火電機組深度調(diào)峰工況風(fēng)機節(jié)能方法研究

李昊燃, 馬玉華, 郭雪濤

(1. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710049； 2. 華能國際電力股份有限公司丹東電廠，遼寧東港 118000； 3. 河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北定州 073000)

大型火電機組廠用電率一般在4.0%～8.0%，三大風(fēng)機耗電率占廠用電率的20%～30%，具有較高的占比。因此，對三大風(fēng)機的節(jié)能改造在進行火電廠深度節(jié)能改造過程中扮演著重要角色。

降低風(fēng)機能耗[1-7]主要從3個方面著手：(1)通過對葉型、蝸殼、集流器、進氣箱等關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計，提高風(fēng)機本身設(shè)計效率；(2)降低風(fēng)煙系統(tǒng)阻力或風(fēng)量；(3)做好風(fēng)機選型工作或采用合適的調(diào)節(jié)手段，使風(fēng)機盡量在其高效區(qū)運行。在當(dāng)前火電機組參與深度調(diào)峰的形勢下，初投資及回報周期成為選擇節(jié)能改造方案的重要關(guān)注點。

針對火電機組深度調(diào)峰現(xiàn)狀，需要探索更加經(jīng)濟、節(jié)能的風(fēng)機改造方式，實現(xiàn)火電機組風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能降耗。筆者提出了低速驅(qū)動風(fēng)機的改造技術(shù)方案(簡稱低速驅(qū)動方案)，研發(fā)變頻調(diào)速裝置，可應(yīng)用于火電機組送風(fēng)機和增壓風(fēng)機上，實現(xiàn)風(fēng)機在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

1 應(yīng)用背景

隨著新能源發(fā)電機組裝機容量的增加，火電機組年總利用時間下降，機組發(fā)電負荷率減少，部分機組深度調(diào)峰已成為常態(tài)。當(dāng)火電機組處于深度調(diào)峰狀態(tài)時，由于偏離設(shè)計工況運行點較遠，負荷較低，機組主設(shè)備和輔助設(shè)備暴露出一些問題，如水冷壁局部溫度較高、主蒸汽及再熱蒸汽溫度波動較大、設(shè)備達到調(diào)整極限、設(shè)備運行效率較低、能耗偏高[8-10]。

對于300 MW等級及以上的調(diào)峰機組，風(fēng)煙系統(tǒng)中普遍存在2個問題：

(1) 在低負荷工況和深度調(diào)峰工況下，送風(fēng)機開度較低，有的甚至低至10%，風(fēng)機運行效率較低。若機組負荷進一步下降，由于送風(fēng)機出力一定，導(dǎo)致爐膛氧量較高，風(fēng)量和煙氣量相對較大，造成送風(fēng)機和引風(fēng)機做功浪費。在深度調(diào)峰工況下，送風(fēng)機的調(diào)整精度和可靠性較差。例如，當(dāng)送風(fēng)機開度為10%時，對其調(diào)整1百分點的開度，相當(dāng)于調(diào)整10%的出力，對整個風(fēng)煙系統(tǒng)和鍋爐的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生明顯的負面影響。

(2) 在火電機組進行脫硝改造、煙氣超低排放環(huán)保改造過程中，大部分都進行了引風(fēng)機、增壓風(fēng)機合并改造，并且都取得了可觀的節(jié)能收益[10-12]。但有些電廠選擇保留增壓風(fēng)機，隨著火電機組參與深度調(diào)峰，機組甚至只運行至20%發(fā)電負荷左右；此時，增壓風(fēng)機停運處于惰走狀態(tài)，變成阻力元件，運行經(jīng)濟性較差。

在此種情況下，亟需尋求火電機組在深度調(diào)峰工況下實現(xiàn)風(fēng)煙系統(tǒng)節(jié)能降耗、提高運行可靠性并具有良好經(jīng)濟性的解決措施。

2 低速驅(qū)動裝置介紹

2.1 裝置組成

低速驅(qū)動裝置主要由配套電動機、裝置主體、嚙合件等組成(見圖1)。為最大程度利用原有現(xiàn)場條件，低速驅(qū)動裝置安裝在風(fēng)機電動機主軸自由端上，通過嚙合件與風(fēng)機連接，實現(xiàn)低速驅(qū)動風(fēng)機的功能。

圖1 低速驅(qū)動裝置簡圖

2.2 運行原理和功能

低速驅(qū)動裝置本體外部設(shè)計有離合器，可調(diào)節(jié)低速驅(qū)動裝置內(nèi)的嚙合件，使其與風(fēng)機電動機軸頭的嚙合件處于嚙合或者分離狀態(tài)。當(dāng)需要低速驅(qū)動風(fēng)機時，操作離合器使嚙合件處于嚙合狀態(tài)，即可驅(qū)動風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要以額定轉(zhuǎn)速正常啟動風(fēng)機工作時，操作離合器使嚙合件處于分離狀態(tài)即可。同時，該低速驅(qū)動裝置可以根據(jù)需要實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并對自身轉(zhuǎn)速進行監(jiān)測。

3 低速驅(qū)動方案

低速驅(qū)動方案的主要目的是解決目前火電機組在低負荷工況甚至處于深度調(diào)峰工況下風(fēng)煙系統(tǒng)新出現(xiàn)的經(jīng)濟性和安全性的問題。實現(xiàn)低速驅(qū)動送風(fēng)機或增壓風(fēng)機，提高低負荷工況和深度調(diào)峰工況下風(fēng)機的運行效率和調(diào)節(jié)精度，提高運行穩(wěn)定性。

3.1 應(yīng)用范圍

3.1.1 送風(fēng)機

低速驅(qū)動方案可以應(yīng)用于裕量較大的送風(fēng)機上，實現(xiàn)在低負荷或深度調(diào)峰工況下低速驅(qū)動送風(fēng)機，使送風(fēng)機運行在高效區(qū)，從而提高機組運行經(jīng)濟性。

以某300 MW火電機組動調(diào)軸流送風(fēng)機為例，送風(fēng)機設(shè)計轉(zhuǎn)速為985 r/min，設(shè)計介質(zhì)密度為1.051 kg/m3，表1為送風(fēng)機試驗實測主要性能參數(shù)(其中，試驗1～3的發(fā)電負荷分別為274.4 MW、244.7 MW、186.5 MW，主蒸汽質(zhì)量流量分別為838.0 t/h、741.8 t/h、472.3 t/h)。

由表1可以看出：高負荷工況下送風(fēng)機開度最高約為55%，風(fēng)機效率最高約為71%；低負荷工況下送風(fēng)機開度降至33%左右，風(fēng)機效率低至53%左右。該送風(fēng)機裕量較大，實際運行效率低，運行經(jīng)濟性較差。鑒于目前火電機組負荷率低，同時需要參與深度調(diào)峰的情況，該送風(fēng)機會長時間運行在低效區(qū)。

根據(jù)實測低負荷(170 MW)工況數(shù)據(jù)，按照送風(fēng)機主要性能參數(shù)與機組蒸發(fā)量之間的擬合關(guān)系，換算得到機組在120 MW工況下的相關(guān)參數(shù)。該工況點在送風(fēng)機85%開度下變轉(zhuǎn)速曲線的位置見圖2。當(dāng)機組運行在120 MW工況時，利用低速驅(qū)動裝置以280 r/min左右的轉(zhuǎn)速驅(qū)動送風(fēng)機即可滿足系統(tǒng)送風(fēng)機出力要求，此時風(fēng)機效率為77.0%，與實測低負荷(170 MW)時的風(fēng)機效率相比提高了20百分點以上，具有明顯的經(jīng)濟效益。

表1 送風(fēng)機試驗實測數(shù)據(jù)

圖2 變轉(zhuǎn)速曲線工況點位置示意

綜上所述，將低速驅(qū)動裝置應(yīng)用于送風(fēng)機裕量較大的機組，可滿足深度調(diào)峰工況甚至是低負荷工況下的送風(fēng)機出力要求，并顯著提高送風(fēng)機深度調(diào)峰工況或低負荷工況下的運行效率，從而提高機組運行經(jīng)濟性。

3.1.2 增壓風(fēng)機

機組處于低負荷工況時，風(fēng)煙系統(tǒng)阻力和煙氣量均處于較低的水平，僅靠引風(fēng)機即可滿足風(fēng)煙系統(tǒng)的出力要求，此時某些機組會停運增壓風(fēng)機主電動機，使增壓風(fēng)機處于惰走狀態(tài)，變成阻力元件。經(jīng)實測數(shù)據(jù)可知，增壓風(fēng)機惰走產(chǎn)生的阻力可達500～800 Pa。此時，利用低速驅(qū)動裝置將增壓風(fēng)機葉輪維持在一個合適的轉(zhuǎn)速范圍，可消除惰走阻力，減少風(fēng)煙系統(tǒng)能耗。

3.2 低速驅(qū)動裝置安裝

3.2.1 安裝位置確定

根據(jù)火電機組送風(fēng)機和增壓風(fēng)機的布置規(guī)律，可以增加低速驅(qū)動裝置的位置見圖3。

圖3 安裝位置示意圖

安裝位置一：電動機尾部(遠離風(fēng)機端)。在增壓風(fēng)機電動機尾部安裝，利用原有結(jié)構(gòu)設(shè)計配裝一對嚙合件，實現(xiàn)低速驅(qū)動裝置對風(fēng)機的驅(qū)動?，F(xiàn)場占地空間小，低速驅(qū)動裝置體積小，耗資低。

安裝位置二：聯(lián)軸器電動機半部或風(fēng)機轉(zhuǎn)子上。在聯(lián)軸器電動機上半部增加齒輪或更換電動機側(cè)半部聯(lián)軸器滿足齒輪安裝，采用切向嚙合技術(shù)進行驅(qū)動?，F(xiàn)場占地空間相對較大，低速驅(qū)動裝置體積較大，耗資相對較高。

綜合考慮現(xiàn)場布置條件、改造經(jīng)濟性等因素，安裝位置一是較為合適的安裝點。

3.2.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

采用低速驅(qū)動方案的主要目的是為了在低負荷工況和深度調(diào)峰工況下實現(xiàn)節(jié)能降耗，主要優(yōu)勢是現(xiàn)場工作量少、投資費用低。因此，低速驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速和配套電動機的額定功率是重要的影響因素。

低速驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)速需要根據(jù)風(fēng)機的性能、風(fēng)煙系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行變轉(zhuǎn)速計算，確定一個最佳的轉(zhuǎn)速范圍。額定功率與轉(zhuǎn)速、風(fēng)機效率、風(fēng)機轉(zhuǎn)子質(zhì)量、主電動機軸質(zhì)量等因素有關(guān)，需要進行負載計算。

4 實際應(yīng)用案例

4.1 改造背景

在某350 MW火電調(diào)峰機組中，鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)配備2臺雙吸離心引風(fēng)機，脫硫系統(tǒng)配備1臺靜葉可調(diào)軸流增壓風(fēng)機。

機組長期處于低負荷工況和深度調(diào)峰工況運行狀態(tài)。由于現(xiàn)有引風(fēng)機具有一定的裕量，除少數(shù)高負荷(260 MW以上)工況外，運行人員將增壓風(fēng)機停運，僅使用引風(fēng)機來滿足風(fēng)煙系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)的運行要求。但是增壓風(fēng)機在中、低負荷停運處于惰走狀態(tài)時，增壓風(fēng)機成為阻力元件。經(jīng)過現(xiàn)場實測，增壓風(fēng)機停運惰走情況下，其阻力為400～600 Pa(不同工況)。為了實現(xiàn)最大程度上的節(jié)能，據(jù)此提出2種改造方案，即新增增壓風(fēng)機旁路煙道改造方案(簡稱旁路煙道改造方案)和采用低速驅(qū)動方案。

4.2 旁路煙道改造方案

根據(jù)圖紙建立現(xiàn)有增壓風(fēng)機進出口風(fēng)煙管道三維模型，綜合改造經(jīng)濟性、現(xiàn)場條件、改造效果等因素提出旁路煙道改造方案[11-12]，見圖4。

圖4 改造方案示意圖

為探究旁路煙道改造方案中旁路煙道煙氣流場情況及煙道阻力，利用網(wǎng)格劃分軟件對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。借助流場計算程序求解三維定常N-S方程組，對管道內(nèi)的流場分布進行數(shù)值模擬[13-20]。

對計算區(qū)域進行低負荷工況計算，在不考慮煙道內(nèi)部支撐桿的情況下，低負荷(175 MW)工況下煙道計算阻力為150 Pa左右。若以低負荷(175 MW)工況為基準(zhǔn)進行計算，根據(jù)實測風(fēng)煙系統(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)機效率及旁路煙道阻力，可計算得到旁路煙道耗功約為66 kW。

4.3 低速驅(qū)動方案

根據(jù)風(fēng)機設(shè)計參數(shù)和實測數(shù)據(jù)可知，增壓風(fēng)機在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)點設(shè)計轉(zhuǎn)速為385 r/min，低負荷(175 MW)工況惰走轉(zhuǎn)速為25～50 r/min，選定低速驅(qū)動裝置額定轉(zhuǎn)速為120 r/min。同時，根據(jù)相關(guān)參數(shù)估算，選取一定裕量，最終選定低速驅(qū)動裝置額定功率為90 kW。

4.4 改造方案對比

單臺機組旁路煙道改造方案初投資較高，為400萬元左右(含防腐材料)；低速驅(qū)動方案初投資為70萬元左右(包括現(xiàn)場試驗、施工、設(shè)備等)。

旁路煙道改造方案工程量較大，需要新增煙道，土建基礎(chǔ)、支架、擋板門等；低速驅(qū)動方案僅需要增加設(shè)備。

旁路煙道改造方案停機改造工期需要40 d；低速驅(qū)動方案僅需要5 d。

2種改造方案節(jié)能量相當(dāng)。

旁路煙道改造方案需要在增壓風(fēng)機正上方新增煙道，所占空間較大，影響增壓風(fēng)機檢修。低速驅(qū)動方案僅需在增壓風(fēng)機電動機后新增驅(qū)動裝置，所占空間較小。

綜上所述，最終選定低速驅(qū)動方案。

4.5 改造效果

按照上述設(shè)計思路及結(jié)合現(xiàn)場實際情況，利用機組檢修期間進行了設(shè)備安裝調(diào)試。

機組投運后，對不同工況下該低速驅(qū)動裝置的運行情況及節(jié)能收益進行了熱態(tài)試驗。選取機組常規(guī)低負荷(175 MW)工況和深度調(diào)峰(95 MW)工況2個代表運行點。主要數(shù)據(jù)及節(jié)能量的計算結(jié)果見表2和表3。

表2 低負荷(175 MW)工況改造前后主要測試數(shù)據(jù)

表3 深度調(diào)峰(95 MW)工況改造前后主要測試數(shù)據(jù)

由表2、表3可以看出：低負荷(175 MW)工況時，投運低速驅(qū)動裝置后，降低增壓風(fēng)機惰走阻力485 Pa，風(fēng)煙系統(tǒng)耗功降低192.5 kW。深度調(diào)峰(95 MW)工況時，投運低速驅(qū)動裝置后，降低增壓風(fēng)機惰走阻力350 Pa，風(fēng)煙系統(tǒng)耗功降低59.2 kW。

以低負荷(175 MW)工況作為機組全年平均運行工況，則低速驅(qū)動裝置投運后可降低阻力350～600 Pa，若機組年利用時間按照6 000 h、上網(wǎng)電價按照0.33元/(kW·h)計算，年可節(jié)電115.6萬kW·h，年運行費用節(jié)約38.1萬元左右，廠用電率可下降0.07%，2 a左右即可回收成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

在火電機組大幅參與深度調(diào)峰的現(xiàn)狀下，由于偏離設(shè)計工況運行點較遠，機組主設(shè)備和輔助設(shè)備暴露出一些新的可靠性和運行經(jīng)濟性的問題。為探索更加經(jīng)濟、節(jié)能的風(fēng)機改造方式，筆者提出了低速驅(qū)動方案，采用低速驅(qū)動裝置實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速驅(qū)動風(fēng)機，提高低負荷工況下風(fēng)機的運行效率和調(diào)節(jié)精度，提高運行穩(wěn)定性。

低速驅(qū)動方案及裝置已在某350 MW等級機組增壓風(fēng)機上得到成功應(yīng)用，年運行費用可節(jié)約38.1萬元左右，2 a左右即可回收成本，具有明顯的經(jīng)濟效益。