李麗鋒,張培華 ,趙云凱
(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000; 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 朔州 036800)
350MW火電站風(fēng)機(jī)深度節(jié)能計(jì)算分析及應(yīng)用
李麗鋒1,張培華2,趙云凱2
(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000; 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 朔州 036800)
基于風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)節(jié)方式以及入口擋板調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)方式的節(jié)能原理及節(jié)能效果。針對(duì)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速不同工況下,結(jié)合山西某電廠350MW超臨界機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),采用轉(zhuǎn)速、風(fēng)量法和電壓、電流兩種方法,計(jì)算分析節(jié)能效果。經(jīng)計(jì)算在不同工況下,各風(fēng)機(jī)軸功率值,風(fēng)機(jī)差壓、流量下降明顯,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的深度節(jié)能,驗(yàn)證了該方法的有效性。
風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié);變頻調(diào)速;深度節(jié)能
火電廠是最主要的能源消耗大戶,在我國(guó)的二次能源結(jié)構(gòu)中,約占74%。而在火力發(fā)電廠中,泵和風(fēng)機(jī)是最主要的耗電設(shè)備。基于這些設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行和常處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),而設(shè)備在非滿負(fù)荷運(yùn)行工況下存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,運(yùn)行工況點(diǎn)偏離高效點(diǎn),運(yùn)行效率降低,大量的能源在終端利用中被白白地浪費(fèi)[1]。因此,對(duì)電廠風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能研究有著突出重要的意義。如果使用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)來控制所需風(fēng)量,就可以將風(fēng)門盡可能地打開,減少節(jié)流損失從而節(jié)約電能,降低生產(chǎn)成本。
通過研究不同調(diào)節(jié)方式下風(fēng)機(jī)節(jié)能原理與節(jié)能效果,分析計(jì)算擋板和變頻調(diào)節(jié)風(fēng)量的節(jié)能效果,可以更好地指導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型及運(yùn)行應(yīng)用。
離心式風(fēng)機(jī)工作原理:當(dāng)葉輪隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片間的氣體也隨葉輪旋轉(zhuǎn)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(jìn)入機(jī)殼,于是機(jī)殼內(nèi)的氣體壓強(qiáng)增高,最后被導(dǎo)向出口排出,排出的高速氣流具有一定的風(fēng)壓[2]。
風(fēng)機(jī)的流量調(diào)節(jié)方式直接影響其性能和管路特性,要使風(fēng)機(jī)的節(jié)能量達(dá)到最大,必須對(duì)其特性曲線進(jìn)行詳細(xì)分析。通過性能曲線和管路特性曲線的變化,可以對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和能量消耗進(jìn)行較直觀的分析[3]。因此,要準(zhǔn)確預(yù)算使風(fēng)機(jī)變頻的節(jié)能效果,必須以接近實(shí)際風(fēng)機(jī)泵類情況的特性曲線為依據(jù)。
風(fēng)機(jī)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(guān)系曲線。這2條曲線可分別通過以下曲線擬合函數(shù)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(shù),根據(jù)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可確定風(fēng)機(jī)的性能曲線。
風(fēng)機(jī)的管路特性曲線由具體的管路系統(tǒng)自然形成,具有固定性。管路曲線方程表達(dá)式:
R=c0+c1Q2
(3)
由此,風(fēng)機(jī)的性能曲線及管路特性曲線如圖1所示。
圖1 風(fēng)機(jī)特性曲線Fig.1 Fan characteristic curve
各種風(fēng)機(jī)特性曲線上的每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)工況,風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)必然是管路特性曲線R—Q與其性能曲線H—Q的交點(diǎn)處[4]。穩(wěn)定工作點(diǎn)必定為風(fēng)機(jī)性能曲線單調(diào)下降段與管道阻力特性曲線的交點(diǎn)。為了節(jié)能,往往利用各種調(diào)節(jié)方式,通過改變風(fēng)機(jī)特性曲線及工況點(diǎn)達(dá)到調(diào)節(jié)目的。當(dāng)風(fēng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)將沿H—Q特性曲線移動(dòng)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)不僅取決于本身的性能,而且取決于系統(tǒng)的特性,當(dāng)管網(wǎng)阻力增大時(shí),管路性能曲線將變陡。風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)的基本原理就是要通過外加條件來改變風(fēng)機(jī)本身的性能曲線或改變外部管網(wǎng)特性曲線,以得到所需的最佳工況。
假設(shè)風(fēng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速n1運(yùn)行時(shí),性能曲線和管路特性曲線分別為P1和R1,則A1點(diǎn)即為風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn),如圖2所示。采用閥門開度調(diào)節(jié)流量時(shí),電機(jī)總是全速運(yùn)轉(zhuǎn),因此性能曲線不變。當(dāng)減小閥門開度,流量減小到Q2時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)移至A2點(diǎn),相應(yīng)地管路特性曲線變?yōu)镽2。因此,改變閥門開度實(shí)際上就是通過改變管路特性實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的,方法簡(jiǎn)單、易操作。
圖2 不同調(diào)節(jié)方式的風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況Fig.2 Fan operating conditions of different regulating modes
當(dāng)通過改變風(fēng)機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí),由于閥門開度不變,其管路特性不變。如將流量調(diào)節(jié)到Q2時(shí),工況點(diǎn)沿圖2中的管路特性曲線R1的A1移至A3點(diǎn),相應(yīng)地電機(jī)的轉(zhuǎn)速降到n2,即性能曲線下移。因此,改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際上是通過改變其性能曲線實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的。
對(duì)于離心式風(fēng)機(jī)來說,風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比,可寫作:
Q=K1·n
(4)
風(fēng)壓H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,即:
H=K2·n2
(5)
電動(dòng)機(jī)的軸功率P同Q與H的乘積成正比,即同轉(zhuǎn)速n的立方成正比.即:
P=K3·n3
(6)
風(fēng)機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)工況如圖3所示,管網(wǎng)阻力曲線R與擋板的開度有關(guān),隨開度減小,R曲線變得陡峭,消耗功率可由風(fēng)量和風(fēng)壓的面積表示,流量由Q1逐漸減小為50%時(shí),風(fēng)壓反而逐漸上升,從圖中可以直觀看出,軸功率P比調(diào)節(jié)前減少不多,這是因?yàn)殚y門減小控制流量時(shí),人為地增加了風(fēng)機(jī)閥門及管網(wǎng)阻力,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率降低,運(yùn)行點(diǎn)偏離運(yùn)行高效區(qū),大部分電能被用來克服管道阻力而白白浪費(fèi)了,存在嚴(yán)重的節(jié)流損失。
圖3 擋板調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況Fig.3 Fan operating conditions through Bezel adjustment
而采用變頻調(diào)節(jié),風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速的性能曲線近似為一組平行曲線,如圖4所示,隨著轉(zhuǎn)速的下降,流量下降的同時(shí)風(fēng)壓也隨著下降,因此軸功率下降較多。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制流量時(shí),閥門可全開,管網(wǎng)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(shí)其前后的壓差也不大,擋板產(chǎn)生的壓力損耗并不大。因此變頻改造后風(fēng)機(jī)節(jié)能效果明顯。
圖4 變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況Fig.4 Fan operating conditions through frequency conversion adjustment
采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使風(fēng)量減為50%時(shí),從圖5可以看出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1降至n2,管網(wǎng)阻力曲線R1不變,仍為擋板全開功率,可用風(fēng)量、風(fēng)壓乘積表示,轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)減少風(fēng)量為50%時(shí),管網(wǎng)阻力曲線變?yōu)镽2,電機(jī)轉(zhuǎn)速n1不變。顯然,陰影面積S就代表二者之差,即可以節(jié)約的功率值。
圖5 風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能比較Fig.5 Comparisons of the fan speed adjusting and energy saving
當(dāng)風(fēng)機(jī)性能曲線逐漸下降,與風(fēng)機(jī)管網(wǎng)阻力特性曲線相交于H4,最大壓力與管路靜壓力相等,此時(shí)系統(tǒng)已無法克服管路阻力。因此,變頻調(diào)速時(shí)風(fēng)機(jī)泵類轉(zhuǎn)速不易過低。若電機(jī)輸出功率過低,或者工作頻率過度偏移額定頻率,都會(huì)使電機(jī)效率下降過快,最終都影響到整個(gè)機(jī)組的效率。為此,制造廠出廠風(fēng)機(jī)或泵時(shí)都會(huì)規(guī)定工作范圍,通常認(rèn)為變頻調(diào)速不宜低于額定頻率20%。
由以上分析可知,通過改變風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率,降低風(fēng)機(jī)耗電量的有效途徑,節(jié)能效果顯著。
根據(jù)GB/T 12497—2006《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[5]對(duì)電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理的規(guī)定有如下的計(jì)算式,采用擋板調(diào)節(jié)流量對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸入功率Pi1與輸出流量Qi的關(guān)系為:
(7)
式中:P0為風(fēng)機(jī)額定功率,kW;Q0為風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量,104m3。
根據(jù)上述分析可得采用變頻調(diào)節(jié)電機(jī)可得功率Pi2與流量Qi的關(guān)系為:
(8)
山西河坡發(fā)電公司350 MW超臨界變壓運(yùn)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(fēng)、一次中間再熱、循環(huán)流化床燃燒方式,該機(jī)組引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)見表1。
表1 風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of fan motor
以該機(jī)組1號(hào)爐實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)電計(jì)算,記錄實(shí)際運(yùn)行不同工況下的流量Qi和轉(zhuǎn)速ni(i=1,2,…,6),以及對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間百分比ti,記錄數(shù)據(jù)見表2。
表2 運(yùn)行數(shù)據(jù)平均值Table 2 Average value of operating data
注:表2中Q引、Q一、Q二分別為對(duì)應(yīng)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)風(fēng)量,104m3/h;n引、n一、n二為對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;ti為各負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間百分比,%;Pi為負(fù)荷,MW。
采用變頻調(diào)節(jié)電機(jī)相對(duì)采用擋板調(diào)節(jié)電機(jī)年節(jié)約電量E計(jì)算如下:
(9)
E總=2×(E引+E一+E二)
(10)
式中:E為節(jié)約電量,kW·h;ni為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速,r/min;ti為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的工作時(shí)間百分比,%;T為發(fā)電機(jī)一年工作時(shí)間,h。
將各風(fēng)機(jī)不同工況下計(jì)算出的工變頻功率差值做曲線如下圖6所示。結(jié)合計(jì)算出的功率各值,可以看出,各風(fēng)機(jī)差值隨著負(fù)荷的升高,差值逐漸變小,風(fēng)機(jī)變頻出力越大,越接近工頻狀態(tài)。因此,采用變頻風(fēng)機(jī)在負(fù)荷較低時(shí)節(jié)能效果越好。但受管網(wǎng)阻力和風(fēng)機(jī)效率限制,頻率值不能過低,通常在20%以上,風(fēng)機(jī)運(yùn)行在所需風(fēng)量較小時(shí),應(yīng)采用低頻率和擋板共同調(diào)節(jié)。
圖6 風(fēng)機(jī)工變頻運(yùn)行功率差值曲線Fig.6 Power difference curves between work and variable frequency operations
河坡發(fā)電采用變頻調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速、采用風(fēng)量法計(jì)算,可得E總為5 925×104kW·h,以上網(wǎng)電價(jià)0.3元/(kW·h)計(jì)算,年可節(jié)約發(fā)電成本約1 778萬元。
統(tǒng)計(jì)該電廠風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下運(yùn)行高壓側(cè)運(yùn)行電流,運(yùn)行平均數(shù)據(jù)見表3。
表3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流均值Table 3 Current average values of fan operating
采用電壓電流法計(jì)算電機(jī)所耗功率如下式:
(11)
式中:μ為電機(jī)功率因素;θ為電機(jī)效率,96%,
+P一工i+P二工i)×ti×T
(12)
計(jì)算可得E總為5 832×104kW·h,與采用轉(zhuǎn)速風(fēng)量法計(jì)算結(jié)果基本一致,相互驗(yàn)證了兩種方法的正確性。
從風(fēng)機(jī)運(yùn)行本質(zhì)上分析其節(jié)能效果,計(jì)算各風(fēng)機(jī)電機(jī)所需的軸功率N,計(jì)算方法如下式:
(13)
式中:Q為風(fēng)機(jī)體積流量,m3/h;P為風(fēng)機(jī)全壓,kPa;η1為風(fēng)機(jī)全壓效率,%;η2為機(jī)械傳遞效率,取經(jīng)驗(yàn)值95%。
運(yùn)行中保持尾部煙道出口氧量(4%)和爐膛頂部負(fù)壓(-100 Pa)基本不變,統(tǒng)計(jì)鍋爐BMCR工況(350 MW)和50%BMCR工況(175 MW)運(yùn)行數(shù)據(jù)均值,見表4、表5。
風(fēng)機(jī)全壓為風(fēng)機(jī)出入口壓差,由表4、5中數(shù)據(jù)計(jì)算各風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率N,計(jì)算結(jié)果見表6。
表4 350MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)Table 4 350MW fan operating parameters
注:一次風(fēng)機(jī)鍋爐側(cè)風(fēng)壓為風(fēng)室壓力,二次風(fēng)機(jī)鍋爐側(cè)壓力為爐膛進(jìn)口擋板處壓力,引風(fēng)機(jī)鍋爐側(cè)壓力為爐膛頂部壓力。
表5 175MW風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)Table 5 175MW fan operating parameters
表6 不同工況各風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率Table 6 Fan motor shaft powers in different conditions
一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行需保證最低流化風(fēng)量和風(fēng)壓,最小流化風(fēng)量為17×104m3,最低風(fēng)壓為床壓(7.5 kPa)、布風(fēng)板阻力、暖風(fēng)器阻力、空預(yù)器阻力及其他煙道阻力損失總和。煙道各阻力損失隨風(fēng)機(jī)出口壓力變化而變化。二次風(fēng)主要提供氧氣,加強(qiáng)燃燒,其爐膛進(jìn)口處為微正壓。引風(fēng)機(jī)運(yùn)行需保證爐膛頂部為微負(fù)壓狀態(tài)。
運(yùn)行中各風(fēng)機(jī)出入口擋板全開,采用變頻運(yùn)行,從表4、表5和表6中可以看出,175 MW工況相比350MW工況,風(fēng)機(jī)差壓、流量下降明顯,風(fēng)機(jī)運(yùn)行所需的電機(jī)軸功率下降明顯,且均滿足機(jī)組經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行要求,機(jī)組負(fù)荷越低,變頻節(jié)能效果越明顯。
風(fēng)機(jī)電機(jī)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(fēng)機(jī)電機(jī)仍然沒有滿出力運(yùn)行,軸功率相對(duì)電機(jī)額定功率較小,表明了變頻的節(jié)能效果。
a.風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)通過改變其性能曲線實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié),風(fēng)機(jī)擋板開度調(diào)節(jié)通過改變其管路特性實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。
b.風(fēng)機(jī)擋板開度逐漸減小,增加了閥門及管網(wǎng)阻力,電機(jī)功率下降較少,運(yùn)行點(diǎn)偏離運(yùn)行高效區(qū),大部分電能被用來克服管道阻力而浪費(fèi),節(jié)流損失嚴(yán)重。
c.采用變頻調(diào)節(jié),隨著轉(zhuǎn)速下降,管網(wǎng)阻力不變,電機(jī)功率下降明顯,變頻運(yùn)行頻率不可過低。所需風(fēng)量較小時(shí),應(yīng)采用低頻率和擋板共同調(diào)節(jié)。
d.采用轉(zhuǎn)速與風(fēng)量計(jì)算風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下,變頻調(diào)節(jié)與擋板開度調(diào)節(jié)功率相比,計(jì)算實(shí)例中,電廠年可節(jié)約發(fā)電量5 925×104kW·h,節(jié)約發(fā)電成本1 778萬元,實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的深度節(jié)能。
e.采用高壓側(cè)電壓與電流計(jì)算風(fēng)機(jī)不同負(fù)荷下,變頻調(diào)節(jié)與擋板開度調(diào)節(jié)功率,計(jì)算結(jié)果與采用轉(zhuǎn)速、風(fēng)量結(jié)果一致,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)流量、風(fēng)壓、運(yùn)行電流間相互換算。
f.采用變頻調(diào)節(jié),50%BMCR工況相對(duì)BMCR工況各風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率、差壓、流量下降明顯,節(jié)能空間大,機(jī)組負(fù)荷越低,節(jié)能效果越顯著。BMCR工況相對(duì)風(fēng)機(jī)額定參數(shù)仍具有很好的節(jié)能效果,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的深度節(jié)能。
[1] 藍(lán)曉村,夏大偉.600MW機(jī)組軸流式脫硫增壓機(jī)變頻改造[J].中國(guó)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(fēng)機(jī)泵類高壓變頻改造的節(jié)能分析及計(jì)算方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)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(fā)電廠350MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),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(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造的研究[D].碩士學(xué)位論文.青島理工大學(xué),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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(fā)電熱控工作。
TM621.7
A
2095-6843(2017)04-0365-05