第一章 電力行業(yè)
第一節(jié) 火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能綜述
1 引言
風(fēng)機(jī)和水泵在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門
在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵也是最主要的耗電輔機(jī)設(shè)備，且容量大、耗電多。加上
我國(guó)火電機(jī)組的平均煤耗為400g／kW.h，比發(fā)達(dá)國(guó)家高出70～100g／kW.h，而廠
國(guó)外火電廠的風(fēng)機(jī)和水泵已紛紛增設(shè)調(diào)速裝置，而目前我國(guó)火電廠中除少量采用汽動(dòng)給水泵，液力耦合器及雙速電機(jī)外，大量的風(fēng)機(jī)和水泵還采用定速驅(qū)動(dòng)。這種定速驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和水泵，由于采用入口風(fēng)門和出口閥門調(diào)節(jié)流量，都存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。尤其是在機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行偏離高效點(diǎn)，使運(yùn)行效率降低。調(diào)查表明：我國(guó)50MW以上機(jī)組鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低于70％的占一半以上，低于50％的占20％左右。由于目前普遍的機(jī)組負(fù)荷偏低，風(fēng)機(jī)的效率就更低，有的甚至不到30％，結(jié)果是白白地浪費(fèi)掉大量的電能，已經(jīng)到了非改不可的地步。
經(jīng)過(guò)近20年來(lái)的努力，火力發(fā)電廠在主要輔機(jī)節(jié)能改造方面取得了驕人的業(yè)績(jī)，已經(jīng)
（1）動(dòng)刀號(hào)稱火電機(jī)組“心臟”的液力耦合器調(diào)速的電動(dòng)給水泵已經(jīng)勢(shì)在必行了。由于電動(dòng)給水泵的改造不僅僅是變頻改造而已，還包括液力耦合器的改造和前置泵的改造工作；不僅牽涉到電氣系統(tǒng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的改造，還要牽涉到高壓水路系統(tǒng)的改造工作；而且給水泵的安裝位置又十分緊湊，必須另找地方安裝變頻器。另外由于發(fā)電廠給水系統(tǒng)的重要性，決定了其對(duì)設(shè)備可靠性的要求極高，必須配備可靠性指標(biāo)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度特別高的高壓變頻器；同時(shí)對(duì)給水系統(tǒng)的控制、連鎖、保護(hù)的要求也特別高，還牽涉到DCS系統(tǒng)擴(kuò)容改造和組態(tài)設(shè)計(jì)改造等問(wèn)題，涉及面極廣，工作量巨大，因而往往使人望而卻步。所以改造的關(guān)鍵是要拿出可靠性最高，改動(dòng)最小，投資最少，節(jié)能效果最好的科學(xué)合理的改造方案來(lái)。
（2）另一個(gè)改造的重點(diǎn)就是隨著環(huán)評(píng)要求的不斷提高，脫硫脫硝設(shè)備的投入使用，煙道阻力越來(lái)越大，原來(lái)的引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的容量已經(jīng)不能適應(yīng)要求，必須更換大容量的風(fēng)機(jī)，這就使得“引增合一”改造工程 被提上了議事日程。所謂的“引增合一”改造工程就是拆除原來(lái)小容量的引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)，換上一臺(tái)大容量的風(fēng)機(jī)。該項(xiàng)工程除了拆除原有風(fēng)機(jī)更換新風(fēng)機(jī)之外，還要進(jìn)行煙道系統(tǒng)的改造和變頻調(diào)速系統(tǒng)的增容改造工作，以及DCS控制系統(tǒng)的擴(kuò)容改造和組態(tài)設(shè)計(jì)工作。
（3）2000年以后，火力發(fā)電從送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)采用動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)方式幾乎成了發(fā)電廠的標(biāo)配，因而數(shù)量巨大；另一方面設(shè)計(jì)院為了安全起見(jiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)留有較大余量，這就為動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的調(diào)速改造留下了較大的節(jié)能空間。動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)由于其運(yùn)行能耗低，所以號(hào)稱是除了調(diào)速風(fēng)機(jī)以外的最節(jié)能的風(fēng)機(jī)。在火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)節(jié)能改造的前期，動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)被認(rèn)為調(diào)速節(jié)能改造的空間不明顯而不受重視。隨著我國(guó)煤電機(jī)組綜合升級(jí)改造逐步深入，低投入高回報(bào)的項(xiàng)目越來(lái)越少，跟液力耦合器調(diào)速的電動(dòng)給水泵和“引增合一”大風(fēng)機(jī)節(jié)能改造一樣，動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的調(diào)速改造逐漸成為電廠節(jié)能改造的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，即所謂的“蒼蠅腿也是肉”。盡管都面臨著改造投資和節(jié)能效益之間的嚴(yán)峻考量，但是在今天降低廠用電率的強(qiáng)烈需求下也勢(shì)在必行了。
2 火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能控制原理
2.1 火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)概述
風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠重要的輔助設(shè)備之一，鍋爐的四大風(fēng)機(jī)(送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)（或排粉風(fēng)機(jī)）和脫硫增壓風(fēng)機(jī)的總耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的2％左右。隨著火電機(jī)組容量的增大和環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)提高，火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)的容量也在不斷增大，如國(guó)產(chǎn)200MW機(jī)組，風(fēng)機(jī)的總功率6440kW，占機(jī)組容量的3％以上。因此，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)降低廠用電率具有重要的作用。
風(fēng)機(jī)的可用性和性能直接影響火電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)的功率消耗約占機(jī)組發(fā)電量的1.5%~2.3%，其中送風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)和排粉風(fēng)機(jī)占了功率消耗的絕大部分，若再計(jì)及排煙脫硫裝置的增壓風(fēng)機(jī)，火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)的功率消耗則更大。為降低運(yùn)行費(fèi)用和適應(yīng)火力發(fā)電廠運(yùn)行工藝要求，運(yùn)行效率高，調(diào)節(jié)性能好，結(jié)構(gòu)先進(jìn)可靠是火電機(jī)組對(duì)風(fēng)機(jī)的基本要求。
我國(guó)火力發(fā)電廠風(fēng)機(jī)雖巳普遍采用了高效風(fēng)機(jī)，但實(shí)際運(yùn)行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能差，二是運(yùn)行點(diǎn)偏離風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。我國(guó)現(xiàn)行的火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ—79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5％和5％～10％，風(fēng)壓裕度分別為10％和10％～15％。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)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)的系列和型號(hào)規(guī)格是有限的，往往在選擇不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠，這樣火力發(fā)電廠鍋爐送引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度高達(dá)20％～30％是比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。
一般在鍋爐風(fēng)機(jī)容量設(shè)計(jì)時(shí)，單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)具備帶75％負(fù)荷運(yùn)行的能力，這主要是從機(jī)組運(yùn)行的安全性出發(fā)的；當(dāng)失去一側(cè)送引風(fēng)機(jī)時(shí)，機(jī)組還能帶75％的負(fù)荷運(yùn)行。所以當(dāng)雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，機(jī)組帶滿負(fù)荷時(shí)，送引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)余量在30～50％左右，風(fēng)門開(kāi)度一般為40～60%，這也是從風(fēng)門調(diào)節(jié)的靈敏度出發(fā)來(lái)考慮的。這就為風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能改造留下了巨大的潛力，即使在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，也應(yīng)該有20～30%的節(jié)電率。
火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(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。一般情況下，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，在兩者偏離10％時(shí)，效率下降8％左右；偏離20％時(shí)，效率下降20％左右；而偏離30％時(shí)，效率則下降30％以上。對(duì)于采用調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題。可見(jiàn)，鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門消耗掉的。因此，改進(jìn)葉片式風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。
如果在風(fēng)機(jī)上加裝目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)普遍采用的高壓變頻器，對(duì)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)以滿足鍋爐負(fù)荷的變化，通過(guò)提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率將風(fēng)門調(diào)節(jié)中的能量損失節(jié)約下來(lái)。
2.2 不同類型風(fēng)機(jī)性能的區(qū)別
圖1 某300MW火電機(jī)組離心式一次風(fēng)機(jī)的性能曲線
圖2 某300MW火電機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)的性能曲線
由圖1、圖2可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)性能曲線呈梳狀，隨著風(fēng)門（動(dòng)葉片）開(kāi)大，風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)量和風(fēng)壓都沿阻力曲線增大，其等效率曲線是一組閉合的橢園形。這一點(diǎn)是與水泵的性能曲線不同的。
圖2所示是典型的動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的性能曲線。動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)葉片的安裝角可在最小安裝角到最大安裝角之間從0～100％調(diào)節(jié)，隨著葉片安裝角的增大，風(fēng)機(jī)沿阻力曲線方向風(fēng)量和風(fēng)壓同時(shí)增大，反之則同時(shí)減小。100％鍋爐負(fù)荷（B-MCR）時(shí)，葉片開(kāi)度為70％左右，相對(duì)于安裝角＋50；100％汽輪機(jī)負(fù)荷（THB）時(shí)，葉片開(kāi)度為65％左右，相對(duì)于安裝角00；這兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)在風(fēng)機(jī)的最高效率區(qū)內(nèi)。但是在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，由于無(wú)法精確計(jì)算鍋爐風(fēng)道的阻力曲線（圖2中上面一條是雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的阻力曲線，下面一條則是單風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的阻力曲線），因此所選用的風(fēng)機(jī)性能曲線不能保證B-MCR點(diǎn)和THB點(diǎn)在高效區(qū)內(nèi)，從而就降低了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，有時(shí)甚至可達(dá)20％～30％。軸流式風(fēng)機(jī)葉片的安裝角過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離高效點(diǎn)，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。
圖2所示是典型的動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的性能曲線。動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)葉片的安裝角可在最小安裝角到最大安裝角之間從0～100％調(diào)節(jié)，隨著葉片安裝角的增大，風(fēng)機(jī)沿阻力曲線方向風(fēng)量和風(fēng)壓同時(shí)增大，反之則同時(shí)減小。100％鍋爐負(fù)荷（B-MCR）時(shí)，葉片開(kāi)度為70％左右，相對(duì)于安裝角＋50；100％汽輪機(jī)負(fù)荷（THB）時(shí)，葉片開(kāi)度為65％左右，相對(duì)于安裝角00；這兩個(gè)點(diǎn)應(yīng)在風(fēng)機(jī)的最高效率區(qū)內(nèi)。但是在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，由于無(wú)法精確計(jì)算鍋爐風(fēng)道的阻力曲線（圖2中上面一條是雙風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的阻力曲線，下面一條則是單風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的阻力曲線），因此所選用的風(fēng)機(jī)性能曲線不能保證B-MCR點(diǎn)和THB點(diǎn)在高效區(qū)內(nèi)，從而就降低了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，有時(shí)甚至可達(dá)20％～30％。軸流式風(fēng)機(jī)葉片的安裝角過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離高效點(diǎn)，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。
圖3 定速軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)性能曲線重疊比較
為了將兩種風(fēng)機(jī)的性能進(jìn)行比較，圖3所示為定速軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)性能曲線的重疊。由圖3可見(jiàn)，離心式風(fēng)機(jī)的最高效率在進(jìn)口調(diào)節(jié)門的最大開(kāi)度處，等效率線和鍋爐阻力曲線接近垂直，效率沿阻力線迅速下降。能滿足TB點(diǎn)（鍋爐風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)），而100％MCR點(diǎn)（鍋爐滿負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行點(diǎn)）在低效率區(qū)，變工況時(shí)效率則更低，其平均運(yùn)行效率比動(dòng)葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)要低得多。如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)門開(kāi)到最大，使風(fēng)機(jī)在高效區(qū)運(yùn)行，而通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機(jī)將在很大的范圍內(nèi)維持高效運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
而動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)的等效率線與鍋爐的阻力曲線接近平行，高效率范圍寬，且位置適中，因而調(diào)節(jié)范圍寬。鍋爐設(shè)計(jì)點(diǎn)（TB）與最大連續(xù)運(yùn)行工況點(diǎn)（100％MCR）相比，流量約大15％～25％，壓力約高30％～40％。在滿足鍋爐設(shè)計(jì)點(diǎn)條件下，100％MCR工況點(diǎn)位于高效區(qū)，平均運(yùn)行效率高，單風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可滿足鍋爐60％～80％負(fù)荷。就運(yùn)行效率而言，動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)是除轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外的風(fēng)機(jī)最佳調(diào)節(jié)方式。因而動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)也是目前火力發(fā)電廠最節(jié)能的風(fēng)機(jī)。
如采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可將風(fēng)機(jī)的安裝角固定在高效區(qū)，而通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)量的目的，風(fēng)機(jī)將在很大的范圍內(nèi)維持高效運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的目的。但是由于沒(méi)有風(fēng)機(jī)準(zhǔn)確的性能曲線，并且同類風(fēng)機(jī)的性能差別也很大，所以其高效率點(diǎn)不能預(yù)先加以設(shè)定，而要在運(yùn)行調(diào)試時(shí)通過(guò)反復(fù)的尋優(yōu)試驗(yàn)來(lái)確定，這就大大增加了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度和工作量。
由于絕大部分風(fēng)機(jī)都采用風(fēng)門擋板和葉片角度調(diào)節(jié)流量，造成大量的節(jié)流損耗，所以風(fēng)機(jī)若采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，具有巨大的節(jié)能潛力。直到上世紀(jì)七十年代，都采用機(jī)械調(diào)速或滑差電機(jī)調(diào)速，但這都屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗，并且驅(qū)動(dòng)功率受到限制；到上世紀(jì)八十年代，開(kāi)始采用液力耦合器調(diào)速，并且突破了驅(qū)動(dòng)功率的限制，向大功率方向發(fā)展，但它與滑差電機(jī)調(diào)速一樣，也屬于低效調(diào)速方式，仍有較大的能量損耗。直到上世紀(jì)九十年代，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器很快占領(lǐng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速市場(chǎng)，并向高壓領(lǐng)域發(fā)展，使采用高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造成為可能。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器生產(chǎn)企業(yè)如雨后春筍般的涌現(xiàn)，并且其質(zhì)量和可靠性直迫進(jìn)口產(chǎn)品，且價(jià)格低廉，服務(wù)周到，備品備件容易獲得。因此在很多領(lǐng)域已經(jīng)逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品并占領(lǐng)了市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。發(fā)電廠風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能改造工作正在全面展開(kāi)：其改造的對(duì)象從離心式風(fēng)機(jī)開(kāi)始，繼而改造液力耦合器驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，最后是靜葉調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和動(dòng)葉可調(diào)的軸流式風(fēng)機(jī)。
