第一章 电力行业
第六节 轴流式风机的调速控制和节能计算
1 前言
在火力发电厂中，风机和水泵也是最主要的耗电辅机设备，且容量大、耗电多。加上
由于轴流式风机比起离心式风机具有优越的气动性能，电站风机越来越多的采用轴流式风机。特别是2000年以后，电站送风机和一次风机采用动叶可调轴流式风机的设计方式几乎成了发电厂的标配，因而数量巨大；另一方面设计院为了安全起见，设计时留有较大余量，这就为动叶可调轴流式风机的调速改造留下了较大的节能空间。动叶可调的轴流式风机由于其运行能耗低，所以号称是除了调速风机以外最节能的风机。在电站风机节能改造的前期，动叶可调的轴流式风机被认为调速节能改造的空间不明显而不受重视。随着我国煤电机组综合升级改造逐步深入，低投入高回报的项目越来越少，跟液力耦合器调速的电动给水泵和“引增合一”大风机节能改造一样，动叶可调轴流式风机的调速改造逐渐成为电厂节能改造的主战场之一，所谓的“苍蝇腿也是肉” ，尽管都面临着改造投资和节能效益之间的严峻考量，但是在今天降低厂用电率的强烈需求下也势在必行了。
2 轴流式风机静叶调节和动叶调节的差别
轴流式风机有两种：静叶可调轴流式风机和动叶可调轴流式风机。两者目的相同：都是调节风机的风量、风压使之适应负荷变化的要求；只是调节方式不同：静叶可调是改变入口导流叶片的方向，使出口气流方向改变，从而实现风量、风压的调节。动 叶 可 调 则 是 改 变 动 叶 的 安 装 角 度，实 现 风 量、风 压 的 调 节。调节机 构 相 对 要 复 杂 一 些 ，它 是 通过液压调节油站、调节臂、液压缸及叶片调节机构等带动动叶转动的。这两种风机简单概括起来有区别的地方是：
静叶可调式风机与动叶可调式风机的本质区别就在于可以起调节风机工况作用的叶片是可以随传动轴转动与不转动上。动叶可调式风机的风叶是可以转动的，其风叶既能随传动轴转动充当做功的角色，也可以通过调节叶片的安装角度的大小来达到调节风机工况的目的；静叶可调式风机做功的风叶是固定在轴上不可调的，即只能随传动轴转动，风叶本身则是不可调的，它是通过调节风机入口处的导叶的开合大小来达到调节风机工况的目的的，就像离心式风机的入口风门一样，它的可调静叶片是不随风机的传动轴转动的！所谓的“静”和“动”并不是说工作叶片的绝对的静和动，而是指叶片随传动轴的转动与否。
静叶可调轴流式风机对尘粒的适应性优于动叶可调轴流式风机。静叶可调轴流式风机对含尘量的适应性一般不大于400mg/Nm3，而动叶可调轴流风机一般则只能承受不大于150mg/Nm3的含尘量。引风机是输送含尘量大且温度较高的烟气的，工作条件较差，主要考虑静叶调节风机的耐磨性能强于动叶调节风机。从目前国内大型机组引风机的配套及生产情况来看，动、静叶调节的轴流风机均可选用。
动叶可调轴流式风机的优点是负荷调节性能较好，效率高，能耗低，是除调速风机之外最节能的风机。其缺点是价格较高，叶片对烟气的含尘量较为敏感。
具体选择动叶可调与静叶可调与风机参数如风压风量等要求有关，一般静叶可调范围较小，投资也较少，但能耗较大。动叶可调风机调节范围大，节能效果较好，但投资较大，结构复杂，可靠性差一点。
3 轴流式风机的调节性能
动叶可调轴流式风机在运行中可以调节叶片的安装角，其工况范围不是一条直线，而是一个面，风机的等效率运行区宽，等效率曲线与系统阻力曲线接近平行，所以风机保持高效率运行的范围相当宽，在满足锅炉设计点条件下，100％MCR工况点位于高效区，平均运行效率高，单风机运行时可满足锅炉60％～80％负荷。就运行效率而言，动叶可调的轴流式风机是除调速风机外最节能的风机。如图1所示。
图1所示为某300MW火电机组动叶可调轴流式送风机性能曲线，图中虚线为等效率线，0°代表最高效率点的设计安装角，负值为动叶片从设计安装角向关闭方向转动的角度，正值则相反。在最高效率区的上下都有相当大的调节范围。当风机变负荷尤其是低负荷运行时，它的经济性就显示出来了。因此动叶可调轴流风机的优点是调节效率很高，风机始终在高效区运行，节能效果显著。缺点：结构复杂，制造 成 本 较 高 ，调 节 部 分 容 易 生 锈 ，转 动 部 件 多 ，动 叶 调 节机 构 复 杂 而 精 密，需 要 另设油站，维护费用高，而且叶片磨损比较严重。风机价格是静叶可调子午加速轴流风机的1.5～2倍。对于发电厂来说，送风机和一次风机用的比较多，引风机也有使用。
动叶可调轴流式风机叶片的安装角可在最小安装角到最大安装角之间从0～100％调节，随着叶片安装角的增大，风机沿阻力曲线方向风量和风压同时增大，反之则同时减小。100％锅炉负荷（B-MCR）时，叶片开度为70％左右，相对于安装角＋5°；100％汽轮机负荷（THB）时，叶片开度为65％左右，相对于安装角0°；这两个点应在风机的最高效率区内。但是在锅炉设计时，由于无法精确计算锅炉风道的阻力曲线（图1中上面一条是双风机运行时的阻力曲线，下面一条则是单风机运行时的阻力曲线），因此所选用的风机性能曲线不能保证B-MCR点和THB点在高效区内，从而就降低了风机的运行效率，有时甚至可达20％～30％！轴流式风机叶片的安装角过大或过小，都会使风机的运行工况点偏离高效点，降低风机的运行效率。
静叶可调子午加速轴流式风机在气动性能上介于离心式和动叶可调轴流风机之间。可输送含有灰分或腐蚀性的大流量气体，具有优良的气动性能，高效节能，磨损小，寿命长，结构简单，运行可靠，安装维修方便，具有良好的调节性能。在相同的选型条件下可获得比单吸式离心风机和动叶可调轴流风机低一挡的工作转速。
4 动叶可调轴流式风机的变频调速改造
轴流式风机在进行变频调速改造时，无论是静叶可调风机还是动叶可调风机都应该将风机的叶片角度固定在效率最高的位置运行，以获得最高的运行效率。而通过改变风机的转速实现风量及风压控制，风机将在很大的范围内维持高效率运行，实质上风机是通过调速提高了本身的运行效率而达到节能目的的。但是由于没有风机准确的性能曲线，并且同类风机的性能差别也很大，所以其高效率点不能预先加以设定，而要在运行调试时通过反复的寻优试验来确定，这就大大增加了现场调试的难度和工作量。
如果将风机的叶片角度开得过大，一方面风机效率将下降，同时也会使电动机过载。对于动叶可调的风机来说，叶片角度开得过大时还容易发生“失速”现象，影响风机的安全运行。所以在进行变频调速改造时，可将叶片角度固定在风机效率最大处运行。只有在风量和风压不满足工况要求时，才允许适当开大叶片角度，如流化床锅炉的一次风机在进行冷态流化试验时，但也要注意不能使电动机过载。
例1：某电厂350MW机组动叶可调轴流式一次风机改造前后的运行数据如下：
电动机额定功率为1400 kW。
当机组负荷为185 MW时，一次风机功率为685.8 kW，效率为34.7％；
当机组负荷为260 MW时，一次风机功率为830.0 kW，效率为37.0％；
当机组负荷为351 MW时，一次风机功率为1064 kW，效率为40.3％；
实现了变频调速改造后风机和变频器的整体效率可以提高到83％，提高了一倍多，按每天185 MW负荷运行10小时，260 MW负荷运行8小时，350 MW负荷运行6小时，按平均节省电功率448 kW，机组年运行5000小时，上网电价0.3元/度计算：448 kW×5000h×0.3元/度=67.2万元。二年就可以收回投资成本。送风机的情况也一样，一般2～3年就可以收回投资成本。
5 轴流式风机的节能计算
轴流式风机是采用叶片（静叶或动叶）的安装角度来调节风量的，静叶调节的角度调节范围较大（例如－70o～+30o），而动叶调节的角度调节范围较小（例如－30o～+20o）。叶片调节范围一般是以0～100％的百分比开度表示的，应折算成实际的叶片角度后，再在阻力曲线上找到工作点，就可以查到风机工作点的风量、风压和效率数据了，据此就可以计算出风机的轴功率，并进行变频调速节能计算和节能效果的检验。
例2：某电厂600MW机组动叶可调轴流式送风机的参数如下，试计算其节能效果。送风机及电动机参数如表1所示。
表1 送风机及电动机参数
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送风机型号 （型式） |
PAF 19-14-2 动叶可调轴流式 |
匹配电机型号 （产地） |
YKK710-4G-W 上海电机厂 |
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动叶调节范围 |
10o～55o |
额定功率 |
2400kW |
|
轴功率 |
1878 kW |
额定电压 |
6000V |
|
风量 |
100.83 m3/s |
额定电流 |
266 A |
|
全压 |
17126 Pa |
额定转速 |
1491r/min |
|
额定转速 |
1470r/min |
功率因数 |
0.86 |
|
效率 |
86.21% |
额定效率 |
94.5 % |
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数量 |
4台 |
防护等级 |
IP54 |
送风机运行参数及节能计算结果如表2所示。
表2 送风机运行参数及节能计算结果
|
机组负荷（％） |
100％ |
90％ |
80％ |
70％ |
60％双 |
60％单 |
|
叶片开度（％） |
53％ |
50％ |
47％ |
43％ |
39％ |
63％ |
|
电动机电流（A） |
125A |
118A |
112A |
108A |
105A |
158A |
|
电动机功率（kW） |
2234kW |
2110kW |
2002kW |
1930 kW |
1876kW |
1363kW |
|
变频功率（kW） |
2192kW |
1922kW |
1636kW |
1406 kW |
1196 kW |
1196kW |
|
节约电功率（kW） |
42kW |
188kW |
366kW |
524 kW |
680 kW |
167kW |
|
节电率（％） |
1.9％ |
8.9％ |
18.3％ |
27.2％ |
36.3％ |
12.3％ |
由送风机性能曲线可以看出，送风机在锅炉设计工况（B-MCR）点运行，叶片角度为＋5o（开度65％）运行时效率最高可达87％。通过变频器调速运行，以满足锅炉风量的要求。下面是将风机的叶片角度固定为＋5o（开度60％）时，变频调速运行的节能计算：
（1）机组在额定负荷（600MW）运行时，送风机叶片开度为53％，风量约为额定风量的91.0％，电动机电流为125A，工频运行电功率约为额定风量时的80％，此时送风机转速为91.0％额定转速，频率为45.5 Hz，则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×125×0.86＝1117 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝( Pd1/0.80)× 0.913/0.96＝1096 kW
节约的电功率为：1117－1096＝21 kW
节电率为: 21 kW/1117 kW＝1.9％；
（2）机组在90％额定负荷（540MW）运行时，送风机叶片开度为50％，风量约为额定风量的86.5％，电动机电流为118A，工频运行电功率约为额定风量时的74％，此时送风机转速为86.5％额定转速，频率为43.3 Hz，则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×118×0.86＝1055 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝( Pd1/0.74)× 0.8653/0.96＝961 kW
节约的电功率为：1055－961＝94 kW
节电率为: 94 kW/1055 kW＝8.9％；
（3）机组在80％额定负荷（480MW）运行时，送风机叶片开度为47％，风量约为额定风量的81.5％，电动机电流为112A，工频运行电功率约为额定风量时的69％，此时送风机转速为81.5％额定转速，频率为40.8 Hz，则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×112×0.86＝1001 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝( Pd1/0.69)× 0.8153/0.96＝818 kW
节约的电功率为：1001－818＝183 kW
节电率为: 183 kW/1001 kW＝18.3％；
（4）机组在70％额定负荷（420MW）运行时，送风机叶片开度为43％，风量约为额定风量的76.5％，电动机电流为108A，工频运行电功率约为额定风量时的64％，此时送风机转速为76.5％额定转速，频率为38.3 Hz，则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×108×0.86＝965 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝( Pd1/0.64)× 0.7653/0.96＝703 kW
节约的电功率为：965－703＝262 kW
节电率为: 262 kW/965 kW＝27.2％；
（5）机组在60％额定负荷（360MW）运行时，双送风机工作，叶片开度为39％，风量约为额定风量的71.6％，电动机电流为105A，工频运行电功率约为额定风量时的60％，此时送风机转速为71.6％额定转速，频率为35.8 Hz，则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×105×0.86＝938 kW
变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝（Pd1/0.60）× 0.7163/0.96＝598 kW
节约的电功率为：938－598＝ 340 kW
节电率为: 340 kW/938 kW＝36.3％；
一般机组在65％以下负荷运行时，可以单风机运行。下面就来分析一下工频单风机运行而变频则双风机运行时的节能情况：
（6）机组在60％额定负荷（360MW）运行时，工频单送风机工作，叶片开度为63％（如果是双风机运行的话，在此角度时的风量约为额定风量的98.8％，已经十分接近额定风量了）。当单风机运行时，由图2可见，工作点从阻力曲线R1移到R2，对于工作风机来说，相当于体积扩大一倍，风压就会减小一半，所以风量增加到√2倍，约为140％额定风量。（由阻力曲线R1、R2得：P1=kQ12=4kQe2，P2=kQ22=P1/2=2kQe2，则Q2=√2Qe=1.4142Qe）。这时因为压力下降了一半，定速风机的有用功率（等于压力和流量的乘积）却反而减小了，只有额定轴功率的约70%左右（140%*50%=70%），但是由于风机效率下降了接近30%，所以轴功率却基本保持不变（70%/(0.57/0.87)=106.8%），甚至还略有增加。电动机电流为158 A，电动机功率为1363 kW。
此时若采用单风机变频运行已经毫无意义，不但达不到节能目的，可能反而还会费能。如果采用双风机变频运行，通过调节风机转速将风量开到额定风量时的71.6％，两台风机总风量超过140％额定风量，完全可以满足锅炉燃烧要求。则工频运行时的电动机功率为：
Pd1＝1.732×6×158×0.83＝1363 kW
如果采用双引风机变频运行，由上述e）已经算出单台风机变频运行的功率为598 kW，两台风机变频运行时的电动机功率为：
Pb1＝598 kW ×2＝1196 kW
节约的电功率为：1363－1196＝167 kW
节电率为: 167 kW/1363 kW＝12.3％；
由于机组在低负荷单风机运行时稳定性较差，采用双风机变频运行，可以增强机组应对突发事故的能力，提高机组低负荷运行时的稳定性，同时还可以取得明显的节能效果。所以电站锅炉即使在低负荷时也应该采用双风机变频运行。
若机组的平均负荷以75％额定负荷（450MW）计算，平均节电率按20％计算，两台送风机约可节约电功率900kW；年运行时间以7000小时计算，可节约电能630万kW.h,以上网电价0.35元/kW.h计算：每年可节约电费220万元，不到二年就可以收回全部改造投资。计算数据列于上表，由表中数据可以看出，机组不同负荷时的节电率基本上是与风机运行效率的提高相一致的。
6 结论
随着风机水泵压缩机变频调速节能改造工作的深入广泛开展，调速节能效果最好的离心式风机已经基本上都进行了调速节能改造；接着大量通过液力耦合器调速的风机水泵也在进行改造；现在到了“动刀”号称除了调速风机之外最节能风机的动叶可调的轴流式风机的时候了！由于动叶可调的轴流式风机的等效率线与锅炉的阻力曲线接近平行，高效率范围宽，且位置适中，因而调节范围宽。如果采用转速调节，可将风机的安装角固定在高效区，通过改变风机转速达到控制风量从而达到节能目的。但是由于调速范围有限，所取得的节能效果有限，与离心式风机的调速节能效果是无法相比的。即使在低负荷区也有较高的节电率，但是由于动叶可调的轴流式风机本身的能耗就较低，所以节省的电功率和节电量是很有限的，在进行变频调速节能改造之前一定要认真做好投资规模与节能效益之间的严格考量，确保节能改造工程的经济效益。
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