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大型CFB机组一次风机选型分析与运行优化

循环流化床发电2018-05-04 10:18:06
循环流化床(CFB)锅炉技术是近30年发展起来的,目前实现商业化运营比较成熟且向大型化发展的高效清洁燃烧技术,具有污染物排放量低、燃料适应范围广、燃烧效率高、调峰能力强、灰渣综合利用率高等优点,在我国低热值煤的发电以及综合利用上得到迅速的发展和广泛的应用。 自2006年我国首台引进型300MW CFB 锅炉机组投入运行后,数十台国产化300MW等级CFB锅炉机组也相继 投运,表明我国大型CFB锅炉机组在设计和运行上技术日趋成熟,但CFB机组在实际运行中仍存在一次风机选型裕量偏大、运行经济性较差等问题,这不仅降低了风机的运行效率,并且给机组的安全运行也带来了隐患。目前,我国正在建设350MW及以上等级超临界循环流化床锅炉机组,为了降低一次风机设备投入、提高机组运行经济性和安全性,应对一次风机选型参数及运行方式进行分析和优化,同时可为大型CFB机组一次风机的选型及运行优化提供一定的参考。 

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 风机选型参数分析 
1.1 常规风机选型裕量 
由于CFB锅炉机组的一次风机风量较大、风压较高、 风机比转速较低,需采用离心式风机才能满足机组的运行需要。一次风机主要提供床料流化以及燃烧初期着火用风。CFB锅炉炉内的气固流动及燃烧特性,决定了其与同容量的煤粉锅炉相比,一次风机耗电量更大,机组厂用电率更高。

为了保证机组的安全经济稳定运行,需合理选择一次风机参数。选型参数偏大,不仅会使风机长期偏离高效区运行,而且会降低风机运行的安全性;风机选型参数偏小则不能满足机组负荷变化的需要。 

图1为2005年4台开工建设的300MW等级CFB锅炉一次风机选型裕量。由表中数据可以看出,4台锅炉一次风机风量裕量都相差不多,大致在 22%左右;而风压裕量差别较大,风压裕量在 25%~47.5%范围内,其中引进型锅炉一次风机风压裕量较小,另外 3 台国产一次风机风压裕量较大,这是由于国内锅炉制造厂家均为首次制造 300MW CFB够的床料锅炉,为了保证一次风机在负荷变化时能够提供足用风,风压裕量选取较为保守。

图2为2010年后部分已投运的300MW等级CFB锅炉机组一次风机选型裕量。由表中数据可知,3台锅炉一次机的风量裕量都相差不多,大致在 22%左右。由于F和G电厂把入炉前的空预器出口风量作一次风机选型的BMCR工况参数,而E电厂将空预器前的风量作为一次风机选型的BMCR工况参数(包含了空预器设计漏风量),E电厂风量裕量是电厂F和电厂G的 1.15~1.17倍,但3台锅炉一次风压裕量都比较大,在 36.6%~47.5%范围内.以上数据表明,已投CFB锅炉一次风机的风量及风压裕量仍比较, 这对风机的经济安全运行会产生较大影响。 
1.2 风机选型原则 
根据《大中型火力发电厂设计规范》(GB50660-2011), 风机基本风量应按照设计煤种计算,包括锅炉在BMCR工况下所需一次风量、空预器运行一年后一次风侧的漏风量; 风机基本风压按照设计煤种计算,包括锅炉在 BMCR工况下一次风机设备和管道的各项阻力。按照上述规范,风机选型应先计算风机在设计煤种 BMCR 工况下的流量和压头, 再乘上裕量系数,得到风机TB点出力,再按TB点选择风机。

综合CFB锅炉一次风机选型经验[1, 3, 8, 9],在考虑煤质变化等因素对风机参数影响的前提下,一次风机的流量裕量可取20%,则风机TB点流量为 
式中, QTB为风机在TB工况下的设计风量;QBMCR为BMCR工况下一次风机所需风量。根据风机相似定律,压头与流量平方呈正比,当一次风机的流量裕量取20%时,风机的压头裕量取44%,则TB点压头为
式中,PTB为风机在TB工况下的设计压头;∑Pi为 BMCR工况下一次风流经各设备的阻力之和,主要包括冷热风管道 阻力、空气预热器阻力、风室及布风板阻力、风帽阻力、挡板阻力、床层阻力。

CFB锅炉设计过程中,管道阻力系数为定值,且阻力 只受流体动压头影响,这部分设备阻力应随流量二次方关系增加,而占一次风系统阻力超过 50%床层阻力,在设计上是一个定值,其只与设计床层厚度有关。因此,在确定床层阻力时,选取较为合理的定值即可,并不需要再增加床压选型裕量。通过分析表明,不考虑床层阻力的选型裕量,一次风机阻力选型裕量可降至22%左右[1]。 

1.3  660MWCFB锅炉风机选型优化 
为了提高风机的运行效率,降低风机选型裕量过大对风机稳定运行的影响,应对大型CFB锅炉一次风机选型裕量进行较为合理的优化。 某660MW CFB锅炉为锅制造,超临界参数直流炉、循环流化床燃烧方式,一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢架结构、同步设置炉内烟气SNCR脱硝、设计燃用以煤矸石为主含有煤泥和洗中煤的低热值煤,煤质分析数据如表1所示
对于600MW等级CFB锅炉,按照设计经验,一次风 机的风量裕量可取20%,并且一次风机阻力选型裕量可降至22%以下。表2为某风机制造厂家,提供的660MW CFB锅炉一次风机选型参数。由表1中数据可知,一次风机风量裕量为15.8%,一次风机风压裕量为28.4%。由于此台锅炉设计煤种和校核煤种差别较小,锅炉一次风机风量裕量可低于20%[10];如按照上述选定的风量裕量,压头与流量的平方呈正比,此锅炉一次风机风压裕量应为 34.0%,如果可确定床层阻力,风压裕量可降至17%,此台锅炉一次风压裕量介于17%~34%之间,表明一次风压的选取考虑了一定的床层阻力裕量。
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风机变工况调节方式优化
2.1  常规调节方式 
风机运行时,运行工况随主机负荷变化而变化。对于离心风机,常用的调节方式有入口挡板调节、入口导叶调节以及变速调节。为了提高风机的运行效率,防止风机长期在低效区运行,应选择合理的风量调节方式。 

2.2  调节方式的优化 
入口挡板调节是最简单的一次风机风量调节方式,可通过调节入口挡板开度来满足机组负荷变化对风量的要求。当风机选型裕量过大时,一次风机运行时入口调节挡板开度较小,运行工况与设计工况偏离较大,风机单耗高、效率低。由于入口调挡板开度较小,给运行人员的调整和操作带来较大困难。研究表明,高压离心风机在调节门开度较小的情况 下运行时,气流不稳定,易引起共振或谐振,造成风机机壳及进出口管道剧烈振动及叶轮振裂等事故,严重时会威胁机 组安全经济运行。 

图3为风机入口挡板调节原理。由图可知,当风机采用入口挡板调节方式,挡板不仅影响管路断面流量及压强变化,而且影响风机内部流场,从而改变管路及风机性能曲线。原运行工况点A时,流量为qVA,当减小挡板开度时,风机性能曲线将由1变为2,管路性能曲线由Ⅰ变为Ⅱ,此时运行工况点为曲线 2 和Ⅱ的交点B,流量为qVB,进口节流损失为Δh。因此,风机采用入口挡板调节方式,调节风量会造成较大进口节流损失,降低风机的运行效率。 风机入口导叶调节方式主要是在风机叶轮前的入口附近,安装一组可旋转的导叶,通过调节导叶开度来调节风机流量,并且不会影响管路性能曲线。当增大入口导叶安装角时,风机性能曲线下降,这是风机的理论全压降低以及导叶对气流节流作用增加所致。
图4为风机入口导叶角度变化对风机性能曲线的影响。由图可知,当入口导叶安装角由0°变至20°时,流量由qV0降至qV2,入口导叶角度变化对管路性能曲线也没有影响,实际运行结果表明节流损失要低于入口挡板调节。由于入口导叶调节具有构造简单,运行和维护较为方便,初投资较低等优点,离心风机普遍采用此种方式进行风量调节。此外,在调节量较小的情况下,入口导叶调节经济性较好,但在调节量较大情况下,节流作用增加,调节效率也不断降低。因此,需配合其他调节方式来保证风机在整个调节范围内的经济性。 
风机变速调节是在不改变管路性能曲线的前提下,通过改变转速来改变风机的性能曲线,从而改变运行工况点的调节方式。按照相似原理,变速调节前、后的运行工况点A0和A1,转速分别为n0和n1,根据比例定律可知:
由上述公式可知,通过变速调节来减少流量,可大大降低风机的功率消耗。 

图5为风机变速调节原理,由图可知,风机转速由n0 降至n1,流量由qv0降至qv1,轴功特性曲线 H-qv下移,效率曲线η-qv左移,实际运行结果表明,通过降低转速来降低风机输出风量的方式,可较大程度上降低风机的功率消耗,并且可以较大程度上减少附加节流损失,在较大负荷范围内保证风机的高效稳定运行

2.3  变频调节优化 
目前绝大多数风机都采用异步电动机拖动,并且通过改变电动机频率来改变风机转速以及风机流量。这种调节方式可使风机功耗随机组负荷变化,可降低由于挡板调节而造成的节流损失以及风机耗电量,从而提高风机运行经济性[11]。此外,使用变频器可使一次风机特性曲线变化平缓,降低风机和电动机的故率,并且提高风机寿命[12]。 
式中,n为异步电动机转速;n1为交流电动机的同步转速; f1为电源频率;p 为磁极对数;S 为异步电动机的转差率。 

变频调速也具有调速效率高,调速范围宽,一般可达 20:1(2.5~50Hz),并适用于在低负荷下运行,调节精度高等优点。 

变频器用于风机调速时,其容量 Pv可按下式确定
式中,na、n0为电动机变频时的最高转速以及电动机的额定 转速;Pn 为转速n0时风机的轴功率。由上式可以得到,选取较低的电动机变频时最高转速,可以减小变频器的容量, 并降低变频器的初投资。如选定na=80%n0,则变频器容量Pv即为0.512n0。采用变频调节与其他调节方式相结合,不仅可降低变频器初投资,还可提高风机在整个风量调节范围内的效率。
 
根据《电站锅炉风机选型和使用导则》,在选用变频调 速装置的同时,风机还应配置入口导叶调节方式,变频器的 容量宜根据风机TB点流量90%(甚至更低些)工况所对应的轴功率(而不是电机额定功率)来选取。这样不仅可采用容量较小的变频器,节约投资,而且风机的调节效率较高。 由于变频器本身也有损失,在风机额定流量的 90%以上采用入口导叶的调节效率要高于变频调速调节[13]。 

2.4  超频运行 
由上述分析可知,为了提高风机的运行效率,首先需降低风机的选型裕量,其次需提高风机的风量调节效率,最后为了降低风机的投资成本,还需降低变频器的容量。 

在夏季,由于室外温度较高,风机进口温度也随之增加, 需提高风机出力,才能满足机组在高负荷运行下所需风量。 由于选取风量裕量较小,再加上变频器容量降低,风机出力可能出现在夏季不能满足机组所需风量的要求;此时,应考虑变频器有一定的超频 裕量,实际过程中可通过提高电动机频率来提高风机转速, 从而提高风机出力。图6为风机超频运行方式,由图可知, 风机超频运行后,风机转速升高,轴功率增大,风机效率曲线右移,可保证风机在高效区内运行。一般情况下,在保证电动机安全运行的条件下,变频器可超频 10%,即变频器可在60Hz以内超频运行。 当入口导叶调节与变频调节方式相结合,为了保证风机能够达到 120%额定风量裕量且保证机组运行的经济,在风机额定流量的90%-100%工况时,可采用入口导叶的调节方式;风机在额定流量 90%以下工况运行可采用变速调节方式;变频器的容量按照风机TB点工况90%时所对应的轴功率来选取,变频器按照超频10%的裕量进行计算,可实现风机在额定流量的100%~120%工况时的稳定运行。这不仅可以降低风机的制造成本,实现风机的经济调节,同时可降低变频器的设计容量,从而提高风机整体的运行经济性。 
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结论

依据300MW级CFB锅炉一次风机选型经验,一次风 机的风量裕量可取20%,并且一次风机阻力选型裕量可降至22%以下。并按照上述经验,对某660MW级燃用以煤矸石为主的低热值煤CFB锅炉的一次风机选型裕量进行分析, 并得到较为经济合理的选型裕量。对于风机变工况调节方式,可采用风机入口导叶调节方式和风机变频调节方式相结合来提高风机运行的安全性和经济性,具体调节方式为在90%~100%的风机额定流量下,可采用入口动叶调节方式; 在 90%以下的风机额定流量下,采用变频调节方式;变频器的容量按照风机TB点工况90%时所对应的轴功率来选取, 变频器按照超频10%的裕量进行计算,可实现风机在额定流量的100%~120%工况时的稳定运行。

  

文献信息

卫荣章,白涛. 大型CFB机组一次风机选型分析与运行优化[J]. 电站系统工程,2015,03:28-30+33.


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