1前言
在國家煤矸石資源綜合利用鼓勵(lì)政策的推動(dòng)下，近年來300MW CFB機(jī)組的建設(shè)速度之快、建設(shè)規(guī)模之大都前所未有；但無論是《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL 5000-2000)還是《中國電力工程顧問集團(tuán)公司300MW CFB機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)研討會(huì)會(huì)議紀(jì)要》都沒有對300MW CFB機(jī)組的引風(fēng)機(jī)選型給出指導(dǎo)性的建議，設(shè)計(jì)選型時(shí)只能參考《大火規(guī)》中煤粉爐的引風(fēng)機(jī)選型原則。實(shí)際上由于CFB機(jī)組爐本體的煙氣側(cè)阻力較煤粉爐高得多，CFB機(jī)組引風(fēng)機(jī)的壓頭已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤粉爐；選型參數(shù)的差異使引風(fēng)機(jī)的型式選擇多樣化。
2工程概述
內(nèi)蒙古準(zhǔn)能矸電二期工程建設(shè)兩臺330MW CFB直接空冷機(jī)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(zhǔn)格爾煤特點(diǎn)；根據(jù)煤質(zhì)特點(diǎn)，選用布袋除塵器；采用CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫方式。
2.1煤質(zhì)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(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司供給；設(shè)計(jì)和校核煤種的煤質(zhì)分析見表2.1.1，灰成分分析見表2.1.2。
表2.1.1煤質(zhì)分析表
項(xiàng) 目 符號 單位 設(shè)計(jì)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(fā)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(xiàng) 目 符號 單位 設(shè)計(jì)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(shù)規(guī)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(nèi)脫硫效率 95%
空預(yù)器出口含塵濃度 43.158 g/Nm3
空預(yù)器出口S02濃度 164.3 mg/Nm3
2.3除塵器選型
根據(jù)《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2003)，以煤矸石等為主要原料(入爐燃料收到基低位發(fā)熱量小于等于12550kj/kg)的資源綜合利用火力發(fā)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(zhǔn)能矸電二期工程屬于GB13223-2003標(biāo)準(zhǔn)界定的資源綜合利用火電鍋爐，除塵效率達(dá)到99.5%、脫硫效率達(dá)到75.7%就可以滿足排放濃度的要求。2.2節(jié)的數(shù)據(jù)表明，該工程采用CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫完全可以達(dá)到二氧化硫最高允許排放濃度，通常靜電除塵器達(dá)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(zhǔn)格爾煤特點(diǎn)，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(nèi)部容易產(chǎn)生二次飛揚(yáng)；Al203含量高的煤灰粉塵極細(xì)，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(yáng)十分不利：K20、Na20的含量低，粉塵荷電性和導(dǎo)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(jìn)行除塵；因此該工程選用布袋除塵器。
3引風(fēng)機(jī)選型
3.1 引風(fēng)機(jī)選型參數(shù)
引風(fēng)機(jī)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(jì)6740Pa。表3.1.1為選型參數(shù)表。
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序號 |
名稱 |
單位 |
T．B |
BMCR |
備注 |
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1 |
引風(fēng)機(jī)容積容量 |
m3/h |
1154000 |
1023870 |
裕量系數(shù)1.1，另加140℃溫度裕量 |
|
2 |
風(fēng)機(jī)全壓升 |
Pa |
8088 |
6740 |
裕量系數(shù)1.2 |
3.2引風(fēng)機(jī)型式
《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL 5000-2000)（以下簡稱《大火規(guī)》）對煤粉鍋爐的引風(fēng)機(jī)選型給出要求：“大容量鍋爐的吸風(fēng)機(jī)宜選用靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)或高效離心式風(fēng)機(jī)。當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)口煙氣含塵量能滿足風(fēng)機(jī)要求，且技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較合理時(shí)，可采用動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。”
鍋爐選用CFB爐型后，引風(fēng)機(jī)的型式受鍋爐型式、除塵器型式、引風(fēng)機(jī)入口煙氣含塵量等因素的影響不能完全遵循大火規(guī)的要求進(jìn)行選型。
300MW煤粉爐通常選用靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，采用濕法脫硫、引風(fēng)機(jī)和升壓風(fēng)機(jī)合并設(shè)置的機(jī)組大多配置動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)近年建設(shè)的300MW CFB機(jī)組大多配置靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，少部分配置液力偶合器調(diào)速的高效離心風(fēng)機(jī)。而準(zhǔn)能矸電二期工程引風(fēng)機(jī)的選型參數(shù)更接近于采用濕法脫硫、引風(fēng)機(jī)和升壓風(fēng)機(jī)合并設(shè)置的煤粉爐的引風(fēng)機(jī)參數(shù)。
3,2.1 動(dòng)、靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)
靜葉可調(diào)式軸流式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中通過調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的安裝角達(dá)到政變風(fēng)壓、風(fēng)量的目的；在0，-300調(diào)節(jié)時(shí)為負(fù)預(yù)旋，可增加風(fēng)機(jī)流量、壓力；在O～-70°調(diào)節(jié)時(shí)為正預(yù)旋，人為消耗部分風(fēng)機(jī)有用功，減小風(fēng)機(jī)流量、壓力。
動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中依靠液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)動(dòng)葉片的安裝角，從而改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量。負(fù)荷變化時(shí)通過動(dòng)葉片安裝角的變化改變風(fēng)葉的做功能力，形成一族風(fēng)葉角度運(yùn)行曲線，其工況范圍不是一條曲線，而是一個(gè)面。所以流量變化范圍大及高效率運(yùn)行區(qū)寬廣：不產(chǎn)生額外的人為有用功損耗。
風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它的運(yùn)行效率和節(jié)能效果，表3.2.1為該工程兩種風(fēng)機(jī)在不同鍋爐負(fù)荷下的運(yùn)行效率對比表。
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項(xiàng)目 |
單位 |
工況1 |
工況2 |
工況3 |
工況4 |
工況5 |
工況6 |
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鍋爐負(fù)荷 |
% |
100 |
90 |
80 |
70 |
60 |
50 |
|
靜調(diào)運(yùn)行效率 |
% |
85 |
85.7 |
83.8 |
79.6 |
72.4 |
60.3 |
|
動(dòng)調(diào)運(yùn)行效率 |
% |
86.7 |
86.3 |
84.6 |
83.1 |
79.2 |
70 |
從表中數(shù)據(jù)可以看出動(dòng)調(diào)和靜調(diào)在高負(fù)荷下運(yùn)行效率非常接近，隨著負(fù)荷降低運(yùn)行效率的差距越來越大。
3.2.2調(diào)速離心風(fēng)機(jī)
無級變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在我國電廠中成功應(yīng)用的主要有：調(diào)速型液力耦合器和變頻器。高效離心風(fēng)機(jī)雖然有低負(fù)荷時(shí)效率降低很快的缺點(diǎn)，但如果安裝無級變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，其變工況時(shí)的運(yùn)行效率就會(huì)顯著提高。液力偶合器的調(diào)速性能雖然不如變頻器，但它卻在初投資方面具有較大優(yōu)勢。根據(jù)市場調(diào)研，國產(chǎn)液偶的每KW造價(jià)只有120～130元，而高壓變頻器的每kW造價(jià)卻高達(dá)1000元。近年來300MW CFB機(jī)組引風(fēng)機(jī)采用高效離心風(fēng)機(jī)配液力偶合器的比例占到近40%，幾乎可以和靜調(diào)平分秋色；高效離心風(fēng)機(jī)配變頻器的選擇也處于技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較階段。
3.2.3節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)比較
根據(jù)該工程的實(shí)際情況對靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)、動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)、配偶合器離心風(fēng)機(jī)、配變頻器離心風(fēng)機(jī)四種風(fēng)機(jī)型是進(jìn)行節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)比較，見表3.2.3.1、3.2.3.2、3.2.3.3。
表3.2,3.1節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)比較原始數(shù)據(jù)表
縞號 項(xiàng)目 單位 數(shù)據(jù)
l 單臺設(shè)備額定流量m3/h 1023870
2 傳動(dòng)效率 % 99
3 電機(jī)效率 % 95
4 設(shè)備年利用小時(shí)數(shù) 小時(shí) 5500
5 國產(chǎn)偶合器價(jià)格 萬元 35
6 變頻器價(jià)格 萬元 280
7 動(dòng)調(diào)與定速離心風(fēng)機(jī)的差價(jià) 萬元 120
8 靜調(diào)與定速離心風(fēng)機(jī)的差價(jià) 萬元 60
9 還貸年數(shù) 年 15
10 年利率 % 8.06
11 電價(jià) 元 0.20
表3.2.3.2節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)比較表
項(xiàng)目項(xiàng)目 單位 負(fù)荷率
100% 75% 50%
機(jī)組發(fā)電功率 MW 300 225 150
流量m3/h 2047740 1535805 1023870
比容 m3/kg 1 1 1
運(yùn)行臺數(shù) 臺 2 2 1
平均運(yùn)行時(shí)間 h 2500 2000 3000
定速離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓頭 Pa 8800 10410 8800
謾備效率 %0.84 0.84 0.84
電動(dòng)機(jī)耗電功率kw 3168 281 1 3168
配偶合器離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓頭 Pa 6740 4550 2020
設(shè)備效率 %0.85 0.85 0.85
偶合器效率 %0.95 0,713 0.95
電動(dòng)機(jī)耗電功率kw 2524 1703 756
比定速離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電功率kw 644 1 108 2412
配變頻器離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓頭 Pa 6740 4550 2020
設(shè)備效率 %0.85 0.85 0.85
變頻器效率 %0.97 0.948 0.97
電動(dòng)機(jī)耗電功率kw 2472 1281 741
比定速離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電功率kw 696 1530 2427
靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓頭 Pa 6740 4550 2020
設(shè)備效率 %0.85 0.817 0.85
電動(dòng)機(jī)耗電功率kw 2398 1263 719
比定速離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電功率kw 770 1548 2449
動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)壓頭 Pa 6740 4550 2020
設(shè)備效率 %0.867 0.8385 0.867
電動(dòng)機(jī)耗電功率kw 2351 1231 705
比定速離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電功率kw 817 1580 2463
配偶合器離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電量kw-h 3219728 “31894 7234624
配變頻器離心風(fēng)機(jī)節(jié)省電量kw-h 3479941 6120263 7281417
靜調(diào)節(jié)省電量kw-h 3850745 6190487 7348095
表3.2.3.3節(jié)能和綜合經(jīng)濟(jì)比較結(jié)論表
年節(jié)省電量 折合電費(fèi) 每年還貸額 差額
(kw-h) （萬元） （萬元） （萬元）
配偶合器離心風(fēng)機(jī) 14886247 310 -4.104 305.530
配變頻器離心風(fēng)機(jī) 16881621 351 -32.832 318.305
靜調(diào) 17389327 362 ·7.035 354.663
動(dòng)調(diào) 17796232 370 一14.071 356.091
說明：三種風(fēng)機(jī)的“節(jié)省電量”都是相對于定速離心風(fēng)機(jī)而言。
從比較結(jié)論可以看出，動(dòng)調(diào)昀節(jié)電效果最好，其次是靜調(diào)、變頻離心風(fēng)機(jī)，偶合離心風(fēng)機(jī)的節(jié)電效果最差。考慮到四種型式風(fēng)機(jī)在初投資方面的差異，進(jìn)行了年還貸額的比較，偶合離心風(fēng)機(jī)的年還貸額最少，其次是靜調(diào)、動(dòng)調(diào)，變頻離心風(fēng)機(jī)的年還貸額最多。綜合考慮節(jié)電和初投資兩方面因素，節(jié)能效果的趨勢最終決定了綜合經(jīng)濟(jì)比較的趨勢；動(dòng)調(diào)最優(yōu)，靜調(diào)略遜于之，其次是變頻離心風(fēng)機(jī)，最后是偶合離心風(fēng)機(jī)。
煤作為不可再生的一次能源，煤價(jià)上漲的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)；火力發(fā)電的成本電價(jià)將隨著煤價(jià)水漲船高。根據(jù)測算，成本電價(jià)低于0.172元時(shí)，靜調(diào)是該工程綜合經(jīng)濟(jì)比較的最優(yōu)者；成本電價(jià)高于0.172元，動(dòng)調(diào)就成為最優(yōu)者。也就是說隨著成本電價(jià)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(jié)能效果誰就將在綜合經(jīng)濟(jì)比較中勝出。
3.2.4動(dòng)、靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)機(jī)的壓頭與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，靜調(diào)風(fēng)機(jī)由于無法設(shè)置成兩級，因此只有通過提高轉(zhuǎn)速來克服系統(tǒng)阻力。風(fēng)機(jī)壓頭高于7000Pa時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，風(fēng)葉的線速度也很高；風(fēng)機(jī)壓頭如果超過8000Pa，風(fēng)葉的線速度無法控制在臨界速度140m/s以下，風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、氣動(dòng)性能和噪聲均難以滿足要求。實(shí)際上在準(zhǔn)能矸電二期工程進(jìn)行引風(fēng)機(jī)選型時(shí)，多個(gè)風(fēng)機(jī)廠都提出無法為該工程選到合適的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。
動(dòng)調(diào)風(fēng)葉的臨界線速度為165m/s，也就是說在風(fēng)機(jī)直徑相同的條件下，動(dòng)調(diào)可以滿足更高的風(fēng)機(jī)壓頭；而且動(dòng)調(diào)可以設(shè)置成雙級，因此它可以滿足比靜調(diào)高得多的壓頭。
為保證風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、氣動(dòng)性能和噪聲均滿足設(shè)計(jì)要求，動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)線速度一般應(yīng)控制在165m/s以下。采用布袋除塵器的300MW CFB機(jī)組的引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壓頭較高，轉(zhuǎn)子輪轂較大，為了將風(fēng)機(jī)葉頂?shù)膱A周速度控制在合理的范圍之內(nèi)，需選用雙級動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。
雙級動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)主要是鄉(xiāng)了一個(gè)葉輪，兩級葉輪通過推桿和推盤進(jìn)行串連，推桿安裝在主軸承箱空心軸內(nèi)，并在安裝和檢修時(shí)進(jìn)行調(diào)整，由于前后兩級葉輪串連而成，因此風(fēng)機(jī)前后兩級葉輪調(diào)節(jié)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(qū)別的，而從軸承箱軸承受力情況來看，由于單級風(fēng)機(jī)葉輪為懸臂結(jié)構(gòu)，靠葉輪端受力較大，而雙級風(fēng)機(jī)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(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)不比單級動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)差。
對于動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)與靜調(diào)風(fēng)機(jī)的耐磨性問題，我們認(rèn)為靜調(diào)風(fēng)機(jī)由于葉項(xiàng)速度較低，因此在不采取任何防磨措施的情況下，靜調(diào)風(fēng)機(jī)具有一定的優(yōu)勢：但由于動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)葉片可以拆下單獨(dú)噴涂多次，而靜調(diào)風(fēng)機(jī)由于葉片焊接在輪轂上只能在進(jìn)、出口邊上噴涂少量耐磨層，否則會(huì)影響葉片的型線；因此從總體上來講，動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)耐磨損性能至少不低于靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)。對于采用布袋除塵器的300MW CFB機(jī)組，引風(fēng)機(jī)入口的煙氣含塵濃度<50mg/Nm3;耐磨性問題不應(yīng)該成為影響引風(fēng)機(jī)選型的決定性因素。
一直以來，行業(yè)內(nèi)認(rèn)為靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，相對而言動(dòng)調(diào)的檢修維護(hù)尤其是大修全解體存在技術(shù)上的困難，隨著動(dòng)調(diào)在大容量機(jī)組的普及和近幾年火電廠尤其是新建電廠運(yùn)行維護(hù)人員專業(yè)技術(shù)水平的提高，動(dòng)調(diào)的日常維護(hù)和大修全解體已經(jīng)不再是難題；在結(jié)構(gòu)熟悉的前提下，l～2周完全可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)全解體的大修工作。
3.2.5選型結(jié)論
300MW CFB鍋爐可以分為引進(jìn)型（AISTOM）和自主開發(fā)型兩種，爐本體煙氣側(cè)阻力見表3.2.5；從表3.2.5數(shù)據(jù)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(xiàng)目 |
單位 |
ALSTOM |
自主開發(fā)型 |
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哈鍋 |
東鍋 |
上鍋 |
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爐本體煙氣側(cè)阻力值 |
Pa |
4600 |
4500 |
1622～4740 |
4907.6 |
目前國內(nèi)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(nèi)電力設(shè)計(jì)院對于鍋爐空氣預(yù)熱器出口經(jīng)除塵器至引風(fēng)機(jī)的煙道布置都很相似，因此影響引風(fēng)機(jī)選型的煙道阻力也相差無幾；因此可以得出以下結(jié)論：
1．采用布袋除塵器的300MW CFB機(jī)組的引風(fēng)機(jī)阻力與準(zhǔn)能矸電二期工程接近；
2．采用靜電除塵器的300MW CFB機(jī)組的引風(fēng)機(jī)阻力(BMCR工況)較采用布袋除塵器的低1000 Pa，引風(fēng)機(jī)選型全壓升約6900 Pa。
根據(jù)不同除塵器型式的引風(fēng)機(jī)選型參數(shù)，結(jié)合四種型式風(fēng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和節(jié)能比較結(jié)果，300MW CFB機(jī)組的引風(fēng)機(jī)選型結(jié)論如下：
1．如果采用布袋除塵器，鑒于靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)存在技術(shù)上的不可行性，無論成本電價(jià)如何，建議選用動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)；
2．如果采用靜電除塵器，成本電價(jià)高于0.172元的條件下，建議選用動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)：成本電價(jià)低于0.172元的條件下，可根據(jù)工程實(shí)際情況選用靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)或動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)。
