锅炉引风机节能改造说课讲解.docx
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锅炉引风机节能改造说课讲解
锅炉引风机节能改造
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20～25个百分点，节电潜力巨大。
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UG—260/9.8—M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：
表1引风机参数
项目名称
单位
规范
项目名称
单位
规范
型号
Y4-60-11№23.3D
最高效率
%
85.1
风量
M3/h
252922M3/h
风机轴功率
kw
521
风机入口质量流量
kg/h
225606
叶轮直径
mm
2330
风机入口温度
℃
124
电动机型号
鼠笼式异步电动机YKK500-6
风机入口密度
kg/m3
0.892
电动机容量
Kw
630
全压
Pa
5992
电动机电压
V
6000
风机入口温度
℃
124
电动机电流
A
73.1
额定转速
R/min
985
电动机转数
R/min
985
内效率
%
83.5
内功率
kw
504
我公司在安装时就考虑了风机的节能，加装了液力偶合器，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600～700R/min左右，在低负荷下风机转速一般在420～550R/min，液偶一般开度在12～20％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）ηV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＝0.97～0.98，液力偶合器在工作时，其转速比一般在i＝0.4～0.98内，当i＜0.4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=（nB－nT）/nB=△P/PB。
液力偶合器的调速效率ηV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，ηV＝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ηV（亦即转速比i）的下降而增大的，而是在ηV＝i＝0.67时达到最大值，以后ηV（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657R/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ηV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；根据我公司目前情况主要有下面几种方案：
1、取消液力偶合器对电机进行变频改造；
2、液偶调速＋电机改双速;
3、更换低速电机＋液偶调速；
4、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，Q∝n,H∝n2,P∝n3,
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
，此时系统工作点从A移至B，所需功率
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4，此时风机工作在C点，所需功率
从图中可以看出在满足同样的风量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：
。
其中的
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：
其中Pe为有效功率，单位kW；qv为气体流量，单位m3/s；P为风机全压，单位Pa。
离心风机的静压有效功率为
3.2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：
，其中Pp为风机轴功率，Pe为有效功率，单位均kW；
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：
，其中Pg为电动机输入功率，Pe为风机有效功率，单位均kW；
为电动机效率，
为传动效率，
为风机总效率。
对于较大容量的风机，选择原动机（电动机）容量时，一般会取1.05~1.3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
、容积效率
、流动效率
来衡量。
风机总效率为：
。
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
＝0.92～0.98。
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
＝0.90～0.95。
离心风机的流动损失是由于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
＝0.80～0.95。
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：
＝
，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0.70～0.90，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60％～90％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15％～24％。
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，在风机入口导流器调节角度改变时，风机的效率变化显著。
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。
表2两种风机入口导流器调节效率比较
进口离心风机
国产离心风机
调节角度
风机效率
调节角度
风机效率
80º
30%
85º
25%
70º
53%
80º
41%
60º
65%
75º
56%
50º
73%
65º
71%
40º
78%
55º
76%
30º
82%
45º
80%
20º
83%
30º
84%
10º
84%
15º
84%
0º
85%
0º
85%
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:
；
；
。
其中
，
，
分别为转速
时风机的流量、全压和轴功率；
，
，
分别为转速
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
-
、
-
、
-
，可由曲线上任一点，根据
；
；
从而绘出在风机在转速n2时的性能曲线
-
、
-
、
-
。
其中
-
特性曲线上，由
和
可推导出下列关系式：
，那么可知只要是
抛物线上的工况点彼此相似，在不同转速下的
-
特性曲线在同一抛物线上的工况点其各点的效率相等，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”三个工况点的效率均为
。
从图4中可见，
-
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
的关系理论曲线基本接近二次方抛物线曲线，是一条
等效率曲线。
在一般风机运行速度范围内（转速在40％～100％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
转速
100%
91%
81%
71%
61%
51%
41%
效率
84.5%
81%
82%
81%
83%
82%
78%
这部分由于提高效率而节约的功率相对于一般节能分析提出的由于增大风门开度降低压力损失的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+0.008NarNm3/kg
排烟过剩空气系数α取1.3。
理论空气量计算公式：
V0=0.0889（Car+0.375Sar）+0.265Har-0.0333OarNm3/kg
理论燃料消耗量计算公式：
B=[Dgr（igr-igs）+Dpw（i-igs）]/（ηQr）kg/s
Dgr过热蒸汽流量kg/sigr过热蒸汽焓kj/kg
igs给水焓kj/kgDpw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/kgη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
项目
符号
单位
设计值
运行数据
空气干燥基水分
Mad
%
0.74
1.02
收到基全水分
Mar
8
10.6
干燥无灰基挥发分
Vdaf
%
27
33.22
收到基灰分
Aar
%
28
20.7
收到基碳
Car
%
52
45.92
收到基氢
Har
%
3.47
3.35
收到基氧
Oar
%
7.21
3.04
收到基氮
Nar
%
0.81
0.99
收到基硫
St,ar
%
0.8
0.82
低位发热量
Qnet-ar
KJ/kg
20515
22244
饱和水和过热蒸汽焓值
11MPa215℃给水焓kj/kg
9.0MPa540℃过热蒸汽焓kj/kg
10.0MPa540℃过热蒸汽焓kj/kg
10.0MPa汽包压力下饱和水焓kj/kg
11MPa汽包压力下饱和水焓kj/kg
923.6
3485.4
3475.1
1408
1450.6
按照实际运行煤种计算结果
过热蒸汽流量t/h
180.00
200.00
235.00
250.00
260.00
280.00
燃煤量kg/s
6.41
7.12
8.37
8.90
9.22
9.93
燃煤量t/h
23.08
25.64
30.13
32.05
33.20
35.76
烟气量标立Nm3/s
43.67
48.53
57.02
60.66
62.83
67.68
124℃烟气量m3/s
59.18
65.75
77.26
82.19
85.13
91.70
124℃烟气量m3/h
213034.32
236704.80
278128.14
295880.99
306481.36
330111.85
135℃烟气量m3/s
60.82
67.57
79.40
84.47
87.49
94.24
135℃烟气量m3/h
218937.03
243263.37
285834.46
304079.21
314973.29
339258.53
按照设计煤种计算结果
过热蒸汽流量t/h
180.00
200.00
235.00
250.00
260.00
280.00
燃煤量kg/s
6.95
7.72
9.07
9.65
10.00
10.77
燃煤量t/h
25.02
27.80
32.67
34.75
36.00
38.77
烟气量标立Nm3/s
51.34
57.05
67.03
71.31
73.86
79.56
124℃烟气量m3/s
69.57
77.30
90.82
96.62
100.08
107.80
124℃烟气量m3/h
250440.91
278267.68
326964.52
347834.59
360296.27
388076.03
135℃烟气量m3/s
71.49
79.44
93.34
99.30
102.86
110.79
135℃烟气量m3/h
257380.08
285977.86
336023.99
357472.33
370279.30
398828.77
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：
360296m3/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：
180148m3/h（50.04m3/s）。
2）、吸风机铭牌出力：
252922m3/h（70.3m3/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（34.8m3/s）。
4）、锅炉最大运行方式（280t/h）每台吸风机的烟气流量：
194038m3/h（53.9m3/s）。
5）、锅炉目前实际运行方式（235t/h）每台吸风机的烟气流量：
163482m3/h（45.4m3/s）。
6）、锅炉额定运行方式（260t/h）每台吸风机的烟气流量：
180148m3/h（50.04m3/s）。
由上可见，吸风机铭牌出力富裕量较大，比锅炉最大运行方式风量富裕约58884m3/h，比低负荷运行方式风量富裕约127702m3/h，比锅炉目前实际运行方式富裕约89440m3/h，比额定运行方式风量富裕约72774m3/h，流量富裕量为：
23.3—50.5%。
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/m3
2）、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：
360296m3/h，每台风机烟气流量180148m3/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3000Pa。
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：
ΔР=-276.5-（-1372）=1095.5Pa
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：
ΔР=-458.5-（-1358）=899.5Pa
风机全压：
P=（p2+ρ2ν22/2）-（p1+ρ1ν21/2），
=ΔР+（ρ2ν22-ρ1ν21）/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=kqv2k-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：
流量qv
82
80
70
60
50
40
30
20
10
全压P
5474
5211
3990
2931
2036
1303
733
326
81
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。
（p-qv）
5992Pa985r/min
A0
5474PaA
600r/min
2060PaA1
管路阻力曲线
qv
0507082（M3/s）
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-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）
项目
全压/Pa
流量/m3.h-1
内效率/%
内功率/kw
轴功率/kw
电机功率/kw
引风机（180吨）
985
125220
80.0
42.83
44.15
116.5
引风机（200吨）
1216
139134
80.0
58.7
60.6
144
引风机（235吨）
1679
163482
80.0
95.3
98.3
198.5
引风机（260吨）
2039
180148
80.0
127.5
131.5
241
引风机（280吨）
2365
194038
80.0
159.3
164.3
280
表4引风机额定负荷需求运行参数比较（运行煤种）
项目
全压/Pa
流量/m3.h-1
内效率/%
内功率/kw
轴功率/kw
电机功率/kw
引风机（180吨）
713
106517
80.0
26.4
27.2
84.3
引风机（200吨）
880
118352
80.0
36
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