1前言
在國家煤矸石資源綜合利用鼓勵政策的推動下，近年來300MW CFB機組的建設速度之快、建設規模之大都前所未有；但無論是《火力發電廠設計技術規程》(DL 5000-2000)還是《中國電力工程顧問集團公司300MW CFB機組設計技術研討會會議紀要》都沒有對300MW CFB機組的引風機選型給出指導性的建議，設計選型時只能參考《大火規》中煤粉爐的引風機選型原則。實際上由于CFB機組爐本體的煙氣側阻力較煤粉爐高得多，CFB機組引風機的壓頭已遠遠高于煤粉爐；選型參數的差異使引風機的型式選擇多樣化。
2工程概述
內蒙古準能矸電二期工程建設兩臺330MW CFB直接空冷機組。燃用黑岱溝露天礦的洗中煤和煤矸石，煤種具有典型的準格爾煤特點；根據煤質特點，選用布袋除塵器；采用CFB鍋爐爐內脫硫方式。
2.1煤質分析
鍋爐燃用黑岱溝露天礦的洗中煤和煤矸石，洗中煤和煤矸石比例為6：4，由神華準格爾能源有限責任公司供給；設計和校核煤種的煤質分析見表2.1.1，灰成分分析見表2.1.2。
表2.1.1煤質分析表
項 目 符號 單位 設計煤種 校核煤種1 校核煤種2，
收到基碳 C %32.54 35.52 32.08
收到基氫 H % 2.28 2.55 2.35
收到基氧 O %10.80 10.22 10.51
收到基氮 N % 0.87 0.62 0.60
收到基全硫 S %0.79 0.84 0.72
收到基灰分 A % 45.91 43.82 46.95
收到墨水分 Mt % 6.81 6.43 6.79
空氣干燥基水分 Mad %4.56 4,34 4.91
干燥無灰基揮發分 Vdaf % 44.09 43,33 43.29
收到基低位熱值 Qnet.ar kj/kg 12200 13600 12100
表2.1.2灰成分分析表
項 目 符號 單位 設計煤種 校核煤種1 校核煤種2
二氧化硅 Si02 % 44.77 44.18 44.35
三氧化二鋁 Al203 % 49.90 49.64 50.38
三氧化二鐵 Fe103 % 2.60 2.65 2,30
氧化鈣 Ca0 % 0.42 0.41 0.45
氧化鎂 Mg0 % 0.15 0.14 0.15
氧化鉀 Kz0 % 0.51 0,39 0.48
氧化鈉 Na20 % 0.19 0.15 0.18
三氧化硫 S03 % 0.35 0.35 0.35
二氧化鈦 Ti02 % 1.23 1.34 1.25
2.2鍋爐主要技術規范
鍋爐制造商 某股份有限公司
過熱蒸汽流量 1177 t/h
過熱蒸汽出口壓力 17.4 MPa.g
過熱蒸汽出口溫度 540℃
再熱蒸汽出口溫度 540℃
爐內脫硫效率 95%
空預器出口含塵濃度 43.158 g/Nm3
空預器出口S02濃度 164.3 mg/Nm3
2.3除塵器選型
根據《大氣污染物排放標準》(GB13223-2003)，以煤矸石等為主要原料(入爐燃料收到基低位發熱量小于等于12550kj/kg)的資源綜合利用火力發電鍋爐煙塵最高允許排放濃度為200mg/Nm
3、二氧化硫最高允許排放濃度為800 mg/Nm
3。
準能矸電二期工程屬于GB13223-2003標準界定的資源綜合利用火電鍋爐，除塵效率達到99.5%、脫硫效率達到75.7%就可以滿足排放濃度的要求。2.2節的數據表明，該工程采用CFB鍋爐爐內脫硫完全可以達到二氧化硫最高允許排放濃度，通常靜電除塵器達到99.5%的除塵效率是沒有問題的。但該工程煤種具有典型的準格爾煤特點，二氧化硅和三氧化二鋁的含量極高，兩者之和為94.67%:氧化鈉和氧化鉀的含量又很低：煤灰特性非常特殊。S102和Al203屬空隙率較大的物履，在靜電除塵器內部容易產生二次飛揚；Al203含量高的煤灰粉塵極細，比重輕，還具有一定的粘性，振打清灰困難，對靜電除塵器振打后控制二次飛揚十分不利：K20、Na20的含量低，粉塵荷電性和導電性差，對靜電除塵器的收塵效果影響很大。通俗的講，該工程的灰接近于絕緣體，不適于采用靜電除塵方式進行除塵；因此該工程選用布袋除塵器。
3引風機選型
3.1 引風機選型參數
引風機需克服的阻力由三部分組成，爐本體阻力(4740Pa)、布袋除塵器阻力(1300Pa)、煙道阻力(700Pa)，合計6740Pa。表3.1.1為選型參數表。
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序號 |
名稱 |
單位 |
T．B |
BMCR |
備注 |
|
1 |
引風機容積容量 |
m3/h |
1154000 |
1023870 |
裕量系數1.1，另加140℃溫度裕量 |
|
2 |
風機全壓升 |
Pa |
8088 |
6740 |
裕量系數1.2 |
3.2引風機型式
《火力發電廠設計技術規程》(DL 5000-2000)（以下簡稱《大火規》）對煤粉鍋爐的引風機選型給出要求：“大容量鍋爐的吸風機宜選用靜葉可調軸流式風機或高效離心式風機。當風機進口煙氣含塵量能滿足風機要求，且技術經濟比較合理時，可采用動葉可調軸流式風機。”
鍋爐選用CFB爐型后，引風機的型式受鍋爐型式、除塵器型式、引風機入口煙氣含塵量等因素的影響不能完全遵循大火規的要求進行選型。
300MW煤粉爐通常選用靜葉可調軸流風機，采用濕法脫硫、引風機和升壓風機合并設置的機組大多配置動葉可調軸流風機。根據調研，國內近年建設的300MW CFB機組大多配置靜葉可調軸流風機，少部分配置液力偶合器調速的高效離心風機。而準能矸電二期工程引風機的選型參數更接近于采用濕法脫硫、引風機和升壓風機合并設置的煤粉爐的引風機參數。
3,2.1 動、靜葉可調軸流式風機
靜葉可調式軸流式風機在運行中通過調節進口導葉的安裝角達到政變風壓、風量的目的；在0，-300調節時為負預旋，可增加風機流量、壓力；在O～-70°調節時為正預旋，人為消耗部分風機有用功，減小風機流量、壓力。
動葉可調軸流式風機在運行中依靠液壓調節機構調節動葉片的安裝角，從而改變風機的風壓、風量。負荷變化時通過動葉片安裝角的變化改變風葉的做功能力，形成一族風葉角度運行曲線，其工況范圍不是一條曲線，而是一個面。所以流量變化范圍大及高效率運行區寬廣：不產生額外的人為有用功損耗。
風機的結構特點決定了它的運行效率和節能效果，表3.2.1為該工程兩種風機在不同鍋爐負荷下的運行效率對比表。
|
項目 |
單位 |
工況1 |
工況2 |
工況3 |
工況4 |
工況5 |
工況6 |
|
鍋爐負荷 |
% |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
|
靜調運行效率 |
% |
85 |
85.7 |
83.8 |
79.6 |
72.4 |
60.3 |
|
動調運行效率 |
% |
86.7 |
86.3 |
84.6 |
83.1 |
79.2 |
70 |
從表中數據可以看出動調和靜調在高負荷下運行效率非常接近，隨著負荷降低運行效率的差距越來越大。
3.2.2調速離心風機
無級變轉速調節在我國電廠中成功應用的主要有：調速型液力耦合器和變頻器。高效離心風機雖然有低負荷時效率降低很快的缺點，但如果安裝無級變轉速調節裝置，其變工況時的運行效率就會顯著提高。液力偶合器的調速性能雖然不如變頻器，但它卻在初投資方面具有較大優勢。根據市場調研，國產液偶的每KW造價只有120～130元，而高壓變頻器的每kW造價卻高達1000元。近年來300MW CFB機組引風機采用高效離心風機配液力偶合器的比例占到近40%，幾乎可以和靜調平分秋色；高效離心風機配變頻器的選擇也處于技術經濟比較階段。
3.2.3節能和綜合經濟比較
根據該工程的實際情況對靜葉可調軸流風機、動葉可調軸流風機、配偶合器離心風機、配變頻器離心風機四種風機型是進行節能和綜合經濟比較，見表3.2.3.1、3.2.3.2、3.2.3.3。
表3.2,3.1節能和綜合經濟比較原始數據表
縞號 項目 單位 數據
l 單臺設備額定流量m3/h 1023870
2 傳動效率 % 99
3 電機效率 % 95
4 設備年利用小時數 小時 5500
5 國產偶合器價格 萬元 35
6 變頻器價格 萬元 280
7 動調與定速離心風機的差價 萬元 120
8 靜調與定速離心風機的差價 萬元 60
9 還貸年數 年 15
10 年利率 % 8.06
11 電價 元 0.20
表3.2.3.2節能和綜合經濟比較表
項目項目 單位 負荷率
100% 75% 50%
機組發電功率 MW 300 225 150
流量m3/h 2047740 1535805 1023870
比容 m3/kg 1 1 1
運行臺數 臺 2 2 1
平均運行時間 h 2500 2000 3000
定速離心風機運行時壓頭 Pa 8800 10410 8800
謾備效率 %0.84 0.84 0.84
電動機耗電功率kw 3168 281 1 3168
配偶合器離心風機運行時壓頭 Pa 6740 4550 2020
設備效率 %0.85 0.85 0.85
偶合器效率 %0.95 0,713 0.95
電動機耗電功率kw 2524 1703 756
比定速離心風機節省電功率kw 644 1 108 2412
配變頻器離心風機運行時壓頭 Pa 6740 4550 2020
設備效率 %0.85 0.85 0.85
變頻器效率 %0.97 0.948 0.97
電動機耗電功率kw 2472 1281 741
比定速離心風機節省電功率kw 696 1530 2427
靜葉可調軸流風機運行時壓頭 Pa 6740 4550 2020
設備效率 %0.85 0.817 0.85
電動機耗電功率kw 2398 1263 719
比定速離心風機節省電功率kw 770 1548 2449
動葉可調軸流風機運行時壓頭 Pa 6740 4550 2020
設備效率 %0.867 0.8385 0.867
電動機耗電功率kw 2351 1231 705
比定速離心風機節省電功率kw 817 1580 2463
配偶合器離心風機節省電量kw-h 3219728 “31894 7234624
配變頻器離心風機節省電量kw-h 3479941 6120263 7281417
靜調節省電量kw-h 3850745 6190487 7348095
表3.2.3.3節能和綜合經濟比較結論表
年節省電量 折合電費 每年還貸額 差額
(kw-h) （萬元） （萬元） （萬元）
配偶合器離心風機 14886247 310 -4.104 305.530
配變頻器離心風機 16881621 351 -32.832 318.305
靜調 17389327 362 ·7.035 354.663
動調 17796232 370 一14.071 356.091
說明：三種風機的“節省電量”都是相對于定速離心風機而言。
從比較結論可以看出，動調昀節電效果最好，其次是靜調、變頻離心風機，偶合離心風機的節電效果最差�？紤]到四種型式風機在初投資方面的差異，進行了年還貸額的比較，偶合離心風機的年還貸額最少，其次是靜調、動調，變頻離心風機的年還貸額最多。綜合考慮節電和初投資兩方面因素，節能效果的趨勢最終決定了綜合經濟比較的趨勢；動調最優，靜調略遜于之，其次是變頻離心風機，最后是偶合離心風機。
煤作為不可再生的一次能源，煤價上漲的趨勢已不可逆轉；火力發電的成本電價將隨著煤價水漲船高。根據測算，成本電價低于0.172元時，靜調是該工程綜合經濟比較的最優者；成本電價高于0.172元，動調就成為最優者。也就是說隨著成本電價的不斷攀升，初投資的差異變得越來越微不足道，誰具有最佳的節能效果誰就將在綜合經濟比較中勝出。
3.2.4動、靜葉可調軸流風機的技術特點
風機的壓頭與轉速的2次方成正比，靜調風機由于無法設置成兩級，因此只有通過提高轉速來克服系統阻力。風機壓頭高于7000Pa時，風機的轉速已經很高，風葉的線速度也很高；風機壓頭如果超過8000Pa，風葉的線速度無法控制在臨界速度140m/s以下，風機的強度設計、氣動性能和噪聲均難以滿足要求。實際上在準能矸電二期工程進行引風機選型時，多個風機廠都提出無法為該工程選到合適的靜葉可調軸流風機。
動調風葉的臨界線速度為165m/s，也就是說在風機直徑相同的條件下，動調可以滿足更高的風機壓頭；而且動調可以設置成雙級，因此它可以滿足比靜調高得多的壓頭。
為保證風機的強度設計、氣動性能和噪聲均滿足設計要求，動葉可調風機線速度一般應控制在165m/s以下。采用布袋除塵器的300MW CFB機組的引風機設計壓頭較高，轉子輪轂較大，為了將風機葉頂的圓周速度控制在合理的范圍之內，需選用雙級動葉可調軸流風機。
雙級動葉可調軸流風機主要是鄉了一個葉輪，兩級葉輪通過推桿和推盤進行串連，推桿安裝在主軸承箱空心軸內，并在安裝和檢修時進行調整，由于前后兩級葉輪串連而成，因此風機前后兩級葉輪調節的同步性和可靠性不成問題，單從葉輪的加工難度來講，雙級和單級是沒有區別的，而從軸承箱軸承受力情況來看，由于單級風機葉輪為懸臂結構，靠葉輪端受力較大，而雙級風機由于葉輪掛在軸承箱前后兩端，受力比較均勻，軸承受力狀況反而較好，因此從可靠性來講，雙級動葉可調風機不比單級動葉可調風機差。
對于動調風機與靜調風機的耐磨性問題，我們認為靜調風機由于葉項速度較低，因此在不采取任何防磨措施的情況下，靜調風機具有一定的優勢：但由于動葉可調風機葉片可以拆下單獨噴涂多次，而靜調風機由于葉片焊接在輪轂上只能在進、出口邊上噴涂少量耐磨層，否則會影響葉片的型線；因此從總體上來講，動葉可調風機耐磨損性能至少不低于靜葉可調風機。對于采用布袋除塵器的300MW CFB機組，引風機入口的煙氣含塵濃度<50mg/Nm3;耐磨性問題不應該成為影響引風機選型的決定性因素。
一直以來，行業內認為靜葉可調軸流風機結構簡單、維護方便，相對而言動調的檢修維護尤其是大修全解體存在技術上的困難，隨著動調在大容量機組的普及和近幾年火電廠尤其是新建電廠運行維護人員專業技術水平的提高，動調的日常維護和大修全解體已經不再是難題；在結構熟悉的前提下，l～2周完全可以實現風機全解體的大修工作。
3.2.5選型結論
300MW CFB鍋爐可以分為引進型（AISTOM）和自主開發型兩種，爐本體煙氣側阻力見表3.2.5；從表3.2.5數據可以看出，除上鍋的阻力值略高外，其它都非常接近。
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項目 |
單位 |
ALSTOM |
自主開發型 |
|
哈鍋 |
東鍋 |
上鍋 |
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爐本體煙氣側阻力值 |
Pa |
4600 |
4500 |
1622～4740 |
4907.6 |
目前國內300MW布袋除塵器的阻力值通常在1200～1300Pa之間，靜電除塵器的阻力值<300Pa。
國內電力設計院對于鍋爐空氣預熱器出口經除塵器至引風機的煙道布置都很相似，因此影響引風機選型的煙道阻力也相差無幾；因此可以得出以下結論：
1．采用布袋除塵器的300MW CFB機組的引風機阻力與準能矸電二期工程接近；
2．采用靜電除塵器的300MW CFB機組的引風機阻力(BMCR工況)較采用布袋除塵器的低1000 Pa，引風機選型全壓升約6900 Pa。
根據不同除塵器型式的引風機選型參數，結合四種型式風機的技術特點和節能比較結果，300MW CFB機組的引風機選型結論如下：
1．如果采用布袋除塵器，鑒于靜葉可調軸流風機存在技術上的不可行性，無論成本電價如何，建議選用動葉可調軸流風機；
2．如果采用靜電除塵器，成本電價高于0.172元的條件下，建議選用動葉可調軸流風機：成本電價低于0.172元的條件下，可根據工程實際情況選用靜葉可調軸流風機或動葉可調軸流風機。
