不同调节方式下二次风机低负荷运行能耗分析

张文元

(山西国际能源集团有限公司，山西 太原 030001)

根据山西省发布的《山西省防范化解煤电产能过剩风险工作方案》的要求，将实施煤电机组节能改造，到2020年全省燃煤机组供电煤耗达到国家规定的能耗标准要求，即低于310 g/(kW·h)。

面对目前火电机组常年低负荷运行的困境及国家对于火电机组更低供电煤耗和超低排放的要求，结合CFB技术在燃料灵活性和燃烧过程中低成本脱硫脱硝方面的潜力，CFB机组作为较成熟的高效环保型燃煤技术，近几年得到了快速发展。但是与煤粉炉机组相比，风机数量多，风机压头高，造成厂用电率居高不下，直接影响到机组供电煤耗。为解决此问题，在建CFB低热值煤项目基本上风机都采取了变频技术，更有甚者采用小汽轮机驱动风机。针对现役运行机组而言，风机如何适应长期性低负荷运行及电源侧灵活性改造，迫在眉睫。

在风机的应用中有许多因素影响其在最佳工况运行，如风机选型不当、管路系统设计不当、调节方式不当等[1]。在循环流化床锅炉中，二次风主要起助燃及加强床料混合的作用，特点为压头低、流量大，随负荷变化浮动大。针对二次风机结合在役运行CFB机组的各种调节类型，通过研究影响风机最佳运行的因素，尤其是研究低负荷下风机的不同调节方式和运行方式，为二次风机的节能提供依据。

1 风机经济运行影响因素分析

风机的经济运行是风机的选型、管路的设计及变工况调整等因素共同作用下的结果。风机的选型参数过大会造成风机落入低效区运行，同时还会造成风机工况点落入喘振区域[2]。因此，主要分析在风机选型已定的情况下，二次风机在不同运行方式及调节方式下的能耗情况。

2 低负荷下入口挡板调节能耗分析

某二次风机采取进口挡板调节的试验数据如表1所示。

表1 二次风机进口挡板调节方式下并列运行各台风机参数(满负荷200 MW)1#

根据表1的试验数据及风机性能参数拟合出风机性能曲线群，如图1所示。H为2台风机并列运行时的风机性能曲线，H1为1#风机单台运行时的风机性能曲线，H2为2台风机并列运行时2#风机的性能曲线。R1为负荷120 MW下风机管路特性曲线，R2为负荷100 MW下风机管路特性曲线，R3为负荷90 MW下风机管路特性曲线。根据风机并联运行理论可知，并列运行的风机流量是2台风机的流量之和，管网阻力值由2台风机的共有压力克服[3-4]。

当机组运行在50%负荷下时，机组并联运行的工况点为B。根据与上述相同的分析方法可知，由于挡板调节的原因，风机的管路曲线发生偏移。风机在R2管网中运行时，2台风机采用并列运行的全压和风量与1#风机的全压和风量接近，几乎为同一工况点。根据风机并列运行的理论，当全压不变时， 2#风机实际上并没有在2台风机并列运行时出力，仅1#风机满足此时负荷下对风量和风压的要求。

当机组运行在40%负荷下时，机组并联运行的工况点为C。同理可知，风机在R3管网中运行时，2台风机采用并列运行的全压介于单独运行的全压之间，并列运行时的风量也介于单独运行时的风量之间。从图1中可以发现，由于2#风机与1#风机并列运行，导致1#风机的实际出力降低，2#风机阻碍了1#风机的运行，导致2#风机出现负流量。

从风机采取入口挡板调节的运行结果中可以得出，50%负荷以下时采用单台二次风机运行；50%负荷以上时，从提高运行经济性的角度考虑，采用2台风机并列运行。

3 低负荷下液阻调速能耗分析

液体电阻调速器主要由液阻柜和冷却柜组成，是利用电机最大转矩与转子电阻无关，转差率与转子电阻成正比这一基本原理而设计开发的。其根本原理是转子串电阻调速，其技术关键是在电机转子回路中串入热容量大的液体电阻，通过传动装置平滑地调整液体电阻中两极板间的距离，改变串入电机转子回路中的电阻，利用改变转子回路的电阻来改变电机转差率而实现无级调速。电阻越大，电机转速越低；电阻为0，电机达到全速。在调速运行状态下，电阻长期通电所产生的焦耳热，由循环装置将液体强制泵入换热设备，进行散热，换热用的冷却水可以循环使用。

图1 入口挡板调节下二次风机性能曲线

通过对某台300 MW CFB机组以液阻调速的二次风机做实验发现，在保证相同负荷、入口挡板开度一致的情况下，当机组负荷降低到180 MW时，液阻开度几乎为0，为了保证二次风机风压的要求，只能降低入口挡板开度，试验数据如表2所示。

液阻调速效率和负载的关系曲线如图2所示。随着负载的变化，液阻的调速效率并非为线性变化，尤其是当负荷降低时，由于电阻与电流的非线性变化关系，调速效率在低负荷时大幅降低，造成液阻调速机组低负荷时的调节性能降低。通过表2可知，在负荷为200 MW，且满足二次风压要求的前提下，由于单台风机液阻开度远高于并列运行，其电流降低了18.5 A。

转子串电阻调速的损耗仅是静止电阻上的损耗。因此，在所有低效调速方法中，其节能率最高。在转差率S很小的范围内调速时，其节能率比高效调速方法还要高，主要原因在于：当S很小时，转差功率很小。当高效调速方法装置本身损耗还大于转差功率时，电网还要向调速装置多供给一些功率，以抵偿部分装置的损耗。

图2 调节效率与负载关系

实际运行中，液阻调节精度低，调节特性曲线线性度差，对电网调节响应慢，当风机工作在低转速工况下时，转子总电阻偏大。此时，改变液阻开度，转子总电阻变化比例很小，转速改变的大小不明显。电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大。所以，液阻调速的调节范围较窄，但与变频调节相比，其投资低，同时在高负荷时调节效率高于变频调节方式。

通过对低负荷下单台二次风机运行方式和2台二次风机并列运行方式所产生的节能效果的比较可知，当风机采用液阻调速时，在负荷低于70%的情况下，单台二次风机运行的方式更节能。

4 低负荷下变频调速能耗分析

根据电机学中交流异步电动机的转速公式n=60f(1-S)/p可知，通过改变频率f，将从电网接收的50 Hz工频交流电，经过恰当的强制变换方法，变换成为频率和幅值都可调节的交流电输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行，即为变频调速[5]。

变频调速的调节线性好，可以对风机进行平滑的无极调速，调节范围宽。同时，变频调速可以提高输入功率因素，一般可达0.95。当电机采用变频调节时，在全负荷工况下电机可维持高效率，如图2所示。但是，由于变频器在低频下会产生高次谐波，会对变频器的绝缘阻值产生影响，会影响变频器的寿命。

表2 二次风机液阻调节方式下并列运行各台风机参数(满负荷300 MW)

在采用变频调节时，为了控制磁通量保持不变，在频率降低时，电机电压也会跟着频率成比例的变化，而风机为3次方递减转矩负载，电流会随着频率变化，电机功率与频率的3次方成正比。表3为山西某电厂采取变频调节的二次风机运行参数，在风机入口挡板全开、低负荷运行的情况下，单台风机运行始终比2台风机并列运行能耗大。

由于变频调节不存在低负荷下调节性能差的问题，全频段都能保证风机的高效率运行，尤其是风机在低频下运行节能效果更好，同时从实际经济运行及风机安全运行角度考虑，对于采取变频调节的风机，建议采取2台风机并列运行的方式。

表3 二次风机变频调节方式下并列运行各台风机参数(满负荷300MW)

5 结 论

1)对于采用进口挡板调节的二次风机，从经济性和安全性考虑，50%负荷以下时，采用单台二次风机运行。

2)风机采用液阻调速时，在负荷低于70%时，采取单台二次风机运行的方式更节能。

3)由于变频调节不存在低负荷下调节性能差的问题，全频段都能保证风机的高效率运行，从经济运行及安全运行角度考虑，对于采取变频调节的风机，建议采取双台风机并列运行的方式。

[1] 景 博，张培华.电站锅炉引风机系统节能分析[J].节能，2016(7)：31-35.

[2] 续魁昌，王洪强，盖京方.风机手册[M].第2版.北京：机械工业出版社，2011.

[3] 邢国清，张 清.流体力学泵与风机[M].第4版.北京：中国电力出版社，2015.

[4] 王泉海，卢啸风，鲁佳易，等.循环流化床一、二次风管网特性及风机选型研究[J].中国电力，2012，45(10)：36-41.

[5] 汪书苹，盛明珺，胡 丹.风机泵类高压变频改造的节能分析及计算方法[J].电力自动化设备，2011，31(3)：117-120.