動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)安全節(jié)能型變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武廣富 莊劼/上海明華電力技術(shù)工程有限公司

陳捷 孫堅(jiān)/上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司

動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)安全節(jié)能型變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

武廣富 莊劼/上海明華電力技術(shù)工程有限公司

陳捷 孫堅(jiān)/上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司

0　引言

電站軸流風(fēng)機(jī)［1-4］在運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷率下降導(dǎo)致低負(fù)荷時(shí)軸流式風(fēng)機(jī)效率較低，因此對軸流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造成為降低廠用電率的一種手段，但若簡單將軸流式風(fēng)機(jī)動葉全開，全部利用變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出力，在部分工作區(qū)域會出現(xiàn)搶風(fēng)失速等故障，這是由于變頻方式下風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)超出了正常運(yùn)行范圍所致［5］，因此，選擇合理的動葉開度和變頻幅度才能最大限度發(fā)揮軸流式風(fēng)機(jī)變頻的節(jié)能效果，所以，對動葉軸流式風(fēng)機(jī)變頻控制優(yōu)化很有必要。

1　變頻安全性預(yù)測

電機(jī)變頻改變輸出頻率與電壓，也就是改變了電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使電機(jī)運(yùn)行曲線平行下移。變頻調(diào)節(jié)是指利用變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在負(fù)載較大時(shí)啟用高速控制，在負(fù)載較小時(shí)啟用低速控制，保持風(fēng)機(jī)在較高的效率區(qū)工作，達(dá)到節(jié)能降耗的效果［6-7］，其控制原理同圖1。曲線Ⅰ為電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下風(fēng)機(jī)壓頭流量性能曲線，曲線Ⅱ?yàn)殡姍C(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)下風(fēng)機(jī)壓頭流量性能曲線，曲線Ⅲ為介質(zhì)流通管道阻力特性曲線，曲線Ⅰ，Ⅱ與曲線Ⅲ的交叉點(diǎn)即為實(shí)際工作點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉型、葉角相同時(shí)，在高速和低速時(shí)風(fēng)機(jī)壓頭流量性能曲線基本相似，只是壓頭和流量均有所下降，根據(jù)流體力學(xué)基本原理，風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n的一次方成正比，風(fēng)壓P與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率N與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)量減少，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其功率降低很多。

風(fēng)機(jī)變頻改造后，在相同的動葉開度下風(fēng)機(jī)全壓、流量和功率均發(fā)生明顯變化，變化幅度與風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器開度線性相關(guān)。因此，風(fēng)機(jī)變頻方式下性能與風(fēng)機(jī)動葉和變頻器開度直接相關(guān)。但是，變頻僅是對風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的調(diào)整，而風(fēng)機(jī)的葉型、規(guī)格、轉(zhuǎn)矩等并不會因?yàn)檗D(zhuǎn)速降低而發(fā)生變化，因此其對空氣的做功能力與工頻狀態(tài)完全一致，無論風(fēng)機(jī)是在工頻或變頻方式，其均需滿足鍋爐正常運(yùn)行所需的工藝參數(shù)要求。因此，判斷風(fēng)機(jī)變頻方式下能否安全運(yùn)行，實(shí)質(zhì)上只要將變頻方式下風(fēng)機(jī)仍需滿足的性能參數(shù)推算至工頻狀態(tài)的性能參數(shù)，判斷其是否離開其允許的特性曲線范圍，若其離開安全范圍，則表明風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)已經(jīng)超出自身工作能力，必然會導(dǎo)致失速、喘振等問題。

以典型的300MW燃煤機(jī)組引風(fēng)機(jī)為例，工頻轉(zhuǎn)速為990r/min，在全負(fù)荷范圍內(nèi)進(jìn)行變頻改造。將引風(fēng)機(jī)參數(shù)折算至工頻方式的參數(shù)模擬計(jì)算，在全負(fù)荷范圍內(nèi)引風(fēng)機(jī)動葉開度變化范圍30％～90％，變頻器開度分別為100％、90％、80％、70％、 60％，比較其參數(shù)是否超過臨界參數(shù)。由于風(fēng)機(jī)的特性決定其全壓是導(dǎo)致其不安全的決定性因素，因此僅對風(fēng)機(jī)計(jì)算工頻全壓與臨界全壓進(jìn)行安全性比較，如圖2所示。

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，變頻器開度在100％、90％、80％時(shí)風(fēng)機(jī)計(jì)算工頻全壓均小于其臨界全壓，能夠安全運(yùn)行，而變頻器開度在70％、60％時(shí)風(fēng)機(jī)的部分計(jì)算工頻全壓大于其臨界全壓，動葉開度越大，計(jì)算工頻全壓也越大。說明變頻器開度在當(dāng)前開度時(shí)需使得風(fēng)機(jī)動葉處于較小的開度，才能保證計(jì)算工頻全壓小于其臨界全壓，否則風(fēng)機(jī)將處于失速區(qū)，引起搶風(fēng)、喘振等問題。

2　動葉與變頻器協(xié)調(diào)控制

對于軸流式風(fēng)機(jī)來說，采用變頻改造能夠移動風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，將工作點(diǎn)從工頻方式下“低效區(qū)”移至變頻方式下“高效區(qū)”，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。由于軸流式風(fēng)機(jī)工作效率的非線性特性，導(dǎo)致動葉開度與風(fēng)機(jī)效率非線性相關(guān)，因此，需協(xié)調(diào)動葉和變頻器的工作狀態(tài)，形成最優(yōu)組合關(guān)系。

以某臺國產(chǎn)引進(jìn)型亞臨界320MW機(jī)組為例，該機(jī)組尾部煙氣系統(tǒng)配置兩臺動葉可調(diào)式軸流式送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和一臺增壓風(fēng)機(jī)，型號SAF28-16-2，引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。以帶變頻器的引風(fēng)機(jī)為試驗(yàn)對象，進(jìn)行動葉開度與變頻器開度的協(xié)調(diào)調(diào)整試驗(yàn)，在機(jī)組100％BMCR、80％BMCR、60％BMCR、50％ BMCR、40％BMCR負(fù)荷工況下，將引風(fēng)機(jī)變頻器投自動運(yùn)行，引風(fēng)機(jī)進(jìn)口動葉開度執(zhí)行器置于手動狀態(tài)，送風(fēng)機(jī)投自動，爐膛壓力保護(hù)投用，鍋爐其他系統(tǒng)按照正常運(yùn)行方式投用，人工設(shè)定不同的動葉開度，比較各動葉開度下的風(fēng)機(jī)電耗，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖7所示。

表1　引風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

由上圖可見，兩臺引風(fēng)機(jī)總電耗與動葉開度無明顯的線性關(guān)系，在不同試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)有不同的最經(jīng)濟(jì)動葉開度，這與動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)的特性有關(guān)。通過試驗(yàn)可以得到機(jī)組各負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)動葉開度與變頻器開度的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　優(yōu)化后的引風(fēng)機(jī)動葉與變頻器開度表

在典型負(fù)荷下將風(fēng)機(jī)變頻方式的能耗情況與工頻方式進(jìn)行比較試驗(yàn)，對比其電流和能耗情況，計(jì)算變頻方式的電耗節(jié)能率，得到對比結(jié)果見圖8。結(jié)果顯示，送風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后在不同負(fù)荷下電動機(jī)電流均呈現(xiàn)不同幅度的下降，低負(fù)荷時(shí)下降幅度較大，節(jié)能效果明顯，高負(fù)荷時(shí)下降幅度較小，額定負(fù)荷下幾乎相同，變頻失效。引風(fēng)機(jī)全負(fù)荷段平均節(jié)能率為19.2％，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3　變頻主控方式的動葉控制優(yōu)化

通過試驗(yàn)得到風(fēng)機(jī)動葉與變頻器開度的協(xié)調(diào)關(guān)系之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)變頻方式經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，形成變頻器為風(fēng)機(jī)主控、動葉為風(fēng)機(jī)輔控的兩回路控制系統(tǒng)，其基本控制邏輯如圖9所示。

該風(fēng)機(jī)控制邏輯以變頻器控制為主要控制方式，將爐膛壓力指令與測量值的偏差引入控制器，通過典型PID控制調(diào)節(jié)變頻器開度實(shí)現(xiàn)爐膛微負(fù)壓運(yùn)行［8］，同時(shí)將負(fù)荷作為動葉的主要控制源，以負(fù)荷-動葉開度的試驗(yàn)值作為控制函數(shù)，準(zhǔn)確控制風(fēng)機(jī)動葉，控制中保留了偏差人工糾正。為提高控制系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)還將壓力控制指令引入動葉控制回路中，保留了變頻器異常狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)動葉控制，防止變頻器異常狀態(tài)引起風(fēng)機(jī)誤動。

4　結(jié)論

優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)控制方式既滿足了變頻器、動葉雙回路控制的安全性要求，又兼顧了動葉和變頻器協(xié)調(diào)控制的經(jīng)濟(jì)性要求，較好地解決了傳統(tǒng)離心式變頻控制在軸流式風(fēng)機(jī)上的不兼容問題，對軸流式風(fēng)機(jī)的變頻控制具有良好的借鑒價(jià)值。

［1］楊詩成，王喜魁.泵與風(fēng)機(jī)［M］.中國電力出版社，2007.

［2］吳劍恒.電站鍋爐風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造工程［J］.電力需求側(cè)管理，2008（1）：42-45.

［3］葉勇健.煙氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)配置的綜合考慮［J］.電力勘察設(shè)計(jì)，2007（4）：62-65.

［4］葉勇健.引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合二為一模式的探討［J］.華東電力，2007（11）：106-109.

［5］趙鳳毅，楊秉林.變頻器在電廠風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用研究［J］.電氣傳動，2005（1）：80-82.

［6］徐志強(qiáng).火電廠300MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻改造［J］.能源研究與利用，2008（1）：47-48.

［7］孫龍彪，只健強(qiáng)，劉新利，等.670t/h鍋爐吸風(fēng)機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方式研究——變頻節(jié)能技術(shù)改造效益分析［J］.天津電力技術(shù)，2007（1）：12-15.

［8］于國強(qiáng)，殳建軍.基于3臺電動引風(fēng)機(jī)的爐膛壓力控制策略［J］.熱力發(fā)電，2014（8）：102-104.

■動葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)變頻改造是電廠降低廠用電率的措施之一，變頻改造后動葉和變頻器開度的協(xié)調(diào)控制成為控制系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。針對動葉軸流式風(fēng)機(jī)性能非線性的特點(diǎn)，進(jìn)行了動葉開度調(diào)整和變頻器開度調(diào)整的聯(lián)動試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了適合變頻控制的新型風(fēng)機(jī)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了動葉軸流式風(fēng)機(jī)變頻控制優(yōu)化。研究結(jié)果表明，通過動葉開度的合理設(shè)置能夠避免大幅度變頻帶來的風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)偏離安全區(qū)域的問題，將風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)置于更高效的工作區(qū)，提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)電耗，同時(shí)合理的動葉和變頻器開度的協(xié)調(diào)控制能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)全負(fù)荷段的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，充分挖掘變頻潛力，對軸流式風(fēng)機(jī)的變頻控制具有良好的借鑒價(jià)值。

■軸流式風(fēng)機(jī)；動葉；變頻；協(xié)調(diào)控制；節(jié)能

The Design of Safety and Energy Saving Type Frequency Conversion Control System on Ad justable Blade Axial-flow Fan

Wu Guang-fu，Zhuang Jie/Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co.，Ltd.
Cheng Jie，Sun Jian/Shanghai Waigaoqiao Power PlantCo.，Ltd.

The frequency conversion upgrade of adjustable blade axial-flow fan was a choice to reduce the station service power consumption rate.The coordinated control between adjustable blade and frequency converter was the key point of control system.According to the nonlinear performance characteristics of axial-flow fan，the adjusting test about adjustment of adjustable blade and converter was made，and a new type of fan control logic was designed for variable frequency to optimize conversion control.The study shows that appropriate settings of adjustable blade can avoid faults which come from large amplitude operation of frequency conversion fan，so the fan works in more efficiency workspace，and the power consumption of the fan is reduced.Moreover，the reasonable coordination control of adjustable blade and frequency converter can reduce fan consumption over full load and improve frequency converter performance，which can be a reference case of frequency converter controlofaxial flow type fan.

axial-flow fan；adjustable blade；frequency converter；coordinated control；energy conservation

TH443；TK05

A

1006-8155（2016）04-0080-04

10.16492/j.fjjs.2016.04.0202

2015-10-08上海200090