高海拔地区电站风机设计的相关研究

高海拔地区电站风机设计的相关研究

殷显珺

青海省电力设计院青海西宁810008

摘要：电站是电网建设的关键基础，在不同的地区进行建设必须从当地的整体环境出发，做好风机的设计，才能充分发挥出电站的效能，为当地人民提供稳定、可靠的电能。青海、西藏等是我国的高原地区，气候恶劣，要在此地区建设好电站并保障电站良好运行，电力部门必须对当地实际环境、气候做好监测，并针对性的进行风机设计。本文就以高海拔地区电站风机设计为中心展开讨论，以期为专业人员提供参考。

关键词：高海拔；电站风机；设计

我国幅员辽阔，资源丰富，西部以高原为主，海拔超过1000米的高海拔地区占到了国土总面的2/3以上，包括青藏高原、云贵高原、黄土高原、内蒙古高原等。此地区，海拔高、环境恶劣，电网建设难度十分大，且耗时、费高，维护也相当困难。近年来，我国加大了对山区、高地等特殊地形地区的经济建设，电站建设是首要项目，此时电力部门必须做好当地的环境监测和分析调查，才能进一步做好电站风机的针对性设计，使其发挥出最大效能，服务当地居民。

一、高海拔地区环境基本特征及影响

1.大气含氧率低

海拔地区，空气中氧和氮的体积百分比分别为20.81%和78.23%，重量百分比分别为23.00%和75.70%。氧比氮的介质密度大，其比值为1.143。中纬度地区对流层的大气厚度约为10-12km（低纬度地区大气厚度约为17-18km）[1]，我国海拔最高的城市之一拉萨的海拔也不过为3.658km。因此，高海拔处的大气含氧率不会影响风机设计与锅炉燃烧的风量与风压。1

2.平均温度低、日夜温差大

高海拔地区呈现出平均气温低，日夜温差大的特点。随着海拔的升高而温度下降，根据观测记录可以认为垂直温度梯度为0.6℃/m，即海拔每升高100m，气温下降0.6℃。海拔越高则气温越低。西藏地区大部分地区的日平均气温差大约为15℃左右。大气温度对通风机性能设计参数有重要影响，而其影响最终将落实在风机工作介质密度上。

3.重力加速度g

地理纬度和海拔高度分别在O°≤α≤90°和0m≤Z≤9000m的范围内变化时，重力加速度g的相对修正率不会超过0.3%。因此，重力加速度g对表征重力与惯性力比值的相似准则—弗鲁特数（即Fu一gD2/u2）[2]和通风机无因次性能参数曲线这二者的影响微乎其微而可忽略不计。这使通风机性能（流量、压力与功率）的换算关系式变得非常简洁与方便。

4.大气压力

随着海拔高度Z（m）上升，大气压力Pb下降。在海拔高度4000m以内，Z每上升500m，大气压力下降的相对值为5.79%-6.25%。海拔越高，大气压力下降幅度越大。大气压力的大幅度变化对风机工作介质密度值的影响甚大，不容忽视。平原地区的大气压力的特点是夏季低于冬季。但随着海拔高度Z上升，夏季大气压力低于冬季的相对差值在逐步减小，当海拔高度在3500m以上时，会出现夏季大气压力反而高于冬季的现象。这是因为Z增高时，t值（尤其是夏季）随之降低的缘故。

1.5介质密度

大气压力（Pb）降低与大气温度（t）降低综合导致通风机的工作介质密度（ρ）下降。这就是高海拔地区大气环境对通风机性能参数最主要的影响因素。

1.6电晕条件

电晕是气体分子雪崩式碰撞电离引起的气体自激导电现象，为一种不完全的火花放电过程。电晕层带电粒子基本上都是处在离子状态，由这些离子的相互撞击而形成了电晕放电电流。在平原地区的能正常运行的高压（6kV）电动机定子线圈与导线在高山地区（海拔高处的大气压力明显下降，空气密度也大大降低）或恶劣天气条件下有可能出现电晕现象。根据经验关系式估算K=1.00%/（100m），海拔高度为3500km地区的电动机电晕起始电压递减的百分率K为3500，电晕起始电压的下降幅度甚大。

二、高海拔地区风机选型设计

风机的风量与风压富裕系数，应按SDJI一84《火力发电厂设计技术规程》的规定选取。富裕系数过大将使风机运行的经济性与可靠性恶化。动叶可调轴流式风机的调节性能远比离心式风机优越，应尽可能采用。离心式风机采用变速调节运行经济：采用变频调速与双速电动机的节电效果最好，风机运行效率在低负荷时几乎不变。液力藕合器与电磁滑差电动机则属低效率的变速调节型式，当半转速运行时，风机设备的效率要降低一半左右（此时，西海电厂送风机的效率约为（0.85XO.47=0.395）。

离心式风机最宜选用无因次压力系数较高的风机型式。如青海省西海电厂GS-48-14N027.1F离心式送风机的叶轮直径为Φ2710mm。当选用无因次压力系数为0.6的6-45型风机时，叶轮直径可降到Φ2500mm。当选用无因次压力系数为0.8的风机时，叶轮直径可降到Φ2100mm左右。此时，上述动强度与启动时间这2个难以处理的问题都将不复存在。

选用无因次压力系数较高的风机时，风机进口与出口的收缩段与扩压段的设计不可急剧过渡，设计中应尽力减小收缩与扩压的角度值，否则易导致风机的气流振动现象的发生。

三、高海拔地区风机设计要注意的几点问题

1.送风机和一次风机出口的暖风器设计

大气温度较低易导致空气预热器低温段的硫化物酸性腐蚀。应通过暖风器的加热，使空气预热器进口段金属壁面温度超过露点温度15℃以上。

2.引风机叶轮的冬季挂冰问题

布置在室外的风机冬季起动前应采取措施防止叶轮结冰，以避免起动中叶轮质量不平衡导致的风机“飞车”事故发生。不宜采用湿式除尘器设计；风机机壳底部设有排水管阀；风机机壳外部应充分有效保暖；起动前彻底清除叶轮上的挂冰；必要时可设计有低速盘车装置和热风送入的加温装置。

3.风机进、出口管道的布置设计与运行方式

锅炉启动过程以及低负荷运行时，应尽量采用单台风机运行的合理方式以提高风机运行的经济性与可靠性。在风机进、出口管道的布置上应设计有尺寸足够大的联络管道。风机的进、出口挡板门应有较高的严密性（减少其漏风），以避免备用风机发生倒转现象，造成备用风机启动时的困难。

4.风机出厂前机械性能试验问题

高原风机在平原地区起动时所需功率很大。必须专门配备大容量的电动机。西海电厂送风机在B-MCR工况时风机所需轴功率仅为715.9kw，而出厂前风机试车时，电动机的运行功率已高达1250kw。增加了534.0kw。引风机的差异情况更加悬殊。

5.电动机及导线的电晕问题

电动机定子绕组线圈及其导线的预防高原电晕问题，应向设计购货部门及时提出，以便采取有效防治措施，降低无益电耗和排除电磁异常干扰。

6.电动机定子线圈的通风冷却问题

电动机定子线圈的冷却多为风冷方式。大气压力减低和空气密度变小，导致电动机的专用风扇叶轮后的重量流量（体积流量仍然不变）和实际压力都有所减少，电动机定子线圈的冷却效果恶化。海拔较高地区的电动机订货，应向电机厂提出专项技术要求（如增大电动机风扇叶轮的轴向宽度与加大叶片出口安装角）。

参考文献

[1]陈效国.高海拔地区风电机组的电气设计[J].风能，2012，12：94-98.

[2]曹国荣，蒋耀生，赵燕峰.高海拔环境条件对风电机组变流器的影响[J].风能，2011，07：68-71.