350 MW發電機組高爐煤氣增壓風機切換方式優化研究

胡 捷,婁婧鑫,廖 立

1 引言

寶鋼電廠4號機組為世界首臺350 MW燃氣混燒發電機組，主燃料為高爐煤氣（以下簡稱BFG），鍋爐為塔式直流微正壓爐，配備有18只復合式的氣體燃燒器和3臺BFG增壓風機（以下簡稱BBF），BBF為離心式風機，采用進口調節擋板調節出口壓力。與之配套的為雙速驅動電機，可以根據BFG燃用量的不同進行高、低速切換運行。

2 現有問題分析

按照原設計，當4號機組BFG用量較低時，BBF低速運行，依靠進口調節擋板調節出口壓力，隨著BFG用量的不斷增加，BBF進口調節擋板的開度也隨之增加。當BBF進口調節擋板全開仍無法滿足運行要求時，就需要將BBF切換至高速運行。同樣的，隨著BFG用量的不斷減少，高速運行的BBF進口調節擋板的開度也隨之減少。在BBF進口調節擋板開度很小時，雖然也能滿足運行要求，但此時風機的節流損失很大，風機效率很低，需要將BBF切換至低速運行。

目前，4號機組進行BFG增壓風機高、低速切換時，對進口調節擋板的開度范圍要求十分嚴格，當需要將低速運行的風機切換到高速運行時，必須先將低速運行的風機擋板關小到50%左右才能進行，超出要求范圍就無法進行切換。而實際上，在需要將BBF由低速切換至高速運行時，往往是由于需要增加BFG的用量，而按照目前的切換方式，需要先將BFG用量降低，以滿足切換的條件，才能夠將BBF由低速切換至高速運行，這個過程必然造成大量BFG放散，不僅浪費了能源，而且污染了環境[1]。

為此有必要對離心式風機進行節能改造，其中普遍采用的改造方式就是變頻改造。變頻改造就是通過加裝一套變頻裝置，通過改變風機的轉速來達到改變其出口壓力的目的。但是，變頻改造的成本較高，而且其故障率也比較高[2]。寶鋼電廠4號爐BFG增壓風機引進日立動力歐洲公司（HPE）的技術，采用雙速電機，在滿足節能的同時，還具有較高的穩定性。但是，雙速電機在國內的使用并不普及，對于其運行特性并不是十分清楚，沒有現成經驗可以借鑒。因此，研究雙速電機的運行方式，特別是高、低速切換的方式，對進一步提升技術優勢和企業的節能降耗是至關重要的。

本文通過對4號機組BFG增壓風機高、低速切換方式優化研究，掌握增壓風機、風門開度和管路系統的性能和動態特性，增加BBF切換的范圍和靈活性，有效利用現有設備的性能，達到減少BFG放散和節能的目的[3]。

3 優化切換方案

為了滿足BFG增壓風機高、低速切換過程調節擋板開度范圍均大于20%，且低速切高速時最大開度大于75%，BFG增壓風機高、低速切換運行時風機出口壓力波動小于1.5 kPa[4]的要求，就必須對現有的切換方式進行分析研究。首先根據實際運行數據，對BFG增壓風機高、低速切換的實際過程進行解剖，然后采用試驗數據分析與理論分析交替的方法[5]，以掌握優化切換的關鍵因素點。

為了優化切換方式，深入了解原切換方式是關鍵所在。現以寶鋼電廠2012-6-5的三低切三高的試驗為例，分析原切換方式的具體過程。圖1為三低切三高運行過程中A、B、C三臺BFG增壓風機的開度、BFG進氣流量、壓力等參數隨時間的變化曲線。

圖1 三低切三高參數變化

由圖1可以看出：當三臺風機低速運行時，為了使流量從650 km3/h繼續升高，需要將風機從低速切至高速，整個切換過程大約持續30 min；每臺風機的切換均按照從低速的85%先降到50%（如圖中增壓風機B的a點）后再切換到高速并繼續降到20%（如圖中增壓風機B的b點）、然后按照增加開度的原則在保證壓力基本穩定的條件下增加高速運行風機的擋板開度（其它兩臺同樣操作）；在切換過程中流量先是略有降低（約降低20 km3/h），等三臺風機均切換為高速后流量才有了階躍式增大（從650 km3/h升高到700 km3/h），調節切換增加流量的響應時間很長，反應滯后。整個切換過程雖然保持了壓力的穩定，但是在切換過程中流量先有降低且反應滯后,導致BFG少量放散。為了盡可能的做到既平穩切換，又能在切換過程中流量盡量不要下降，或略有繼續上升，尋找更多的切換點是必要的。

為了獲得優化的切換方式，特分析BFG增壓風機各工況下的性能曲線[6]如圖2所示為三低和三高運行時的風機性能曲線。圖中的實線圈內表示風機三高和三低的公共運行區域，在這些區域內，可以找到相同壓力和相同流量的低速和高速運行工況點。如圖中的實線交點處，可以認為是風機三低、壓力在8.25 kPa、開度為85%的運行工況點，此時風機流量為650 km3/h；同時該工況點也是三臺風機高速運行、開度為31%的運行工況點；這樣就可以直接在三低運行時的85%切換到高速運行后將開度調整到31%即可。在了解了各種運行狀態工況點在性能曲線中的位置后，就能利用性能曲線給出更多的切換方式。

圖2的性能曲線的水平線表示等壓力線，在每條等壓線上的三高和三低的性能曲線的交點處既可作為高低速的切換點，將每個交點量化即可得到表1所示的在相近壓力時三低開度與對應的三高開度以及流量的關系。

圖2 三低切三高性能曲線圖

由表1可以看出，對應于不同的增壓風機全壓力，三低和三高具有相對應的開度關系，在切換時，只要對應關系相當，壓力就能基本保持不變。例如某次三低切三高過程，當壓力在8 kPa左右時，則85%開度三低運行所對應的三高運行開度大約為33%左右。

表1 不同增壓風機全壓力下三低和三高對應的開度關系和流量

由表1相近壓力下的開度及流量關系可以看出，當三低開度大于70%時，流量隨著開度增大而增加的變化率已經很小，說明此時風機開度對流量的影響已經很小，但是此時風機電機的功率隨著開度的增加還是增加的，因此考慮到風機運行時的節能，當三低運行時風機開度需要大于75%時即可切換到高速運行。表1還延伸給出了相近壓力下三高的開度與流量對應關系，這個數據可以用于保證切換到高速后流量增大而壓力變化不大。

參照上面分析三低切三高的方法同樣可以得到兩低和兩高之間的切換方案。

4 仿真試驗研究

為了更安全的進行BFG增壓風機的工作特性及切換方式試驗，在試驗進行之前，通過仿真軟件對增壓風機系統進行包括BFG增壓風機、管道、BFG加熱器、旁通管道在內的整個系統的建模。

經過仿真表明：當A、B、C三臺風機開度依次從低速的85%切換至高速的30%左右（根據風機全壓不同該開度有所變化），每臺風機的切換時間間隔大約為1 s，整個切換時間為3 s左右，流量在切換過程中平穩增加，沒有出現流量的減少，所以不會存在BFG放散的問題，能夠節約能源，且切換過程中壓力基本穩定，波動在0.5 kPa以內，能夠滿足切換要求。

為了驗證切換研究與仿真結果的正確和可操作性，選取三低運行工況下的C增壓風機為試驗風機，試驗工況為低速切高速。試驗過程中調節C增壓風機進口調節擋板開度至55%（低速），按照計算和仿真結果，切換為高速后的對應開度應該是26.5%（試驗時全壓在7.4 kPa左右），待風機出口壓力穩定后，將C增壓風機進口調節擋板切換為26%（高速），并保持此開度運行30 min。

表2 工況1仿真結果與試驗數據對比

C增壓風機的進口調節擋板開度由低速的55%切換為高速的26%，A、B增壓風機的進口調節擋板開度保持44%不變。切換前后BFG流量波動在3×103m3/h以內，BFG加熱器前后壓力波動在0.1 kPa以內，滿足BFG增壓風機高低速切換的要求。將仿真結果中的主要參數與試驗數據進行對比，如表2所示。

表2所示為在三低運行時仿真與現場試驗的主要參數對比，經數據分析，兩者的各參數相對誤差均小于3%。說明仿真結果與試驗數據差別較小，證明仿真平臺與實際切換結果吻合較好，表明仿真平臺可以作為大量切換點選取的前期計算刪選指導，然后選取典型仿真的工況點進行試驗，可以做到安全性高，目的性明確，并可以減少大量的試驗工況，減少試驗費用，說明仿真計算對BFG增壓風機的現場切換有較好指導意義。

利用理論分析、仿真計算指導現場實際切換后，BFG增壓風機的運行由原來只能一個點的切換方式擴大為可以在更多工況點下切換，確保了BFG流量的及時應用，減小BFG的放散，達到了節能減排的效果。

5 結束語

(1)目前BFG增壓風機高、低速切換時，對進口調節擋板的開度范圍要求過嚴，不利于經濟運行和環保要求；經過對實際切換過程數據分析表明，在需要增加流量時，卻要先降低流量來保證切換過程壓力的平穩，且增加流量的響應時間過長，反應滯后，切換過程中存在BFG的放散，不利于節能與環保。

(2)通過對試驗數據和性能特性曲線對比分析，可以發現具有相近壓力下高速與低速相對應的開度關系，由此可以得到低速切高速的多種切換方案，并形成表格，只要按照表內的對應關系進行調整，就能使得BFG增壓風機高、低速切換過程中調節擋板開度范圍均大于20%，且低速切高速時最大開度大于75%、風機出口壓力波動小于±1.5 kPa且有效減少BFG的放散；

(3)通過理論研究、建模仿真、試驗驗證的方法，成功對BFG增壓風機高低速切換過程進行了優化研究，解決了實際切換過程中切換時間較長、切換點單一、能源浪費等問題，并且保證了壓力波動在0.5 kPa以內。這種理論與實際相結合、以現場試驗驗證仿真模型、以模型仿真指導現場操作的方法為以后解決同類問題提供了一定借鑒，為同類問題解決提供了參考。

[參 考 文 獻]

[1]裘潯雋,楊瑜文.火電廠運行優化技術研究的發展趨勢[J].華東電力,2009,37(6)

[2]程啟明,程尹曼,汪明媚,王映斐,胡曉青.風力發電機組并網技術研究綜述[J].華東電力,2011,39(2)

[3]薛榮貴,高潔,翟海青.以市場機制實現節能減排[J].華東電力,2008,36(9)

[4]錢 名,楊曉偉.BFG增壓風機高低速切換程序分析與改進[J].寶鋼技術,2010(6)

[5]楊婷婷,曾德良,劉繼偉,劉吉臻.大型火力發電機組節能優化研究與展望[J].華東電力,2010,38(6)

[6]何川,郭立君.泵與風機[M].中國電力出版社,2008