锅炉引风机节能改造

1、锅炉引风机节能改造分析摘要：本文介绍锅炉风机效率及调速节能原理理论，并针对我公司锅炉引风机设计、运行工况的数据分析，指出引风机电耗高和效率低的原因，论证引风机节电降耗的几种改造方案及其可行性，提出引风机改造的可行性建议方案。关键词： 风机 节能改造 效率1 概述在我国由于设计上的原因，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，由于电动机不能跟着负荷的波动进行调节，能源被大量浪费，并且造成了严重的环境污染。具统计，我国风机泵类的平均设计效率仅75，比发达国家水平低5个百分点，系统运行效率比发达国家水平低2025个百分点，节电潜力巨大

2、。在国内火力发电厂的厂用电占总发电量的8%10%，而锅炉给水泵、凝结水泵、循环水泵占大容量机组总厂用电的50，锅炉送风机、引风机消耗电量约占总厂用电的25。因此提高风机的运行效率，对节能降耗有着重要的作用。要想更准确的评估和分析节能效果和收益，应组织进行风机的热态试验，以掌握锅炉所配套的风机及其管路中的运行参数，作为经济性评价和改进的依据，目前由于条件限制，仅根据现有材料和运行数据，进行初步测算和分析。 2风机改造的几种方案我公司安装两台无锡锅炉厂生产的UG260/9.8M型锅炉，每台炉配南通金通灵风机厂制造单吸双支撑离心风机两台，具体参数见表1：我公司在安装时就考虑了风机的节能，加装了液力偶

3、合器，但是在实际运行过程中液偶的开度和风机转速都很低，锅炉带满负荷时（流量在240吨左右），两台引风机液偶一般开度在27左右，风机转速在600700 R/min左右，在低负荷下风机转速一般在420550 R/min，液偶一般开度在1220左右。表示液力偶合器性能的特性参数主要有转矩M、转速比i、转差率S和调速效率（又称液力偶合器效率）V等，当忽略液力偶合器的轴承及鼓风损失时，其输入转矩M1等于液力偶合器输出的转矩M2。液力偶合器运行时其涡轮转速nT与泵轮转速nB之比，称为液力偶合器的转速比i，液力偶合器在设计工况点的转速比in 是表示液力偶合器性能的一个重要指标，通常in 0.970.98，液

4、力偶合器在工作时，其转速比一般在i0.40.98内，当i0.4时，由于转速比小，工作腔中充油量少，工作油升温很快，工作腔内气体量大，工作中常会出现不稳定状况。液力偶合器工作时泵轮与涡轮的转速差与泵轮转速之比的百分数称为转差率S，液力偶合器的转差率除表示相对转速差的大小外，还表示在液力偶合器中功率的传动损失率，既 S=（nBnT）/ nB=P/ PB 。液力偶合器的调速效率V 又称为传动效率，它等于液力偶合器的输出功率P2与输入功率P1 之比，V P2/P1 PT/PB = nT/nB =i,即在忽略液力偶合器的机械损失和容积损失等时，液力偶合器的调速效率等于转速比，当液力偶合器工作时的转速比较

5、小，其调速效率也越低，液力偶合器进行变速传动时，其内部产生的转差损失功率并不是总随着调速效率V （亦即转速比i）的下降而增大的，而是在V i0.67时达到最大值，以后V （i）下降时，转差损失功率P反而减少。根据此理论，我公司液力偶合器在风机转速为657 R/min时转差损失功率P最大，而我公司风机在满负荷运行时基本在这一转速上下波动，运行时转差损失功率P很大。当风机在低负荷下运行时，液力偶合器的调速效率V 比较低，液力偶合器的能量损失是比较大的。根据这种情况必须对引风机系统进行改造，降低风机电耗。风机节能改造主要是通过提高风机运行全压效率和调速效率、电机效率，将浪费的耗功降至最低；根据我公司

6、目前情况主要有下面几种方案：、取消液力偶合器对电机进行变频改造；、液偶调速电机改双速;、更换低速电机液偶调速；、风机重新选型整套更新3 一般风机改造的节能估算方法一般风机进行调速改造的节能经济估算方法介绍多从流体力学的原理，风机或水泵属于平方转矩23负载，其转速n与流量Q，风压H以及轴功率P具有如下关系，Qn,Hn, Pn,PQH,既流量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比，轴功率P还与风量（流量）Q，风压（扬程）H的乘积成正比，。如图1所示，从风机的运行曲线图来分析采用调速后的节能效果。图1 风机泵类调速节能原理示意图当所需风量为不是风机的设计额定风量时，一般认为是

7、与采用节流控制（挡板）调节的办法进行比较，认为这种调节方式通过改变管网阻力，使管网风阻特性曲线变化。曲线1为恒速n1下的H-Q特性曲线，曲线2为管网风阻特性曲线（风门全开），当需要调节风量时，例如所需风量从100减小到额定风量的70即从图中的Q1减小到Q2，如果用调节风门的方法调节时，管网风阻特性曲线从2变到3，系统的运行工况点为A点,所需功率P1Q1H1，此时系统工作点从A移至B，所需功率P2Q2H2,可以看出虽然风量降低了，但风压从H1变到H2增加了，因此轴功率P基本没有减小，而采用调节转速来调节风量时，风机的转速由原来的n1降至n2，根据风机参数比例定律可以画出转速n2下的H-Q特性曲线

8、4，此时风机工作在C点，所需功率P3Q2H3从图中可以看出在满足同样 2的风量Q2的情况下，风压降大幅度下降到H3，轴功率P也将随之大幅度下降，通过降低转速而节省的功率为：(P1-P3)=PQ1H=Q1(H1-H3)。其中的H为调节流量的挡板前后压差，由于风门的全开节省了在风门上的压力损耗，从而采用调速控制后可大大降低消耗功率。要了解其根源我们需要了解风机及其拖动电动机的功率和效率。风机的功率一般分为有效功率、内功率、轴功率、原动机功率。3.1风机有效功率风机的有效功率指气体从风机运转所得到的功率，计算公式为：Pe=qvp/1000其中Pe为有效功率，单位kW；qv为气体流量，单位m3/s；P

9、为风机全压，单位Pa。离心风机的静压有效功率为Pest3.2 风机的轴功率风机的轴功率指原动机（电动机）传送到风机轴端上的功率，也称为风机的输入功率，它是风机有效功率与流动损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、轴承轴端密封摩擦损失的功率之和，与有效功率的关系可用下式表示：Pp=Pe/f，其中Pp为风机轴功率，Pe为有效功率，单位均kW；f为风机总效率。3.3 原动机功率拖动风机运转的电动机的输入功率，即拖动负载要消耗的从电网来的进线有功功率计算公式为：Pg=Pe=qvpst/1000 gd，其中Pg为电动机输入功率，Pe为风机有效功率，单位均kW；g为电动机效率， df为传动效率，f为风机总效率。对于

10、较大容量的风机，选择原动机（电动机）容量时，一般会取1.051.3的安全系数K，对于离心式的锅炉引风机K取1.3，除尘风机K取1.2。3.4 风机的效率风机在工作时会产生机械损失、容积损失和流动损失，这些损失分别用机械效率m、容积效率v、流动效率l来衡量。风机总效率为：f=mvl。离心风机的机械损失包括轴与轴承的摩擦损失、轴与轴密封端的摩擦损失及叶轮圆盘的摩擦损失，一般离心风机的机械效率m0.920.98。离心风机的容积损失是由于风机旋转叶轮与静止部件之间具有间隙，造成气体从高压区向低压区的泄漏，流动的阻力摩擦损失称为容积损失，一般离心风机的容积效率v0.900.95。离心风机的流动损失是由于

11、气体从风机入口到出口流动的阻力摩擦损失和局部阻力损失以及工况变化造成的冲击损失，一般离心风机的流动效率l0.800.95。风机的内功率Pi是指风机有效与容积损失、流动损失之和，内效率指风机有效与内功率之比： iPe/Pi，一般风机的总效率作为风机经济性的指标，由于风机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的内功率可作为风机相似换算的依据。一般离心风机的总效率为0.700.90，节能型的新一代离心风机设计总效率一般在0.80以上。3.5 风机的入口导流器调节离心式风机一般采用入口导流器调节，导流器全开（90º）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

12、压降低，图2中的性能曲线向下弯曲，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之目的。采用入口导流器调节的离心式风机比一般调节管道阻力的调节（如出口节流调节）方式要节能，一般锅炉送引风机当流量调节范围在最大流量的6090时，一般采用轴向入口导流器调节方式比调节管道阻力的调节（如出口节流调节）方式可节约功率1524。P图2 离心风机入口导流器调节特性曲线入口导流器调节的离心式风机的性能曲线的等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3示意，从图中可见其高效区比较窄，在风

13、机入口导流器调节角度改变时，风机的 效率变化显著。P图3 离心风机入口导流器调节效率曲线下表2为某型号进口与国产某型号风机分别采用入口导流器调节与入口导流器开度调节时风机效率比较。由上表可见，在风机采用入口导流器调节在角度30º以内（开度在65%以上时）的风机内效率可保持较高值，随着入口导流器调节角度的增大风机的效率有显著下降。3.6 风机的调速调节 根据泵和风机的相似定律，当一台风机分别在不同转速n1，n2下工作时，其流量、全压和轴功率分别有以下比例定律关系:qv1qv2=n1n2；H1H2=(n1n2)；2P1P2=(n1n2)。3其中qv1，H1，P1分别为转速n1时风机的流量

14、、全压和轴功率；qv2，H2，P2分别为转速n2时风机的流量、全压和轴功率。根据以上比例定律，可对风机在不同转速下的性能进行换算，如已知风机在转速n1时的性能曲线H1-qv1、P1-qv1、1-qv1，可由曲线上任一点，根据qv2=qv1n1n1；H2=H1(n2n1)2；P2=P1(n2n1)3从而绘出在风机在转速n2时的性能曲线H1-qv1、P1-qv1、1-qv1。其中H-qv特性曲线上，由要是H2H1H2=(n1n2)2和qv1qv2=n1n2可推导出下列关系式：H1qv12=H2qv22，那么可知只=Kqv抛物线上的工况点彼此相似，在不同转速下的H-qv特性曲线在同一抛物线上的工况点

15、其各点的效率相等，相似抛物线又称为等效率线。如图中n1，n2，n3转速下，1，1，1”三个工况点的效率均为2，2，2，2” 三个工况点的效率均为1 。从图4中可见，-qv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qv的关系理论曲线基本接近二次方抛物线曲线，是一条H=Kqv2等效率曲线。在一般风机运行速度范围内（转速在40100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，因此风机在调速运行风机

16、效率能够保持在较高范围内。表3是某型号进口风机采用变速调节时的效率。表3风机采用变速调节风机效率的H-Q面积所对应的功率而言，才是风机采用调速所达到的节约能量的最主要组成部分。图4 风机等效率曲线与的效率特性曲线4风机运行情况分析每公斤燃料完全燃烧实际产生烟气容积可通过下式计算：Vy= 1.866 (Car+0.375Sar) /100+ 0.111Har + 0.0124Mar +1.11093V0+0.008Nar Nm3/kg排烟过剩空气系数取1.3。 理论空气量计算公式 ：V0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar Nm3/kg 理论燃料消耗量

17、计算公式：B=Dgr（igr-igs）+Dpw（i-igs）/（Qr） kg/sDgr 过热蒸汽流量kg/s igr 过热蒸汽焓 kj/kgigs 给水焓 kj/kg Dpw 排污水量kg/s 锅炉排污率按照1计算i 汽包压力下饱和水焓kj/kg 锅炉热效率，设计炉效：91.5% 实际按照90来计算 Qr 输入热量（完全燃烧时，燃料低位发热量）设计煤种和实际运行煤种参数饱和水和过热蒸汽焓值按照实际运行煤种计算结果按照设计煤种计算结果锅炉设计煤种和吸风机设计工况与几种运行方案烟气量比较：1）、锅炉设计烟气量：360296 m3/h，排烟温度134，吸风机入口烟气温度124时每台吸风机的烟气流量：

18、180148 m3/h（50.04 m3/s）。2）、吸风机铭牌出力：252922 m3/h（70.3 m3/s），烟气温度124。3）、锅炉低负荷（180t/h）运行方式每台吸风机的烟气流量：125220m3/h（34.8 m3/s）。 4）、锅炉最大运行方式（280t/h）每台吸风机的烟气流量：194038 m/h（53.9 m/s）。 5）、锅炉目前实际运行方式（235t/h）每台吸风机的烟气流量：163482 m3/h（45.4 m3/s）。336）、锅炉额定运行方式（260t/h）每台吸风机的烟气流量：180148 m/h（50.04 m/s）。 由上可见，吸风机铭牌出力富裕量较大，

19、比锅炉最大运行方式风量富裕约58884 m3/h，比低负荷运行方式风量富裕约127702m/h， 比锅炉目前实际运行方式富裕约89440 m/h，比额定运行方式风量富裕约72774 m3/h，流量富裕量为：23.350.5%。锅炉设计和吸风机设计工况与几种运行方案风机全压比较： 1）、吸风机转速：985r/min,铭牌全压：5992Pa;密度0.892kg/m32)、锅炉设计本体（含锅炉尾部烟道）总阻力：1494Pa,烟道阻力小于500Pa。设计烟气量：360296 m/h，每台风机烟气流量180148 m/h。即风机入口静压最大为-1994Pa,动压一般等于静压的（10-20%），考虑风机内

20、部流动阻力和对流体的压缩，烟气全压增加（15-20%），烟囱升力可以克服脱硫系统和烟囱本身阻力，那么风机近似全压为：1994×1.2×1.2=2871Pa,而吸风机铭牌全压5992Pa，富裕3000 Pa。正常运行吸风机静压差（根据运行记录）脱硫系统运行时：吸风机转速：600r/min左右, 进口静压p1=-1372Pa,出口静压p2=-276.5Pa吸风机出口和进口静压差：=-276.5-（-1372）=1095.5 Pa 脱硫系统不运行时：吸风机转速：540r/min左右, 进口p1=-1358Pa,出口p2=-468.5Pa吸风机出口和进口静压差：=-458.5-（-

21、1358）=899.5 Pa风机全压： P=(p2+222/2)- (p1+121/2)，=+(22-11)/2需要实际测量进出口烟气密度和流速，由于目前无条件测试，试根据计算的烟气流量和风机实际运行转速及制造商提供的风机各个转速（600r/min和540r/min）的性能曲线，近似查得风机全压，然后根据风机全压，流量，作出管路阻力曲线，由于锅炉炉膛接近大气压力，作为特例管路阻力曲线是通过坐标原点的一条抛物线，其方程式为: P=kqv2 k-阻力系数，P-全压 qv-流量此管路阻力曲线近似等于风机相似曲线，也近似等于风机切割曲线。即三条曲线是重合的。 以纯凝汽工况为例：在脱硫系统投入时，烟气流

22、量50.3m3/s, 风机转速600r/min，查600r/min性能曲线，风机全压2060Pa,求阻力系数k，k= qv2 /P =50.32/2060=1.2282 分别将各个流量代入管路阻力曲线方程：22333333发现工况点（82，5474）正好是与全速P- qv曲线相交点，也就是说，此管路阻力曲线（脱硫系统投入时）风机转速变化，工况点都在这条管路阻力曲线上，上表的数据始终是对应的。除非脱硫系统退出运行时，管路阻力曲线才会发生变化。v吸风机性能特性曲线示意图上图上方一根蓝色曲线是风机全速(985r/min)运行的（p- qv）曲线, 下方一根蓝色曲线是风机转速600r/min运行的（p

23、- qv）曲线, 红色曲线是管路阻力曲线,A0点为设计工况点，如果风机全速运行，实际运行工况点为A点，A1点是风机转速600r/min运行的实际工况点，也是目前纯凝汽运行，脱硫系统运行时的工况点。上图可以明显看出风机设计参数与实际运行工况相差甚远，功率浪费是很大的。好在风机采用液偶调速，部分功率被回收，但风机机械效率下降，调速效率只有60%左右，所以仍然是不经济的。4.1锅炉不同主蒸汽流量下的引风机运行参数比较表4 引风机额定负荷需求运行参数比较（设计煤种）表4 引风机额定负荷需求运行参数比较（运行煤种）注：引风机电机效率0.9,调速效率等于调速比、机械效率0.97, 排烟氧量5.2, 排烟过

24、剩空气系数1.3，引风机内效率始终是80%，是因为引风机由液偶调速，根据工况点，查制造商提供的性能曲线所得，实际效率需要进行测试。实际运行时煤质变化较大，需要的风量和过剩空气系数也有变化，以及运行调整方法不同，风机耗电也不一样。由于现场条件限制，上述数据是根据目前运行情况及理论分析得出的，改造前需要通过现场试验及重新设计计算，来确定引风机的合理参数。 4.2计算分析根据对不同负荷下进行计算得到的引风机的各种效率和所需的功率如表5。 表5 各种负荷下引风机各种的效率（设计煤种）表5 各种负荷下引风机各种的效率（运行煤种）注：引风机电机效率按90%计算，是因为大马拉小车，功率因素下降，电机效率下降

25、较大。通过以上设计、运行及测试计算数据分析发现，目前引风机均运行在设计高效工况点以外，表现在以下几个方面： 锅炉排烟温度偏离风机设计温度要高出15-20左右；引风机采用液偶调速，节能比较显著，但是实际使用转速在600r/min左右，有时更低，从985r/min，调到600r/min,调速效率60%左右，其内部产生的转差损失功率在V i0.67时达到最大值，即风机转速为657 R/min时转差损失功率P最大，风机在这一转速范围内转差损失功率P比较大，不仅浪费了部分功率，而且使电机功率因素降低，电机效率下降较多，同时使厂用系统电能损耗增加。负荷越小，效率越低，而引风机的总效率更低，有一半以上的功率

26、是浪费的。锅炉烟气管道阻力低于同类型50MW机组的管道阻力，而引风机设计全压大大高于实际阻力，其主要原因是引风机考虑了脱硫系统阻力，而实际烟囱高度高，自拔力大，可以减少引风机出力。此外采用的是电除尘器而非水膜除尘器，烟道漏风较小，引风机前氧量可能低于5.2，其主要原因是采用了管式空气预热器。 5引风机改造方案分析5.1按照设计煤种针对我公司目前引风机4种改造方案，节能改造效果初步估算如表6；表6风机节能的期望值5.2引风机改造方案效益分析按照目前主蒸汽流量180吨/小时和235吨/小时两种工况进行比较改造效益，全年运行7500小时，其中180吨/小时工况运行3500小时，235吨/小时工况运行

27、4000小时，各方案效益见表7；表7 180吨/小时和235吨/小时工况下改造效益Nf可按下式计算：Nf= r(1+r)t/(1+r)t 1)×R +C式中：r年利率，取r=7%t设备的经济运行年，取t=10R设备初投资。C项目的年运行费用，只考虑耗电费一项。电价按0.465元/ kwh,由于调度给的计划发电量是以发电机的发电量为准的，在同等的计划发电量下，厂用电越少，上网电量越多，所以要以上网电价计算，计算结果列表8如下：表8 四种改造方式经济性比较之一5.3引风机改造方案说明5.3.1方案之一：拆除液偶换变频，变频器按电机容量630kw，两套，160万元，由于电机转速最大只需要7

28、40r/min，变频器的容量只需要630*（740/985）*1.2=320kw，价格还要降低。表中仍按630KW计算。年费用低于改造前，3.26年可以回收投资。5.3.2方案之二：电机改双速电机，比较简单，每台10万，两台20万全部搞定。年费用低于改造前，0.7年可以回收投资。5.3.3方案之三：电机更换低速电机，反正最大转速只要740转/分，不如买一台低速电机装上，电机容量也只要330kw，电机价格15万元，基础按原来的不变，基本不需要安装费。年费用低于改造前，也比改双速电机低，1年可以回收投资。换下的电机可以做备品或卖掉。5.3.4方案之四：电机和风机全部换，电机15万，风机15万，安装

29、费5万，两台合计70万元，年费用低于改造前，1.85年可以回收投资。从上表看出最省钱的是改双速电机，年费用最低的是拆除液偶换变频，但初投资高，由于改双速电机，变速时需要停运风机，而风机是长期运行，负荷是全天在变化，如果负荷发生变化，就切换，将导致风机的频繁启停，对机组的安全运行构成威胁，并且经济性也会打折扣，通过液偶调速效率也很低，所以此方案不可以采纳。电机和风机全部更换，拆装工期比较长，并且基础也有可能不符合要求，根据目前我公司情况，此方案也不可取。对于更换电机方案，更换电机还采用原来的液力偶合器，液力偶合器的调速效率将比目前提高很多。但液力偶合器在调速过程中出现转速滑差损失，一般占电动机输入功率的1015左右，从长远来分析，低效率的液偶调速越来越被高效的变频调速所代替，变频调速技术越来越成熟，价格越来越便宜，如果变频容量不按照630kw而按照320kw要比上表的160万低5