引風機變頻器改造控制優化及節能效果分析

張天放 陳 娟

（1.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 系統概述

內蒙古華電集團某電廠2臺600MW亞臨界燃煤空冷汽輪發電機組，鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司技術設計制造的B&WB-2080/17.5-M型鍋爐，為亞臨界參數，一次中間再熱、自然循環、平衡通風、鍋爐房緊身封閉、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型汽包鍋爐；汽輪機采用哈爾濱汽輪機廠制造的ZKL600-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式直接空冷汽輪機；發電機采用哈爾濱電機有限責任公司生產的QFSN-600-2YHG型氫冷發電機。引風機為上海電機廠生產的靜葉可調軸流風機，型號為YKK1000-8，額定電流332A，額定電壓10kV，電機功率5 000kW。

靜葉可調軸流風機具有結構簡單、安全可靠、維護和初期投入費用低等優點，所以新建燃煤機組大量采用此類風機［1］。但是，由于此類風機不能調速，只能改變風機靜葉角度調節風量，節流損失大，風機效率低。并且由于燃煤機組的變負荷運行特性和風機負荷設計裕量考慮，往往使風機運行偏離理論高效區，所以增加了廠用電的消耗。因此機組穩定運行后，考慮到引風機變頻調速所蘊含的巨大節能潛力，集團決定進行引風機變頻器改造項目。

2 變頻器控制方案

2.1 電氣一次系統設計方案

本工程設計依系統要求，采用“一拖一自動旁路”電氣回路設計，單套變頻器帶一臺引風機工作，每臺機組配置兩套變頻器。

圖1 引風機變頻裝置電氣一次系統示意圖

圖中QF1、QF2和QF3是三臺斷路器，可實現遠方或就地合分操作。QF3和QF2具有電氣閉鎖，保證不能同時合閘。當變頻器故障時，回路可以自動切換至QF3旁路，使電機可以在工頻電源下正常工作，自動或手動斷開QF1和QF2，隔離變頻器，保證檢修人員安全情況下進行檢修。

此種設計可以滿足兩種風機運行方式，即變頻運行方式和工頻運行方式。

變頻運行方式：主開關合閘，QF1、QF2閉合，QF3斷開，并且變頻器合閘；

工頻運行方式：主開關合閘，QF1、QF2斷開，QF3閉合；

2.2 DCS邏輯控制策略

2.2.1 模擬量控制

引風機調節被控對象為鍋爐爐膛壓力，改造前通過PID調節器計算指令驅動引風機靜葉執行器，并且設計有指令偏置自適應回路，設定兩側風機指令偏置防止風機失速。改造后保留原靜葉模擬控制回路，作為工頻工況爐膛壓力控制方案。增加變頻器模擬量控制回路，當引風機變頻運行時，根據爐膛壓力與設定偏差，通過新的PID調節器計算指令驅動變頻器動作，改變風機出力，作為變頻工況爐膛壓力控制方案。工頻和變頻兩種自動控制方式由運行人員選擇，但是互相閉鎖，不能同時投入兩種自動狀態，保持控制方式的獨立性，防止相互耦合。變頻運行時，限制風機靜葉開度上限為75%，規程規定靜葉固定保持在此開度，允許變頻器投自動。

2.2.2 運行信號判斷

由于改造后風機運行方式的改變，原有邏輯中對應的“風機運行”信號和“風機停止”信號需要重新定義，即“風機運行”信號包括“變頻運行方式”或“工頻運行方式”；反之，風機狀態判斷為“風機停止”。但是需要注意的是，判斷“風機停止”或未運行信號時，應預留出由于變頻器回路故障或停運后，自動切換工頻旁路運行的一段時間（機組負荷420MW以下5s，420MW以上6s），即“變切工”工況風機允許的惰走時間。

2.2.3“變切工”邏輯

當變頻器故障或跳閘不能維持正常運行時，必須由程序立即自動切換至旁路工頻運行，聯鎖斷開QF1和QF2，然后自動合閘QF3，同時自動將該側的引風機入口調節擋板執行器指令降至負荷對應開度，對應關系見表1。在切換過程的時間內不會發生引風機停運信號，完成變切工動作；若在規定時間內沒有完成，則判定為變切工失敗，斷開高壓主開關，如果負荷在50%以上還要發生引風機RB。

表1 變頻切換工頻引風機入口調節擋板指令與機組負荷對應關系

引風機高壓主開關合閘信號和變頻器運行記憶信號（QF1合閘、QF2合閘、與變頻器運行三個信號），作為自動變切工允許條件。另外，QF3合閘、變切工失敗、變頻器遠程停止、高壓主開關分閘、工頻運行信號，任一條件滿足作為變頻器運行記憶的復位條件。

可以產生自動變切工的條件包括：①變頻器重故障；②QF1分閘；③QF2分閘；④變頻器未運行。

3 變頻切換工頻運行動態試驗

3.1 試驗過程

首先，兩臺引風機變頻模式啟動，兩側引風機投入自動控制模式，變頻器通過改變風機轉速調節鍋爐爐膛壓力，使爐膛壓力穩定在-100Pa附近。然后在機組負荷420MW左右，觸發B側引風機變頻器故障跳閘，聯鎖B側引風機“變切工”動作，B側靜葉反饋由75%降至35%位置，風機工頻啟動，同時A側風機自動全程投入，通過調節變頻指令，控制爐膛壓力穩定在安全范圍內。沒有觸發機組引風機RB動作和機組跳閘。從變頻故障開始至爐膛壓力穩定，整個過程大約50s，其中爐膛壓力最大值-21Pa，最小值-428Pa。穩定后，A側風機變頻運行電流48A，B側風機工頻運行電流210A。詳見歷史曲線，圖2。

圖2 變頻切換工頻試驗歷史曲線圖

3.2 試驗結論

試驗驗證了“變切工”邏輯的正確性，考驗了變頻器運行的穩定性，檢驗了變頻器故障等極端工況下，引風機自動維持機組安全運行的可靠性。并且通過直觀地對比風機耗電量，體現了此次變頻器改造項目對機組節能工作的顯著貢獻。

4 節能效果分析

4.1 廠用電節能直接性經濟效益計算

變頻裝置調節風機轉速控制風機流量，根據流體力學原理，風機功率與轉速三次方成比例［2］，所以當機組變負荷運行時，風機轉速降低，功率按轉速的三次方成比例下降。

自設備2012年8月調試完畢后，系統一直穩定投運，經統計平均節約廠用電率0.25%左右，節能效果明顯。如果按照年發電任務量50億kW·h，上網電價0.37元計算，5 000 000 000kW·h×0.25%×0.37元=462.5萬元，即每年可以節約用電成本462.5萬元，一年即可收回設備投資。

4.2 間接性經濟效益分析

由變頻轉速調節取代擋板機構調節，減小了節流損失和執行機構的磨損，延長了執行擋板的使用壽命；另外，由于變頻器特性，降低了風機啟動負荷沖擊，減輕了風機的振動，有效地增加了風機和電機的使用壽命；還有，由于變頻器調節特性優于靜葉擋板調節裝置，更好地控制鍋爐爐膛壓力，有利于爐膛燃燒安全穩定。這些因素都為發電企業間接地節省了運營成本，提高了經濟效益。

5 結語

通過調試和運行考驗，變頻器滿足設計要求，穩定性和可靠性較好，并且節能效果明顯，提高了機組運行經濟性，達到了引風機變頻改造的目的。但是，由于此機組不是“引增合一”設計，脫硫系統設有一臺增壓風機，控制對象為增壓風機入口煙氣壓力，并且DCS系統獨立于主機分散控制系統，所以改造后可能引起脫硫系統控制特性改變，這是下一步工作值得思考和完善的部分。

［1］任素龍，謝秋花，李俊嬌.330MW機組引風機變頻節能改造分析［J］.河北電力技術，2013（12）：42-45.

［2］劉曉軍，肖麗崢.引風機變頻改造熱工邏輯設計與節電效果分析［J］.華電技術，2012（2）：71-73.