火電廠鍋爐風機變頻器改造與自動化控制設計

王旭星

（國能民權熱電有限公司，河南商丘 476821）

0 引言

火電廠的風機是鍋爐輸送燃料、氧氣和排煙的動力源，是火電廠中不可或缺的設施。風機的耗電量約占電廠用電總量的30%，能耗較高，在綠色環保的社會經濟發展理念下，需采取節能降耗措施。本文從風機變頻器改造和自動化控制設計兩個角度進行分析，并驗證改造措施的可行性[1]。

1 項目背景

某火電廠裝機容量550 MW，一期、二期分別采用125 MW、137.5 MW 燃煤機組，均為2 臺。4#鍋爐燃燒系統內置送風機和引風機各2 臺，甲、乙送風機及乙引風機為單速電機帶液偶調節，根據節能降耗的項目要求，僅保留甲引風機的液偶調節，其他均改造為變頻器調節機制，適配無諧波高壓變頻器。原來的分散控制系統（DCS）自動調節鍋爐風量和爐膛壓力，兩臺送風機和乙側引風機的變頻器滿足工況要求[2-3]。

2 風機變頻器改造方案

2.1 電氣控制系統

在鍋爐風機中使用變頻器，可以利用輸出端所發出的信號對風機電壓進行調整，利用相關的程序對變頻器進行有效的控制。鍋爐膛內設置了壓力傳感器，能夠對爐內的風壓進行實時監測，還可以將監測到的相關數據反饋給變頻器控制系統，這樣系統就能夠發出指令，為變頻器控制提供有效的數據支持（圖1）。實際應用過程中，變頻器系統會根據檢測到的爐膛內壓力信號對變頻器進行控制，得到風機電機的輸入頻率，對風機的轉速進行實時調節。變頻器設置在400 V 開關室內，一次整體規劃布置。為變頻器柜加裝通風散熱風道，改善變頻器小室的通風散熱條件，要求風量保持穩定，不由于外加風道而導致風量異常降低。風道四周與風機四周的距離至少為30 cm，風機罩不得覆蓋電源進線。風道出口增設鐵絲網，防止異物進入，并設防塵吸入臨時蓋板固定孔；風道出口向下傾斜，避免風道積水。小室的進風口帶濾網，密封門窗。變頻器總發熱量按每臺20 kW 計算，適配空調機用于降低小室溫度。

圖1 變頻器系統結構

變頻器的下進線由電纜隧道引出，在引風機、送風機電機與開關間配套變頻裝置，利用原廠用電6 kV輔機電源開關，保留原工頻回路做旁路。通過高壓動力電纜連接變頻器與開關室、變頻器與電機，發揮既有電纜的利用價值，減少線纜敷設工作量。在前移電機之前，應考慮原高壓電纜余量。

雙路電源切換，一期從1#、2#機400 V 廠用電各引一路電源，二期從3#、4#機400 V 廠用電各引一路電源，滿足小室空調、變頻器低壓控制裝置、通風設施等的用電需求。6 kV 電源經變頻裝置輸入刀閘至高壓變頻裝置，經旁路刀閘啟動電機，變頻輸出裝置經出線刀閘送至電機。

2.2 邏輯控制系統

DCS 集中控制變頻器，變頻電機各項運行參數均由DCS 自動控制。改造后，取消液偶勺管的操作控制，保留電機開關的控制操作，增加變頻器的操作控制，提供就地控制和遠程控制兩種模式，供員工視實際工作條件靈活選擇：就地控制模式下，員工實地操作，對變頻器遠方操作無效；遠程控制模式下，DCS 輸出的轉速命令信號跟蹤變頻器轉速反饋。變頻器受DCS 控制時，提供手動、自動兩種操作方式。

改造設計中，調節變頻器控制的送、引風機啟動條件，改為對應變頻器控制信號、隔離開關位置的綜合判斷信號，取消“液偶開度小于10%”的條件。

2.3 電機與風機連接方案

根據既有裝置運行現狀，初步提出兩種方案，做對比分析與選擇：

方案1：電機前移，用聯軸器連接電機和風機軸。在停爐后拆除液力耦合器和附屬油水管路，在液偶和電機的基礎鉆4 個深800～1000 mm、孔徑超過100 mm 的孔，以便電機的前移和安裝。在新電機處鑿毛，清理雜物，重新安裝電機，二次灌漿處理。新配一只半聯軸器，或改造原聯軸器。成本方面，每臺電機的土建、安裝費用約5000 元，4 個鉆孔的費用約5000 元，合計10 000元。此改造方案的優勢在于提升裝置的可靠性，創設便捷的日常運行維護條件，但工期較長。

方案2：電機與風機軸采用過渡軸及聯軸器直連，電機的位置不做改動。在停爐后拆除液力耦合器和附屬油水管路，在裝置基礎上方設過渡軸，電機與風機軸穩定連接。此方案的優勢在于施工效率高，風機停運1 d 時間內便可完成各項改造工作；不足之處在于操作難度大、精度高。例如，過渡軸及1 對聯軸器的重量超過300 kg，對重物找中心時難度較大，且過渡軸的位置可能在風機停運后發生變化，致使軸的中心偏離正常位置，嚴重時導致聯軸器銷子受損。成本方面，中間過渡軸的費用約為1 萬元，且由于新增聯軸器導致傳動效率降低，裝置運行可靠性變差，故障發生率高。

兩項方案的成本基本相同，但方案1 的安全性良好、裝置運行可靠，因此選擇方案1，即通過聯軸器直聯前移的電機和風機軸。此方案的注意事項為：

（1）按15 d 土建及安裝改造工期進行設計，保障安全，提高質量，縮短時間。

（2）送/引風機電機改造時，雖然需考慮甲、乙兩側，但兩部分的結構一致。

（3）根據各風機軸功率確定聯軸器的型號，條件允許時盡可能采用原風機側的半聯軸器，提高既有資源的利用價值；改造原液偶輸出軸的半聯軸器時，可以采取重新加工配對或優化軸孔的方法。鍵與鍵槽的尺寸各異，需精準控制各自的長度、深度和高度，并考慮新舊國標的具體標準，做好協調。配對加工彈性柱銷齒式聯軸器的齒孔，應嚴格控制加工尺寸。

3 自動化控制設計

3.1 送風自動調節系統

送風調節系統負責供風，以滿足爐膛內燃料燃燒對風量的要求，控制機理是由調節系統控制送風機變頻器指令，從而調節風機轉速，最終進入爐內的風量將由于轉速的變化而發生改變，使燃料經濟燃燒，減少不必要的送風機電力資源消耗。

進入爐內風量變化到鍋爐尾部氧量信號的反映需耗費一段時間，且此過程具有動態變化的特性。為此采用雙支氧化鋯測量氧量信號，再根據測量結果采取補償措施，提供適宜的氧量。甲、乙側氧量偏差大、氧量變送器發生故障、氧量調節器入口偏差較大時，均調整為手動控制模式，由專員以裝置實際運行狀態為準，用軟手操增減氧量定值，盡快恢復正常運行狀態。

根據經煙氣含氧量修正后的風量信號控制風量調節器的被調量。送風控制系統應保持富氧燃燒狀態，即鍋爐燃燒時的送風量始終超過燃料量，而此運行狀態取決于以下3 個信號的最大值，分別為協調控制的能量需求指令信號、燃燒控制系統的熱量需求指令、最小風量定值（30%額定風量）。通過風量調節器的輸出控制變頻器，以維持良好運行狀態。根據自動化控制目標，將4#爐甲、乙側送風機均調節為變頻控制機制，兩者均具備自動調節的功能。送風機的轉速由送風自動調節系統控制，先控制兩側變頻器、再調節風機轉速。

3.2 引風（爐膛負壓）調節系統

通過調節引風機轉速加之送風系統的輔助，始終將鍋爐壓力穩定在合適的區間內。爐膛壓力采用3 個變送器取中值測量，調節系統采用前饋控制，具體調控方式根據送風量指令信號而定。為爐膛負壓調節系統設計方向閉鎖控制，爐膛壓力偏低時，提高自動閉鎖引風機轉速；爐膛壓力偏高時，則降低該風機轉速，以動態調控的方式使爐膛壓力始終維持穩定。

引風自動調節系統調控功能通過控制乙側變頻器、控制引風機轉速而實現（圖2）。4#爐甲側引風機仍保持原工頻定數運行，乙側引風機調整為變頻控制、參與自動調節。變頻器退出運行后，引風自動控制則通過調節液力耦合器勺管的方式進行。

圖2 為引風調節系統原理

4 變頻改造后的節能性能評估

在負荷工況保持一致的條件，對改造前、后4#爐的兩臺送/引風機的耗電量進行分析，評估變頻改造的節能效果。

4.1 改造前的耗電量

改造前，多種負荷段調節工況時，各引風機和送風機的功率結果如表1 所示。

表1 改造前送/引風機的消耗功率 kW·h

每臺機組的年運行時長取6000 h，機組負荷水平按照80 MW 運行時間為35%、105 MW 運行時間為50%、120 MW 運行時間為10%、137.5 MW 運行時間為5%加權平均為條件計算，則4 臺風機的年耗電量為：

4.2 改造后的耗電量

試驗工況點考慮的是機組80 MW 負荷、105 MW負荷、120 MW 負荷、137.5 MW 負荷，并檢驗4#爐送/引風機在各工況點間的調節性能。分析發現，甲、乙引風機和送風機在負荷為80～137.5 MW 內平衡調節。在穩定工況點，鍋爐的運行時間不短于60 min，應確保漏風量被控制在許可范圍內，同時一、二次風分配值合理。改造后，4 臺風機在各負荷段的運行功率如表2 所示。

表2 改造后送/引風機的消耗功率 kW·h

改造后，根據4 臺風機的功率計算年耗電量為719.42×104kW·h。

4.3 節能性能評估

改造前、后，風機年耗電量分別為719.42×104kW·h、896.31×104kW·h，改造后年耗電量節約176.89×104kW·h，電價0.32 元/kW·h，單臺爐年節約費用約176.89×0.32＝56.6 萬元，投資回收年限約282/56.6＝4.98 年。

根據耗電量、成本的對比分析結果可知，改造后節電效果大幅提升，且在機組中、低負荷段運行時體現得更為明顯。經計算，在單側送、引風機采取變頻控制策略后，每臺爐年減少耗電量176.89×104kW·h，有良好的節能效果。由于用電量減少，還可節約成本，因此具有良好的生態環境效益和經濟效益。

5 結束語

綜上所述，火電廠的風機能耗較高，為此采取變頻改造策略，并設計自動化控制系統后，每臺爐廠用電率降低約0.3%，節能降耗效果良好。改造后進行長期觀察，風機未見異常振動、功能失效等問題，裝置運行安全。因此，本火電廠鍋爐的變頻改造策略及自動化控制策略具有可行性，可為類似項目提供參考。