穩(wěn)定。

管網(wǎng)阻力特性曲線一般計(jì)算式為

式中：p為管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力，Pa；a、k為系數(shù)，對(duì)某一管網(wǎng)來(lái)講為定值；Q為風(fēng)量，m3/s；x為管網(wǎng)系統(tǒng)阻力特性曲線指數(shù)。

1.3 變頻器輸出轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速曲線轉(zhuǎn)速差

本文對(duì)28 臺(tái)機(jī)組56 臺(tái)采用變頻器調(diào)速的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，表1為其中典型機(jī)組實(shí)測(cè)參數(shù)。由表1可見，變頻器轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)變速曲線上的轉(zhuǎn)速，不同程度上都低于變頻器輸出轉(zhuǎn)速，即風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力未達(dá)到曲線上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的值。

表1 典型機(jī)組實(shí)測(cè)參數(shù)Tab.1 The actually measured parameters of typical units

根據(jù)這56 臺(tái)風(fēng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)速差在20 r/min 以下的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)約占總風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的30%，轉(zhuǎn)速差30 r/min 左右的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)占18%，轉(zhuǎn)速差大于40 r/min 以上的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)占42%。轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓變化關(guān)系如圖3、圖4所示。

從圖3和圖4可以看出：風(fēng)機(jī)變速曲線上的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出轉(zhuǎn)速低30 r/min 左右，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約3.6%，風(fēng)壓下降約7%；若轉(zhuǎn)速低50 r/min 左右，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約5.7%，風(fēng)壓下降約11%；若轉(zhuǎn)速低80 r/min 左右，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降約9%，風(fēng)壓下降約17%；若轉(zhuǎn)速低100 r/min，風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降達(dá)11%，風(fēng)壓下降達(dá)21%。由此可得：當(dāng)風(fēng)機(jī)變速曲線上 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速與變頻器的輸出轉(zhuǎn)速低50 r/min 左右時(shí)，風(fēng)量、風(fēng)壓裕量為設(shè)計(jì)值的50%；若轉(zhuǎn)速差超過 80 r/min，風(fēng)機(jī)已無(wú)裕量。

圖3 轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)量變化關(guān)系Fig.3 The relationship between speed difference and percentage drop of fan air volume

圖4 轉(zhuǎn)速差與風(fēng)機(jī)風(fēng)壓變化關(guān)系Fig.4 The relationship between speed difference and percentage drop of fan total pressure

以某電廠300 MW 機(jī)組為例，其離心引風(fēng)機(jī)采用加變頻器調(diào)速方式。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為（單臺(tái)）：風(fēng)量300 m3/s，風(fēng)壓9 800 Pa，轉(zhuǎn)速980 r/min。根據(jù)上述分析，若風(fēng)機(jī)廠提供的風(fēng)機(jī)變速曲線上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速比變頻器的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速低30 r/min，對(duì)應(yīng)風(fēng)量減少10.8 m3/s，風(fēng)壓降低686 Pa；若轉(zhuǎn)速低50 r/min，對(duì)應(yīng)風(fēng)量減少17.1 m3/s，風(fēng)壓降低1 078 Pa；若轉(zhuǎn) 速低80 r/min，對(duì)應(yīng)風(fēng)量減少27 m3/s，風(fēng)壓降低 1 666 Pa。由此可見，轉(zhuǎn)速差對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓 影響很大。

造成轉(zhuǎn)速差原因主要有以下幾個(gè)方面。

1）風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)

離心式風(fēng)機(jī)分為徑向進(jìn)氣（配置進(jìn)氣箱）和軸向進(jìn)氣（不配置進(jìn)氣箱）。電廠引風(fēng)機(jī)大多是徑向進(jìn)氣，需配置進(jìn)氣箱。而有的制造廠家選用軸向進(jìn)氣的風(fēng)機(jī)，通過葉輪直徑增大5%作為帶進(jìn)氣箱的風(fēng)機(jī)使用，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能無(wú)法滿足煙風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)阻力的要求。

2）安裝不當(dāng)

影響離心式風(fēng)機(jī)性能的另一關(guān)鍵因素是葉輪與集流器間的間隙，安裝時(shí)須盡可能按設(shè)計(jì)要求保證其軸向和徑向間隙。由于集流器變形、安裝位置狹小，難以保證軸向和徑向間隙設(shè)計(jì)要求，也會(huì)使風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓、效率降低[2-4]。

3）系統(tǒng)效應(yīng)

風(fēng)機(jī)設(shè)備廠家提供的風(fēng)機(jī)性能曲線是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)管下測(cè)得，并按風(fēng)機(jī)相似理論換算得到的。而在實(shí)際煙風(fēng)系統(tǒng)管道實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地限制，直管段很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的長(zhǎng)度，實(shí)際管道存在收縮段、彎管等異形件，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)進(jìn)氣不可能像實(shí)驗(yàn)室那樣均勻，因此，也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)性能產(chǎn)生一定的影響[5-15]。

4）制造質(zhì)量問題

風(fēng)機(jī)制造質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)風(fēng)機(jī)性能影響較大。風(fēng)機(jī)制造質(zhì)量涉及風(fēng)機(jī)制造工藝、工裝、葉片形線誤差、葉片進(jìn)出角誤差等諸多因素。

2 解決措施

2.1 提高風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)系統(tǒng)的匹配性

提高風(fēng)機(jī)性能與煙風(fēng)系統(tǒng)的匹配性是解決電廠風(fēng)機(jī)運(yùn)行問題的關(guān)鍵。本文根據(jù)不同電廠提出相應(yīng)的解決措施。

2.1.1 新建電廠

1）在新建電廠設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)電廠管網(wǎng)布局、煤質(zhì)等資料計(jì)算出機(jī)組BMCR 工況、100%、80%、60%負(fù)荷工況的風(fēng)量、壓力等參數(shù)，從而繪制出理論阻力特性曲線。

2）新建電廠若選用離心風(fēng)機(jī)加變頻器的調(diào)速方案，建議風(fēng)機(jī)能力考核點(diǎn)、設(shè)計(jì)工況壓力裕量取大些（在標(biāo)準(zhǔn)要求的壓力裕量上增加5%左右），風(fēng)量裕量仍采用標(biāo)準(zhǔn)要求值。這樣既可以解決煙風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備堵塞導(dǎo)致帶不起負(fù)荷的問題，又可保持正常節(jié)能運(yùn)行。

3）離心風(fēng)機(jī)選型時(shí)，根據(jù)機(jī)組BMCR 工況參數(shù)選取轉(zhuǎn)速，計(jì)算出比轉(zhuǎn)速，選取對(duì)應(yīng)或接近此比轉(zhuǎn)速且高效區(qū)寬的風(fēng)機(jī)，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在高、中、低負(fù)荷段均落入變速曲線的高效區(qū)內(nèi)。

2.1.2 在役電廠改造

對(duì)圖2中管網(wǎng)阻力特性曲線1 和曲線3 與風(fēng)機(jī)性能匹配比較差的在役電廠提出解決思路和方法。

1）出現(xiàn)管網(wǎng)阻力特性曲線1 的情況，是因煙風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行比轉(zhuǎn)速小，而配套風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)速大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在小流量區(qū)域運(yùn)行即靠近風(fēng)機(jī)不穩(wěn)定區(qū)域，使得其運(yùn)行不穩(wěn)定?；谠谝垭姀S的管網(wǎng)阻力特性不變，提出以下解決思路和方法。

①將風(fēng)機(jī)葉輪寬度縮窄5%～10%。根據(jù)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)改造實(shí)例[9]可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)機(jī)葉輪寬度呈一次方關(guān)系，風(fēng)機(jī)壓力基本不變，減小風(fēng)機(jī)葉輪寬度可使風(fēng)機(jī)性能曲線整體向左偏移，不穩(wěn)區(qū)域減小，風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入穩(wěn)定區(qū)城運(yùn)行。

②更換風(fēng)機(jī)小比轉(zhuǎn)速葉輪，使風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)速與運(yùn)行比轉(zhuǎn)速接近。改造前需要進(jìn)行流動(dòng)模擬計(jì)算，分析原機(jī)殼配新葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)靜能轉(zhuǎn)化的影響。

③也可以整體更換成小比轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)。

2）出現(xiàn)煙風(fēng)管道阻力特性曲線3 的情況，是由于煙風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行比轉(zhuǎn)速大，而配套風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速小，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低。本文提出以下解決方思路和方法，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。

①改變風(fēng)機(jī)葉輪葉片出口角。理論上，在風(fēng)機(jī)葉輪其他尺寸不變的條件下，減小葉輪葉片出口角，可降低風(fēng)機(jī)壓力系數(shù)，提高風(fēng)機(jī)效率。應(yīng)進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算，得到葉輪各尺寸、葉片形線及出口角的最佳值。

②減小葉輪直徑，并對(duì)風(fēng)機(jī)喉部進(jìn)行改造，從而減小風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速，以滿足與煙風(fēng)系統(tǒng)性能匹配性的要求。

③風(fēng)機(jī)整體更換成與煙風(fēng)系統(tǒng)管道阻力特性相匹配的風(fēng)機(jī)。

2.2 提高風(fēng)機(jī)性能

對(duì)于變頻器輸出轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速曲線的轉(zhuǎn)速差過大，而影響機(jī)組帶負(fù)荷的在役風(fēng)機(jī)，提出以下解決措施。

1）電廠停爐檢修時(shí)，檢查葉輪與集流器間隙是否符合設(shè)計(jì)要求及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[2]。

2）分析管道布置情況，尤其是管道的彎頭、收縮段布置情況，通過優(yōu)化改造達(dá)到降阻和節(jié)能的效果。

3）若實(shí)施上述措施后仍無(wú)法滿足風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷要求，需對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行改造，如加長(zhǎng)原風(fēng)機(jī)葉片等。若條件允許，也可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行葉輪組的局部改造。此時(shí)需對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子、輪轂及機(jī)殼進(jìn)行整體更換，并對(duì)原風(fēng)機(jī)主軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核，在必要時(shí)，也需要更換原有主支撐軸承。

3 結(jié) 論

1）本文基于理論計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出火電廠離心式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速存在的轉(zhuǎn)速差過大的問題原因有：風(fēng)機(jī)選型不當(dāng)、安裝不當(dāng)、系統(tǒng)效應(yīng)、制造質(zhì)量問題。

2）基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，并提出了幾種有效的解決思路：提高風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)系統(tǒng)的匹配性，如通過優(yōu)化選型、增加葉輪寬度等；控制現(xiàn)場(chǎng)安裝精度、通過煙道優(yōu)化改善風(fēng)機(jī)進(jìn)氣條件等。文中關(guān)于提高風(fēng)機(jī)與煙風(fēng)系統(tǒng)匹配性及控制系統(tǒng)效應(yīng)的措施同樣適用于軸流式風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速。