600MW机组轴流一次风机选型分析与节能改造

宁新宇，王双童

（国电科学技术研究院，江苏 南京 210031）

0 概 述

目前，采用轴流式一次风机已成为600MW超（超）临界容量机组一次风机的主要类型［1，2］。当前对于一次风机的节能改造已有一定研究［3－6］，但是对于一次风机选型方面的研究还不多见［7］，现以近年投产的600MW机组为研究对象，对其一次风机的选型裕度状况和节能改造进行分析和研究，可为新建机组的辅机选型和已投产机组的节能降耗提供相关参考。

1 设备状况

所选部分600MW超（超）临界容量机组中的轴流式一次风机，均为国内外主要的设备厂家生产。一次风机的全压为9 869～19 858Pa，风机最大流量为52.23～138.8m3／s，风机的电机电压基本为6 kV，少数风机的电机电压为3kV或10kV，电机功率在1 150～3 000kW，风机的具体参数，如表1所示。

表1 600MW超（超）临界机组动叶可调轴流式一次风机的性能参数

2 选型分析和节能改造

2.1 选型分析

风机选型偏大将造成电厂的初期投资额增大，同时，风机将长期偏离高效率区域运行，风机效率降低，风机的电耗增加。所以，合理选择风机型式，对于节能降耗有着很重要的意义。依据《大中型火力发电厂设计规范》（2011版）中对风机基本流量和基本阻力计算的原则，按照对流量裕量和压头裕量的规定，对所选机组的风机参数进行分析。有关风机的基本流量、流量裕量和压头裕量的选择原则，如表2所示。

根据各机组风机设备的状况，以设备的设计参数与锅炉BMCR工况下的热力计算值进行对比，分析一次风机的流量裕度。从统计结果分析，一次风机选型的流量裕度范围为41.9%～195.84%，平均值为103.24%（具体数据见表3）。所选设备中，一次风机流量裕度超过150%以上有4台机组，占统计数量的13.33%；裕度在100%～150%的有11台机组，占统计数量的36.67%；裕度在50%～100%的有7台机组，占统计数量的23.33%；裕度在30%～50%的有8台机组，占统计数量的26.67%，各机组的具体参数值，如表3、表4所示。依据规范，在所统计的32台设备中，一次风机普遍存选型偏大的问题，其原因是在最初的设计选型阶段，设备厂家和设计单位的修正系数相互叠加。

表2 规程对一次风机流量和压头裕量的要求

对于压力裕度，根据统计的部分数据，其范围在24%～54%，依据规范20%～30%的设计要求，依据相似原理［8］，从流量裕度的情况分析，这些设备的压力裕度同样偏大。

表4 一次风机流量裕度分布情况

在对风机裕度分析的基础上，对一次风机在满负荷或接近满负荷工况下时的实际运行状况进行了统计，并与设计值进行了对比。从统计数据分析，从一次风机实际运行电流的大小和动叶开度的情况分析，与设计流量裕度的统计数据存在偏差。

在所选机组中，以河南民权1号、2号机组的风机设备为例，其流量裕量为41.9%，当1号、2号机组分别接近其最大出力负荷时，共有6台磨煤机投运，动叶开度分别为66.5%和62.0%，电机电流分别达到设计值的71.0%和66.8%，说明2台机组的一次风机均具有一定裕度。对于600MW机组，在设计煤质条件下，满负荷时磨煤机台数为5用1备。在实际情况下，由于机组掺烧经济煤质，经常投运6台磨煤机，具体运行参数，如表5所示。现以6台磨煤机满出力运行进行考虑，则制粉系统实际通风量较设计状况将增加约20%，依据规范中流量裕度推荐值为20%～30%，以及相关机组掺烧经济煤种的实际运行状况，一次风机流量裕度的上限可放至40%。如果机组的燃用煤质与设计燃煤的热值较为接近，则可按照规范中推荐值，取30%左右的流量裕度［9］。

同比来看，安徽铜陵1号、2号机组的一次风机流量裕量最大，其流量裕量为195.84%。当2号机组接近最大出力时，在6台磨煤机投运的情况下，一次风机的平均动叶开度为57.5%，风机平均运行电流为额定值的67.99%。对比分析后认为，虽然安徽铜陵机组中风机的流量裕度远大于河南民权机组中的风机裕度，但在两组设备满负荷的情况下，实际运行电流与额定值电流的比值相差不大，只是河南民权机组的比值相对高一些，这与两者的流量裕度相比较很不相符，其原因是由于风机与电机的功率匹配造成的，即安徽铜陵机组的一次风机所配备的电机与设备本体容量相比明显偏小。就风机本身的运行特性而言，将影响一次风机的运行效率和出力。这种影响在设备裕量较大的情况下不明显，但是这种配备造成了初期投资的增大。

表5 一次风机实际运行状况与设计值对比

上述列举的一次风机均具有较大的电流裕度，其实际运行电流与额定电流的比值在37.68%～75.00%。设备裕量较大影响了运行效率，增加辅机设备的电耗量。总体而言，当前对一次风机的选型存在两个问题，一是与锅炉的运行需求相比较，存在选型偏大的问题；二是风机电机与风机本身容量的匹配存在不相符的问题。依据《大中型火力发电厂设计规范》（2011版），一次风机的流量裕度应控制在20%～30%，但考虑到当前大部分机组均掺烧经济煤种，如果煤质偏差较大，则应以6台磨煤机满出力运行考虑，一次风机流量裕度上限可设置为40%，如果实际燃用煤质与设计煤质的偏差较小，则一次风机流量裕度可选取在30%左右。实际选型时，应充分了解厂家设备的特性，再考虑一定的温度裕量，就可满足机组运行的需要，不能只追求较大的设备裕度，造成初期投资额的增大。

对于一次风机的电机选型，根据统计数据，当前一次风机电机的平均额定功率为2 104kW，而平均流量裕度已高达103.24%；依据上述流量裕度的选型范围，对于动叶可调轴流式风机，在风机流量裕度合适的情况下，将电机功率控制在2 000kW左右。对于考虑进行经济煤种掺烧的机组，应根据实际情况进行校核，以选取容量合适的电机。

表6 600MW机组各风机电耗情况对比

根据近年来的统计数据［10］，对部分机组的一次风机的电耗进行分析。从数据来看，一次风机的平均耗电率为0.49%，占全厂耗电率平均值为0.50%，其中河北龙山1号、2号机组的一次风机耗电率占全厂比例最低，其值为0.35%，河南民权6号、7号机组为最高，其值为0.95%，此数据明显高于平均值。分析其原因主要是由于制粉系统在选型时，设计煤质可磨性系数选取偏大，导致实际煤质与设计煤质可磨性偏差很大，使磨煤机研磨能力明显降低，为保证机组负荷，需提高制粉系统通风量，与设计值相比，通风量增大了约25%，导致一次风机耗电率明显偏高，因此，应合理进行磨煤机的选型，这将影响一次风机裕度的选取。在不考虑河南民权电厂的运行情况下，将表5和表6结合起来分析，可以看出耗电率高的风机，其电机本身的额定功率相对也较高，所以在选型时应合理的选取电机，这既可以节省初期投资，又可以降低电耗率。

2.2 节能改造

对于选型偏大的一次风机，可考虑进行电机变频改造。从掌握资料分析，当前部分600MW机组已进行或正在调研对一次风机的变频改造，根据福建福州1号、2号机组对一次风机进行变频改造的可行性报告，其投资回收时间约2年［11］，相应的计算过程为：

（1）当负荷为600MW时，根据实际运行情况估算，所需风量近似为风机额定转速下风量的40.4%；当负荷400MW时，风量近似为35.7%。

则节约电功率：

节约电＝工频运行时耗电－变频时计算功率－变频器自身耗电－空调

其中，房间空调按照15kW估算，变频器自身耗电按功耗的3%计算。

（2）负荷为600MW

P1＝P1工－P1变，在工频运行时，风机电流为134A，功率因素取0.88，电机功率为2 240kW，计算可得P1为995.52kW。

（3）负荷为400MW

P2＝P2工－P2变，在工频运行时，风机电流为115A，功率因素取0.88，计算可得P2为867.6kW。

每天按照三个发电负荷平均8h计算，每年按照300天估算，则每年节约电能6 707 484kW·h，以电价按0.423元计算，对机组中的2台一次风机计算，每年就可节约电费567.45万元。以每台机组总投资额为965万计算，则2年内就能收回投资成本。同样，湖北荆门的6号、7号机组也进行了一次风机的变频改造，预计2年多就能收回成本［12］。

总体来看，对一次风机进行变频改造的投资额度较高，成本回收时间在2～3年。对于风机选型大，电机容量相对较高，负荷率相对较低的机组，建议进行变频改造。改造前，应进行调研和试验，尤其要重视一次风机与风道系统的匹配问题。如果系统阻力与风机特性不匹配，变频改造后的风机效率仍将不能提高，因为变频调速并不能改变风机的性能，还将增加变频器自身带来的电量损失，如果系统阻力特性曲线不通过风机高效区，即使进行变频改造，风机效率仍然不高，达不到理想的节能效果［13，14］。

3 结 语

（1）对于600MW机组一次风机的选型，普遍存在对流量裕度选择偏大的问题，其平均流量裕度为103.24%。在掺烧经济煤种的情况下，一次风机的流量裕度可控制在30%～40%，并考虑一定的温度裕量，对于掺烧经济煤种的机组，裕度可选较高值，同时，还应注意磨煤机出力变化对机组效率的影响。

（2）对于600MW机组一次风机的选型，还存在风机容量与电机容量不匹配的问题。建议将600 MW容量机组一次风机的电机容量控制在2 000 kW左右（针对动叶可调一次风机）。

（3）对于选型裕量较大、电机容量较高、负荷率较低的一次风机，依据一次风机与风道的匹配性，在保证系统阻力特性曲线通过风机高效区的情况下进行变频改造，以提高风机运行的经济性。