350 MW发电机组高炉煤气增压风机切换方式优化研究

胡 捷,娄婧鑫,廖 立

1 引言

宝钢电厂4号机组为世界首台350 MW燃气混烧发电机组，主燃料为高炉煤气（以下简称BFG），锅炉为塔式直流微正压炉，配备有18只复合式的气体燃烧器和3台BFG增压风机（以下简称BBF），BBF为离心式风机，采用进口调节挡板调节出口压力。与之配套的为双速驱动电机，可以根据BFG燃用量的不同进行高、低速切换运行。

2 现有问题分析

按照原设计，当4号机组BFG用量较低时，BBF低速运行，依靠进口调节挡板调节出口压力，随着BFG用量的不断增加，BBF进口调节挡板的开度也随之增加。当BBF进口调节挡板全开仍无法满足运行要求时，就需要将BBF切换至高速运行。同样的，随着BFG用量的不断减少，高速运行的BBF进口调节挡板的开度也随之减少。在BBF进口调节挡板开度很小时，虽然也能满足运行要求，但此时风机的节流损失很大，风机效率很低，需要将BBF切换至低速运行。

目前，4号机组进行BFG增压风机高、低速切换时，对进口调节挡板的开度范围要求十分严格，当需要将低速运行的风机切换到高速运行时，必须先将低速运行的风机挡板关小到50%左右才能进行，超出要求范围就无法进行切换。而实际上，在需要将BBF由低速切换至高速运行时，往往是由于需要增加BFG的用量，而按照目前的切换方式，需要先将BFG用量降低，以满足切换的条件，才能够将BBF由低速切换至高速运行，这个过程必然造成大量BFG放散，不仅浪费了能源，而且污染了环境[1]。

为此有必要对离心式风机进行节能改造，其中普遍采用的改造方式就是变频改造。变频改造就是通过加装一套变频装置，通过改变风机的转速来达到改变其出口压力的目的。但是，变频改造的成本较高，而且其故障率也比较高[2]。宝钢电厂4号炉BFG增压风机引进日立动力欧洲公司（HPE）的技术，采用双速电机，在满足节能的同时，还具有较高的稳定性。但是，双速电机在国内的使用并不普及，对于其运行特性并不是十分清楚，没有现成经验可以借鉴。因此，研究双速电机的运行方式，特别是高、低速切换的方式，对进一步提升技术优势和企业的节能降耗是至关重要的。

本文通过对4号机组BFG增压风机高、低速切换方式优化研究，掌握增压风机、风门开度和管路系统的性能和动态特性，增加BBF切换的范围和灵活性，有效利用现有设备的性能，达到减少BFG放散和节能的目的[3]。

3 优化切换方案

为了满足BFG增压风机高、低速切换过程调节挡板开度范围均大于20%，且低速切高速时最大开度大于75%，BFG增压风机高、低速切换运行时风机出口压力波动小于1.5 kPa[4]的要求，就必须对现有的切换方式进行分析研究。首先根据实际运行数据，对BFG增压风机高、低速切换的实际过程进行解剖，然后采用试验数据分析与理论分析交替的方法[5]，以掌握优化切换的关键因素点。

为了优化切换方式，深入了解原切换方式是关键所在。现以宝钢电厂2012-6-5的三低切三高的试验为例，分析原切换方式的具体过程。图1为三低切三高运行过程中A、B、C三台BFG增压风机的开度、BFG进气流量、压力等参数随时间的变化曲线。

图1 三低切三高参数变化

由图1可以看出：当三台风机低速运行时，为了使流量从650 km3/h继续升高，需要将风机从低速切至高速，整个切换过程大约持续30 min；每台风机的切换均按照从低速的85%先降到50%（如图中增压风机B的a点）后再切换到高速并继续降到20%（如图中增压风机B的b点）、然后按照增加开度的原则在保证压力基本稳定的条件下增加高速运行风机的挡板开度（其它两台同样操作）；在切换过程中流量先是略有降低（约降低20 km3/h），等三台风机均切换为高速后流量才有了阶跃式增大（从650 km3/h升高到700 km3/h），调节切换增加流量的响应时间很长，反应滞后。整个切换过程虽然保持了压力的稳定，但是在切换过程中流量先有降低且反应滞后,导致BFG少量放散。为了尽可能的做到既平稳切换，又能在切换过程中流量尽量不要下降，或略有继续上升，寻找更多的切换点是必要的。

为了获得优化的切换方式，特分析BFG增压风机各工况下的性能曲线[6]如图2所示为三低和三高运行时的风机性能曲线。图中的实线圈内表示风机三高和三低的公共运行区域，在这些区域内，可以找到相同压力和相同流量的低速和高速运行工况点。如图中的实线交点处，可以认为是风机三低、压力在8.25 kPa、开度为85%的运行工况点，此时风机流量为650 km3/h；同时该工况点也是三台风机高速运行、开度为31%的运行工况点；这样就可以直接在三低运行时的85%切换到高速运行后将开度调整到31%即可。在了解了各种运行状态工况点在性能曲线中的位置后，就能利用性能曲线给出更多的切换方式。

图2的性能曲线的水平线表示等压力线，在每条等压线上的三高和三低的性能曲线的交点处既可作为高低速的切换点，将每个交点量化即可得到表1所示的在相近压力时三低开度与对应的三高开度以及流量的关系。

图2 三低切三高性能曲线图

由表1可以看出，对应于不同的增压风机全压力，三低和三高具有相对应的开度关系，在切换时，只要对应关系相当，压力就能基本保持不变。例如某次三低切三高过程，当压力在8 kPa左右时，则85%开度三低运行所对应的三高运行开度大约为33%左右。

表1 不同增压风机全压力下三低和三高对应的开度关系和流量

由表1相近压力下的开度及流量关系可以看出，当三低开度大于70%时，流量随着开度增大而增加的变化率已经很小，说明此时风机开度对流量的影响已经很小，但是此时风机电机的功率随着开度的增加还是增加的，因此考虑到风机运行时的节能，当三低运行时风机开度需要大于75%时即可切换到高速运行。表1还延伸给出了相近压力下三高的开度与流量对应关系，这个数据可以用于保证切换到高速后流量增大而压力变化不大。

参照上面分析三低切三高的方法同样可以得到两低和两高之间的切换方案。

4 仿真试验研究

为了更安全的进行BFG增压风机的工作特性及切换方式试验，在试验进行之前，通过仿真软件对增压风机系统进行包括BFG增压风机、管道、BFG加热器、旁通管道在内的整个系统的建模。

经过仿真表明：当A、B、C三台风机开度依次从低速的85%切换至高速的30%左右（根据风机全压不同该开度有所变化），每台风机的切换时间间隔大约为1 s，整个切换时间为3 s左右，流量在切换过程中平稳增加，没有出现流量的减少，所以不会存在BFG放散的问题，能够节约能源，且切换过程中压力基本稳定，波动在0.5 kPa以内，能够满足切换要求。

为了验证切换研究与仿真结果的正确和可操作性，选取三低运行工况下的C增压风机为试验风机，试验工况为低速切高速。试验过程中调节C增压风机进口调节挡板开度至55%（低速），按照计算和仿真结果，切换为高速后的对应开度应该是26.5%（试验时全压在7.4 kPa左右），待风机出口压力稳定后，将C增压风机进口调节挡板切换为26%（高速），并保持此开度运行30 min。

表2 工况1仿真结果与试验数据对比

C增压风机的进口调节挡板开度由低速的55%切换为高速的26%，A、B增压风机的进口调节挡板开度保持44%不变。切换前后BFG流量波动在3×103m3/h以内，BFG加热器前后压力波动在0.1 kPa以内，满足BFG增压风机高低速切换的要求。将仿真结果中的主要参数与试验数据进行对比，如表2所示。

表2所示为在三低运行时仿真与现场试验的主要参数对比，经数据分析，两者的各参数相对误差均小于3%。说明仿真结果与试验数据差别较小，证明仿真平台与实际切换结果吻合较好，表明仿真平台可以作为大量切换点选取的前期计算删选指导，然后选取典型仿真的工况点进行试验，可以做到安全性高，目的性明确，并可以减少大量的试验工况，减少试验费用，说明仿真计算对BFG增压风机的现场切换有较好指导意义。

利用理论分析、仿真计算指导现场实际切换后，BFG增压风机的运行由原来只能一个点的切换方式扩大为可以在更多工况点下切换，确保了BFG流量的及时应用，减小BFG的放散，达到了节能减排的效果。

5 结束语

(1)目前BFG增压风机高、低速切换时，对进口调节挡板的开度范围要求过严，不利于经济运行和环保要求；经过对实际切换过程数据分析表明，在需要增加流量时，却要先降低流量来保证切换过程压力的平稳，且增加流量的响应时间过长，反应滞后，切换过程中存在BFG的放散，不利于节能与环保。

(2)通过对试验数据和性能特性曲线对比分析，可以发现具有相近压力下高速与低速相对应的开度关系，由此可以得到低速切高速的多种切换方案，并形成表格，只要按照表内的对应关系进行调整，就能使得BFG增压风机高、低速切换过程中调节挡板开度范围均大于20%，且低速切高速时最大开度大于75%、风机出口压力波动小于±1.5 kPa且有效减少BFG的放散；

(3)通过理论研究、建模仿真、试验验证的方法，成功对BFG增压风机高低速切换过程进行了优化研究，解决了实际切换过程中切换时间较长、切换点单一、能源浪费等问题，并且保证了压力波动在0.5 kPa以内。这种理论与实际相结合、以现场试验验证仿真模型、以模型仿真指导现场操作的方法为以后解决同类问题提供了一定借鉴，为同类问题解决提供了参考。

[参 考 文 献]

[1]裘浔隽,杨瑜文.火电厂运行优化技术研究的发展趋势[J].华东电力,2009,37(6)

[2]程启明,程尹曼,汪明媚,王映斐,胡晓青.风力发电机组并网技术研究综述[J].华东电力,2011,39(2)

[3]薛荣贵,高洁,翟海青.以市场机制实现节能减排[J].华东电力,2008,36(9)

[4]钱 名,杨晓伟.BFG增压风机高低速切换程序分析与改进[J].宝钢技术,2010(6)

[5]杨婷婷,曾德良,刘继伟,刘吉臻.大型火力发电机组节能优化研究与展望[J].华东电力,2010,38(6)

[6]何川,郭立君.泵与风机[M].中国电力出版社,2008