一次风机变频改造及节能分析
摘要：介绍了某电厂一次风机的变频改造方案，给出了一套可靠的控制策略。比较了一次风机变频控制和工频控制的节能效果，阐述了变频控制技术在电厂节能降耗的效果，对降低厂用电率，提高机组运行效率有很大的意义。
关键词：一次风机;变频改造;控制策略;节能
Abstract: A certain power plant is introduced of the primary air fan frequency converter design, and design a reliable control strategy for the primary air energy-saving effect of adopting transducer fore-and-aft is compared, which has practical meaning on reducing power plant curl consumption and increasing unit running efficiency.
Key words: induced draft fan; frequency converter reconstruction; control strategy; energy-saving
1引言
在火力发电厂中，一次风机是最主要的耗电设备之一，这些设备都是长期连续运行并常常处于变负荷运行状态，其节能潜力巨大。发电厂辅机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。随着电力行业改革的不断深化，厂网分家、竞价上网等政策的逐步实施，降低厂用电率，降低发电成本，已成为发电厂努力追求的经济目标。在目前电力短缺的情况下，厉行节能，已经被推到了能源战略的首位。
2设备概述
华电集团某电厂一期工程采用2×330MW国产亚临界、燃煤空冷抽汽凝汽式供热机组，锅炉、汽轮机均采用上海电气集团公司设备。其中锅炉型号SG-1170/，为亚临界参数汽包炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。每台锅炉配四台钢球磨煤机，一次风机为静叶可调轴流风机。
3 一次风机变频改造方案
%
主要设计原则
目前，交流调速取代其它调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流调速技术是节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速、启动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果、广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。
一次风机变频改造具体设计原则如下：
(1) 原厂内一次风机运行方式改造为变频调速方式;
(2) 设置相应的变频小间。
静叶可调轴流风机在运行中存在的问题
在锅炉一次风机容量设计时，单侧风机运行时具备带75%负荷运行的能力，这主要是从机组运行的安全性出发的;当失去一侧一次风机时，机组还能带75%的负荷运行。所以当双侧风机运行，机组带满负荷时，一次风机的设计余量在20%～30%左右，风门开度一般为50%左右。由于火力发电厂的发电负荷一般在50%～100%之间变化，一次风机不能调速，只能靠改变风机静叶的角度来调节风量，造成了很大的节流损失，其设备效率仅在40%～60%。调节性能也不能很好的满足锅炉燃烧能力及稳定性运行需要，所以有必要对一次风机进行节能和调节性能改造，来满足机组整体调节性能需要。这就为一次风机的变频调速节能改造造就了巨大的潜力。
静叶可调轴流一次风机变频改造方案
为了保证系统的可靠性，系统选用“一拖一”断路器自动旁路，即将每台高压变频器加装自动旁路装置。变频运行时：断开QS3，闭合QF1、QS1和QS2;工频运行时：断开QS1和QS2，闭合QF1和QS3。一次风机变频控制接线示意图见图1所示。
图1 一次风机变频控制接线示意图
|
6kV电源经用户真空开关QF1，变频装置进线断路器QS1到高压变频调速装置，变频装置输出经出线断路器QS2送至电动机;6kV电源还可以经旁路断路器QS3直接起动电动机。变频装置的输出断路器QS2和旁路断路器QS3互相闭锁，即QS2和QS3不能同时闭合。变频装置的输出断路器QS1和旁路断路器QS3互相闭锁，即QS1和QS3不能同时闭合。
变频旁路的作用为：当变频装置工程检修时，可手动摇出断路器，形成明显断电点，能够保证人身安全;当变频装置出现故障时，也可停止并手动摇出断路器，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。
变频器采用DCS控制，通过4～20mA的调速信号，根据入口风压控制变频器的输出频率，并由DCS输出信号，控制变频器的启动和停止。变频器还可以向DCS反馈运行、停止、准备好、报警、故障等状态信号，以及变频器的电流、电机转速等模拟量信号。
4 一次风机变频控制策略
SCS控制策略
一次风机启停顺控部分在原有的一次风机工频方式启、停的基础上，加入了变频方式启、停按钮和工频/变频切换按钮。在操作画面上增加一次风机A/B变频器模拟量控制手操器，实现CRT画面上可以对一次风机A/B变频器控制，进行手动或自动投切控制。增加一次风机A/B变频器SCS手操器，实现CRT画面上手动启停变频器，增加一次风机A/B变频器QS1，QS2，QS3开关SCS手操器，实现CRT画面上分合QS1，QS2，QS3开关。
一次风机运行信号处理
变频运行信号(AND)：QS1合闸状态、QS2合闸状态、一次风机高压断路器合闸、一次风机变频柜运行指示;
工频运行信号(AND)：QS1分闸、QS2分闸、QS3合闸、一次风机高压断路器合闸。
一次风机变频方式启动
|
启动前应具备的条件：变频器现场调试完毕，柜门已关，变频器220VAC控制电源已供，6kV进线断路器、进线QS1、出线QS2、旁路QS3断路器在工作位置。
一次风机变频器启动允许条件(AND)：变频器待机指示、无变频器故障信号、无变频器重故障信号、变频器进线QS1合闸、变频器进线QS2合闸、变频器进线QS3分闸、一次风机变频频率给定值为大于38小于44的指令。
当一次风机按照原来的启动步骤，进行到启动一次风机这一步前，不要发启动一次风机指令，必须按照以下步骤进行，该步骤做一个帮助画面，运行人员按照步骤手动操作：断开QS3;合上QS1;合上QS2;一次风机停止;“远程/就地”在远程状态;变频器合220VAC控制电源、合UPS、合输出空开后，在进线断路器和出线断路器都合闸的情况下，系统自检通过后，变频器发上电允许信号，允许合主开关。; DCS合6kV进线断路器，变频器充电自检，通过后变频器向DCS发送“启动允许”信号。满足条件后才能启动变频，启动一次风机变频器，DCS 给变频器发“远程启动”信号和“转速给定”信号，变频器启动。
正常变频启动时，如果变频器故障，无法变频器方式启动，可以通过旁路柜工频启动，手动操作步骤：先断QS1、QS2，QS1、QS2断开后再合QS3，QS3闭合后再合高压断路器主开关(即启动一次风机)，完成一次风机工频运行。
一次风机变频方式停止
停止允许条件：分闸主开关在合闸位、QS1，QS2在合位、给定的4-20mA信号设定在20Hz左右。“远程/就地”在远程状态，DCS发出“远程停止”信号停止一次风机变频器。
QS1进线接触器分闸条件为一次风机没有变频运行和一次风机高压断路器分闸状
态;QS2出线接触器分闸条件为一次风机高压断路器分闸状态和一次风机没有变频运行;QS3旁路接触器分闸条件为一次风机高压断路器分闸状态。
一次风机变频控制联锁保护逻辑
(1)一次风机变频器故障
变频器轻故障由变频柜发“变频器轻故障报警”信号至DCS，此时变频器继续运行，运行人员立即接地检查，并通知维护人员，根据变频器报警信号的信息排除隐患后就地报警复位。
'
如变频器发生故障，变频器发送“变频器重故障”信号至DCS，此时变频器自动发指令跳开QS1、QS2,变频器停止运行，延时后变频器发送“旁路允许”信号至DCS，2S后自动由DCS 发指令合旁路断路器柜(合QS3)。机组由变频切换至工频运行。同时DCS收到“变频器重故障”信号后，DSC自动发出指令将一次风机静叶的开度关到40%，到位后由值班员依据当时负荷情况手动调整。
(2)一次风机高压断路器保护跳闸条件
一次风机高压断路器保护跳闸条件(OR)：原一次风机跳闸条件、变频运行时跳闸QS1、变频运行时跳闸QS2、变频运行变频器发重故障、QS3运行时跳闸、QS1,QS2,QS3都在分闸状态。
QS1进线接触器保护跳闸条件(OR)：QS2分闸状态延时1s发2s脉冲信号、一次风机跳闸条件。QS2出线接触器保护跳闸条件(OR)：QS2分闸状态延时1s发2s脉冲信号、一次风机跳闸条件。原有的一次风机跳闸回路中增加高压变频器重故障切旁路运行不成功联跳一次风机功能，工频方式下该条件被闭锁。
MCS控制策略
一次风压有工频控制和变频控制两种方式：一次风机变频运行，将一次风机静叶全开，由一次风机变频控制调节一次风压;一次风机工频运行，调节一次风机静叶开度控制一次风压。在一次风机处于变频控制并投自动运行时，相应的一次风机静叶执行机构开至100%，此时，该静叶执行机构处于手动操作状态。另外，每台一次风机变频控制和工频控制自动相互闭锁，即同一时刻只能有一种方式处于自动状态。两种控制方式分别由独立的PID调节器进行控制，不产生相互耦合。
变频方式自动控制逻辑
一次风压两种自动控制方式由运行人员根据实际情况任选一种，两种自动控制方式不能同时投用。当一次风机静叶投入自动时，将会闭锁A、B高压变频器转速投自动。当A、B 一次风机均处于变频方式运行时，设置专门的变频控制逻辑，A、B一次风机静叶保持开足(具体位置可根据节能对比试验后确定)，通过控制一次风机电机的频率(转速)，改变一次风机出力来调节一次风压。一次风压测量值与一次风压设定值比较的偏差经新增PID运算后输出一次风机变频控制指令，作用在二台变频器上，当一台变频器因故障退出运行后，另一台变频
器立即增加相应幅度的指令，单风机运行期间独立承担一次风压的调节。一次风压设定值由A一次风机变频器操作器进行设定，B一次风机变频器操作器进行偏置设定。
RB联锁逻辑设计
变频状态下原一次风机保护跳闸条件不变;一次风机工作方式切换时，自动闭锁该切换风机RB连锁功能一段时间(暂定5S)，若切换失败再触发RB保护动作;一次风机工作方式切换时，运行人员可考虑适当选取几支油枪投人对锅炉进行稳燃;工频风机跳闸直接产生机组RB。
<
通过在DCS中进行逻辑组态，实现一次风机跳闸快速切负荷(RB)的功能。负荷在200Mw 以上，一次风机快速切负荷产生条件：两台引风变频运行时，若一台跳闸，则触发RB;两台工频运行时，一台运行中跳闸，触发RB。RB触发以后将进行以下操作：自动投入互为对角的两支油枪;切除一半的给粉机;以150 MW/min的速率快速降负荷至180MW;关闭过热器一级减温水电动阀、关闭过热器左侧和右侧二级减温水电动阀、关闭再热器左侧和右侧减温水电动阀;停运同侧的送风机，并且关闭其送风机出口挡板和动叶;停运部分磨煤机。
5 节能分析
变频调速装置是根据风机的压头(扬程)——流量特性实现变速变流量控制。一般来讲，风机具有以下特点：
，，式中：，为流量，; ，为转速，; ，为功率，kW; ，为扬程(压头)，m(或Pa)。即流量与转速成比例;扬程与转速的平方成比例;功率与转速的3次方成比例，变频调速装置的节能量计算依据上式而来。
负荷分配模式按机组年运行小时数为6200小时、年利用小时数5000小时考虑。见下表：
负荷年运行小时数年利用小时数
100%额定出力
75%额定出力
≤50%额定出力1400700
总计
@
依据上表实际工况计算变频功率，公式如下：
变频调节功率P=轴功率x百分率3/(变频器效率x电动机效率)
结果如下：
运行情况
设备名称100%额定出力75%额定出力50%额定出力
一次风机366
在上述负荷分配模式下，单台一次风机电机每年可节约的电量约为：
2600 kW×6200 h - 2928 kW×2800 h -1235 kW×2000 h - 366 kW×1400 h= MWh
可见，全厂两台机组的四台一次风机电机全年可节约电量MWh。
6 结束语
一次风机变频控制改造完成后，可以实现两台一次风机不同工作方式组合运行，保证一次风机自动均能正常投入。由于变速调节没有了入口静叶挡板，节流损失明显减小，获得了显著的节能效果，特别是在低负荷运行情况下，节电效果十分显著，减少了发电成本，提高了机组运行的经济性。
参考文献：
[1] 李青，高山，薛彦廷.火力发电厂节能技术[M]，中国电力出版社，2007年
[2] 林沛文.一次风机变频改造的DCS逻辑设计与应用[J].自动化博览，2013年第6期
[3] 施永刚.火电厂一次风机变频控制的节能分析[J].电源技术应用，2012年第10期