600 MW 機組脫硫增壓風機與引風機二合一節能改造

于 泳，馬月明

(華潤電力常熟有限公司，江蘇常熟 215536)

根據國家環保政策和江蘇省地方政府要求，在2013年底，江蘇省所有燃煤機組的旁路煙道均要全部拆除，并且全省運行火電機組均要建設完成脫硝裝置（SCR）。火電機組旁路煙道拆除后，增壓風機和引風機串聯布置的方式就顯得過于復雜。為了便于調節，可將增壓風機與引風機合并改造[1]。引風機與增壓風機合并可簡化系統、減少系統阻力和占地面積、降低運行成本，在保證機組安全運行的同時，實現節能減排。經計算，機組加裝脫硝系統后，鍋爐系統煙氣側阻力將增加1000 Pa，加之合并改造后脫硫煙道阻力為2000 Pa，引風機總全壓升必須達到5167 Pa 以上，而現有引風機最大全壓升為3830 Pa 無法達到鍋爐帶負荷能力的要求，故需對引風機進行增容改造。

1 風機選型比較

引風機輸送介質為具有含塵且溫度較高的煙氣。選用引風機的因素除考慮風機體積、重量、效率和調節性能外，還要求耐磨、對灰塵的適應性好，以保證在規定的檢修周期內能安全運行。目前，電站鍋爐引風機一般采用動葉可調軸流式、靜葉可調軸流式、和靜葉可調軸流式加變頻調節3 種方式[2]，采用哪一種方式需科學的論證。

1.1 動葉可調軸流式引風機

動葉可調風機軸承箱為整體式結構,整體式軸承箱及其固定方式在多次拆裝后，葉輪總能保證與機殼同心，不需重新調心。葉輪輪轂采用低碳合金鋼焊接結構，重量輕、強度高、離心力小。葉片采用低碳合金鋼經數控加工中心銑切并壓制成型，表面噴焊硬質合金耐磨層。運行經驗表明，采用該技術可從根本上解決動葉可調軸流式引風機葉片的抗磨損問題。葉輪內部設置平衡配重，克服葉片回復力矩，液壓調節裝置操縱力矩僅為30～50 Nm，采用100 Nm 電動執行器即可調節。

1.2 靜葉可調式軸流式

靜葉可調引風機受其特性限制，風機裝置效率不會超過87%，比動葉可調試軸流風機低，且高效率區比軸流式風機小，適用于壓力系數介于離心風機和動葉可調軸流式風機之間。另外，會使風機在小流量運行或啟動后調節靜葉至運行工況的小流量階段，進入喘振區。因此對于大型調峰機組不宜選用靜葉可調式軸流式風機。

靜葉可調軸流式風機主軸兩端各由2個軸承座支持。葉輪與主軸用高強度螺栓直接連接。葉輪檢修裝拆后，需要重新調心。葉片為由鋼板制成的扭曲葉片，與輪轂焊接，所以不能進行耐磨處理。葉片磨損后只能割掉，在輪轂其他位置焊上新葉片，經熱處理后方能使用。更換2至3 次葉片后，需更換整個葉輪。

1.3 靜葉可調軸流式+變頻組合方式

1.3.1 靜葉可調軸流式+變頻驅動優點

無論在怎樣的設定轉速下，風機都有其特定的內特性。在不同轉速下，風機所提供流量和壓力的能力隨轉速變化。采用變頻驅動后，風機在設計點的效率不變，風機運行在低于設計工況的其他工況點具有較高效率[3]。

1.3.2 靜葉可調軸流式+變頻驅動缺點

（1）轉子橫向振動。轉子支承系統的剛性在垂直方向與水平方向不同，通常垂直剛度要大于水平剛度，轉子的不平衡載荷會在一倍工作轉速和二倍的工作轉速產生激振作用。在恒速驅動下，轉子的計算要簡單得多，只考慮主軸的一階模態就可以了，轉子的設計計算需要保證臨界轉速遠離工作轉速并有一定的裕量，同時轉子的各個模態的自然頻率要避開一倍工作轉速和二倍工作轉速下的諧振頻率。在變頻驅動下，需計算各轉速下的自然頻率與一倍工作轉速、二倍工作轉速的關系，確保轉子安全。所以轉子轉速設定必須確保避開主軸的各個模態與一倍工作轉速和二倍工作轉速產生諧振的頻率點，并有一定裕量。因此變頻驅動條件下轉子的設計計算非常復雜。

（2）轉子扭振。除了轉子的橫向振動，還要考慮轉子的扭轉振動。通常情況下風機采用變頻驅動時會使用撓性聯軸器，聯軸器的剛性會隨著轉速的改變而變化，使整個軸系的扭轉頻率也隨之變化，所以轉速的設定必須使軸系的扭轉頻率避開一倍工作轉速和二倍工作轉速的諧振頻率點，避免轉子產生扭轉共振。

（3）葉輪振動。采用變頻驅動，必須先計算確定葉輪各模態下的自然頻率。在轉速設定時必須避開這些振型的自然頻率的共振頻率點，一旦產生共振，葉輪會發生毀壞。

（4）風機采用變頻驅動時，由于風機轉速的變化特別是大范圍頻繁調節轉速，轉子在這個過程中承受了交變載荷，如果改變轉速從100%至30%，將會產生超過葉輪最大應力90%的疲勞應力，轉子的疲勞是逐漸積累的，如果轉子承受過大的疲勞載荷，將會損傷其疲勞壽命，嚴重時會導致疲勞破壞。

1.4 技術比較

1.4.1 引風機動葉可調和靜葉可調工藝比較

（1）系統中使用的聯合風機，要求風機提供大流量的同時，還要滿足較高的壓力要求。無論是動葉可調軸流風機還是靜葉可調軸流風機，在氣動性能上都可以滿足要求，只是動葉可調軸流風機通常為雙級設計，轉速高、尺寸小、功耗低。

（2）動葉可調軸流風機和靜葉可調軸流風機在不同工況下的性能比較如表1 所示。表1的比較表明動葉可調軸流風機與靜葉可調軸流風機相比，具有變工況性能好，效率高的優點。

表1 動葉可調軸流風機與靜葉可調軸流風機氣動性能比較

1.4.2 引風機動葉可調和引風機變頻改造路線比較

（1）對于引風機動葉可調路線，電氣改動量相對較少，而引風機變頻調節則需考慮配套改造控制環節，該改動工作量大。

（2）在引風機變頻改造中，需增加變頻裝置、動力電纜、控制電纜及一些輔助設備，其電氣改造總費用較引風機動葉可調改造增加約538.3 萬元。

1.4.3 經濟性比較

（1）據估算，采用動葉可調風機投資（含電機）約500 萬元，采用靜葉可調風機投資（含電機）約360 萬元。

（2）在風機改造中，除考慮初投資外，還應該考慮風機的運行經濟性。通常，發電機組并不總是在額定負荷工作，為滿足電網調峰需求，多數電廠在40%～100%額定負荷范圍運行。這種情況下，如果只以額定負荷工況下的風機功率來評估其運行經濟性，顯然與真實情況相差甚遠。因此更為實際、客觀的方法是選擇機組在年平均負荷工況下的風機功率消耗和運行時間作比較。以年平均負荷為80%，對2 種風機的實際功耗進行的比較如表2 所示。按上網電價0.3 元/（kW·h），年平均5500 h 計算，2 臺動葉可調軸流風機年運行節省電費87 萬元。

表2 動葉可調軸流風機與靜葉可調軸流風機功耗比較

（3）綜合以上分析，一臺機組進行動葉可調軸流風機和靜葉可調軸流風機+變頻改造綜合經濟技術比較如表3 所示。

表3 動葉可調軸流風機和靜葉可調軸流風機+變頻改造綜合經濟技術比較 萬元

從表3 看出，一臺機組動調方案初投資較靜調+變頻方案節約744.3 萬元，機組按年運行5500 h，平均負荷率80%計，一臺機組動調方案運行電費比靜調+變頻方案節約87 萬元。可見在增壓風機、引風機二合一改造中，選用動葉可調軸流式風機方案較為經濟。

1.4.4 選型結論

通過對動葉可調軸流引風機和靜葉可調軸流引風機配變頻器調速風機的經濟性比較發現，采用大功率高壓變頻器的初投資成本非常高，其所帶來的風機節電效果在短期內不足以彌補初投資差距。即使未來上網電價提高，考慮到銀行利息、長期維護成本等因素，采用變頻器方案也是不經濟的。

通過上述分析，對于600 MW 及以上容量燃煤鍋爐，應用動葉可調軸流風機無論在技術、運行可靠性和經濟性等方面都具有明顯優勢。

2 改造實例

在某電廠2 號爐增壓風機與引風機二合一技改中，風機改造為上海鼓風機廠生產的動葉可調軸流引風機，風機運行穩定，節電效果明顯。改造前的原引風機的主要性能數據如表4 所示。改造前的原增壓風機的主要性能數據如表5 所示。改造后的動葉可調風機的主要性能數據如表6 所示。

表4 改造前的原引風機的主要性能數據

表5 改造前的原增壓風機的主要性能數據

2 號爐引風機最終改造設備費用565 萬元，改造施工費用410 萬元，共975 萬元，與預算較為接近。

2.1 引風機實際運行工況節電分析

改造前2 號爐增壓風機與引風機能量消耗占總發電量比率為1.098%，改造后二合一風機能量消耗占總發電量比率為0.920%。按單機年發電42×108 kW·h計，改造后引風機年節電為750×104 kW·h，年節省225 萬元。

表6 改造后的動葉可調風機的主要性能數據

2.2 假設無脫硝裝置工況下引風機節電分析

脫硝改造后，引風機入口負壓增加約800 Pa，這部分阻力為脫硝改造新增的阻力，將增大改造后的引風機實測能耗，故假設無脫硝裝置，引風機的節電效果將更加明顯。即扣除脫硝阻力后，引風機電流估算將比目前的電流下降約140 A，這部分可另外節約電費達到473 萬元。綜合上述2 項分析結果，如假設本次改造無脫硝裝置的話，總計可節能698 萬元。

3 結束語

通過對比分析靜葉可調軸流引風機和動葉可調軸流引風機的設備特點、初投資、運行和節能效果，在機組脫硝改造配套引風機增容過程中，應選用動葉可調軸流引風機。改造結果表明，采用動葉可調軸流引風機不僅投資少，運行安全穩定，且節能效果明顯。

[1]劉家鈺，王寶華，岳佳全，等.1000 MW 機組引風機與脫硫增壓風機合并改造研究[J].熱力發電，2010，39(8)：45-50.

[2]許桂琴.600 MW 燃煤機組吸風機選型的探討[J].黑龍江電力，2003，24(1)：31-36.

[3]付龍龍，雷兆團，文景輝，等.引風機三種驅動方式分析[J].電站系統工程，2012（1）：12-14.