摘要：能源短缺和环境污染已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素，我国已清楚意识到能源与环保的重要性，并已制定了“节能减排”的方针政策。我国电力生产耗用煤炭占全国产量的40％左右，污染物排放占全国的30％以上。因此，火力发电厂面临着艰巨的节能减排任务。在火力发电厂的各类大功率辅机设备中，风机、水泵类设备占了绝大部分，且这些设备普遍存在富余容量较大的现象，运行效率低，大量能源在终端利用中被浪费掉。火力发电厂风机的节能方面很值得关注。现代大中型电厂都属调峰电厂，机组负荷经常随电网负荷而改变，导致风机长期不能达到额定工况，变工况运行时只能通过改变入口挡板开度来调节风量，在挡板上产生了大量的截流损失。因此应用此项技术进行节能改造，对开展节能降耗工作、降低厂用电率有非常明显的经济意义。
关键词：火力发电厂；风机节能；改造技术
据统计我国火力发电厂平均供电煤耗比发达国家高出60 ～ 80 g /（kWh），其中一个主要原因就是国内火电厂的厂用电率明显偏高，主要厂用辅机运行效率低下。
一、风机运行效率低的主要原因分析
在火力发电厂进行现场安装及调试时，常会遇到风机运行中压力达不到设计要求，电机却超电流的现象。经归纳分析，主要有以下原因。
1. 管网阻力设计计算。锅炉通风系统的管网阻力设计计算与实际偏离太大。经过多方面调查及电厂DCS 系统风机数据显示分析，发现造成这一结果的原因之一是空气流道侧往烟气道侧漏气，空气沿程流过对流过热器、省煤器、空气预热器时都有空气泄漏。虽然在计算空气量时也考虑到了漏气量，但是并没有考虑漏气对系统管网阻力的影响。因为气流总有向小阻力方向流动的特性，从而造成管网阻力达不到要求的压力，系统自动平衡出另一条管网阻力曲线。锅炉是一个十分复杂的管网系统，各处阻力难以计算，总阻力自然也很难计算准确。通常后果就是总阻力下降，使系统总的管网阻力曲线往大流量方向偏移，使运行工况远远偏离设计工况，造成流量大、全压下降、效率低，风机在大流量、低效区运行，消耗功率增加，甚至超载运行，更甚者还引起锅炉的载荷下降。造成锅炉通风系统的管网阻力设计计算与实际偏离太大的原因之二是锅炉系统设计中，一次、送、引风机的流量和全压在整个设计过程中层层加码。推荐的送风机的裕量系数：风量裕量系数为1.1，全压裕量系数为1.2；引风机的裕量系数：风量裕量系数为1.15，全压裕量系数为1.3；而一次风机的裕量系数相对还要大一些，风量裕量系数为1.35，全压裕量系数为1.35。实际计算系统阻力时往往是锅炉厂计算后加一些余量，电力设计院在系统设计中再加一点系数，尽管风机制造厂设计选型通常不加余量，送、引及一次风机的裕量系数选到超过20%～40%是比较常见的。这在设计过程中就已使设计工况偏离了理论的运行工况，这种偏离也使运行工况远远偏离风机的最高效率点。
2.风机制造厂的设计选型问题。全国风机制造厂上千家，大中型制造厂也有几十家，但设计技术水平相差很大，生产的产品类型差别也很大。绝大部分制造厂都处于按系列规格性能参数选型销售，没有个性化设计能力和技术，这样就很难保证用户要求的额定工况点在最高效率点上或在高效率区域内。根据火力发电厂运行中工况点多，设计工况与实际运行工况偏差大的特性。笔者认为按风机性能要求，最理想的风机应是动叶可调的轴流式通风机。它通过调节安装在转子上的叶片安装角，可以获得很宽广高效率区域。
3.调节风机性能方式的选择。由于历史的原因和技术经济的限制，过去选择的大部分调节方式都不符合节能的要求，风机一般都采用调节门来调节流量和压力，这种调节方式或多或少都会损失一定的能量。节能最好的方式是变转速调节，变速调节的途径很多：变频调速器、电磁调速离合器、液力耦合器、双速电机及汽轮机等。现在一些用户已经在选择风机调节方式时采用变频调速、液力耦合器等变转速调节方式，双速电机早在20 世纪80年代就已经采用，只是当时双速电机国内技术不过关，没有得到普及。近年来，随着新能源的发展，煤炭资源的质量大不如前。当机组全面运行时，需要6台磨煤机配合工作，因此，对一次性风机提出了更高的要求——朝着高端化的方向发展。根据设定内容分析机组性能，通过调节入口挡板控制一次母管的压力。如果调节线性较差，则会影响自动投入的效果。
二、改造的实例
例1：某地发电厂引风机由于锅炉厂及设计院重复计算全压裕量，给定压力裕量系数过大，导致风机在机组并网满发时（MCR 工况）其进口调节门开度仅为30％。在处理问题中经过核算发现，在给定风机参数前，锅炉厂计算阻力损失后加30％余量提供给设计院，设计院计算管网阻力损失后加30％余量提供给风机厂，引风机实际全压裕量系数变为1.69。例2：某地发电厂，由于漏气因素和流量、全压裕量系数过大使风机运行工况远远偏离设计工况，运行效率低，功耗大。该厂发电量为325MW，选用一台送风机，介质为空气，机组并网满发后（MCR 工况），通过电厂DCS 系统显示的系统参数：进口容积流量qv0=864000m3/h；进口温度tj=14℃；全压ptf=9200Pa；出口温度t=49℃。以实际运行参数与设计院给定BMCR 工况参数对比，不难发现：实际运行的管网阻力参数远远偏离设计院给定BMCR 工况参数，使送风机的运行效率很低，致使风机进口调节门开度不到30％，风机即可达到满发要求，而风机也因进入大流量区工作而出现超电流现象。考虑到机组运行的经济性及可靠性，同时兼顾机组现有的状况，在该送风机改造方案的制作上用最小的定子件改变量。通过流场分析，结合多年的系统分析经验，匹配新的叶轮，达到相对最大的改善效果。新的叶轮安装使用后，机组并网满发后（MCR 工况）运行参数，风机进口调节门开度56％，进口容积流量qv0=862000m3/h；进口温度tj=14℃；全压ptf =9180Pa；出口温度t=42℃。出口温度的降低说明随着风机进口调节门开度的增大，气流由调节门—进气箱—进风口—叶轮进口的流场在改善，涡流损失及摩擦损失减小。电流下降18A，实现了节能效果。例3：某地发电厂一次风机由于漏气因素和流量、全压裕量系数过大使风机运行工况远远偏离设计工况，运行效率低，功耗大。安装新的叶轮后4# 炉，机组并网满发后（MCR 工况）运行参数，流量、压力变化不大，风机进口调节门开度72%～78％。出口温度降低5℃，电流平均下降15.5A。再次说明随着风机进口调节门开度的增大，气流由调节门—进气箱—进风口—叶轮进口的流场在改善，涡流损失及摩擦损失减小，实现了节能效果。从以上数据可见电厂增产节能的成果突出，从电流反映出风机的节能取得了效果，但还没有达到最佳效果，还有潜力可挖。机组并网满发后（MCR 工况），通过电厂监测得到系统参数：进口容积流量qv0=32 9400m3/h；进口温度tj=20℃；全压ptf =11280Pa；出口温度t=40℃。实际运行参数与设计院给定MCR工况参数对比，流量及压力均偏离，使一次风机的运行效率很低，风机进口调节门开度50.6%～53％。该电厂有两套机组采用该风机，曾经试图上一套变频装置，通过变频调速提高风机的运行效率。无疑这是在现有情况下提高风机运行效率的最佳方案，但由于一次性投资大而放弃。同例2 相似，通过流场分析，结合多年的系统分析经验，在完全利用原主轴及定子件前提下、匹配新的叶轮，实现相对最大化的改善效果。将4号炉的一次风机改进，3 号炉的未做改造，仍使用原叶轮。改造后两台锅炉运行600MW 时设备参数对比见表1。
三、火力发电厂风机提高运行效率途径的设想
1.成立火力发电装备增产节能改造专家咨询中心，可以是常设机构，也可以是临时机构，但人员需相对固定，应由主机、辅机各种主要设备经验丰富的专家组成，至少应包括电站系统设计、锅炉系统设计、汽轮机、发电机、风机、水泵等专业的专家。国内发电装备发展历史长，各年代制造的都有，技术水平相差很大，改造任务量大、面广、涉及技术领域多，成立这个咨询中心可以做到少花钱，多办事，获得更高的节能效果。
2.提高风机和水泵的管网系统阻力计算的可靠性，降低流量和压力的富裕系数，避免运行工况偏离设计额定工况，偏离最高效率区域；同时改造流程中的漏气、漏水问题，这些都会造成管网阻力曲线的改变，致使运行工况往大流量，低阻力方向偏移，远离高效率区域，造成高功耗、低效率运行。但改变这种状况很难。有专家提出采用正压通风系统，取消引风机，此意见值得考虑，应尽快试验一下。不仅节能效果好，漏风问题好解决，提高了管网阻力计算的可靠性，运行工况的偏离因素也得到了很大改善，有利于提高运行效率。现场送、引风机的运行工况效率差别很大，很难用一种改造方式把问题都解决。应该深入现场实际调查，根据不同的问题，提出不同的解决方案。这样会取得更好的节能效果。风机管网系统改造后，最好实测出管网的阻力，根据新系统运行参数的要求重新按个性化设计的要求来改造风机，保证设计工况处于高效率区域内。
3.选择具有高效率、高效率区域宽广特性的新型风机，近10 多年以来风机行业的主要厂家，先后从国外引进了具有先进技术水平的新型风机，例如动叶可调轴流式通风机、子午加速轴流通风机、斜流式通风机等。最值得推荐的是动叶可调轴流式通风机，最高内效率达到0 .85，而且可以通过调节转子叶片的安装角，扩大高效率区域的范围，如果再配置变速调节设备，那就可以保证风机在各种运行工况下都能获得很高的运行效率。至于引风机叶片的耐磨问题，现在也有解决办法，采用铸钢叶片，如果还不理想，叶片表面还可粘接耐磨陶瓷片，现已有成功的使用经验。风机在改造中应同时考虑增设变转速的调节设备，保证各种运行工况都在高效率区域内，可获得更高的节能效果。选用变频器调速是比较理想的，它有许多优点，但价格昂贵；其次是液力耦合器，也可选择汽轮机驱动。在实施具体方案时要注意以下几点：①要改造热控逻辑控制体系，通过对变频调节的有效应用和对一次风压的有效控制，使一次风机的入口挡板处于最理想的状态，进而实现其预计的经济价值。②在需要改造的机组上增添1 440 kVA 的高压变频器。③为了满足改造要求，可应用高压电缆和控制电缆实现对输出线路的改造。④建立变频室。在高压变频间内添加4 台101匹的可调控空调，进一步提高变频间的环境温度，进而提高生产性能。
4.从电动机调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械中广泛使用的不改变同步转速的调速方法有液力偶合器等；改变同步转速的有变频调速等。如果均匀地改变电动机电源频率，可以平滑地改变电动机的同步转速。实际上，在改变电动机频率的同时，为了保持电动机的输出力矩不变，还需要维持电动机磁通恒定。即：在电动机调速过程中，应保持电动机电源电压和频率的比值为一常数。变频器调速节能原理：将一恒定电压、频率的电源在变频器内部经整流变成直流，再经过逆变器转换为频率与电压比值一定，电压/频率连续可调的三相交流电源。在转差率不变，同步转速和电动机理想转速同步变化情况下进行调速。因此，变频调速的调速精度、功率因数、效率都较高，容易实现闭环控制。液力偶合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器。液力偶合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。电动机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。液力偶合器靠液体与泵轮、涡轮的叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。它的输出扭矩等于输入扭矩减去摩擦力矩，所以它的输出扭矩恒小于输入扭矩。液力偶合器输入轴与输出轴间靠液体联系，工作构件间不存在刚性联接。在电机转速不变的情况下，通过改变偶合器的导管开度，就能改变工作腔内工作油的充满度，实现工作机的无级调速，变化输出功率的大小。调速范围离心式风机约为1 ～ 1 /4。调速型液力偶合器主要用于调整输入输出转速比，属于损耗功率控制型调速。电气产品对环境要求较高，变频器室安装在锅炉车间，灰、渣、粉尘、汽、水等较重，影响变频器安全运行。针对此情况，制订了变频室空调、滤网等定期维护和设备切换制度，将变频室室温远传集控室监视，及时发现温度异常情况并进行现场检查。风机变频改造后，不同工况下能耗下降10% ～ 36%。火力发电厂风机应用量大、面广且能耗较高。因此，在风机上推广变频节能技术，取代落后的挡风板或阀门载流调节方式，使风机始终处于科学、经济运行状态，对提高企业综合经济效益和社会效益具有十分重要的意义。
综上所述，火力发电厂的设备改造节能工作任重而道远，相关设备的制造厂还应积极配合提高本企业的技术水平，以满足用户设备改造的要求。
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论文作者:曹玉琦
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/4
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