軸流式引風機變頻改造經濟性及問題分析

趙瑞峰

（山西京玉發電有限責任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

動葉可調式風機廣泛應用于電廠鍋爐的送、引風機系統，這些風機往往功率較大，對機組的廠用電率占比較大，是主要的耗能設備。某電廠2 臺引風機的耗電率占發電量的2%左右，是耗電量最大的2 臺輔機。隨著深調幅度的不斷增加，機組的負荷率最低可到達30%～40%，全年的深度調峰時長達到3 400 h，占到機組全年運行時間的45%左右。在深調期間，風機動葉開關可到20%左右，導致引風機長期工作在低效區，經濟性差，耗電率占比不斷升高。隨著大容量變頻器技術的不斷成熟，國內電廠已相繼完成變頻改造。因此，根據目前機組的運行工況，對2 臺引風機進行變頻改造。

1 系統改造概況

單臺機組配置2 臺風機并列運行，正常情況下，各帶50%負荷。鑒于設備安全可靠運行要求，采用一拖一、帶工頻旁路方案。原有工頻高壓開關啟停方式不變，新增加1 套變頻運行模式、配備旁路切換開關。旁路開關與輸出開關之間使用電氣互鎖和邏輯閉鎖，防止變頻器輸出與6 kV 電源側短路。變頻器具備工頻/變頻切換功能，變頻器可實現變頻到工頻的自動切換，也可由運行人員根據運行工況啟動引風機工頻運行。

2 空載運行

2.1 靜態檢查及試驗

變頻器靜態檢查[1]主要是檢查各電路元器件的安裝與接線是否正確牢固，系統的絕緣與接地是否安全可靠。常規檢驗合格后接通控制器電源、輔助電源，做二次回路調試，對測點、狀態指示、聯鎖邏輯、防誤系統和報警保護進行核對校驗，核對電源相序，試驗冷卻系統，與DCS 對點、開關回路進行傳動，檢驗各回路、開關和邏輯的正確性，模擬頻率指令，檢驗頻率跟蹤。

2.2 電機單體試運

為檢驗高壓回路，首先進行電機工頻旁路單體試運，確認電機轉向，切換主路變頻方式單機試運電機，再確認電機轉向。因本次改造電機為工頻、稀油潤滑電機，電機冷卻風扇與電機同軸，需重點檢驗低轉速下軸承冷卻效果、電機冷卻效果。在典型頻率25Hz、30Hz、40Hz、45Hz 和50Hz 下，分別試運行30min，檢驗軸承溫度、繞組溫度以及電機振動情況。

2.3 工/變頻切換試驗

工頻切換變頻模式下，電機工頻運行時在DCS發出切換指令或旁路開關故障跳閘，在旁路開關斷開后變頻器會自動跟蹤點擊轉速，將變頻器頻率自動匹配到相應頻率，切換為變頻模式。變頻切換工頻模式，此模式只能由操作人員手動切換，將變頻器頻率升至工頻頻率，發出切換指令，通過開關切換來實現變頻到工頻的切換。

3 帶載運行

3.1 單體帶載

1）變頻啟動1 臺引風機、風煙系統其他輔機配合啟動。逐步提高鍋爐總風量，手動調節變頻器出力，使爐膛負壓穩定在-100～0 Pa。記錄總風量與變頻器輸出頻率。

2）2 臺引風機并聯運行。逐步提高鍋爐總風量，手動調節變頻器出力，使爐膛負壓穩定在-100～0 Pa。記錄總風量與2 臺變頻器輸出頻率。記錄不同頻率及動葉開度下電機風機振動、電機風機軸承及繞組溫度。

3.2 風機并列運行

在正常運行中，2 臺引風機并列運行。在工頻方式下，只需調節風機動葉來匹配2 臺風機的出力。在變頻方式下，風機出力受動葉開度及電機頻率的共同影響，在帶載過程中需進行風機并列試驗，以找出最佳的并列運行方式。

1）將待并風機動葉開度與運行風機動葉開至一致，然后，逐步增加頻率，將風機并入。此方式在運行風機動葉開度較小時容易并列。運行風機動葉開度達到60%～70%時再增加頻率，2 臺風機出力不一致，會出現搶風現象，造成變頻風機過流跳閘。

2）將待并風機頻率與運行風機頻率調至一致，然后逐步開大動葉，將風機并入。此方式先增加轉速使2 臺風機的轉速一致（如過程中風機出力過大，可關閉運行風機動葉來減小出力），模擬工頻并列過程，無論動葉開度多大，均可順利將風機并列。

3）在運行中風機是變工況的，出力隨負荷的變化不斷變化，軸流風機的性能曲線呈馬鞍型，即風機的效率隨動葉開大而升高。當到達某拐點后，隨動葉開度增加，效率開始下降。如追求風機效率最高，則應盡量將動葉開度固定在拐點區域，通過調節頻率來控制風機出力。只有在滿頻后風機出力仍達不到需求，才通過開大動葉來增加風機出力。但是，在調整過程中發現，在固定頻率開大動葉的過程中，2 臺風機經常出現搶風現象，因此，運行中盡量不要調節風機動葉。即使犧牲一定的經濟性，也在并列初一次性將動葉開到滿足最大工況需求。

3.3 動態擾動

爐膛負壓調節系統自動給定不同的風量擾動值，幅度由小變大，來檢驗變頻器的調節性能。

2 臺引風機并列運行，變頻器投入自動調節，手動停運1 臺引風機，驗證RB 動作時引風機的自動調節性能。

4 存在的問題及解決方案

在風機變頻改造試運及調試過程中遇到的一些問題，有些已經解決或以妥協的方式解決，有些仍未找到問題的原因，在后續的運行過程中，需要重點解決。

4.1 電機冷卻問題

風機電機冷卻器與電機同軸，變頻器改造后，低頻下電機轉速低，會出現冷卻風量不足的情況。試運行時，在低頻時段運行2 h 以上檢驗電機的冷卻效果，如不能滿足電機冷卻需求，就應將冷卻風機改造為外置式風機。

4.2 工/變頻切換問題

進行工/變頻切換試驗時發現，在由工頻切換變頻時，因有變頻器介入，跟蹤轉速可做到無擾切換。但此方式只有變頻器故障檢修后切換時才可能用到，由于切換過程轉速有一定的衰減，切換后，變頻器需快速提升頻率以跟蹤運行風機，此過程中因動葉開度較大，頻率調節時對鍋爐負壓影響較大，還需根據負壓調整動葉，切換過程中需要考慮的因素較多，有一定的調整難度，相比工/ 變頻切換，工頻風機停運后再變頻啟動并列操作更加可靠。

由變頻切工頻時，因切換過程中轉速衰減出現轉速差，對電機、風機均有一定的沖擊。2 臺風機并列運行時，如1 臺故障跳閘切工頻，此時，另1 臺變頻風機需快速由頻率調節轉換為動葉調節，即快速提升頻率至工頻，關小動葉。由于變頻器開關的切換時間為秒級，而另一臺風機的調節速度至少在十幾秒內。在調節過程中因參與調節的量過多，會引發鍋爐負壓保護動作。同時，在切換時還需區分變頻器本身故障還是電機或電纜故障，可能出現保護誤判斷而切換在故障設備上。因此，選擇變頻器故障時直接跳閘觸發RB，舍棄變頻切工頻功能。

4.3 風機振動喘振問題

風機振動問題在試運過程中各頻率段均未出現，在低轉速時風機的振動正常，僅在41 Hz 時風機振動偏大，達到3.5 mm/s，但也在合格范圍內。在風機低轉速時，出口壓力會下降。但在全頻率下，風機均未出現喘振失速情況。

4.4 風機并列搶風問題

在風機并列運行調整風機動葉時，會出現風機搶風問題，且每次出現的頻率與動葉開度都是隨機的。在搶風時，另一臺風機會完全不出力，導致爐膛負壓出現大幅度波動。尤其在高負荷時，一旦搶風，會導致鍋爐負壓保護動作。目前，搶風的原因尚不完全清楚。因此，并列時盡量將動葉開到最大，只使用頻率調節。在后續的運行過程中，需要重點關注風機并列搶風問題，并加以解決。

4.5 調節速度問題

變頻器的頻率升、降因模塊過電壓的限制，調至全頻率最快為90 s，而風機動葉從全關到全開的行程時間為45 s。動葉調整改為頻率調整后，在正常工況下，變頻調整的調節特性優于動葉調整。但在事故狀態下，由于調節速率的限制，頻率調整要比動葉調整差。在故障工況下，需加大其他風機調節力度來共同完成故障工況下的調節。

5 節能效果

由于不同負荷下的節能效果不同，因此，先對比不同工況下的節能效果，再根據各負荷下的節能率及全年各負荷的運行時間，計算各負荷下全年的節能量。然后，計算全年的節能效果。計算2021 年改造后總的節電率以及全年的節電量，對其節能效果和經濟效益做出評估。

表1 為21 引風機和22 引風機改造前后，負荷段分別在130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 工況下的耗電量對比。

表1 各負荷段下引風機耗電量對比分析表

如表1 所示，隨著機組負荷的上升，機組變頻改造的節電率下降。為了更好地對引風機變頻改造經濟性進行分析評估，將2 號機組2021 年1—12 月機組負荷歷史數據生成負荷數據報表，分別劃分至130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 負荷段，對其進行統計，得出2021 年度各負荷段運行時間，其結果如表2 所示。

表2 各負荷段節電分析表

表2 中，分析了各負荷段節電狀況，根據每個負荷段的全年運行時間與總的運行時間比值作為權重比，再分別對每個負荷段節電率進行加權求和，得出2號機組各運行工況下的節電率加權和為32.02%，變頻改造后，全年總的節電量為6 622 160 kW·h。根據最新上網電價400.00 元/（MW·h）計算，2021 年全年運行6 989 h，可增加經濟收益264.87 萬元。

6 結論

6.1 運行可靠性

軸流式風機的變頻改造不同于離心式風機，需要綜合考慮頻率與動葉的配合調節，尤其是雙風機并列運行方式，改造后，由動葉單一變量變為動葉頻率雙變量調節，給熱工邏輯及運行調節帶來一定的挑戰。同時，因軸流式風機壓頭低、穩定較差，易出現搶風、喘振。在變頻模式下轉速降低后，并列運行風機對壓頭變化更加敏感，給運行調節帶來較大困難。

6.2 經濟性

根據節能計算，變頻改造后，在低頻段內節能效果明顯，在機組40%負荷率下，節電率可達到50%以上。隨著負荷率升高，節電率逐漸降低，機組為90%以上負荷、頻率為45 Hz 以上時，節電效果變差。滿頻運行時，能耗甚至高于工頻，這一規律也符合變頻器節能原理。因此，經濟性與機組的運行方式關系較大，如機組50%負荷率以下時間占到全年運行時間的30%以上時，則改造后的效益較明顯。如機組負荷率平均為70%，且調峰時間較少，則改造的效益就不太明顯了。