350 MW發(fā)電機(jī)組高爐煤氣增壓風(fēng)機(jī)切換方式優(yōu)化研究

胡 捷,婁婧鑫,廖 立

1 引言

寶鋼電廠4號(hào)機(jī)組為世界首臺(tái)350 MW燃?xì)饣鞜l(fā)電機(jī)組，主燃料為高爐煤氣（以下簡稱BFG），鍋爐為塔式直流微正壓爐，配備有18只復(fù)合式的氣體燃燒器和3臺(tái)BFG增壓風(fēng)機(jī)（以下簡稱BBF），BBF為離心式風(fēng)機(jī)，采用進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)出口壓力。與之配套的為雙速驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以根據(jù)BFG燃用量的不同進(jìn)行高、低速切換運(yùn)行。

2 現(xiàn)有問題分析

按照原設(shè)計(jì)，當(dāng)4號(hào)機(jī)組BFG用量較低時(shí)，BBF低速運(yùn)行，依靠進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)出口壓力，隨著BFG用量的不斷增加，BBF進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板的開度也隨之增加。當(dāng)BBF進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板全開仍無法滿足運(yùn)行要求時(shí)，就需要將BBF切換至高速運(yùn)行。同樣的，隨著BFG用量的不斷減少，高速運(yùn)行的BBF進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板的開度也隨之減少。在BBF進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板開度很小時(shí)，雖然也能滿足運(yùn)行要求，但此時(shí)風(fēng)機(jī)的節(jié)流損失很大，風(fēng)機(jī)效率很低，需要將BBF切換至低速運(yùn)行。

目前，4號(hào)機(jī)組進(jìn)行BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換時(shí)，對進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板的開度范圍要求十分嚴(yán)格，當(dāng)需要將低速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)切換到高速運(yùn)行時(shí)，必須先將低速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)擋板關(guān)小到50%左右才能進(jìn)行，超出要求范圍就無法進(jìn)行切換。而實(shí)際上，在需要將BBF由低速切換至高速運(yùn)行時(shí)，往往是由于需要增加BFG的用量，而按照目前的切換方式，需要先將BFG用量降低，以滿足切換的條件，才能夠?qū)BF由低速切換至高速運(yùn)行，這個(gè)過程必然造成大量BFG放散，不僅浪費(fèi)了能源，而且污染了環(huán)境[1]。

為此有必要對離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，其中普遍采用的改造方式就是變頻改造。變頻改造就是通過加裝一套變頻裝置，通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到改變其出口壓力的目的。但是，變頻改造的成本較高，而且其故障率也比較高[2]。寶鋼電廠4號(hào)爐BFG增壓風(fēng)機(jī)引進(jìn)日立動(dòng)力歐洲公司（HPE）的技術(shù)，采用雙速電機(jī)，在滿足節(jié)能的同時(shí)，還具有較高的穩(wěn)定性。但是，雙速電機(jī)在國內(nèi)的使用并不普及，對于其運(yùn)行特性并不是十分清楚，沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。因此，研究雙速電機(jī)的運(yùn)行方式，特別是高、低速切換的方式，對進(jìn)一步提升技術(shù)優(yōu)勢和企業(yè)的節(jié)能降耗是至關(guān)重要的。

本文通過對4號(hào)機(jī)組BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換方式優(yōu)化研究，掌握增壓風(fēng)機(jī)、風(fēng)門開度和管路系統(tǒng)的性能和動(dòng)態(tài)特性，增加BBF切換的范圍和靈活性，有效利用現(xiàn)有設(shè)備的性能，達(dá)到減少BFG放散和節(jié)能的目的[3]。

3 優(yōu)化切換方案

為了滿足BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換過程調(diào)節(jié)擋板開度范圍均大于20%，且低速切高速時(shí)最大開度大于75%，BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)出口壓力波動(dòng)小于1.5 kPa[4]的要求，就必須對現(xiàn)有的切換方式進(jìn)行分析研究。首先根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換的實(shí)際過程進(jìn)行解剖，然后采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與理論分析交替的方法[5]，以掌握優(yōu)化切換的關(guān)鍵因素點(diǎn)。

為了優(yōu)化切換方式，深入了解原切換方式是關(guān)鍵所在。現(xiàn)以寶鋼電廠2012-6-5的三低切三高的試驗(yàn)為例，分析原切換方式的具體過程。圖1為三低切三高運(yùn)行過程中A、B、C三臺(tái)BFG增壓風(fēng)機(jī)的開度、BFG進(jìn)氣流量、壓力等參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

圖1 三低切三高參數(shù)變化

由圖1可以看出：當(dāng)三臺(tái)風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，為了使流量從650 km3/h繼續(xù)升高，需要將風(fēng)機(jī)從低速切至高速，整個(gè)切換過程大約持續(xù)30 min；每臺(tái)風(fēng)機(jī)的切換均按照從低速的85%先降到50%（如圖中增壓風(fēng)機(jī)B的a點(diǎn)）后再切換到高速并繼續(xù)降到20%（如圖中增壓風(fēng)機(jī)B的b點(diǎn)）、然后按照增加開度的原則在保證壓力基本穩(wěn)定的條件下增加高速運(yùn)行風(fēng)機(jī)的擋板開度（其它兩臺(tái)同樣操作）；在切換過程中流量先是略有降低（約降低20 km3/h），等三臺(tái)風(fēng)機(jī)均切換為高速后流量才有了階躍式增大（從650 km3/h升高到700 km3/h），調(diào)節(jié)切換增加流量的響應(yīng)時(shí)間很長，反應(yīng)滯后。整個(gè)切換過程雖然保持了壓力的穩(wěn)定，但是在切換過程中流量先有降低且反應(yīng)滯后,導(dǎo)致BFG少量放散。為了盡可能的做到既平穩(wěn)切換，又能在切換過程中流量盡量不要下降，或略有繼續(xù)上升，尋找更多的切換點(diǎn)是必要的。

為了獲得優(yōu)化的切換方式，特分析BFG增壓風(fēng)機(jī)各工況下的性能曲線[6]如圖2所示為三低和三高運(yùn)行時(shí)的風(fēng)機(jī)性能曲線。圖中的實(shí)線圈內(nèi)表示風(fēng)機(jī)三高和三低的公共運(yùn)行區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)，可以找到相同壓力和相同流量的低速和高速運(yùn)行工況點(diǎn)。如圖中的實(shí)線交點(diǎn)處，可以認(rèn)為是風(fēng)機(jī)三低、壓力在8.25 kPa、開度為85%的運(yùn)行工況點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)機(jī)流量為650 km3/h；同時(shí)該工況點(diǎn)也是三臺(tái)風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行、開度為31%的運(yùn)行工況點(diǎn)；這樣就可以直接在三低運(yùn)行時(shí)的85%切換到高速運(yùn)行后將開度調(diào)整到31%即可。在了解了各種運(yùn)行狀態(tài)工況點(diǎn)在性能曲線中的位置后，就能利用性能曲線給出更多的切換方式。

圖2的性能曲線的水平線表示等壓力線，在每條等壓線上的三高和三低的性能曲線的交點(diǎn)處既可作為高低速的切換點(diǎn)，將每個(gè)交點(diǎn)量化即可得到表1所示的在相近壓力時(shí)三低開度與對應(yīng)的三高開度以及流量的關(guān)系。

圖2 三低切三高性能曲線圖

由表1可以看出，對應(yīng)于不同的增壓風(fēng)機(jī)全壓力，三低和三高具有相對應(yīng)的開度關(guān)系，在切換時(shí)，只要對應(yīng)關(guān)系相當(dāng)，壓力就能基本保持不變。例如某次三低切三高過程，當(dāng)壓力在8 kPa左右時(shí)，則85%開度三低運(yùn)行所對應(yīng)的三高運(yùn)行開度大約為33%左右。

表1 不同增壓風(fēng)機(jī)全壓力下三低和三高對應(yīng)的開度關(guān)系和流量

由表1相近壓力下的開度及流量關(guān)系可以看出，當(dāng)三低開度大于70%時(shí)，流量隨著開度增大而增加的變化率已經(jīng)很小，說明此時(shí)風(fēng)機(jī)開度對流量的影響已經(jīng)很小，但是此時(shí)風(fēng)機(jī)電機(jī)的功率隨著開度的增加還是增加的，因此考慮到風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的節(jié)能，當(dāng)三低運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)開度需要大于75%時(shí)即可切換到高速運(yùn)行。表1還延伸給出了相近壓力下三高的開度與流量對應(yīng)關(guān)系，這個(gè)數(shù)據(jù)可以用于保證切換到高速后流量增大而壓力變化不大。

參照上面分析三低切三高的方法同樣可以得到兩低和兩高之間的切換方案。

4 仿真試驗(yàn)研究

為了更安全的進(jìn)行BFG增壓風(fēng)機(jī)的工作特性及切換方式試驗(yàn)，在試驗(yàn)進(jìn)行之前，通過仿真軟件對增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行包括BFG增壓風(fēng)機(jī)、管道、BFG加熱器、旁通管道在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的建模。

經(jīng)過仿真表明：當(dāng)A、B、C三臺(tái)風(fēng)機(jī)開度依次從低速的85%切換至高速的30%左右（根據(jù)風(fēng)機(jī)全壓不同該開度有所變化），每臺(tái)風(fēng)機(jī)的切換時(shí)間間隔大約為1 s，整個(gè)切換時(shí)間為3 s左右，流量在切換過程中平穩(wěn)增加，沒有出現(xiàn)流量的減少，所以不會(huì)存在BFG放散的問題，能夠節(jié)約能源，且切換過程中壓力基本穩(wěn)定，波動(dòng)在0.5 kPa以內(nèi)，能夠滿足切換要求。

為了驗(yàn)證切換研究與仿真結(jié)果的正確和可操作性，選取三低運(yùn)行工況下的C增壓風(fēng)機(jī)為試驗(yàn)風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)工況為低速切高速。試驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)C增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板開度至55%（低速），按照計(jì)算和仿真結(jié)果，切換為高速后的對應(yīng)開度應(yīng)該是26.5%（試驗(yàn)時(shí)全壓在7.4 kPa左右），待風(fēng)機(jī)出口壓力穩(wěn)定后，將C增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板切換為26%（高速），并保持此開度運(yùn)行30 min。

表2 工況1仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

C增壓風(fēng)機(jī)的進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板開度由低速的55%切換為高速的26%，A、B增壓風(fēng)機(jī)的進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板開度保持44%不變。切換前后BFG流量波動(dòng)在3×103m3/h以內(nèi)，BFG加熱器前后壓力波動(dòng)在0.1 kPa以內(nèi)，滿足BFG增壓風(fēng)機(jī)高低速切換的要求。將仿真結(jié)果中的主要參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表2所示。

表2所示為在三低運(yùn)行時(shí)仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)的主要參數(shù)對比，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，兩者的各參數(shù)相對誤差均小于3%。說明仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)差別較小，證明仿真平臺(tái)與實(shí)際切換結(jié)果吻合較好，表明仿真平臺(tái)可以作為大量切換點(diǎn)選取的前期計(jì)算刪選指導(dǎo)，然后選取典型仿真的工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，可以做到安全性高，目的性明確，并可以減少大量的試驗(yàn)工況，減少試驗(yàn)費(fèi)用，說明仿真計(jì)算對BFG增壓風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場切換有較好指導(dǎo)意義。

利用理論分析、仿真計(jì)算指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際切換后，BFG增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行由原來只能一個(gè)點(diǎn)的切換方式擴(kuò)大為可以在更多工況點(diǎn)下切換，確保了BFG流量的及時(shí)應(yīng)用，減小BFG的放散，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

5 結(jié)束語

(1)目前BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換時(shí)，對進(jìn)口調(diào)節(jié)擋板的開度范圍要求過嚴(yán)，不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和環(huán)保要求；經(jīng)過對實(shí)際切換過程數(shù)據(jù)分析表明，在需要增加流量時(shí)，卻要先降低流量來保證切換過程壓力的平穩(wěn)，且增加流量的響應(yīng)時(shí)間過長，反應(yīng)滯后，切換過程中存在BFG的放散，不利于節(jié)能與環(huán)保。

(2)通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和性能特性曲線對比分析，可以發(fā)現(xiàn)具有相近壓力下高速與低速相對應(yīng)的開度關(guān)系，由此可以得到低速切高速的多種切換方案，并形成表格，只要按照表內(nèi)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，就能使得BFG增壓風(fēng)機(jī)高、低速切換過程中調(diào)節(jié)擋板開度范圍均大于20%，且低速切高速時(shí)最大開度大于75%、風(fēng)機(jī)出口壓力波動(dòng)小于±1.5 kPa且有效減少BFG的放散；

(3)通過理論研究、建模仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，成功對BFG增壓風(fēng)機(jī)高低速切換過程進(jìn)行了優(yōu)化研究，解決了實(shí)際切換過程中切換時(shí)間較長、切換點(diǎn)單一、能源浪費(fèi)等問題，并且保證了壓力波動(dòng)在0.5 kPa以內(nèi)。這種理論與實(shí)際相結(jié)合、以現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型、以模型仿真指導(dǎo)現(xiàn)場操作的方法為以后解決同類問題提供了一定借鑒，為同類問題解決提供了參考。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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