周圣庆Ξ1,2 施海龙1,2 梁志荣2
(1.东南大学动力工程系，江苏南京 210096;
2.华能国际电力股份有限公司南通电厂，江苏南通 226003)
摘 要：本文以华能南通电厂二期锅炉一次风机为例，阐述了变频调节节能原理及经济效益，并根据风机在不同工况下运行的性能特点，分析了变工况运行时，风机流量、压头、功率与转速间的关系以及风机采用变频调节后，对该种风机电动机进行高压变频改造在技术可行性、改造方案、经济性应用前景等方面进行了探讨。 关键词：一次风机；变频；节能
随着电力市场改革的深化和燃料价格的不断上涨，提高机组自动化水平，降低火电厂发电成本，已成为火电厂迫切需要解决的问题。长期以来，火电厂锅炉离心式风机在运行过程中存在着以下几个问题：电机按定速方式运行，采用挡板来调节风量，造成功率损耗大，浪费电能；挡板调节品质差，执行机构易出故障，自动投入率低；电机启动时，启动电流大，对电机冲击大，严重影响电机的绝缘性能和使用寿命。而变频调速具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平稳、无级变速等优点，因此采用变频调速技
术是解决上述问题的好办法，近年来已在发电厂中得到了广泛应用。
一、设备概况
华能南通电厂3#、4#锅炉均为美国B&W公司生产的C ARO LI NA型燃煤辐射锅炉，采用一次风正压直吹式制粉系统。一次风机型式为两台L3N电动定速双吸离心式风机，采用入口导叶调节，由英国H OW DE N公司供货。风机的风量裕度为57%，压头裕度为30%，电动机裕量90%，额定轴功率893K W，电动机容量1695K W。
自投运以来，各项经济数据分析表明，本厂3#、4#锅炉设计时一次风机选型明显偏大。在工况变化时，风机入口采用挡板调节，调节范围:10%—40%之间，自2001年江苏省投用AG C方式以来，负荷变化幅度加大，一次风档板调节频繁，节流损失很大。在锅炉满负荷时电流为110安培左右，而相同容量、设计较为合理的#1、2锅炉一次风机在同等负荷下电流仅为90安培左右。
为节能降耗，降低厂用电率，对3#、4#炉一次风机进行相关的改造成为本厂有关技术人员必须考虑的问题。经过多种方案对比分析，变频改造不失为一个较理想的方案。理论上风机采用变频技术降低电耗效果明显、调节性能优越、风压调节平稳、DCS控制理想。另外，经济上可行，投资效益显著。下面笔者就对本厂3#、4#炉一次风机电动机进行高压变频改造技术可行性、改造方案、经济性应用前景进行分析。
二、一次风机电动机变频改造技术的理论依据
1.本厂3#、4#炉一次风机为出口角β290°叶片后倾式离心风机，其运转特性曲线如图1所示
:
图1 离心风机运行特性曲线
H—风压，由静压Hs和动压Hd组成;
Q—风量;
N—风机工作有效总功率;
η—效率，风机轴上的功率N
因有部分损失而不能全部传给空气，可用效率这一参数来表示风机工作的优劣。
2.根据离心风机参数的比例定律，对不同转速控制时的H-Q关系曲线如图2所示。当风机转速从n变化到n′后风量Q、风压H及轴功率N的关系:
Q′=Q(n′Πn)
H′=H(n′Πn)2
金属表面喷涂
N′=N(n′Πn)3
Ξ作者简介：周圣庆(1973-)，男，江苏海安人，东南大学动力工程系热动专业03级硕士研究生；华能国际电力股份有限公司南通电厂实业公司，工程师。
中国电力教育2007年研究综述与技术论坛专刊
图2 不同转速下H —Q 曲线
即风量与转速成正比，风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。
当管路的风阻力R 保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量Q 与通风阻力h 按阻力定律变化，即h =R ×Q2
。
图3 风阻特性
式中:
h —通风阻力;Q —风量;R —风阻系数;
导播系统h -Q 间的抛物线关系曲线称为管路特性曲线，如图3所
示，显然，风阻R 越大，曲线越陡。
风机的特性曲线H -Q 与管路的阻力特性曲线h -Q 相交的工况点称为工作点M ，在图2中表示的同一风机两种不同转速n 、n ′时的H -Q 曲线和h -Q 曲线相交的工况点M 、M ′。
3.变频器调速控制节电降耗原理。利用变频器装置，对
风机进行转速控制属于减少空气阻力节电法，是一种较好的节电方式，它和一般常用的调节风门控制风量方法比较，有着明显的节电效果。通过图4可说明其节电原理。图中曲线Ⅰ为风机在恒速下风压—风量(H —Q )特性曲线，曲线Ⅱ为管路(h —Q )特性曲线(风门开度全开)。假设风机在设计时工作在1点效率最高，输出风量Q 1为100%，此时轴功率
N 1与Q 1、H 1的乘积面积1H 1OQ 1成正比。根据生产工艺要塑木生产线
求，当风量从Q 1减少到Q 2(例如50%)时，如采用调节风门方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变为曲线Ⅲ，系统工作点由原来的工况点1变到新的工况点2，图中看出，风压反而增加，轴功率N 2与面积2H 20Q 2成正比，减少不多。
如果采用变频转速控制方式，风机转速由n 1降到n 2，根据风机参数的比例定律，画出在转速n 2下的风压—风量(H —Q )特性曲线如图Ⅳ所示，系统工作点则由原来的工况点1变到新的工况点3。显而易见，在满足同样风量Q 2的情况下，风压H 3大幅下降，轴功率N 3(与面积3H 30Q 2成正比)显著减少，与风门调节时轴功率N 2相比，节约功率明显(与面积
2H 2H 33=ΔH ×Q 2成正比)
。
图4 风机不同调节方式下的工况点
由以上分析可知，即风量Q 与转速n 一次方成正比，风压H 与转速n 平方成正比，轴功率N 与转速n 立方成正比。因此当外界对风机风量要求减小时，风机转速同步减小，轴功率以转速三次方的速度下降，比如风量下降80%，则轴功率将下降到原先功率的51%。当然这是理论上的计算，实际操作时还需考虑由于转速降低会引起效率降低及附加控制
装置的效率损耗等，工艺上也需考虑控制适合的转速，在满足风量要求的同时保证满足风压的要求。但这些影响是很微小的。因此，在变负荷的风机机械中采用转速控制方式来调节风量，在节能上是一个有效的办法。
三、目前采用的几种改造方案比较分析
1.高—低—高方案
该方案的产品以西门子公司为主，故又称为西门子方案，如图5所示，这种方案以通过低压变频器为核心，即在低压变频器的输入侧加一台降压变压器，将6kV 降至低压变频器的适配输入电压，在低压变频器的输出侧加一台升压变压器，使输出电压与电动机的额定电压相匹配。降压变压器一般采用三
绕组变压器，两个副边绕组相差30°角度，以实现12脉冲工作方式，减少主回路谐波，由于变频器输出含有高次谐波及直流成份，且dv Πdt 高，升压变压器需特殊设计。这种方案适用于改造项目，其优点:(1)方案成熟。目前国内应用较多。(2)原有电机电缆无须改动。(3)便于实现切换功能。(4)投资较低。
缺点:(1)由于两次电压转换，增加了损耗，降低了效率。
(2)产生大量的高次谐波，需加滤波装置。(3)升压变压器存
在谐波发热。(4)长期运行费用相对较高。
在当前国内高压变频器生产厂家日益增多，且技术日趋成熟的形势下，该方案目前日见少用。
柔性触觉传感器2.高—高方案
8
14350MW 机组锅炉一次风机变频改造可行性分析
降压变压器 低压变频器 升压变压器 高压电动机 一次风机
图5 高—低—
双生筷
校正平台高方案
图6 高—高方案
如图6所示，用额定电压为6kV 的高压变频器直接驱动
电动机，实现变频调速，此种方式整体效率高，技术先进，结构简单，可靠性高，适用于大容量电动机，对电动机没有特殊的要求，可用于任何普通的异步电动机，不存在谐波引起的电动附加发热、转矩脉动和噪声。缺点是初期投资大。但这种方案效率较高，节能优势明显。
综合考虑以上两种方案，两种方案在节能上都是可行的，在一次性投资许可的情况下，方案2的可行性很好，目前该方案应用范围日趋广泛，节能效果明显。
四、一次风机变频调节相关系统设计
根据系统对一次风机风量和风压的要求，理论上最好是风压不变，风量根据负荷的变化而变化。因此仅靠变频调节并不能满足系统要求，可考虑与原系统挡板结合使用。整个调节系统不仅节能，而且能实现在维持风机出口风压相对稳定的前提下对风量的及时调节，相关系统采用闭环控制，这样，系统的调节特性更优越。相比原风机挡板调节，除节电外，还能减少风量调节时风压的过大波动。
五、节能降耗预测
经过统计，在本厂年平均负荷率最高的2002年7月份，一次风机入口调节挡板的平均开度为30%，年平均负荷最低的2006年3月份，一次风机入口调节挡板的平均开度为26%，相比较20%-40%的设计调节开度，说明本厂一次风机的调节裕量相当大，在实际转速调节控制中可以认为风量参数在满足风压的过程中是全部符合负荷要求的，因此只需计算负荷要求下风压参数所得到的转速调节范围及功率消耗状况。
1.计算风机转速调节范围
已知：一次风机正常风压范围90—122mbar ；额定风压He ≈122mbar ；一次风机额定转速ne =1490r Πmin 。
测算：有H ′ΠH =(n ′Πn )2，计算90Π122=(n ′Π1490)2，可得:
n ′=1280r Πmin 。
2.功率测算
轴功率N 与转速n 的三次方成正比，即N ′ΠN =(n ′Πn )3
。将n ′=1280r Πmin 代入可得：轴功率N ′将下降到额定功率的54.5%。根据本厂近年负荷情况，保守
估算，一次风机变频改造后，节电应在目前平均电量的25%左右。风机额定功率893kW ，年运行时间以7000小时计，则每台锅炉年节电达312.5万度电。以合同基本电量电价0.334元Π度计算，一年可节约费用104.4万元。由此可知，一次风机变频改造的经济性是十分明显的。按同理推算，华能南通电厂引风机，凝结水泵皆可应用变频技术，届时，整机效率将大大提高。
六、结束语
变频调速是风机水泵节能的最佳方案，风机的轴功率是转速的三次方函数关系。当转速降低后，其消耗功率会大幅下降，变频调速器效率因数高,ηvvvF ≈95%-98%，而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳，理应为首选方案。风机改用变频器后不但提高了稳定性，而且具有巨大的经济效益。
参考文献:
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