华能国际电力股份有限公司南通电厂实业随着电力市场改革的深化和燃料价格的不断上涨，提高机组自动化水平，降低火电厂发电成本，已成为火电厂迫切需要解决的问题。长期以来，火电厂锅炉离心式风机在运行过程中存在着以下几个问题：电机按定速方式运行，采用挡板来调节风量，造成功率损耗大，浪费电能；挡板调节品质差，执行机构易出故障，自动投入率低；电机启动时，启动电流大，对电机冲击大，严重影响电机的绝缘性能和使用寿命。 　　而变频调速具有效率高、调速范围宽、精度高、调速平稳、无级变速等优点，因此采用变频调速技术是解决上述问题的好办法，近年来已在发电厂中得到了广泛应用。 　　华能南通电厂3、4锅炉均为美国BW公司生产的CAROLINA型燃煤辐射锅炉，采用一次风正压直吹式制粉系统。一次风机型式为两台L3N电动定速双吸离心式风机，采用入口导叶调节，由英国HOWDEN公司供货。风机的风量裕度为57%压头裕度为30%电动机裕量90%额定轴功率893KW电动机容量1695IKW.自投运以来，各项经济数据分析表明，本厂3、4锅炉设计时一次风机选型明显偏大。在工况变化时，风机入口采用挡板调节，调节范围：10%―40%之间，自2001年江苏省投用AGC方式以来，负荷变化幅度加大，一次风档板调节频繁，节流损失很大。在锅炉满负荷时电流为110安培左右，而相同容量、设计较为合理的12锅炉一次风机在同等负荷下电流仅为90安培左右。 　　为节能降耗，降低厂用电率，对3、4炉一次风机进行相关的改造成为本厂有关技术人员必须考虑的问题。经过多种方案对比分析，变频改造不失为一个较理想的方案。理风压调节平稳、DCS控制理想。另外，经济上可行，投资效益显著。下面笔者就对本厂3、4炉一次风机电动机进行高压变频改造技术可行性、改造方案、经济性应用前景进行分析。 　　二、一次风机电动机变频改造技术的理论依据、4炉一次风机为出口角P290*叶片后倾式离心风机，其运转特性曲线如所示：N*风机工作有效总功率；n*效率，风机轴上的功率n因有部分损失而不能全部传给空气，可用效率这一参数来表示风机工作的优劣。 　　2.根据离心风机参数的比例定律，对不同转速控制时的H-Q关系曲线如所示。当风机转速从n变化到：后风量Q、风压H及轴功率N的关系：在当前国内高压变频器生产厂家日益增多，且技术曰趋成熟的形势下，该方案目前日见少用。 　　即风量与转速成正比，风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。 　　当管路的风阻力R保持不变时，风量与通风阻力之间的关系是确定不变的，即风量Q与通风阻力h按阻力定律变化，即h=Q2.h―Q间的抛物线关系曲线称为管路特性曲线，如所示显然风阻R越大，曲线越陡。 　　风机的特性曲线H―Q与管路的阻力特性曲线h―Q相交的工况点称为工作点M在中表示的同一风机两种不同转速n、：时的H-Q曲线和h―Q曲线相交的工况点M、M\3.变频器调速控制节电降耗原理。利用变频器装置，对风机进行转速控制属于减少空气阻力节电法，是一种较好的节电方式，它和一般常用的调节风门控制风量方法比较，有着明显的节电效果。通过可说明其节电原理。图中曲线I为风机在恒速下风压一风量（H―Q）特性曲线，曲线为管路（h―Q）特性曲线（风门开度全开）。假设风机在设计时工作在1点效率最高，输出风量Q，为100%，此时轴功率Ni与Qi、Hi的乘积面积1HiQi成正比。根据生产工艺要求，当风量从Qi减少到Q2（例如50%）时，如采用调节风门方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变为曲线I系统工作点由原来的工况点1变到新的工况点2图中看出，风如果采用变频转速控制方式，风机转速由降到根据风机参数的比例定律，画出在转速n2下的风压一风量（H+Q）特性曲线如图W所示，系统工作点则由原来的工况点1变到新的工况点3.显而易见，在满足同样风量Q2的情况下，风压H3大幅下降，轴功率N3（与面积3H30Q2成正比）显著减少，与风门调节时轴功率N2相比，节约功率明显（与面积由以上分析可知，即风量Q与转速n―次方成正比，风压H与转速n平方成正比，轴功率N与转速n立方成正比。 　　因此当外界对风机风量要求减小时，风机转速同步减小，轴功率以转速三次方的速度下降，比如风量下降80%，则轴功率将下降到原先功率的51%.当然这是理论上的计算，实际操作时还需考虑由于转速降低会引起效率降低及附加控制装置的效率损耗等，工艺上也需考虑控制适合的转速，在满足风量要求的同时保证满足风压的要求。但这些影响是很微小的。因此，在变负荷的风机机械中采用转速控制方式来调节风量，在节能上是一个有效的办法。 　　三、目前采用的几种改造方案比较分析该方案的产品以西门子公司为主，故又称为西门子方案，如所示，这种方案以通过低压变频器为核心，即在低压变频器的输入侧加一台降压变压器，将6kV降至低压变频器的适配输入电压，在低压变频器的输出侧加一台升压变压器，使输出电压与电动机的额定电压相匹配。降压变压器一般采用三绕组变压器，两个副边绕组相差30*角度，以实现12脉冲工作方式，减少主回路谐波，由于变频器输出含有高次谐波及直流成份，且dv/d高，升压变压器需特殊设计。 　　这种方案适用于改造项目其优点：1）方案成熟。目前国内应用较多。（2）原有电机电缆无须改动。（3）便于实现切换功能。（4）投资较低。 　　缺点：（1）由于两次电压转换，增加了损耗，降低了效率。 　　（2）产生大量的高次谐波，需加滤波装置。（3）升压变压器存在谐波发热。（4）长期运行费用相对较高。 　　降压变压器低压变频器升压变压器高压电动机一次风机高一低一高方案。节如所示，用额定电压为6kV的高压变频器直接驱动电动机，实现变频调速，此种方式整体效率高，技术先进，结构简单可靠性高，适用于大容量电动机，对电动机没有特殊的要求，可用于任何普通的异步电动机，不存在谐波引起的电动附加发热、转矩脉动和噪声。缺点是初期投资大。但这种方案效率较高，节能优势明显。 　　综合考虑以上两种方案，两种方案在节能上都是可行的，在一次性投资许可的情况下，方案2的可行性很好，目前该方案应用范围日趋广泛，节能效果明显。 　　四、次风机变频调节相关系统设计根据系统对一次风机风量和风压的要求，理论上最好是风压不变，风量根据负荷的变化而变化。因此仅靠变频调节并不能满足系统要求，可考虑与原系统挡板结合使用。整个调节系统不仅节能，而且能实现在维持风机出口风压相对稳定的前提下对风量的及时调节，相关系统采用闭环控制，这样，系统的调节特性更优越。相比原风机挡板调节，除节电外，还能减少风量调节时风压的过大波动。 　　经过统计，在本厂年平均负荷率最高的2002年7月份，一次风机入口调节挡板的平均开度为30%，年平均负荷最低的2006年3月份，一次风机入口调节挡板的平均开度为26%，相比较20%―40%的设计调节开度，说明本厂一次风机的调节裕量相当大，在实际转速调节控制中可以认为风量参数在满足风压的过程中是全部符合负荷要求的，因此只需计算负荷要求下风压参数所得到的转速调节范围及功率消耗状况。 　　1.计算风机转速调节范围己知：一次风机正常风压范围90―轴功率N与转速n的三次方成正比，即V如=（3.代入可得：轴功率V将下降到额定功率的54.5%.根据本厂近年负荷情况，保守估算，一次风机变频改造后，节电应在目前平均电量的25%左右。风机额定功率893kW，年运行时间以7000小时计，则每台锅炉年节电达312.5万度电。以合同基本电量电价0.334元/度计算，一年可节约费用1044万元。由此可知，一次风机变频改造的经济性是十分明显的。按同理推算，华能南通电厂引风机，凝结水泵皆可应用变频技术届时，整机效率将大大提高。 　　变频调速是风机水泵节能的最佳方案，风机的轴功率是转速的三次方函数关系。当转速降低后，其消耗功率会大幅下降，变频调速器效率因数高，nvvvF95%―98%，而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳，理应为首选方案。风机改用变频器后不但提高了稳定性，而且具有巨大的经济效益。

1罗茨鼓风机每次吸入、排出的风量很大并有突变现象,从而产生较大的噪声,被称之为机械产品的“声老虎&dquo;,特别是在高压的情况下尤甚,且风量越大、压力越高、转速越快,则噪声就越大,而现代化大生产又希望罗茨鼓风机能提供更高的压力和更大的风量。为了提高风机性能、降低噪声污染、满足环保要求,工程师们想尽了各种对策。本文从噪声源着手,在设计与制造方面提出降低噪声的一些方法。 2　噪声分析 　　罗茨鼓风机噪声主要包括机械噪声和气动噪声,而气动噪声又包括旋转噪声和涡流噪声。机械噪声主要有齿轮噪声、轴承噪声及管路振动噪声等。旋转噪声是在旋转的叶轮掠过较窄的通道出口处时,沿周向的气动压力与气流速度都有很大的变化,使得周期性吸、排气以及瞬时等容压缩而形成的气流速度与压力脉动,产生的很大气体动力噪声(见图1)。涡流噪声又称紊流噪声,是由于紊流边界层及其脱离引起气流压力脉动造成的。一方面,叶轮旋转时,表面形成涡流,这些涡流在表面分裂时产生了涡流噪声;另一方面,高压气体通过间隙向低压区泄漏并通过孔口、弯道时也会产生涡流噪声。这些噪声再加上风机进气容积的亥姆霍兹共鸣,就使罗茨鼓风机的噪声达到了令人难以忍受的程度。 ３　结构设计 3.1设计回流孔 　　在机壳出风端未过转子中心处开一定的U形条孔,可以减轻出风口端的压力爆发,在叶轮与机壳、墙板所形成的容腔即将进入密闭状态时,使出风口的高压气体有少量部分能回流入容腔,并使容腔与出风口气室形成一定的压力平衡。同时,当叶轮继续旋转时,容腔体积变小,压力增加,又可使得密闭容腔在大量排出气体前能通过回流孔预排,这样既可减少“死角&dquo;气体的涡流噪声,又可减少排气时由于压力过于释放造成的冲击噪声(见图2)。这也是目前国内正在不断研制的“逆流冷却&dquo;技术。进气回流孔的孔道应与“死角&dquo;相连,且出口方向应与排气方向一致;孔的尺寸也不宜过大,一般取10～15mm,且夹角&dela;也应小于20°,否则会由于内泄过大而造成风量不能满足要求。 3.3转子串接设计法 　　叶轮一般作为一个整体与轴联接,若将叶轮沿轴向分成几段,则构成串接转子。每段叶轮具有相同的叶型、直径,甚至相同的长度。串接时,相邻两段叶轮周向错开一定的角度(两叶错开90°,三叶错开60°),并在机壳内或叶轮段间设置隔板,将其隔成相应的段,每一段的工作情况都与单台鼓风机相似。由于各段叶轮的工作过程有一定的时间差,使气流脉冲减少,与同长度的单一叶轮相比总排气流量不变而脉动变得更加平稳,噪声也相对较低。 3.4设计扭曲叶轮 　　罗茨鼓风机叶轮轮齿一般与轴线平行,即直齿状,这样加工、检测就比较方便,但随着加工技术的发展,还是应设计成扭曲叶轮,即斜齿状,因为这样可以增加啮合线长度。扭叶罗茨鼓风机工作平稳、输气脉动小、噪声低,而且工作时具有内压缩过程,与直叶罗茨鼓风机相比效率高、能耗低,是罗茨鼓风机传统的替代产品。 3.5叶轮曲线的CAD设计法 　　叶轮作为罗茨鼓风机的心脏零件,表面形状至关重要,气体是通过两个叶轮表面的啮合,来进行吸气与排气的。为了使这对叶轮能正常啮合,叶轮曲线一般都设计成渐开线、摆线或圆包络线。基于设计及制造工艺,传统叶轮一般设计成单一型线,通过数学方法计算出各种参数,包括中心距、基圆、压力角、起始啮合角等。随着计算机及数控技术的发展,CAD设计软件和数控编程软件功能也越来越强大,应充分利用软件资源,对叶轮曲线进行分段、组合设计,改掉以往的单一曲线,通过CAD进行模拟、仿真,保证叶轮在任何情况下啮合时均可有相对固定的间隙。因为这种组合曲线在现代的数控机床上编程、加工已不是难事。均匀的叶轮间隙不仅能大大提高平稳性、降低噪声,而且还能保证风量、振动、寿命等重要的机械性能。 ４制造精度 　　精度的提高意味着产品成本的增加,但为了满足所需性能,又不得不提高相应方面的精度。下面就为满足低噪性能方面提出应提高的精度。 4.1叶轮表面质量及平衡 　　叶轮表面质量主要取决于材质及加工质量。对于小叶轮,一般选择铸钢或球墨铸铁,并与轴铸成一体,大叶轮选择HT200,粗糙度为Ra3.2,在数控机床上加工,取较小的走刀量,可获得较低的粗糙度;转子平衡至少应保证G6.3,最好提高到G5.6。 4.2轴承精度 　　轴承作为易损件,一般的企业都不愿提高其精度使产品成本增加,这样往往得不偿失。因为低精度轴承产生较大的振动和摩擦,且其作为整个机器的装配基准,对整机性能及其它零部件的寿命都有至关重要的影响。国外风机的轴承精度一般至少相当于我国的C级标准。 4.3齿轮精度 　　齿轮间隙、运动准确性、齿向精度等直接决定着叶轮啮合的均匀性及平稳性,齿面粗糙度又是摩擦噪声的主要来源之一。因此,按国标要求齿轮精度应保证在7级以上,而一般机械加工厂的齿轮加工、检测手段往往不强,使精度不能满足要求。所以齿轮加工最好是与专业的齿轮加工厂协作。 4.4风道质量 　　光滑的风道表面能让气流顺利通过,不仅有利于减少损失,而且能大大减少因气流流动受阻而带来的啸叫声,因此,管道内壁应尽量降低粗糙度,减少弯道数量;进出风口不宜处于急变流场,应由方变圆光滑过渡。若系统中有多个管件,如弯头、支管等,则它们之间的距离应拉开5～10倍管径。 ５　采用消声、隔声、隔振等措施 　　除了在结构及制造精度方面控制噪声外,在轴承、齿轮、密封处应使用优质的润滑油,进出风口配设消声器,整机及配套设备外围设计隔声罩,有条件的地方可将风机置于地下室工作或选择水下罗茨鼓风机进行隔声、隔振等。