离心风机变频调速运行中存在问题及解决方法

马 翔，董康田，郑 金，李昊燃

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.西安益通热工技术服务有限责任公司，陕西 西安 710032）

离心式风机变频调速是一种非常有效的节能方式，在电力行业得到广泛应用[1]，也是《电站锅炉风机选型和使用导则》中推荐的离心式风机调速方式。然而，变频调速的节能效果往往达不到理论计算值，有时甚至会引发运行故障。主要表现在：1）管网阻力特性曲线不在风机高效区，有些电厂试验工况下的实测风机运行效率仅处于72%～78%之间；2）管网阻力特性曲线落入了风机性能曲线中的不稳定区，造成压力波动、风机振动，甚至影响机组带负荷能力；3）大量风机实测数据表明，变频器输出转速往往大于风机实测风量和风压所对应的变转速曲线上的转速。一般风机实际转速与设计转速的差别为30～50 r/min，个别电厂转速差达到60～85 r/min。因此，实际运行过程只能通过提高变频器转速的方式来保证锅炉风量、风压的需求。

本文针对以上问题，首先理论阐述了变频调速原理；然后总结大量电厂的试验数据，分析了电厂风机变频调速存在的问题及规律；最后，针对上述问题提出了切实可行的解决方案。

1 原因分析

1.1 理论分析

变频器调速属于无级调速。若风机采用此种方式进行调节，理论上风机运行效率保持不变。根据风机相似理论，风机功率计算式如下：

式中：N、N′分别为调速风机和风机的轴功率，kW；ρ、ρ′分别为新风机和原始风机介质密度，kg/m3；n、n′分别变频器输转速（认定为风机实际转速）和电动机的额定转速，r/min；D、D′分别为新风机和原始风机叶轮直径，mm；p′为风机全压，Pa；Q′v体积流量，m3/s；k为压缩性修正系数；η′风机效率、机械效率和变频器效率等效率乘积。

图1为根据上述公式计算的某离心式风机调速性能曲线，以表征风机设备本身的性能。

当风机在整个烟风系统中运行时，其运行参数是由风机本身性能和管网阻力特性共同决定的，其运行点即为管网阻力特性曲线与风机变速性能曲线的交点（图2）。

图2中3 条管网阻力特性曲线是根据大量试验数据归纳出的具有代表性的曲线。管网阻力特性曲线2 与风机变速性能曲线匹配较好，机组在高（100%BMCR 工况）、中（75%BMCR 工况）、低（50%BMCR 工况）负荷时，风机效率均在83%左右。管网阻力特性曲线3 与风机变速性能曲线匹配较差，机组在高、中、低负荷时，风机运行效率分别为73%、78%和80%左右，其原因是风机压力裕量过大。管网阻力特性曲线1 与风机变速性能曲线匹配最差，在个别电厂可遇到该情况。例如，某电厂135 MW 机组循环流化床锅炉运行到90 MW 负荷工况时，引风机振动明显，压力波动较大，不能稳定运行。实测发现，其该机组管网阻力特性曲线与图2中曲线1 接近，在低负荷时风机运行点落入了不稳定区域，即图2中的A点。

图1 某离心风机调速性能曲线Fig.1 The speed regulation characteristic curves of a centrifugal air fan

图2 风机性能曲线与管网阻力性能曲线交点示意Fig.2 Schematic diagram of the intersection of the performance curves of the fan and the resistance performance curve of the pipe network

风机实际运行点与电厂的管网阻力特性曲线相关，其运行效率取决于管网阻力特性曲线与风机变速性能曲线的交点位置。若运行点位于风机变速性能曲线上的高效区，节能效果最佳；若运行点位于低效区，则节能效果较差；若运行点落入不稳定区域，会造成烟风管网系统压力波动、风机振动，甚至影响电厂带负荷能力。

造成这种问题的原因主要是电厂的管网阻力特性曲线与风机变速等效率曲线不匹配，即很难达到转速变化而风机效率不变的理论要求。各电厂管网阻力特性曲线的指数不尽相同，即使同一电厂，当烟风系统中有设备发生堵塞或煤质发生变化时，都会改变管网阻力特性曲线的指数，使得风机运行点发生偏移。因此，掌握电厂管网阻力特性对风机选型、设计、节能等尤为重要。

1.2 试验数据分析

本文对十几家电厂的管网阻力特性曲线进行统计分析，引风机系统管网阻力特性曲线指数值一般为1.5～1.8，个别电厂由于预热器或袋式除尘器堵塞严重，导致其引风机系统管网阻力特性曲线指数大于或等于2。一次风系统管网阻力特性曲线指数一般为1.1～1.5，即曲线较平滑，这是因为电厂负荷变化时要保持一次风母管压力稳定。

管网阻力特性曲线一般计算式为

式中：p为管网系统总阻力，Pa；a、k为系数，对某一管网来讲为定值；Q为风量，m3/s；x为管网系统阻力特性曲线指数。

1.3 变频器输出转速与风机变转速曲线转速差

本文对28 台机组56 台采用变频器调速的离心风机进行了对比分析，表1为其中典型机组实测参数。由表1可见，变频器转速对应风机变速曲线上的转速，不同程度上都低于变频器输出转速，即风机风量、压力未达到曲线上设计转速下的值。

表1 典型机组实测参数Tab.1 The actually measured parameters of typical units

根据这56 台风机的统计数据可知，转速差在20 r/min 以下的风机台数约占总风机台数的30%，转速差30 r/min 左右的风机台数占18%，转速差大于40 r/min 以上的风机台数占42%。转速差与风机风量、风压变化关系如图3、图4所示。

从图3和图4可以看出：风机变速曲线上的转速比变频器输出转速低30 r/min 左右，风机风量下降约3.6%，风压下降约7%；若转速低50 r/min 左右，风机风量下降约5.7%，风压下降约11%；若转速低80 r/min 左右，风机风量下降约9%，风压下降约17%；若转速低100 r/min，风机风量下降达11%，风压下降达21%。由此可得：当风机变速曲线上 对应转速与变频器的输出转速低50 r/min 左右时，风量、风压裕量为设计值的50%；若转速差超过 80 r/min，风机已无裕量。

图3 转速差与风机风量变化关系Fig.3 The relationship between speed difference and percentage drop of fan air volume

图4 转速差与风机风压变化关系Fig.4 The relationship between speed difference and percentage drop of fan total pressure

以某电厂300 MW 机组为例，其离心引风机采用加变频器调速方式。风机设计参数为（单台）：风量300 m3/s，风压9 800 Pa，转速980 r/min。根据上述分析，若风机厂提供的风机变速曲线上对应的转速比变频器的实际输出转速低30 r/min，对应风量减少10.8 m3/s，风压降低686 Pa；若转速低50 r/min，对应风量减少17.1 m3/s，风压降低1 078 Pa；若转 速低80 r/min，对应风量减少27 m3/s，风压降低 1 666 Pa。由此可见，转速差对风机风量、风压 影响很大。

造成转速差原因主要有以下几个方面。

1）风机选型不当

离心式风机分为径向进气（配置进气箱）和轴向进气（不配置进气箱）。电厂引风机大多是径向进气，需配置进气箱。而有的制造厂家选用轴向进气的风机，通过叶轮直径增大5%作为带进气箱的风机使用，可能导致风机实际运行性能无法满足烟风系统管网阻力的要求。

2）安装不当

影响离心式风机性能的另一关键因素是叶轮与集流器间的间隙，安装时须尽可能按设计要求保证其轴向和径向间隙。由于集流器变形、安装位置狭小，难以保证轴向和径向间隙设计要求，也会使风机风量、风压、效率降低[2-4]。

3）系统效应

风机设备厂家提供的风机性能曲线是在实验室标准管下测得，并按风机相似理论换算得到的。而在实际烟风系统管道实际设计时，考虑到现场场地限制，直管段很难达到标准要求的长度，实际管道存在收缩段、弯管等异形件，导致风机进气不可能像实验室那样均匀，因此，也会对风机性能产生一定的影响[5-15]。

4）制造质量问题

风机制造质量优劣对风机性能影响较大。风机制造质量涉及风机制造工艺、工装、叶片形线误差、叶片进出角误差等诸多因素。

2 解决措施

2.1 提高风机与烟风系统的匹配性

提高风机性能与烟风系统的匹配性是解决电厂风机运行问题的关键。本文根据不同电厂提出相应的解决措施。

2.1.1 新建电厂

1）在新建电厂设计阶段，要根据电厂管网布局、煤质等资料计算出机组BMCR 工况、100%、80%、60%负荷工况的风量、压力等参数，从而绘制出理论阻力特性曲线。

2）新建电厂若选用离心风机加变频器的调速方案，建议风机能力考核点、设计工况压力裕量取大些（在标准要求的压力裕量上增加5%左右），风量裕量仍采用标准要求值。这样既可以解决烟风系统设备堵塞导致带不起负荷的问题，又可保持正常节能运行。

3）离心风机选型时，根据机组BMCR 工况参数选取转速，计算出比转速，选取对应或接近此比转速且高效区宽的风机，使风机运行点在高、中、低负荷段均落入变速曲线的高效区内。

2.1.2 在役电厂改造

对图2中管网阻力特性曲线1 和曲线3 与风机性能匹配比较差的在役电厂提出解决思路和方法。

1）出现管网阻力特性曲线1 的情况，是因烟风系统实际运行比转速小，而配套风机的比转速大，导致风机在小流量区域运行即靠近风机不稳定区域，使得其运行不稳定。基于在役电厂的管网阻力特性不变，提出以下解决思路和方法。

①将风机叶轮宽度缩窄5%～10%。根据模型试验和现场改造实例[9]可知，风机风量与风机叶轮宽度呈一次方关系，风机压力基本不变，减小风机叶轮宽度可使风机性能曲线整体向左偏移，不稳区域减小，风机运行点落入稳定区城运行。

②更换风机小比转速叶轮，使风机比转速与运行比转速接近。改造前需要进行流动模拟计算，分析原机壳配新叶轮对风机动静能转化的影响。

③也可以整体更换成小比转速风机。

2）出现烟风管道阻力特性曲线3 的情况，是由于烟风系统实际运行比转速大，而配套风机设计比转速小，导致风机运行效率低。本文提出以下解决方思路和方法，提高风机运行效率。

①改变风机叶轮叶片出口角。理论上，在风机叶轮其他尺寸不变的条件下，减小叶轮叶片出口角，可降低风机压力系数，提高风机效率。应进行流场模拟计算，得到叶轮各尺寸、叶片形线及出口角的最佳值。

②减小叶轮直径，并对风机喉部进行改造，从而减小风机设计比转速，以满足与烟风系统性能匹配性的要求。

③风机整体更换成与烟风系统管道阻力特性相匹配的风机。

2.2 提高风机性能

对于变频器输出转速与风机变转速曲线的转速差过大，而影响机组带负荷的在役风机，提出以下解决措施。

1）电厂停炉检修时，检查叶轮与集流器间隙是否符合设计要求及时进行调整[2]。

2）分析管道布置情况，尤其是管道的弯头、收缩段布置情况，通过优化改造达到降阻和节能的效果。

3）若实施上述措施后仍无法满足风机带负荷要求，需对风机转子叶片进行改造，如加长原风机叶片等。若条件允许，也可对风机进行叶轮组的局部改造。此时需对风机转子、轮毂及机壳进行整体更换，并对原风机主轴承进行强度校核，在必要时，也需要更换原有主支撑轴承。

3 结 论

1）本文基于理论计算结合现场实测数据分析，提出火电厂离心式风机变频调速存在的转速差过大的问题原因有：风机选型不当、安装不当、系统效应、制造质量问题。

2）基于大量实测数据分析，并提出了几种有效的解决思路：提高风机与烟风系统的匹配性，如通过优化选型、增加叶轮宽度等；控制现场安装精度、通过烟道优化改善风机进气条件等。文中关于提高风机与烟风系统匹配性及控制系统效应的措施同样适用于轴流式风机变频调速。