引風(fēng)機(jī)變頻器改造控制優(yōu)化及節(jié)能效果分析

張?zhí)旆?陳 娟

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

1 系統(tǒng)概述

內(nèi)蒙古華電集團(tuán)某電廠2臺(tái)600MW亞臨界燃煤空冷汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的B&WB-2080/17.5-M型鍋爐，為亞臨界參數(shù)，一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、鍋爐房緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型汽包鍋爐；汽輪機(jī)采用哈爾濱汽輪機(jī)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(jī)；發(fā)電機(jī)采用哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的QFSN-600-2YHG型氫冷發(fā)電機(jī)。引風(fēng)機(jī)為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，型號(hào)為YKK1000-8，額定電流332A，額定電壓10kV，電機(jī)功率5 000kW。

靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)和初期投入費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，所以新建燃煤機(jī)組大量采用此類風(fēng)機(jī)［1］。但是，由于此類風(fēng)機(jī)不能調(diào)速，只能改變風(fēng)機(jī)靜葉角度調(diào)節(jié)風(fēng)量，節(jié)流損失大，風(fēng)機(jī)效率低。并且由于燃煤機(jī)組的變負(fù)荷運(yùn)行特性和風(fēng)機(jī)負(fù)荷設(shè)計(jì)裕量考慮，往往使風(fēng)機(jī)運(yùn)行偏離理論高效區(qū)，所以增加了廠用電的消耗。因此機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，考慮到引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速所蘊(yùn)含的巨大節(jié)能潛力，集團(tuán)決定進(jìn)行引風(fēng)機(jī)變頻器改造項(xiàng)目。

2 變頻器控制方案

2.1 電氣一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本工程設(shè)計(jì)依系統(tǒng)要求，采用“一拖一自動(dòng)旁路”電氣回路設(shè)計(jì)，單套變頻器帶一臺(tái)引風(fēng)機(jī)工作，每臺(tái)機(jī)組配置兩套變頻器。

圖1 引風(fēng)機(jī)變頻裝置電氣一次系統(tǒng)示意圖

圖中QF1、QF2和QF3是三臺(tái)斷路器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方或就地合分操作。QF3和QF2具有電氣閉鎖，保證不能同時(shí)合閘。當(dāng)變頻器故障時(shí)，回路可以自動(dòng)切換至QF3旁路，使電機(jī)可以在工頻電源下正常工作，自動(dòng)或手動(dòng)斷開QF1和QF2，隔離變頻器，保證檢修人員安全情況下進(jìn)行檢修。

此種設(shè)計(jì)可以滿足兩種風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式，即變頻運(yùn)行方式和工頻運(yùn)行方式。

變頻運(yùn)行方式：主開關(guān)合閘，QF1、QF2閉合，QF3斷開，并且變頻器合閘；

工頻運(yùn)行方式：主開關(guān)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(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)被控對(duì)象為鍋爐爐膛壓力，改造前通過PID調(diào)節(jié)器計(jì)算指令驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)靜葉執(zhí)行器，并且設(shè)計(jì)有指令偏置自適應(yīng)回路，設(shè)定兩側(cè)風(fēng)機(jī)指令偏置防止風(fēng)機(jī)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(dāng)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，根據(jù)爐膛壓力與設(shè)定偏差，通過新的PID調(diào)節(jié)器計(jì)算指令驅(qū)動(dòng)變頻器動(dòng)作，改變風(fēng)機(jī)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(dòng)控制方式由運(yùn)行人員選擇，但是互相閉鎖，不能同時(shí)投入兩種自動(dòng)狀態(tài)，保持控制方式的獨(dú)立性，防止相互耦合。變頻運(yùn)行時(shí)，限制風(fēng)機(jī)靜葉開度上限為75%，規(guī)程規(guī)定靜葉固定保持在此開度，允許變頻器投自動(dòng)。

2.2.2 運(yùn)行信號(hào)判斷

由于改造后風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式的改變，原有邏輯中對(duì)應(yīng)的“風(fēng)機(jī)運(yùn)行”信號(hào)和“風(fēng)機(jī)停止”信號(hào)需要重新定義，即“風(fēng)機(jī)運(yùn)行”信號(hào)包括“變頻運(yùn)行方式”或“工頻運(yùn)行方式”；反之，風(fēng)機(jī)狀態(tài)判斷為“風(fēng)機(jī)停止”。但是需要注意的是，判斷“風(fēng)機(jī)停止”或未運(yùn)行信號(hào)時(shí)，應(yīng)預(yù)留出由于變頻器回路故障或停運(yùn)后，自動(dòng)切換工頻旁路運(yùn)行的一段時(shí)間（機(jī)組負(fù)荷420MW以下5s，420MW以上6s），即“變切工”工況風(fēng)機(jī)允許的惰走時(shí)間。

2.2.3“變切工”邏輯

當(dāng)變頻器故障或跳閘不能維持正常運(yùn)行時(shí)，必須由程序立即自動(dòng)切換至旁路工頻運(yùn)行，聯(lián)鎖斷開QF1和QF2，然后自動(dòng)合閘QF3，同時(shí)自動(dòng)將該側(cè)的引風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板執(zhí)行器指令降至負(fù)荷對(duì)應(yīng)開度，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。在切換過程的時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生引風(fēng)機(jī)停運(yùn)信號(hào)，完成變切工動(dòng)作；若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有完成，則判定為變切工失敗，斷開高壓主開關(guān)，如果負(fù)荷在50%以上還要發(fā)生引風(fēng)機(jī)RB。

表1 變頻切換工頻引風(fēng)機(jī)入口調(diào)節(jié)擋板指令與機(jī)組負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

引風(fēng)機(jī)高壓主開關(guān)合閘信號(hào)和變頻器運(yùn)行記憶信號(hào)（QF1合閘、QF2合閘、與變頻器運(yùn)行三個(gè)信號(hào)），作為自動(dòng)變切工允許條件。另外，QF3合閘、變切工失敗、變頻器遠(yuǎn)程停止、高壓主開關(guān)分閘、工頻運(yùn)行信號(hào)，任一條件滿足作為變頻器運(yùn)行記憶的復(fù)位條件。

可以產(chǎn)生自動(dòng)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(yùn)行。

3 變頻切換工頻運(yùn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

首先，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻模式啟動(dòng)，兩側(cè)引風(fēng)機(jī)投入自動(dòng)控制模式，變頻器通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)鍋爐爐膛壓力，使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在-100Pa附近。然后在機(jī)組負(fù)荷420MW左右，觸發(fā)B側(cè)引風(fēng)機(jī)變頻器故障跳閘，聯(lián)鎖B側(cè)引風(fēng)機(jī)“變切工”動(dòng)作，B側(cè)靜葉反饋由75%降至35%位置，風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)，同時(shí)A側(cè)風(fēng)機(jī)自動(dòng)全程投入，通過調(diào)節(jié)變頻指令，控制爐膛壓力穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。沒有觸發(fā)機(jī)組引風(fēng)機(jī)RB動(dòng)作和機(jī)組跳閘。從變頻故障開始至爐膛壓力穩(wěn)定，整個(gè)過程大約50s，其中爐膛壓力最大值-21Pa，最小值-428Pa。穩(wěn)定后，A側(cè)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行電流48A，B側(cè)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行電流210A。詳見歷史曲線，圖2。

圖2 變頻切換工頻試驗(yàn)歷史曲線圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)驗(yàn)證了“變切工”邏輯的正確性，考驗(yàn)了變頻器運(yùn)行的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)了變頻器故障等極端工況下，引風(fēng)機(jī)自動(dòng)維持機(jī)組安全運(yùn)行的可靠性。并且通過直觀地對(duì)比風(fēng)機(jī)耗電量，體現(xiàn)了此次變頻器改造項(xiàng)目對(duì)機(jī)組節(jié)能工作的顯著貢獻(xiàn)。

4 節(jié)能效果分析

4.1 廠用電節(jié)能直接性經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

變頻裝置調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)機(jī)流量，根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速三次方成比例［2］，所以當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，功率按轉(zhuǎn)速的三次方成比例下降。

自設(shè)備2012年8月調(diào)試完畢后，系統(tǒng)一直穩(wěn)定投運(yùn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均節(jié)約廠用電率0.25%左右，節(jié)能效果明顯。如果按照年發(fā)電任務(wù)量50億kW·h，上網(wǎng)電價(jià)0.37元計(jì)算，5 000 000 000kW·h×0.25%×0.37元=462.5萬元，即每年可以節(jié)約用電成本462.5萬元，一年即可收回設(shè)備投資。

4.2 間接性經(jīng)濟(jì)效益分析

由變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)取代擋板機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，減小了節(jié)流損失和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損，延長(zhǎng)了執(zhí)行擋板的使用壽命；另外，由于變頻器特性，降低了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)荷沖擊，減輕了風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，有效地增加了風(fēng)機(jī)和電機(jī)的使用壽命；還有，由于變頻器調(diào)節(jié)特性優(yōu)于靜葉擋板調(diào)節(jié)裝置，更好地控制鍋爐爐膛壓力，有利于爐膛燃燒安全穩(wěn)定。這些因素都為發(fā)電企業(yè)間接地節(jié)省了運(yùn)營成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

通過調(diào)試和運(yùn)行考驗(yàn)，變頻器滿足設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定性和可靠性較好，并且節(jié)能效果明顯，提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到了引風(fēng)機(jī)變頻改造的目的。但是，由于此機(jī)組不是“引增合一”設(shè)計(jì)，脫硫系統(tǒng)設(shè)有一臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)，控制對(duì)象為增壓風(fēng)機(jī)入口煙氣壓力，并且DCS系統(tǒng)獨(dú)立于主機(jī)分散控制系統(tǒng)，所以改造后可能引起脫硫系統(tǒng)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(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造分析［J］.河北電力技術(shù)，2013（12）：42-45.

［2］劉曉軍，肖麗崢.引風(fēng)機(jī)變頻改造熱工邏輯設(shè)計(jì)與節(jié)電效果分析［J］.華電技術(shù)，2012（2）：71-73.