要：简要介绍我国电站风机运行经济性现状，提出提高我国电站风机运行经济性的途径
具体方法，对采用变频器等变速调节的经济性和可靠性问题进行了分析，并用实例予以说明。
关键词：电站风机 节能 变速调节
中图分类号：TH43；TE08 文献标识码：B
文章编号：1003-8155（2007）03-0000-00
Discussion of Energy-saving Method of Power Plant Fan Inland
Abstract: The economic status quo of power plant fan running inland is introduced, the measure and concrete method of improving power plant fan running economic inland is put forward. Analyze the problem of economic and re li abi li ty to adopt used frequency converter to frequency conversion speed regulation ， and give the example to description.
Abstract: Power plant fan Energy-saving Frequency conversion speed regulation
0 引言
电站风机主要指电站锅炉的通风机、送风机、引风机、一次风机 ( 或排粉风机 ) 、烟气再循环风机和脱硫增压风机。循环流化床的高压( 流化 ) 风机及湿式石灰石 - 石膏法烟气脱硫装置的氧化风机属鼓风机范畴，本文不涉及此两种风机。
1 我国电站风机运行经济性现状
近年来，我国电站风机运行的经济性有较大提高。这主要是由于动叶调节和静叶调节轴流式风机在我国大量投运，轴流风机在我国大容量机组中的使用率已远远超过了离心式风机；电厂对风机运行经济性的日益重视，加大了对低效运行风机的改造力度，采用液力耦合器和变频调节的风机日益增多。 但由于选型设计的差异，制造质量和运行维护水平高低的差别，我国各电厂风机耗电率的差别还较大。一般送、引、一次风机均采用动叶可调轴流式风机的电厂，其三大类风机的年均总耗电率（占电厂发电量的百分数）可以达到1.5%以内，最好的可达1.0%。配备离心式风机的大型电厂，其三大类风机的年均总耗电率一般在2.0%以上，最好的也接近2.0%。而高的竟达到2.5% 以上。与国外先进水平相比，还有差距，总的运行经济性还有待进一步提高。
2 电站风机节能途径与技术
2.1 选择与锅炉风(烟)系统相匹配的风机
目前，我国大型电站风机(不论是国产还是引进)几乎均是高效风机，但其在电厂运行的经济性(或耗电率) 却有很大差别。究其原因，最主要的是所选风机的特性是否与其工作的管网系统阻力特性相匹配。因此，选择好与锅炉风(烟)系统匹配的风机是首要的节能途径。
要选好电站风机，以下两点是关键。
2.1.1 合理的确定风机选型设计参数
风机选型设计参数是否合理是风机运行经济性好坏的关键，选大了则会使风机运行不到高效区内，造成高效风机低效运行的后果。甚至可能导致离心风机及其进出口管道的剧烈振动和轴流风机失速(喘振)等不安全现象发生，威胁机组的安全经济运行。选小了又会造成不能满足机组满发的需要。
我国电站风机的选型参数均是按锅炉最大连续蒸发量所需的风(烟)量和风(烟)系统计算阻力加上一定的富裕量确定的。其中锅炉本体的风(烟)量和风(烟)系统阻力由锅炉厂提供，辅机设备的出力、阻力、漏风等由制造厂提供，锅炉岛内的风、烟管道由设计院设计，最终选型设计参数由设计院提出。因此，作为业主单位必须深入了解锅炉和辅助设备制造厂提供参数的依据，是否留有裕量及其大小(特别是空气预热器一两次风的漏风率、制粉系统的出力及阻力)；设计院的管道设计是否合理和风(烟)量及阻力计算时是否已留有裕量；最后总的裕量是否合适等。
要特别强调的是，提供风机的选型参数不能只有一个设计工况点参数，必须包括：
选型工况(TB)点、BMCR工况点、发电机组满发(经济运行)工况点、50%BMCR附近工况点，不投油最低稳燃工况点及锅炉点火启动工况点的参数。才能更合理地选用到满意的电站风机。 如果 只有 TB 和 BMCR 两工况点的参数就选择风机，往往造成选出的风机不能满足低负荷工况的需要。甚至造成轴流风机失速（喘振），或离心风机工作在气流高脉动区，给风机安全稳定运行带来隐患。
2.1.2 合理选择风机的型式和型号大小
为选择到合适的风机型式和型号，首先要有风机所在系统的阻力特性，即发电机组在各种负荷工况及可能的异常工况(如上节所列)下运行时该系统的流量和阻力。其次要了解机组的负荷特性(即负荷率)。
选型时，首先按TB工况参数选取风机型式和型号大小，然后将系统阻力特性(换算到所要选择的风机特性曲线相同的状态)画到所选的风机性能特性曲线图上，观察所要选的风机是否能满足安全稳定运行的需要。即阻力线要完全落在风机稳定区域内且失速裕度足够。
在满足安全运行需要后，再按机组负荷率进行计算比较，选择年耗电量最小的风机型号。但在确定风机型式(离心、动调轴流、静调轴流)时，还要考虑风机设备费、基础费、占地大小及运行可靠性等，进行技术经济比较后再最终确定。
2.2 采用先进的调节方式
由于电站风机在选型时均留有一定裕量，有时为考虑煤源(煤质)的变化、锅炉主辅设备状况变差等情况的影响，此裕量还较大。机组发电负荷也不可能不变，参与调峰的机组负荷率还较低。因此，电站风机总是在部分负荷下运行，这就要求对风机进行调节。显然，调节方式的好坏直接关系到电站风机运行的经济性。
风机最好的调节方法为变转速调节，其次是动叶调节轴流式风机，以下依次是静叶调节轴流式风机，进口导叶调节离心风机，进风箱进口百叶窗式挡板调节的离心式风机， 采用节流调节的排粉机最差。
变转速调节在我国电厂中成功应用的有双速电动机、调速型液力耦合器和变频器。其它的如可控硅串级调速电机、滑差电动机、调速型液力离合器(ω离合器)也有个别应用。
在已投运的风机上加装变转速装置，更要注意风机与管网系统是否匹配的问题。 如果 风机与管网系统匹配不好，即系统阻力特性线未通过风机的高效区，机组满负荷运行或风机全速运行调节机构 ( 如有 ) 全开时，风机运行效率就不高。那么即使采用变速调节，风机运行效率也还是低的。对此，必须首先对风机进行改造，然后再选配变速调节设备。
再有就是，在已投运的风机上加装变转速装置，还要对转子的固有频率及轴系的扭振频率进行校核计算，防止出现轴系扭振和在某些转速下运行时转子部件共振的发生。
2.3 改造低效运行的风机和不合理的管道布置
尽管在我国大型电厂中使用的电站风机几乎全是高效风机，但由于种种原因，其运行效率较低的风机仍不少。对这些风机进行改造，提高其运行效率，仍是我国电站风机节能的重要途径。
不合理的管道布置不仅增加系统阻力，若风机进、出口管道布置不合理，不仅破坏了风机的进气条件，还将降低风机的性能，使其达不到风机的设计参数，而且效率大为下降。因此，改造不合理的管道布置也是电站风机一种节能途径。
20世纪90年代前，电站风机改造主要是推广高效风机。西安热工研究院在总结国内电厂风机改造的经验教训之后，提出了风机改造的新思路。即注重发挥改造的整体效益，而不是片面追求风机本身的高效率。将改造低效运行风机提高运行效率和提高风机本身运行可靠性结合起来；将降低风机运行电耗同尽量节省改造费用结合起来；在进行风机本身改造的同时，改造不合理的管道布置，并充分考虑管路系统特性及运行方式等，会使节能改造效果更显著。文献［ 1］对电站风机改造的原理、步骤和方法进行了总结。
风机改造的步骤和主要方法：
(1)改前试验。通过改前风机运行性能试验，得出系统阻力特性；确定合理的风机设计参数；评价风机进、出口管道布置的合理性；以及在风机改造的同时有无必要改造系统中的其它设备和管道。
(2)确定风机改造范围。根据改前试验结果，进行风机选型设计，并尽可能利用原风机设备部件(如电机、基础、传动组、等尽可能不换，机壳尽量少改或不改)，减少改造工作量和成本。
(3)进行结构设计。采用先进的有限元法对叶轮整体应力进行计算，合理选用材料及其厚度；对引风机及排粉机应采取有效防磨措施；对大型离心式风机优先采用双吸双支撑结构风机，并采用棘形(锯齿形)中盘，以减轻叶轮质量、减少磨损、降低启动力矩和电机容量的启动备用量；对采用进口轴向叶片调节的大型离心风机，在其后的集流噐中加装中心涡消旋器，以避免调节门在50%左右开度时风机及进、出口管道剧烈振动。最终达到提高风机运行稳定性和可靠性的目的。
(4)选择合适的调节方式。经技术经济分析，选择调节效率和可靠性高的调节装置。
(5)改造不合理的进出口管道布置。在改造风机的同时，改造不合理的风机进出口管道布置，或在不合理的弯道处加装导流叶片。以改善风机工作条件、降低系统阻力，从而达到多节电的目的。
(6)严把制造安装质量。
(7)重视风机启动调试，特别要注意需并联运行的风机在各种可能并列工况下的并车情况，防止抢风现象发生。并制定风机合理的运行操作方式。
2.4 提高电站风机运行的安全可靠性
电站风机的可靠性直接关系到发电机组的安全经济性。 如果 风机的可靠性不高，即故障率高，则会造成发电机组非计划停运或非计划降低出力运行，直接损失发电量和降低机组运行经济性。如2004年我国200MW以上机组引风机平均每台年等效非计划停运2.97h，造成直接少发电量达4.77亿kW·h以上。因此，提高风机可靠性，降低其非计划停运率，无疑是电站风机的另一重要节能途径。
3 电站风机采用变速调节应注意的问题
近年来，由于高压变频器的国产化加快，价格有所降低，在我国电站风机中采用变频调速逐渐增多，目前最好的调速方式。但设备价格和可靠性仍然是影响大型电站风机选用的关键，已有采用变频调速节电效果不明显、不合算和因故障较频繁而安装变频器后又停用的实例。因此电站风机选用变频器要慎重。一是要较准确确定实际经济效益；二是要经业绩调查选择可靠性高的变频器；三是要有完善的，能保证变频器切换过程中锅炉燃烧稳定的自动切换装置。
3.1 选用变频器的经济效益分析
选用变频器，不要将按节流调节理论推导出的风机、泵类负载采用变频器后可获得20%～ 30%以上的节电率应用到电站风机上，必须根据实际负荷率和所配风机的实际运行效率进行详细的 经济分析后再决定是否选用。这是由电站风机及其系统特性决定的。
(1)电站风机除排粉风机外，并没有采用节流调节的大型电站风机。离心式风机和静叶调节的轴流风机采用进口导叶调节，其调节效率远高于挡板节流调节，动叶调节轴流式风机的调节效率更高。因此按挡板节流调节的计算方法不适用于排粉机以外的电站风机(送、引、一次、脱硫风机等) ；
(2)锅炉风(烟)系统的流量与锅炉负荷不是按一次方关系变化。因为锅炉低负荷时氧量都要高于额定负荷、预热器在不同负荷时的漏风率不同、少投运的燃烧器还需要有一定的冷却空气量等，使得锅炉送风量和烟气量随锅炉负荷的降低要小于一次方关系；
(3)锅炉风(烟)系统的阻力随锅炉负荷(或发电负荷)的变化并不是简单的二次方关系，通常在 (1.5～1.8)次方之间。这与系统内的设备和风(烟)门的特性及管道布置有关。对于采用中速磨直吹式制粉系统的锅炉，其一次风系统的总阻力随风量的变化关系更远低于二次方。这是因为此时锅炉负荷的变化主要采用磨煤机投运台数去适应，磨煤机的出力变化不大，因而其阻力变化小，反映到一次风机上就出现风量随锅炉负荷变化较大，而压力变化较小。
(4)采用变频调速并不能改变风机的性能，并且还增加了变频器自身带来的损失（尽管其相对于其它调速装置损失较小）。因此在已投运的电站风机上加装变频装置，更要注意风机与所在系统是否匹配的问题，如不匹配，即系统阻力特性线未通过风机的高效区域，风机在全速运行时的效率就不高。那么采用变频调速后，风机运行效率始终也不高，节能达不到理想状况。
(5)采用变频调速的节电率与发电机组的负荷率直接相关。机组负荷率高(高转速运行时间多)，节电率就低；机组负荷率低(低转速运行时间长)，节电率就高。
以下用一实例来说明电站风机采用变频调速后的节电量计算。
例：某电厂一台1004t/h 煤粉锅炉。配有两台静叶可调轴流式风机。 其设计规范示于表1，其性能曲线如图1所示。
表 1 引风机设计规范
名称
单 位
数 值
型 号
/
AN30e6
工 况
/
BMC 工况
TB 工况
风 压
Pa
3895
4868
比压能
Nm/kg
4899
6347
风 量
m3 /s
279
329.3
静叶调整范围
/
-75°～﹢ 30 °
介质温度
℃
120
120.6
介质密度
kg/m3
0.795
0.767
风机轴功率
kW
1278
1880
风机效率
﹪
86.8
87
电机型号
/
YFKK800 － 8
电机功率
kW
2240
该引风机自投运以后，一直存在电耗高的问题，由热工院对该型引风机进行热态运行性能试验的结果示于图1。
从图1可见，该型风机与锅炉烟气系统极不匹配，风机出力富裕量过大。在机组满负荷（335MW）时，平均每台引风机风量为274.4m3/s ，风压为2619Pa。风机设计工况（TB）的风量和风压富裕量分别是20%和86%。造成两台风机进口调节门开度在45%( 调节叶片角度在-30°) 以下运行。因而运行效率低，电耗高。
如将该型风机-AN30e6(V19+4)改成用变频器调速，则其调节性能曲线如图2所示。
由图2可见，当采用变转速调节后，风机运行效率有很大提高，其节电量计算如表2 。
表2 采用变频调速方案节电量计算
名称
符号
单位
计算公式或来源
工况 1
工况 2
工况 3
工况 4
机组负荷
E MW
控制室显示值
335
290
240
190
风机烟气量
q v
m 3 /s
实际测量值
274 ． 4
237.45
217,85
181.1
风机压力
p F
Pa
实际测量值
2619
2115
1752
1122.1
风机比压能
Y
J/kg
3323 .3
2704
2223.8
1377
风机空气功率
P u
kW
P U = q v · p F /1000
718 ． 65
502.2
381,7
203.2
定速风机叶轮效率
η R
%
查图 4
83.7
76.0
61.0
36.5
变速风机叶轮效率
η rb
%
查图 5
86.4
86.5
86.75
86.5
定速风机轴效率
η a
%
η a =0.98 × η R
82 ． 0
74.48
59.8
35.8
变速风机轴效率
η ab
%
η ab =0.98 ×η Rb
84.67
84.77
85.02
84.77
变频器效率
η b
%
据厂家提供选取
96
96
96
96
电机效率
η e
%
假设
94
94
94.0
94
定速电机输入功率
P t
kW
P t = P u / η a / η e
932.3
717.3
679.0
603.8
变速电机输入功率
P tb
kW
P tb = P u / η ab / η e / η b
940.5
656.5
497.5
272.0
年运行小时
H
h
电厂提供
2400
1200
2400
1200
定速运行年耗电量
N
MW · h
N = P t · H
2237.5
860.8
1629.6
724.6
变速运行年耗电量
N b
MW · h
N B = P Tb · H
2257.2
787.8
1194.0
326.4
定速年总耗电量
N e
MW · h
N e = ∑ N
5452.5
变速年总耗电量
N eb
MW · h
N eb = ∑ N b
4565.4
用变频年总节电量
N J
kW · h
N J = N e - N eb
88 7100
变频调节节电率
16.27
注：表中风机空气功率忽略了压缩性修正，电机和变频器效率未考虑低负荷时的降低。
从表2可见，该风机改变频调速的节电率可达16.27% ，若按0.30元/kW·h 的电价计算，一年能节约26.613万元。而要加装 2240kW 的高压变频装置系统，却需250万元以上。不计投资利息也需 9.4 年才能回收改造成本。因此，此方案不宜采用。
以上说明，该风机虽然出力过大，却与系统特性极不匹配。但采用变频调速后节电量也还不够高，经济上不合算。究其原因：一是该型风机采用进口导叶调节，调节性能较好，因此在机组满负荷运行时，原风机效率与变转速调节效率相差很小，加上变频器自身的损耗，反而多耗电量；二是低负荷时，变频调速运行风机效率虽比定速运行高出很多(190MW负荷高出50个百分点) ，但低负荷时风机空气功率大大减小，节电量有限；三是变频装置价格过于昂贵，节电量虽大，但靠节电量不足以偿还初投资，经济上不合算。
3.2 高压变频器的可靠性问题
变频器是一个复杂的大功率电力电子装置。据有关单位调查，目前国产高压变频器的可靠性还不能令电厂满意，不只是个别品牌的变频器，许多品牌的变频器都多多少少的出现过变频器本身故障或被外界因素诱发跳闸。由此导致锅炉炉膛灭火或降低机组出力的情况也不鲜见。因此除选用有实际业绩证明可靠性高的变频器(生产厂家)外，如何使变频器跳闸后既能自动恢复风机工频供电而又能保持发电机组运行工况稳定的措施非常重要。
西安热工院曾在20世纪90年代研制出ZQF-01/KB自动切换装置，经两台小型电站锅炉送风机改变频调速运行证明：该型锅炉风机变频调速自动切换装置实用可靠，在变频器发生故障时，能及时将电动机自动切换到工频电网，使风机能以额定转速运行。同时，风机进口调节门能自动调节风量，并能抑制风量突变，保持锅炉燃烧稳定，有效地的解决了电站锅炉风机采用变速调节的安全可靠性问题(见文献［2］) 。现今大型发电机组的DCS自控系统只要按上速要求合理设计变频器的进、出口及旁路开关柜和DCS系统改进组态，以及做好风机入口调节门的调节特性试验和整体调试等工作，锅炉风机采用变频调速的可靠性问题将能得到较好解决 。
参 考 文 献
[1] 刘家钰.电站风机改造与可靠性分析[M]. 中国电力出版社，2002.1.
[2] 齐春松,董康田,刘家钰 . 锅炉风机变频调速自动切换装置的研究及应用[M]. 热力发电,1992(5)：27-31.
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