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开发新的电站风机应对节能减排新要求

刘家钰/西安热工研究院有限公司    

摘要:分析了火电厂大气污染物排放新标准引发电站风机的运行参数和能耗的变化,并提出了一些电站风机开发需应对的策略和课题,可供风机行业参考。
关键词:电站风机;节能;减排
中图分类号:TH432.1 文献标志码:A
Development of New Power Station Fans to Meet the New Requirements of Energy saving and Emission Reduction
Abstract: The changes of operation parameters and energy consumption of the power station fans caused by the new emission standard of air pollutants for thermal power station have been analyzed in the paper. Then some strategies and subjects about the development of power station fans are proposed by the author and may be used for fan industry reference.
Key words: power station fans; energy saving; emission reduction
0 引言
  我国“富煤、缺油、乏气”的资源条件决定了我国以煤电为主的电能生产格局难以发生重大变化。截至2010年底,全国发电设备装机容量9.664 1亿kW,其中火电7.096 7亿kW,占总容量的73.43%。但是,由于我国煤电机组供电煤耗已接近或达到国际先进水平,节能空间已很小。据相关调查分析,我国现有300MW及以上火力发电机组厂用电率的下降空间只有约0.26%,发电煤耗可降空间约3.55g/kW·h,约合供电煤耗下降4.6g/kW·h。
  目前我国电站锅炉的送风机、引风机、一次风机和增压风机的总耗电率(风机耗电占发电量的百分数)达2%左右(2010年,全国发电厂用电率5.43%),占发电厂用电率的30%以上。经过近年来我国电力行业积极开展的节能降耗工作,按目前电站风机的技术水平,能耗下降的空间已很小,其下降难度更大。然而为实现国家提出的减排目标,对火电厂污染排放物提出了极为严格的限制,使电站风机的能耗还将继续增大。因此,如何适应环保要求并尽可能降低电站风机的能耗,是摆在电力行业和风机行业面前的一个重要课题。
1 火电厂大气污染物排放新、旧标准比较
  2011年1月1日起执行新的国家标准GB 13223-2011火电厂大气污染排放标准(以下简称新排放标准,又称11年标准),该标准与GB 13223-2003火电厂大气污染排放标准(以下简称旧排放标准,又称03年标准)相比,不仅在粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度的限制方面有了大幅度的提高,而且新增了汞及其化合物的排放限制和烟囱排出口黑度的要求(见表1)。

注:1)位于广西、重庆、四川、贵州等省、市、自治区的火力发电锅炉执行该限制;
  2)采用W型火焰炉膛、现有循环流化床的火力发电锅炉,以及2003年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉执行该限制。

新标准开始执行时间为:
  1) 自2014年7月1日起,现有火力发电锅炉执行表1规定的11年标准中粉尘、二氧化硫、氮氧化物和烟气黑度排放限制。
  2) 自2012年1月1日起,新建火力发电锅炉执行表1规定的11年标准中粉尘、二氧化硫、氮氧化物和烟气黑度排放限制。
  自2015年1月1日起,燃烧锅炉执行表1规定的汞及其化合物污染排放限制。
2 新排放标准给电站锅炉设备及其烟、风系统带来的具体变化
  新排放标准的实施,使绝大多数原火电厂采用的除尘和脱硫设备已不能满足要求,需要改造升级。为满足氮氧化物排放要求,要新增高效脱硝设备。加上我国电煤供应存在严重问题(煤源不稳定,价格逐年飙升),电煤质量越来越差,燃煤中灰份、含硫量均远超设计煤质,使处理前的烟气含灰量和SO2含量远超除尘器、脱疏设备的设计值,更为处理设备的技术和容量提出了更高要求。由于新的能耗更低的污染控制设备尚未研究出来,电厂只能在现有成熟的技术设备上进行增容改造。带来的结果是直接较大幅度的提高了锅炉风、烟系统的阻力,因而需对相应风机(主要是引风机、增压风机)进行提高压升的改造,并带来厂用电的增加和经济性下降(脱硫电价不足、脱硝电价尚未出台)。
2.1 除尘器改造阻力增加
  现广泛使用的电气除尘器,基本上已很难达到30mg/m3的排放要求,其它高效除尘技术尚未成熟,故当前大多采用电袋复合除尘器或布袋除尘器来满足粉尘排放的新要求。采用这两种除尘器后,烟气系统阻力将比原电气除尘器的阻力分别增加1 200Pa和1 500Pa。
2.2 脱硫系统改造阻力增加
  为达到新的SO2排放限制要求,需对目前广泛采用的石灰石-石膏湿法脱硫系统进行改造,增加喷淋层甚至增加托盘。增加一层喷淋层,其系统阻力将增加200Pa左右;增加一层托盘,其系统阻力将增加600~650Pa。
2.3 增设脱硝装置,烟气系统阻力增加
  对近年投产的极少数带有SCR(选择性催化还原) 烟气脱硝设备的新大机组,需增投催化剂层(一层催化剂的阻力约200Pa),大量(约84%)现已投运的发电机组需增设脱硝系统。目前基本上是增设SCR 脱硝系统,其阻力约1 200Pa,即锅炉烟气系统(引风机前) 的阻力又将增加 1 200Pa。早期投运的锅炉还需改用低NOX燃烧系统(LNB) ,有可能增加风系统阻力,从而增加送风机及一次风机耗电。
2.4 能耗增加安全稳定性下降
  由于烟气系统阻力的增加,引风机和增压风机电耗将增加,初步估算,锅炉烟气系统阻力增加1 200Pa,引风机耗电率将增加0.2个百分点左右。
  为降低风机耗电,需尽可能提高风机实际运行效率,特别是提高低负荷下的风机运行效率。为此,除尽可能选用效率高的风机型式外,近年来采取降低风机裕量,大量采用变速调节(包括电机变极数调节、变频调速和汽轮机拖动) 是其方向之一。但由此也带来了新的问题,如易发生失速,变转速调节风机共振断叶片、扭振断轴等时有发生。
3 电站风机行业对策探讨
3.1 研究开发压力系数更高的轴流式风机
  从上节分析可知,为满足环保升级要求,对电站引风机和增压风机来说,只需提高风机的压力,而流量基本不变。即需比转速更低或压力系数更高的风机,以适应现有风机的局部改造。
  另外,电厂目前600MW及以下容量的火力发电机组,基本上是一台锅炉配一台脱硫增压风机和两台引风机。由于环保要求提升,新建机组不允许设脱硫系统的旁路烟道,原有的脱硫系统旁路烟道也需封闭。这样,如果增压风机出现故障需停运检修,整个发电机组将被迫停运。为提高发电机组运行的安全可靠性和经济性,近年来取消增压风机而用引风机直接克服脱硫系统阻力的设计(习惯称为二合一引风机)受到电厂亲睐。因为使用“二合一”机组,如一台引风机故障停运,机组还可带60%左右负荷运行,不至停运整个发电机组,提高了机组运行安全性、也减少了发电量损失;“二合一”后少了一台增压风机,可以降低电厂的设备维护工作量,同时大型转动设备数目的减少,故障点减少,势必会提升机组运行的安全可靠性;“二合一”取消增压风机后,可简化引风机出口到脱硫系统进口的烟道布置,降低烟道阻力,从而获得节能效果;另外由于选型设计原因,引、增压风机往往存在与系统不匹配问题,“二合一”改造时可根据试验数据选取与系统匹配的高效引风机,提高风机的实际运行效率。因而风机运行经济性得到提高。
  “二合一”后的引风机压力需提升到8kPa以上,现在各电站风机厂家主要采用双级动叶调节轴流风机来满足此需求。如能采用单级叶轮将更受欢迎,这就需要开发压力系数更高比转速更低的单级轴流风机。
3.2 研究多种改变现有风机性能的技术措施和方法
  1) 研究对现有风机进行局部改造就能满足压力提升要求的改造技术
  从前面分析知,由于环保要求的提升,对电站风机而言,主要需增加风机的压力。但由于存在选型设计参数往往偏大的问题,绝大多数在运风机均有或多或少的压力裕量。有的机组在增设脱硝系统或除尘器改造时,发现原风机压力相差不大,甚至原风机就能满足正常运行要求,只是无裕量或裕量偏小。为此,除重新进行选型设计,更换成新型风机的措施外,仅对风机进行局部改造就能满足压力提升要求,这是电厂最需要和最欢迎的。例如:不改变风机直径只更换叶片即可满足风机压力提升1 200Pa的新风机;提高转速加风机叶轮改造满足风机压力提升要求的新风机(对于轴流式风机来说,不改变风机直径,提高一级风机转速,往往造成压力过高,失速安全裕度降低的结果,若能在提高风机一级转速的同时,通过更换风机叶轮叶片的办法来达到要求,则不失为一个好措施);
  对于动叶调节轴流式风机,采用减少一半叶片数也是一种好办法。西安热工研究院有限公司与上海鼓风机有限公司合作,曾为某电厂600MW机组的脱硫增压风机进行过这种改造,取得非常好的效果。但需风机生产厂家通过试验得到半叶片数(含不同使用叶型)的风机性能曲线,才可应用。
  对于双级动叶调节轴流式风机,可否采用两级压升不相同的叶轮(如叶型的变化、叶片数量的变化、叶片角度调节范围即安装角的变化等),以便采取只改一级叶轮的办法来满足压升要求。
  总之,研究更加简便及多种通过局部改造改变现有风机性能的技术措施和方法是电站风机行业应研究的问题。
2) 研究加密风机系列产品的可行措施和设计方法
  正如前述,目前电站风机节能的空间已很小,因而节能改造的难度高。以往通过改造,将风机实际运行效率提高10个甚至20个百分点以上的风机不少,而现在电厂可接受提高5个百分点,厂用电率可降低0.03个百分点以上的小风机改造方案,这就要求进行精细化设计。现有风机型谱已不能满足此要求,往往有了设计参数选不上理想的节能风机型号。从节约点滴能量观点出发,要求风机型号的系列越密越好,但实际生产做不到,模具、胎具太多,生产成本高,节能的经济代价太高。因而研究在不改变模具、胎具条件下改变风机性能,但效率基本不变的风机变形设计是电站风机行业应探索的问题。例如:通过改变轴流风机叶片高度(切叶顶、或切叶根)而改变轮毂比的新风机。
3.3 研究适应变转速调节特别是变频调节的风机
  近年来,为提高电站风机运行的经济性,较广泛地采用了变转速调节。尤其是随着高压变频器技术的不断进步和完善,其可靠性已显著提高,且价格也有较大幅度降低。因此,采用或改用变频调速的电站风机越来越多,取得了显著的节电效果。但随之出现了一些较严重的运行安全问题,如低转速下发生失速、断叶片及断轴等。某电厂静叶调节轴流式风机改变频调节后,由于转子叶片产生裂纹,每运行2个多月就需更换叶轮。
  变转速调节引起风道振动和叶轮失效,是因为在某些运行转速下发生了共振。有的电厂采取了加拉筋的办法,但降低了运行效率。变频调速风机出现断轴的原因是发生了轴系扭振。
  目前风机制造厂未提供所生产风机的共振频率,电厂在运行中如何发现共振频率成为难题。因此,研究适应变转速调节特别是变频调节的风机十分必要。
3.4 提高电站风机的设计和制造质量
  电站风机运行的可靠性直接关系到火电厂运行的安全可靠和经济性,目前我国电站风机运行的故障率还不能令人满意,时有故障发生,异常振动发生的机率高;调节机构问题较多;风机性能达不到设计要求(有的风机实际运行效率比性能曲线效率低10个百分点以上,调节叶片开度相差10°以上),因失速区域扩大而在运行中时有失速“抢风”现象发生。这些都与设计不够完善、制造工艺水平控制不严有关。
  进一步提高我国电站风机的设计和制造质量,是我国风机行业的永恒课题。希望风机制造企业能认真对待,切实提高产品质量。
3.5 加大科研投入,开发出有自主知识产权的电站风机
  目前我国在运和制造的大型电站风机几乎均由国外生产或买进生产许可证来生产的风机,这与我国火力发电技术和装机容量处于世界前列且还在高速发展很不相称,也与我国风机行业的研发能力很不相称。我国风机制造厂家众多,从事风机理论研究、试验和产品开发的大专院校和研究院所不少,理论水平不低,并且有组织产、学、研相结合来开发风机产品的经验。由风机行业组织,各生产厂家加大科研投入,研制出适应我国火力发电发展需要的、具有自主知识产权的、技术领先的大型电站风机系列产品是当前摆在我国风机行业的一个重要课题,也是我国电力行业的迫切需要。
4 结论
  根据上述分析可知,由于新排放标准的实施对排放要求更加严格,使电站风机运行的压力提升很多,效率也要提高,还要提高运行的安全可靠性,急需开发具有独立自主知识产权,满足这种新要求的电站风机,这是我国风机行业和电力行业的迫切需要,也是我们应该共同努力完成的一项光荣任务。
                   参 考 文 献
[1] GB 13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].
[2] 西安热工研究院编著.发电技术节能降耗技术.中国电力出版社,2010.
[3] 郭平英,梁军林,刘宝林,等.大型电站锅炉风机故障分析及对策.风机技术[J],2010(6):69-72.