電廠鍋爐送風機節能改造方案分析

李 旭，董 達，陳學兵，胡海濱

(1.華能安陽熱電有限責任公司，河南 安陽 455000；2.中國華能集團有限公司，北京 100000)

0 引 言

設備設計選型裕量偏大或者偏小等問題在電力基建過程中時有發生，尤其是風機，需要多臺風機相互配合，考慮鍋爐整體平衡通風，風機效率曲線一般較寬，且受溫度影響明顯，容易發生選型偏差與偏離性能高效區等問題[1]。在基建轉生產后，需進行必要的技術改造來提升風機的運行經濟性，滿足考核指標要求。風機節能技術改造在電力電源系統中較為普遍，技術也比較成熟，為達到少投資大收益目的，需選取一種最佳技術路線。

1 概 述

某電廠一期共建成2臺12 MW燃煤背壓機組，配 3臺130 t/h 循環流化床鍋爐, 1號、2號機組分別于2021年2月、5月投產，3號鍋爐于6月投產，鍋爐為自然循環、平衡通風、前墻給煤、固態排渣、半露天布置、管式空氣預熱器、全懸吊結構式高溫高壓、循環流化床鍋爐，SNCR脫硝(預留SCR空間)；汽輪機為單軸、單缸、單排汽、高溫高壓背壓式汽輪機，單級回熱系統。采用單系列風機設計，每臺鍋爐配 1臺100%容量的離心式引風機、一次風機、二次風機，均為入口導葉調節，2臺100%容量的多級離心式高壓流化風機。

2 改造前設備參數及運行狀況

2.1 改造前設備參數

送風機型號為G6-29NO18.8F，單吸離心式風機，入口導葉調節；配套電動機型號為YXKK400-4L，電壓等級10 kV電動機，額定功率450 kW，其主要技術參數見表1。

表1 改造前送風機設計技術參數Table 1 Technical parameters of forced draft fan design before transformation

2.2 改造前實際運行狀況

機組剛投產，尚未進行性能試驗，所有運行數據均取自1號機組DCS，高負荷數據來自滿負荷試運工況，中、低負荷數據來自日常運行工況。送風機出口壓力測點位置在擴壓管后，風量取自空氣預熱器出口兩側熱風分支母管，管式空預器漏風率按2%計算，各工況運行數據見表2。

表2 送風機實際運行參數Table 2 Actual operation parameters of forced draft fan

2.3 改造前分析

鍋爐大負荷運行時，送風機實際總壓升為8.25 kPa，大幅低于設計總壓升(12.93 kPa)。在鍋爐蒸發量112 t/h工況下，送風機運行內效率為47.2%；鍋爐蒸發量88 t/h工況下，送風機運行內效率為29.3%；鍋爐蒸發量63 t/h工況下，送風機運行內效率僅為9.8%，以上工況下風機內效率均大幅低于考核點效率。在原設計中，送風機壓力和流量裕量選取原則均為20%。綜合來看，送風機設計選型裕量過大，導致風機長期運行在低效區，風機進出口溫升較高，在輸出功率一定時較大部分輸入功率轉化為熱能，風機電耗損失大，低負荷時更加明顯。另外，鍋爐BMCR蒸發量130 t/h，汽輪機非采暖季最大能力工況112 t/h，采用蒸汽母管制，鍋爐最大出力高于汽輪機最大出力16%，進一步放大了該問題。

因機組新投產，熱力市場處于培育期，熱負荷整體較低，鍋爐長時間低負荷運行，既要節約燃料，又要維持循環流化床床溫保證鍋爐穩定運行，運行中二次風量較低，送風機持續低出力運行，入口擋板開度小。入口擋板低開度運行時線性較陡，對送風量與爐膛負壓、床溫影響較大，造成運行調節困難。

3 改造方案

為減小送風機不必要的裕量，使風機的實際工作點位于性能高效區，降低輸入損失，并改善風機運行調節性能，需要對送風機進行調速改造[2]。調速改造后送風機入口調節擋板保持全開，通過調節轉速來適應機組負荷工況，理想狀況下風機能夠始終工作在最高效率點。低負荷時，還可以開大鍋爐前后墻熱二次風擋板，進一步降低送風機運行電耗。結合送風機實際運行狀況及對標送風機內效率設計值，送風機調速改造節能潛力如圖1所示。

圖1 風機調速改造節能潛力Fig.1 Fan speed regulation transformation energy saving potential

永磁調速和變頻調速是泵與風機等離心負載廣泛應用的兩種調速方式[3]。

3.1 變頻調速

3.1.1 變頻調速工作原理及優缺點

通過控制電子功率單元對輸入的10 kV工頻電源進行有控制的整流、逆變后輸出可變頻率和電壓的交流電，利用電源頻率的改變實現電動機的無級變速。當前高壓變頻技術已經十分成熟，國產變頻器可靠性已經大幅提高。變頻器調節具有響應快、范圍寬、精度高、節能效果好等優點[4]，但也存在以下缺點：

1)電子元器件相對壽命周期短、故障率高。對于風機單系列設計，可能會因為變頻器故障旁路切換不成功導致機組跳閘；

2)對環境粉塵、溫度、濕度條件和電磁、輸入電壓、頻率、啟停頻次等運行條件相對苛刻，需要設置封閉的建筑來改善變頻器的運行條件，增加了改造和運行成本；

3)設備系統復雜，運行維護難度相對較大、成本相對較高。

3.1.2 變頻調速改造主要內容

1)增加10 kV高壓變頻器柜、旁路柜和進線柜各1套，因現場10 kV配電室空間不足，需要在送風機旁邊布置變頻相關盤柜；

2)新建變頻器設備室及配套安裝空調(按變頻器功率的2%～3%設置)、照明、消防等輔助設施；

3)在鍋爐MCC負荷段上選用2～3個備用電源開關(用于變頻器空調和照明供電，現場有冗余)，并增加與鍋爐MCC連接的電纜；

4)增加變頻器與送風機電機之間的動力電纜，并變更電纜通道；

5)占用DCS AI、DI通道各1個(DCS系統有冗余)；

6)增加變頻器與DCS通訊電纜，走現有送風機測控電纜通道；

7)運行中全開送風機入口調節擋板，根據運行工況調整鍋爐前后墻二次風擋板開度；

8)修改并優化鍋爐送風量和氧量自動調節邏輯。

3.2 永磁調速

3.2.1 永磁調速工作原理及優缺點

電動機輸入的電壓和頻率不變，通過改變連接于電動機側的導體和連接于負載設備的永磁體之間的氣隙實現負載設備的無級變速。電動機帶動導體在永磁體的磁場中旋轉切割磁力線，在導體中產生渦電流并在導體周圍產生永磁體的反磁場力，帶動負載旋轉[5]。氣隙增大，反磁場力變小，電動機轉矩變小，負載的轉速降低；氣隙減小，反磁場力變大，電動機轉矩變大，負載的轉速增加。永磁調速工作原理和結構相對簡單，近些年永磁體技術的進步促進了永磁調速裝置性能的提升，技術比較成熟[6]。

永磁調速的主要優點：

1)無需外接電源即可工作，穩定性和可靠性相比變頻器高，在大功率情況下尤其突出；

2)關鍵部件是永磁體、銅導體材料和氣隙調節裝置，主要部件均為機械設備，全壽命周期長，故障率低；

3)對運行環境沒有特殊要求，環境適應性強，可以頻繁啟停，完全軟啟動，堵轉自動保護，不需要專門的防護設施，附帶增加的運行成本??；

4)結構簡單，運行維護容易，免維護性強；

5)電動機和負載間通過氣隙傳遞扭矩，能夠很好地隔離電動機和送風機之間的機械振動。

永磁調速的主要缺點：

1)改造時需要變更送風機電動機的基礎，施工難度比較大；

2)對永磁調速器進行維護期間需要停機，對于單系列風機設計，影響生產的連續性。

3.2.2 變頻調速改造主要內容

1)在送風機電動機和風機對輪之間增加1套永磁調速裝置；

2)增加永磁調速執行機構1套；

3)占用DCS AI、DI通道各1個(DCS系統有冗余)；

4)增加永磁調速執行機構與DCS通信電纜，走現有送風機測控電纜通道；

5)運行中全開送風機入口調節擋板，根據運行工況調整鍋爐前后墻二次風擋板開度；

6)修改并優化鍋爐送風量和氧量自動調節邏輯。

4 改造經濟性分析

選取機組經常性運行工況(工況2：鍋爐蒸發量88 t/h，鍋爐負荷率67.7%，供熱量65 t/h)進行調速改造經濟性分析，單臺送風機調速改造節能潛力為197.5 kW/h。按非采暖季1臺爐運行，運行時間5 880 h；采暖季2臺鍋爐運行，運行時間2 880 h，電價0.347元/ (kW·h)進行測算。

4.1 改造投資及運行維護成本

對變頻器市場進行調研，選用國產設備，其中該廠在基建期已經考慮到送風機改造的可能性，對送風機基礎承臺進行了一體化的設計施工。送風機變頻、永磁調速改造投資及日常運行維護成本測算見表3。

表3 單臺送風機調速改造項目測算表Table 3 Calculation table of single forced draft fan speed regulation transformation project

單臺送風機變頻調速改造投資68萬元，3臺鍋爐3臺風機總投資204萬元；單臺送風機永磁調速改造投資48萬元，3臺鍋爐3臺風機總投資144萬元。

變頻調速裝置年運行維護支出為非采暖季年電耗支出、采暖季年電耗支出、維護費支出之和，總計10.9萬元。

永磁調速裝置年運行維護支出為非采暖季年電耗支出、采暖季年電耗支出、維護費支出之和，總計1.4萬元。

4.2 改造后節能收益

變頻調速與永磁調速改造后的收益都是由節約電能產生，年收益為非采暖季節能收益、采暖季節能收益之和，總計79.7萬元。

變頻調速改造年綜合收益為節能年收益、變頻調速裝置年運行支出之差，總計68.8萬元。

永磁調速改造年綜合收益為節能年收益、永磁調速裝置年運行支出之差，總計78.3萬元。

4.3 綜合效益分析

3臺鍋爐3臺風機變頻調速改造總投資204萬元，投資回收期為2.97年；變頻改造壽命周期10年，扣除投資成本后年效益48.4萬元。

3臺鍋爐3臺風機永磁調速改造總投資144萬元，投資回收期1.84年；永磁改造壽命周期25年，扣除投資成本后年效益72.7萬元。

5 結 語

該廠選型的G6-29NO18.8F單吸離心式送風機裕量偏大，在實際運行中風機效率低于設計值較多，運行中電能損耗大，在低負荷時風機入口調節擋板開度小調節困難，需要通過技術改造解決這一問題。綜合對比變頻調速和永磁調速兩種改造方案及結合該廠實際條件，在技術實施方面，永磁調速改造優于變頻調速改造；在經濟收益方面，永磁調速改造年收益為72.7萬元，高于變頻調速改造的48.4萬元，建議選用永磁調速。如果在基建期沒有預留送風機電機改造的基礎承臺，在選取改造路線時需綜合考慮實施難易度及經濟收益。