在我国火电机组的设计中，由于锅炉、风机的设计裕度过大，高压电动机往往存在大马拉小车的现象。在某些场合，即使裕度选得不是很大，但由于工况存在负荷波动较大的情况，而电动机转速不能跟着负荷的波动进行调节，使大量的电能被浪费。据统计，我国风机泵类的平均设计效率仅为75％，比发达国家低5%个，系统运行效率比发达国家低20%～25%，因此节电潜力巨大。

　　目前，国内火力发电厂的厂用电率占总发电量的6%～10%，而锅炉送风机、引风机的消耗电量要占总厂用电的25％左右。现在，一般机组对送风机、引风机的调节采用进风门的开度调节，风门的开度常年工作在20%~30%，50%~60%开度的情况大量存在，这导致风机运行效率较低，因此提高风机的运行效率对节能降耗有着重要的作用。我国一些企业，特别是一些火电厂或热电站在采用高压变频技术对高压电动机进行节能技术改造后，产生了明显的经济效益。在采用一次投资较大的高压变频调速设备前，一般都要进行节能与经济效益、资金回收期的分析。

    

2　风机变频调速改造节能的预算基础

2.1　 风机的效率

　　锅炉送风机、引风机大量采用离心式风机，其效率由机械效率η_m、容积效率η_v、流动效率η_l综合构成。其中的机械传动损失不能进行相似换算，因此除去机械损失因素以外的功率可作为风机相似换算的依据。除去机械损失外的风机功率的效率是风机设计的重要指标。一般离心风机的设计总效率为0.70～0.90，节能型离心风机的设计总效率在0.80以上。

2.2　风机采用风门调节的效率

　　离心式风机一般采用风门（入口导流器）调节，其特性曲线如图1所示。风门全开（开度90°）时，气流无漩流进入叶道；当调节转动导流器叶片时，气流产生预漩，风机全压降低，其性能曲线向下弯曲。随着入口导流器角度的变小，风机性能曲线依次由1变为2、3、……，使工况点往小流量区移动，工作点从A点依次变为A′、A″、……，达到调节流量减小，满足工况要求的目的。离心式风机入口导流器调节效率曲线是类似一簇椭圆曲线，其长轴方向与管路特性曲线方向垂直，如图2所示。

图1　风机入口导流器调节特性曲线

图2　风机入口导流器调节效率曲线

　　从图2可见，其高效区比较窄，在风机入口导流器调节角度改变时，风机的效率变化显著。

2.3　风机采用变频调速调节的效率

　　根据泵和风机的相似定律，在风机H－q_v特性曲线上，只要是H=Kq²_v抛物线上的工况点彼此相似，在不同转速下的H－q_v特性曲线在同一抛物线上各工况点的效率相等，相似抛物线又称为等效率曲线。风机等效率曲线与效率特性曲线如图3所示。图3中，在n₁、n₂、n₃转速下，1、1′、1″
3个工况点的效率均为η₁；2、2′、2″ 3个工况点的效率均为η₂。

    

图3　风机等效率曲线与效率特性曲线

    

　　从图3可见，η－q_v曲线在转速减小时向小流量方向移动，而一般风机设计额定工作点一般在其效率曲线的最高点附近，在导流阀全开情况下，锅炉的风阻与流量q_v的关系理论曲线基本接近二次方抛物线曲线，是一条H=Kq²_v等效率曲线。在一般风机运行速度范围内（40％～100％额定转速），风机的运行效率基本保持较高的额定工况点的效线，因此在风门全开、采用改变风机转速调节时，风机的各个运行工况点的效率基本接近，都与风机设计的额定工况点的效率接近。这部分由于提高效率而节约的功率与由于增大风门开度降低压力损失所对应的功率是风机采用变频调速所节约能量。表1是风门调节与变频调节时风机的风量与功率及效率变化关系的经验值，可作为风机变频节能预算的估算依据（仅供参考）。

    

表1 　风门调节与变频调节时风机的风量与功率

及效率的变化关系

%


风机

风量
有效

功率
风机入口导流器调节
变频调速
变频节

能率


电功率
总损耗
效率
电功率
总损耗
效率

30
2.7
52
49.3
5.2
5
2.3
54
90.4

40
6.4
56
49.6
11.4
9
2.6
71.1
83.9

50
12.5
60
47.5
20.8
15
2.5
83.3
75.0

60
21.6
64
42.4
33.8
25
3.4
86.4
60.9

70
34.3
68
33.7
50.4
38
3.7
90.5
44.1

80
51.2
72.5
21.3
70.6
56
4.8
91.4
22.8

90
72.9
84
11.1
86.8
79
6.1
92.3
6.0

100
100
106
6
94.3
108
8
92.6
-1.9

注： 表1中各值均为标么值，单位均为％，以风机风量额定值100％时的电动机轴功率定为100％。

3　发电厂送风机变频节能预算与试验

3.1　节能预算

　　坪石发电厂3号机组容量为125MW，设计中送风系统是由2台6kV，1000kW送风机同时运行的方式。风机与电机参数如下：风机型号G4－73，额定风量为541km³/h，额定风压为4732Pa。电机额定功率1000kW，额定电压6kV，额定电流113A，功率因数cosφ=0.895。

　　650～800kW机组锅炉所需风量与风机额定风量相比有20%～30%的节余，调节方式为手动挡板调节，由于生产工艺需求，并保证锅炉稳定燃烧的含氧量与炉膛内压力，送风机进风口挡板开度为45%～70％，风量为风机额定风量的75％～90％，即使在机组满负荷时，冬季挡风板开度通常为50%～55%，而夏季挡风板开度通常为65%～70%，运行电流为76～80A，功率为700～800kW，由于风机效率的降低，造成大量的能源浪费，有很大的节能空间。

　　对送风机变频改造后，入口挡板全开，电机低速运行，只要满足送风机出口挡板处的风量即可保证锅炉的稳定燃烧，保证锅炉正常运行。风机效率可提高至接近额定效率，这样所需功率可相应减小，达到节能的目的。

　　参考改造前工频拖动送风机调节风门方式的运行记录：满载时送风机平均功率约750kW，风机风量约80%；85%负载时送风机平均功率约725kW，风机风量约75%；70%负载时送风机平均功率约700kW，风机风量约70%。按照满载运行时间25%，85%负载运行时间50%，70%负载运行时间25%。按每年运行时间7300h计算，2台送风机变频调速改造后可节约电量352万kWh。

3.2　节能效果测试

　　坪石电厂选用广州智光电机公司的Zinvert智能变频调速系统进行节能改造。改造完成之后，该电厂组织进行了3号锅炉送风机电机变频调速装置节能效果试验。电厂与高压变频器厂家的技术人员进行了大量的试验，对机组在不同负荷相同工况下分别采用包括风门调节与变频调节的风压、风量、电流、功率等进行了测试。送风机在工频和变频2种工况下的试验数据如表2所示。

    

表2　送风机工频、变频2种工况下的试验数据


　
机组负荷/MW
125
113
100
90

变

频

运

行
A送风机电流/A
71.6
68.5
64.7
59.7

B送风机电流/A
70.1
69.0
65.2
59.5

A送风机功率/kW
552.8
514.1
456.4
396.9

B送风机功率/kW
540.5
519.2
465.2
388.7

A送风机风量/km³ · h^-1
421.4
401.5
383.9
350.7

B送风机风量/km³ · h^-1
433.5
417.4
391.5
356.5

工

频

运

行
A送风机电流/A
79.5
80.5
79.2
76.2

B送风机电流/A
79.6
77.9
76.3
73.7

A送风机功率/kW
744.6
755.0
725.8
699.3

B送风机功率/kW
749.6
729.3
707.3
680.4

A送风机风量/km³·h^-1
432.1
407.7
389.4
354.1

B送风机风量/km³·h^-1
441.1
413.2
392.4
357.7

.

3　节能效果测试结果分析

　　（1） 试验期间母线电压在6.17～6.27kV之间，与3号机一般运行时电压一致，而且负荷选取了3号机具有代表性的125、113、100、90MW
4个点，因此此次试验基本可以作为节能效果的依据。在相同负荷情况下，在变频运行和工频运行时，3号机各主要参数，如主汽流量、主汽压力、主汽温度、真空、风量、氧量、大气压力、煤质基本相近，因此根据表2的试验记录可得不同负荷下的节能数据，如表3所示。

    

表3　机组不同负载情况下变频调速改造的节能数据


机组负荷

/MW
A侧节能

/kW
B侧节能

/kW
总节能

/kW
平均节能

/kW
平均节能率

/％

125
191.8
209.1
400.9
200.5
26.8

113
240.9
210.1
451.0
225.5
30.4

100
269.4
242.1
511.6
255.8
35.7

90
302.4
291.7
594.1
297.1
43.1

  

　　（2） 节能效果。坪石电厂年平均负荷为114MW，根据厂负荷曲线，设3号组所带负荷的时间比例为：20％的时间为125MW，55％的时间为113MW，20％的时间为100MW，5％的时间为90MW。全年送风机节能率为31%。2台送风机变频改造后节约厂用电量（全年运行时间以7300h计）为401万kWh。节能预算偏差为（401-352）/401×100%=12%，估算数据基本可信。

　　（3） 含氧量对试验的影响。试验中2台送风机出口空气氧量值如表4所示。

表4　不同机组负荷下2种调速方式试验时的含氧量 　　%

　　变频运行时的氧量偏高，主要因为风压较低，试验时间内调节时间较紧未调节至最佳状态。一般，113MW时的氧量为5.0%～5.5％为宜；100MW氧量为5.5%～6.0％为宜；90MW为6.0～7.0％为宜。根据以上计算，在满足锅炉各工况风量的前提下，氧量调得越低，节能效果越大，故实际运行时节能效果将比试验时偏高一些，但幅度不大。

　　（4） 大气压力、真空对试验的影响：由于试验在春季进行，大气压力平均值为100.9kPa，空气密度较夏天大，故夏天正常运行时送风机的出力较试验时偏大，根据节能趋势，实际节能效果较试验偏低。试验期间，真空为-96kPa，夏天运行时真空为-91kPa，带相同负荷时锅炉出力增大，送风机节能效果将会降低一些。

    

4　结束语

　　坪石发电厂通过引风机高压变频调速改造，节能直接收益从以上统计数据看，设备厂家提供的节能预算是准确的，变频改造效果显著，节电率可达30%，设备投资回收期小于2年，节能改造是成功的，而且风机变频改造还有其他显著的附带收益：

　　（1） 网侧功率因数提高。原电机直接由工频驱动时功率因数为0.75，采用高压变频调节系统后，电源侧的功率因数可提高到0.96以上，可进一步节约上游设备的运行费用。

　　（2） 设备运行与维护费用下降。 采用变频调节后，由于通过调节电机转速实现节能，在负荷率较低时，电机、风机转速也降低，设备轴承等磨损减轻，维护周期加长，设备运行寿命延长。

　　（3） 用高压变频调速装置后，可对电机实现软启动。启动时电流不超过电机运行额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命增长。

　　（4） 操作简单，运行方便。通过DCS远程直接给定调节输出频率，实现自动化调节。

5　参考文献

［1］ 郭立君，何川. 泵与风机（第三版）. 北京：中国电力出版社.