350MW火電站風機深度節能計算分析及應用

李麗鋒，張培華 ，趙云凱

(1.山西河坡發電有限責任公司，山西 陽泉 045000； 2.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800)

350MW火電站風機深度節能計算分析及應用

李麗鋒1，張培華2，趙云凱2

(1.山西河坡發電有限責任公司，山西 陽泉 045000； 2.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800)

基于風機高壓變頻調節方式以及入口擋板調節方式的性能曲線、管路特性曲線的性能研究，分析比較了兩種調節方式的節能原理及節能效果。針對風機變頻調速不同工況下，結合山西某電廠350MW超臨界機組實際運行數據，采用轉速、風量法和電壓、電流兩種方法，計算分析節能效果。經計算在不同工況下，各風機軸功率值，風機差壓、流量下降明顯，實現風機的深度節能，驗證了該方法的有效性。

風機調節；變頻調速；深度節能

火電廠是最主要的能源消耗大戶，在我國的二次能源結構中，約占74%。而在火力發電廠中，泵和風機是最主要的耗電設備。基于這些設備長期連續運行和常處于低負荷運行狀態，而設備在非滿負荷運行工況下存在“大馬拉小車”的現象，運行工況點偏離高效點，運行效率降低，大量的能源在終端利用中被白白地浪費[1]。因此，對電廠風機進行節能研究有著突出重要的意義。如果使用變頻器對風機進行變速調節來控制所需風量，就可以將風門盡可能地打開，減少節流損失從而節約電能，降低生產成本。

通過研究不同調節方式下風機節能原理與節能效果，分析計算擋板和變頻調節風量的節能效果，可以更好地指導風機的選型及運行應用。

1 風機調節方式特性分析

離心式風機工作原理：當葉輪隨軸旋轉時，葉片間的氣體也隨葉輪旋轉而獲得離心力，并從葉片之間的出口處甩出。被甩出的氣體進入機殼，于是機殼內的氣體壓強增高，最后被導向出口排出,排出的高速氣流具有一定的風壓[2]。

風機的流量調節方式直接影響其性能和管路特性，要使風機的節能量達到最大，必須對其特性曲線進行詳細分析。通過性能曲線和管路特性曲線的變化，可以對風機的運行狀態和能量消耗進行較直觀的分析[3]。因此，要準確預算使風機變頻的節能效果，必須以接近實際風機泵類情況的特性曲線為依據。

風機泵類的性能曲線主要包括：壓力與流量(H—Q)、效率與流量(η—Q)關系曲線。這2條曲線可分別通過以下曲線擬合函數得到:

H=k0+k1Q+k2Q2

(1)

η=a0+a1Q+a2Q2

(2)

式中:k0、k1、k2及a0、a1、a2為待定系數，根據生產廠家產品出廠試驗數據即可確定風機的性能曲線。

風機的管路特性曲線由具體的管路系統自然形成，具有固定性。管路曲線方程表達式：

R=c0+c1Q2

(3)

由此，風機的性能曲線及管路特性曲線如圖1所示。

圖1 風機特性曲線Fig.1 Fan characteristic curve

各種風機特性曲線上的每一點都對應著一個工況，風機的工作點必然是管路特性曲線R—Q與其性能曲線H—Q的交點處[4]。穩定工作點必定為風機性能曲線單調下降段與管道阻力特性曲線的交點。為了節能，往往利用各種調節方式，通過改變風機特性曲線及工況點達到調節目的。當風機以恒轉速運行時，風機的工況點將沿H—Q特性曲線移動。風機運行時的工況點不僅取決于本身的性能，而且取決于系統的特性，當管網阻力增大時，管路性能曲線將變陡。風機調節的基本原理就是要通過外加條件來改變風機本身的性能曲線或改變外部管網特性曲線，以得到所需的最佳工況。

假設風機以額定轉速n1運行時，性能曲線和管路特性曲線分別為P1和R1，則A1點即為風機全速運行時工況點，如圖2所示。采用閥門開度調節流量時，電機總是全速運轉，因此性能曲線不變。當減小閥門開度，流量減小到Q2時，系統運行工況點移至A2點，相應地管路特性曲線變為R2。因此，改變閥門開度實際上就是通過改變管路特性實現流量調節的，方法簡單、易操作。

圖2 不同調節方式的風機運行工況Fig.2 Fan operating conditions of different regulating modes

當通過改變風機或泵的轉速來進行流量調節時，由于閥門開度不變，其管路特性不變。如將流量調節到Q2時，工況點沿圖2中的管路特性曲線R1的A1移至A3點，相應地電機的轉速降到n2，即性能曲線下移。因此，改變風機轉速實際上是通過改變其性能曲線實現流量調節的。

2 風機變頻節能分析

對于離心式風機來說，風量Q與轉速n成正比，可寫作：

Q=K1·n

(4)

風壓H與轉速n的平方成正比，即：

H=K2·n2

(5)

電動機的軸功率P同Q與H的乘積成正比，即同轉速n的立方成正比．即：

P=K3·n3

(6)

風機采用節流調節工況如圖3所示，管網阻力曲線R與擋板的開度有關，隨開度減小，R曲線變得陡峭，消耗功率可由風量和風壓的面積表示，流量由Q1逐漸減小為50%時，風壓反而逐漸上升，從圖中可以直觀看出，軸功率P比調節前減少不多，這是因為閥門減小控制流量時，人為地增加了風機閥門及管網阻力，使風機運行效率降低，運行點偏離運行高效區，大部分電能被用來克服管道阻力而白白浪費了，存在嚴重的節流損失。

圖3 擋板調節風機運行工況Fig.3 Fan operating conditions through Bezel adjustment

而采用變頻調節，風機不同轉速的性能曲線近似為一組平行曲線，如圖4所示，隨著轉速的下降，流量下降的同時風壓也隨著下降，因此軸功率下降較多。采用變頻調速技術控制流量時，閥門可全開，管網阻力最小且保持不變，這樣減少了閥門上的壓力損耗。即使在閥門開度不大時其前后的壓差也不大，擋板產生的壓力損耗并不大。因此變頻改造后風機節能效果明顯。

圖4 變頻調節風機運行工況Fig.4 Fan operating conditions through frequency conversion adjustment

采用轉速調節使風量減為50%時，從圖5可以看出風機轉速由n1降至n2，管網阻力曲線R1不變，仍為擋板全開功率，可用風量、風壓乘積表示，轉速降為原來的1/2，而軸功率則減少為額定功率的1/8。采用擋板調節減少風量為50%時，管網阻力曲線變為R2，電機轉速n1不變。顯然，陰影面積S就代表二者之差，即可以節約的功率值。

圖5 風機調速節能比較Fig.5 Comparisons of the fan speed adjusting and energy saving

當風機性能曲線逐漸下降，與風機管網阻力特性曲線相交于H4，最大壓力與管路靜壓力相等，此時系統已無法克服管路阻力。因此，變頻調速時風機泵類轉速不易過低。若電機輸出功率過低，或者工作頻率過度偏移額定頻率，都會使電機效率下降過快，最終都影響到整個機組的效率。為此，制造廠出廠風機或泵時都會規定工作范圍，通常認為變頻調速不宜低于額定頻率20%。

由以上分析可知，通過改變風機的電機轉速來改變風量的調節方式是提高風機運行效率，降低風機耗電量的有效途徑，節能效果顯著。

3 轉速與風量法節電計算

根據GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》[5]對電機經濟運行管理的規定有如下的計算式，采用擋板調節流量對應電動機輸入功率Pi1與輸出流量Qi的關系為：

(7)

式中：P0為風機額定功率，kW；Q0為風機額定風量，104m3。

根據上述分析可得采用變頻調節電機可得功率Pi2與流量Qi的關系為：

(8)

山西河坡發電公司350 MW超臨界變壓運行直流爐形式為DG1184/25.31-Ⅱ，單爐膛、半露天M型布置、平衡通風、一次中間再熱、循環流化床燃燒方式，該機組引風機、一次風機、二次風機電機參數見表1。

表1 風機電機參數Table 1 Parameters of fan motor

以該機組1號爐實際運行數據對其引風機、一次風機、二次風機進行節電計算，記錄實際運行不同工況下的流量Qi和轉速ni(i=1,2,…,6)，以及對應的工作時間百分比ti，記錄數據見表2。

表2 運行數據平均值Table 2 Average value of operating data

注：表2中Q引、Q一、Q二分別為對應引風機、一次風機、二次風機風量，104m3/h；n引、n一、n二為對應風機轉速，r/min；ti為各負荷段運行時間百分比，%；Pi為負荷，MW。

采用變頻調節電機相對采用擋板調節電機年節約電量E計算如下：

(9)

E總=2×(E引+E一+E二)

(10)

式中：E為節約電量，kW·h；ni為對應轉速，r/min；ti為對應轉速下的工作時間百分比，%；T為發電機一年工作時間，h。

將各風機不同工況下計算出的工變頻功率差值做曲線如下圖6所示。結合計算出的功率各值，可以看出，各風機差值隨著負荷的升高，差值逐漸變小，風機變頻出力越大，越接近工頻狀態。因此，采用變頻風機在負荷較低時節能效果越好。但受管網阻力和風機效率限制，頻率值不能過低，通常在20%以上，風機運行在所需風量較小時，應采用低頻率和擋板共同調節。

圖6 風機工變頻運行功率差值曲線Fig.6 Power difference curves between work and variable frequency operations

河坡發電采用變頻調節引風機、一次風機、二次風機采用轉速、采用風量法計算，可得E總為5 925×104kW·h，以上網電價0.3元/(kW·h)計算，年可節約發電成本約1 778萬元。

4 電壓與電流法節電計算

統計該電廠風機不同負荷下運行高壓側運行電流，運行平均數據見表3。

表3 風機運行電流均值Table 3 Current average values of fan operating

采用電壓電流法計算電機所耗功率如下式：

(11)

式中:μ為電機功率因素;θ為電機效率,96%,

+P一工i+P二工i)×ti×T

(12)

計算可得E總為5 832×104kW·h，與采用轉速風量法計算結果基本一致，相互驗證了兩種方法的正確性。

5 風機電機軸功率計算

從風機運行本質上分析其節能效果，計算各風機電機所需的軸功率N，計算方法如下式：

(13)

式中：Q為風機體積流量，m3/h；P為風機全壓，kPa；η1為風機全壓效率，%；η2為機械傳遞效率，取經驗值95%。

運行中保持尾部煙道出口氧量(4%)和爐膛頂部負壓(-100 Pa)基本不變，統計鍋爐BMCR工況(350 MW)和50%BMCR工況(175 MW)運行數據均值，見表4、表5。

風機全壓為風機出入口壓差，由表4、5中數據計算各風機電機軸功率N，計算結果見表6。

表4 350MW風機運行參數Table 4 350MW fan operating parameters

注：一次風機鍋爐側風壓為風室壓力，二次風機鍋爐側壓力為爐膛進口擋板處壓力，引風機鍋爐側壓力為爐膛頂部壓力。

表5 175MW風機運行參數Table 5 175MW fan operating parameters

表6 不同工況各風機電機軸功率Table 6 Fan motor shaft powers in different conditions

一次風機運行需保證最低流化風量和風壓，最小流化風量為17×104m3，最低風壓為床壓(7.5 kPa)、布風板阻力、暖風器阻力、空預器阻力及其他煙道阻力損失總和。煙道各阻力損失隨風機出口壓力變化而變化。二次風主要提供氧氣，加強燃燒，其爐膛進口處為微正壓。引風機運行需保證爐膛頂部為微負壓狀態。

運行中各風機出入口擋板全開，采用變頻運行，從表4、表5和表6中可以看出，175 MW工況相比350MW工況，風機差壓、流量下降明顯，風機運行所需的電機軸功率下降明顯，且均滿足機組經濟穩定運行要求，機組負荷越低，變頻節能效果越明顯。

風機電機選型均有一定的安全裕度，從表6和表1中可得出，BMCR工況下，風機電機仍然沒有滿出力運行，軸功率相對電機額定功率較小，表明了變頻的節能效果。

6 結 語

a.風機變頻調節通過改變其性能曲線實現流量調節，風機擋板開度調節通過改變其管路特性實現流量調節。

b.風機擋板開度逐漸減小，增加了閥門及管網阻力，電機功率下降較少，運行點偏離運行高效區，大部分電能被用來克服管道阻力而浪費，節流損失嚴重。

c.采用變頻調節，隨著轉速下降，管網阻力不變，電機功率下降明顯，變頻運行頻率不可過低。所需風量較小時，應采用低頻率和擋板共同調節。

d.采用轉速與風量計算風機不同負荷下，變頻調節與擋板開度調節功率相比，計算實例中，電廠年可節約發電量5 925×104kW·h，節約發電成本1 778萬元，實現風機運行的深度節能。

e.采用高壓側電壓與電流計算風機不同負荷下，變頻調節與擋板開度調節功率，計算結果與采用轉速、風量結果一致，從而實現風機流量、風壓、運行電流間相互換算。

f.采用變頻調節，50%BMCR工況相對BMCR工況各風機電機軸功率、差壓、流量下降明顯，節能空間大，機組負荷越低，節能效果越顯著。BMCR工況相對風機額定參數仍具有很好的節能效果，實現了風機的深度節能。

[1] 藍曉村，夏大偉.600MW機組軸流式脫硫增壓機變頻改造[J].中國電力，2012,45(7):42-44.LAN Xiaocun,XIA Dawei.Retrofit of variable frequency on axial flue gas desulphurization booster fan in 600 MW units[J].China Power,2012,45(7):42～44.

[2] 汪書草,盛明珺,胡丹.風機泵類高壓變頻改造的節能分析及計算方法[J].電力自動化設備，2011,31(3):117-120.WANG Shucao,SHENG Mingjun,HU Dan.Energy-saving analysis and calculation of HV frequency conversion retrofitting for fan and pump[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(3): 117-120.

[3] 于曉濤.火力發電廠350MW機組引風機高壓變頻調速技術的應用研究[D].長春工業大學，2016.YU Xiaotao.Application of high voltage variable-frequency speed control device on induced draft fan of 350 MW thermal power plant[D].Changchun University of Technology,2016.

[4] 周培建.火電廠引風機變頻節能改造的研究[D].碩士學位論文.青島理工大學,2014.ZHOU Peijian.Thermal induced draft inverter energy-saving feasibility study[D].Qingdao Technological University,2014.

[5] GB/T 12497—2006《三相異步電動機經濟運行》[S].

(編輯 李世杰)

Calculation and analysis on in-depth energy-saving of fan in a 350MW thermal power plant and its application

LI Lifeng1,ZHANG Peihua2,ZHAO Yunkai2

(1.Shanxi Hepo Power Generation Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China;2.Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co.,Ltd.,Shuozhou 036800,China)

Based on the performance study on performance curve and pipeline characteristic curve under fan’s high voltage frequency conversion and inlet baffle adjusting methods,the energy-saving principle and its effect of the two adjusting methods are analyzed and compared.According to the energy-saving effect of different frequency of wind turbine under different operating conditions,combined with the actual operation data of 350MW supercritical unit in a Shanxi power plant,speed-air volume method and voltage-current method are used to calculate and analyze the energy-saving effect.It is calculated that under different working conditions,the power value of all the fan shafts,the differential pressure of the fan and the flow rate are obviously reduced in ways to realize the energy-saving of the fan,therefore,the effectiveness of the method is verified.

fan adjustment; frequency conversion control; in-depth energy saving

2016-11-21;

2017-05-21。

李麗鋒(1990—)，男，碩士，從事火力發電熱控工作。

TM621.7

A

2095-6843(2017)04-0365-05