摘要:结合1000 MW火电机组引风机的选型,对动叶可调轴流式和静叶可调轴流式引风机进行了技术性能对比及综合经济比较。结论是两种引风机都是可行的,动叶可调轴流式风机运行经济性较好,而静叶可调轴流式风机初投资低,可靠性较高,耐磨性较好。
锅炉引风机因其输送的是含尘且温度较高的烟气,风量大,风压高,其运行的可靠性、耐磨性、经济性和价格将直接影响电厂的初投资及今后的运行经济效益。目前国内大型机组锅炉所配备的引风机中,主要为静叶可调轴流风机或动叶可调轴流风机两种型式,也有少量的离心风机。根据国内1 000 MW 机组的负荷特性,一般都要求机组具备调峰能力和变负荷运行方式。离心式风机调峰经济性差,运行电耗大,必须采用变频调速系统来调节风机的风量和风压,以适应运行工况的变化。由于现在大功率高压变频器需采用进口设备,电气设备费用非常昂贵,而且采用大功率变频器,还有许多技术问题未得到彻底解决。此外,离心式风机设备体积大,重量大,从而给检修和维护带来很大困难。在大型引风机选型时,一般采用静调轴流引风机或采用动调轴流引风机。因此本文将主要针对静叶可调和动叶可调轴流式引风机选择,进行技术性能对比及综合经济比较,以推荐合理的引风机选型。
1 国产引风机状况
1. 1 静叶可调轴流式风机
静叶可调,即风机进口导叶在运行中依靠调节机构进行调节,从而达到改变风压、风量的目的。静叶可调轴流式风机由进气箱、进口调节门、整流导叶环的机壳、扩压器和转子组成。电动机通过刚挠性联轴器直接传动风机主轴。叶片为钢板压型形成扭曲叶片,与轮毂焊接。
上海鼓风机厂有限公司引进的是德国TL T公司的静叶可调轴流式风机的设计和制造技术,成都电力机械厂和沈阳鼓风机(集团) 有限公司引进的是德国KKK公司的静叶可调轴流式风机的设计和制造技术。国内生产的静叶可调轴流式风机已大量用作600 MW 以上等级机组的引风机,已经具有成熟的设计和运行经验。华能玉环、山东邹县和江苏泰州等电厂1 000 MW 机组都采用了此种型式风机。
1. 2 动叶可调轴流式风机
动叶可调,即风机叶片角度在运行中依靠液压调节机构进行调节,以改变风机风压、风量。动叶可调轴流式引风机由进气箱、带整流导叶环的机壳、扩压器和转子组成。电动机通过中间轴传动风机主轴。机壳具有水平中分面,便于安装和检修。转子由叶轮、轴承箱、中间轴、液压调节机构等组成。叶轮轮毂采用低碳合金钢(轮毂和承载环为锻件) 焊接结构,叶片用高强度螺钉直接固定于轮毂内的叶柄上。
沈阳鼓风机厂引进丹麦诺文科公司的动叶可调轴流式风机设计和制造技术,其动叶片采用铸铝加不锈钢镀铬耐磨鼻结构,其耐磨性较差,用于送风机和一次风机没有问题。但用于引风机时,对烟气的含尘量有较严格的要求。沈阳鼓风机厂也已开发了钢制叶片,这将使其耐磨性有较大的提高。
上海鼓风机厂有限公司的动叶片材料采用低碳合金钢,表面喷涂耐磨层,具有很强的耐磨性。该叶片用作引风机时,对烟气含尘量的要求已不严格,动叶片的使用周期可大大加长。
豪顿华工程有限公司的动叶可调轴流式风机可以根据不同的应用情况采用不同的叶片材料设计。对送风机和一次风机叶片材料采用锻铝或铸铝。对引风机,根据烟气含尘量的大小采用不同的材料。
成都电力机械厂引进德国KKK 公司的设计和制造技术,生产AP 系列动叶可调轴流式风机。AP 系列动叶可调轴流作为针对不同的工作条件,可提供铸铝、锻铝、球墨铸铁或锻钢的动叶片。
2 国内部分1 000 MW级火电机组
引风机的配置国内部分1 000 MW 级火电机组引风机的配置见表1 。
国内生产的静叶可调轴流式和动叶可调轴流式风机目前均已大量用作600 MW 以上机组的引风机。因此本文所讨论的引风机仅指国产风机,进口风机由于价格过于昂贵,不在本文论述范围之内。
3 动、静叶可调引风机的性能对比
3. 1 耐磨性能比较
叶轮和叶片的磨损随烟气的含尘量、灰尘粒子的粒径和硬度不同而不同,烟气中硬质粒子含量越高,粒径越大,磨损情况就越严重。在外界烟气条件相同的情况下,风机叶片的磨损程度与风机的转速有关。理论与实验均表明,风机叶轮的耐磨寿命与风机转子速度的平方成反比,因此,静叶可调风机的转速低于动叶可调风机,因而其耐磨性较好。
静叶可调引风机的耐磨措施主要采用两个手段:
(1) 应用空气动力学理论优化设计叶轮流道,使含尘烟气避免冲刷叶片根部而均匀流过叶片尖部和后导叶,同时后导叶又设计成在不停机状态下也可更换。根据静叶可调风机生产厂实践经验,烟气含尘量在250～400 mg/ m3 情况下,叶片耐磨寿命可达35 000 h ,甚至在许多电厂已到达50 000 h 以上;
(2) 在叶轮叶片和后导叶上喷熔镍基炭化钨耐磨材料,硬度为HRC 55～60 ,因而又大大提高了其耐磨性。叶片磨损后,可以割掉旧叶片,在轮毂其他位置焊上新叶片,更换4～5 次叶片后,需更换整个叶轮。
动叶可调引风机通过在叶片的表面喷焊耐磨层来改善叶片的耐磨性能。叶片采用低碳合金钢,经过数控加工铣切并压制成型,表面喷焊耐磨层,其喷焊的硬质合金针对电厂引风机烟气含尘量高的特点而特别研制。据动叶可调风机生产厂经验,烟气含尘量在350 mg/ m3 情况下,叶片耐磨寿命可达26 000 h ,工业实践中已有烟气含尘量100 mg/ m3 条件下运行35 000 h 的业绩。叶片磨损后还能修补7～8 次而重复使用,轮毂寿命可保证30 年以上。
目前根据环境保护的要求,燃煤火电机组静电除尘器出口(即引风机入口) 的烟气含尘量均小于100 mg/ m3 。由于烟气含尘量较低和风机耐磨性的提高,引风机无论采用静叶可调轴流式或动叶可调轴流式都是可行的。
3. 2 调节方式比较
(1) 静叶可调轴流式风机是借助静叶反向调节可获得负旋绕来增加流量和压头,这样就可以选择比流量、压头最大值稍低的参数,使该工况点位于风机效率的最高点,使低负荷时的风机效率降低得相对少一些。运行实践表明,静叶可调轴流式风机对叶轮进口气流条件不敏感,可以采用简单的调节方式来获得较好的调节性能,使风机在较大的负荷变化范围内获得较高的平均效率。其中AN 型风机风量调节是由前导叶完成的。前导叶为机翼型,能在- 75°～ + 30°范围内实现无级风量调节,因而其调节范围宽,调节效率高。尤其是AN 风机性能曲线的等效线呈椭圆分布,且其长轴几乎与锅炉管网阻力曲线平行,因此AN 风机特别适合于带调峰负荷的锅炉机组使用。
(2) 动叶可调轴流式风机是利用改变动叶角度来进行流量和压头调节的。这种调节方式不仅可以增加流量和压头,而且可在一定范围内减小流量和压头,这样就可以使风机在较大的负荷变化范围内获得较高的平均效率。其工况范围不是一条曲线,而是一个面,所以流量变化范围大,高效率运行区宽广。对于大容量机组,特别是大容量变工况机组采用动叶可调轴流式风机,其节能效果非常显著,可降低运行成本。
3. 3 运行特性比较
静、动叶可调轴流式风机的典型特性曲线分别见图1 和图2 。
从图中可以看出:
(1) 动叶可调轴流式风机和静叶可调轴流式风机的等效率曲线均为椭圆形,其等效率曲线的长轴与系统阻力曲线基本平行。
(2) 静叶可调轴流式风机的等效率曲线最高效率低于动叶可调轴流式风机。
(3) 在变负荷运行时静叶可调轴流式风机效率降低较快,而动叶可调轴流式风机的高效率区域较广。因而在变负荷时,动叶可调轴流式风机具有较好的调节特性, 静叶可调轴流式风机次之。
(4) 过去静调轴流风机在低负荷工况运行时,系统阻力曲线离喘振线较近,易引起风机喘振叶片断裂。近年来,风机制造厂采取了一些静调轴流风机防喘振动措施,例如设计KSE 分流装置,大大扩大了风机的使用范围。
(5) 动叶可调轴流式风机具有调峰性能好,运行经济,电动机启动力矩小和启停快(启动力矩约为静叶可调轴流式风机的38 %) 等优点。
3. 4 检修维护比较
动叶可调轴流式风机检修工作量不大,经常需要维护检修的是其动叶片。在每次机组小修期间,可对风机转子进行检查,如果没有伤及叶片母材,而只是耐磨层被磨损时,不需要更换叶片。但动叶可调风机由于其叶片的耐磨性和运行安全性均较静调风机差,故其总的维护费用是较高的。风机每5 年大修1 次,每个大修期更换叶片费用约25. 5 万元/ 台,液压系统更换费用约30 万元。这样折算下来,动叶可调风机每年的维修费用为11. 1 万元/ 台。
静叶可调轴流式风机结构较简单,风机转速较低,部件制造和检修费用也比较低。当叶片运行磨损后,静叶可调风机叶片无法现场更换,需返厂更换并焊上新叶片。这种修复进行4～5 次后,需更换整个叶轮。但其作为引风机时,其运行安全性均较高,故在一个大修期内总的运行检修费用较低。据测算,静叶可调风机的每个大修周期更换叶轮的费用约为10. 5 万元/ 台,折算到每年为2. 1 万元/ 台。因而在其他条件相同的情况下,1 台1 000 MW 锅炉分摊的年维护费用,静叶可调较动叶可调低18 万元。
3. 5 其他方面比较
3. 5. 1 安全可靠性
动叶可调风机除了叶轮叶片、后导叶磨损问题外,还存在动叶断裂、电动头卡涩,使动叶关闭不能吸风及液压系统漏油等潜在危险,一旦因此造成风机停机,损失将很大;而静叶可调风机只存在叶片、后导叶磨损问题。
3. 5. 2 占地面积
在相同机型下,动叶可调风机转速比静叶可调风机高一个档次;在相同转速条件下,动叶可调比静叶可调风机机号大一个档次;同时动叶可调风机还需要动力油站及冷却水系统,而静叶可调风机不需要,因而动叶可调风机总的占地面积大于静叶可调风机。
3. 5. 3 安装与拆卸
由于静叶可调轴流引风机结构简单,其安装与拆卸不需要特别的技术;而动叶可调轴流引风机由于结构复杂,其安装与拆卸需要专门的技术,很不方便。
4 动、静叶可调引风机的技术经济
4. 1 比较方法及原则
采用电力工业部1982 年颁发的《电力工业经济分析暂行条例》(简称《暂行条例》) 及国家电力公司电力规划设计院2006 年颁发的《火电工程限额设计参考造价指标》(简称《限额指标》) 规定方案,比较采用《年费用最小法》,以年费用最小为最佳。
通过年费用计算,定性地判断方案之优劣排列顺序,进而计算静态投资和动态投资回收年限,定量地判断方案优劣差异程度;并对影响方案的主要参数变化作敏感性分析,计算出参数影响方案优劣的临界点。
所谓年费用,是以计及资金时间价值的动态理论,以拉平技术,用一个固定费用率F 将投资费用及运行费用平均分摊到电厂投产后至还贷折旧完毕期间的每一年之中,其表达式为:
A = P·F + U
式中: A 为年费用; P 为设备总价格; F 为固定费用率; P·F 为固定成本, 即与投资有关的固定费用;U 为可变成本,为与投资无关的可变费用(包括运行费、维护费) 。
4. 2 经济性比较
4. 2. 1 固定费用率取值
固定费用率F 由资金回收系数F1 、税金F2 、管理费F3 及保险费F4 构成,受到贷款偿还期、建设周期、贷款利率、上网电价、年利用小时数及每千瓦静态投资的影响, 可按《限额指标》取值:固定费用率取F = 0. 17 。
4. 2. 2 设备总价格
设备总价格包括:设备费(风机本体、配套设备和电动机) 、设备运杂费、备品备件、专用工具、油站及控制(若有) 等。对两种型式风机费用差别不大的项目予以忽略,如设备安装和施工管理费、检修起吊设施、电气及控制设备、建筑工程费等。
根据制造厂询价资料,静叶可调轴流式风机和动叶可调轴流式风机的价格见表2 。
4. 2. 3 风机年耗电量
机组运行模式是由电厂的负荷性质,电厂在电网中的地位等许多因素决定的。年利用小时数愈大,机组处于高负荷、高效率区运行时间长,发电效率愈高;反之,机组大部分时间处于调峰工况,则发电效率就愈低。
由于运行模式对运行费用影响较大,因此确定运行模式应尽可能接近实际。电厂运行客观上必须参与电网调峰,按机组每年实际运行5 500 h ,其运行模式见表3 。
以某1 000 MW 机组的引风机为例,静叶可调轴流式风机和动叶可调轴流式风机在机组不同负荷下的效率、风机轴功率和年耗电量的对比见表4 。
4. 2. 4 风机年费用比较
静叶可调轴流式风机和动叶可调轴流式风机两种型式风机的年费用比较见表5 。
5 结语
在技术上静叶可调轴流式风机或动叶可调轴流式风机用作引风机均是可行的。
从以上数据可以看出,静叶可调轴流式风机的设备总价格比动叶可调轴流式风机低280 万元,但全年运行费高48. 82 万元。动叶可调轴流式风机的年费用较静叶可调轴流式风机低1. 22万元。动叶可调轴流式风机比静叶可调轴流式风机在经济性方面略好。与动叶可调轴流式风机相比,静叶可调轴流式风机具有耐磨性较好,初始投资较低,安全可靠性较高和运行事故率较低等优点。
综上所述,1 000 MW 燃煤火电机组的引风机使用静叶可调轴流式风机或动叶可调轴流式风机各有优缺点,电厂可结合工程具体情况选择引风机的型式。
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