火力發(fā)電廠鍋爐風(fēng)機(jī)變頻器的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)

張龍

湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，鍋爐風(fēng)機(jī)應(yīng)用的非常廣泛，但是這一設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中存在最大的問(wèn)題就是能源消耗量大鍋爐，風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中涉及到的范圍非常廣泛，所消耗的能源也非常大，在大量的能耗面前，一旦發(fā)生能源供給的問(wèn)題，就會(huì)直接影響企業(yè)的生產(chǎn)效率。目前在電力、冶金、鋼鐵等多個(gè)領(lǐng)域，鍋爐風(fēng)機(jī)都是其中重要的生產(chǎn)設(shè)備，為了能夠保證鍋爐風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以使用變頻器對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行有效的控制。

1 變頻器的原理及優(yōu)點(diǎn)

在鍋爐風(fēng)機(jī)中使用變頻器，可以利用輸出端所發(fā)出的信號(hào)對(duì)風(fēng)機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)整，利用相關(guān)的程序?qū)ψ冾l器進(jìn)行有效的控制，鍋爐爐膛內(nèi)設(shè)置了壓力傳感器，能夠?qū)t內(nèi)的風(fēng)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以將監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給變頻器控制系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)就能夠發(fā)出指令，為變頻器控制提供有效的數(shù)據(jù)支持[1]。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)根據(jù)檢測(cè)到的爐膛內(nèi)壓力信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行信號(hào)控制，這樣就能夠得到風(fēng)機(jī)電機(jī)的輸入頻率，以此來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。利用變頻器以后可以從以下幾個(gè)方面對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化：首先，利用變頻器能夠有效節(jié)約電能。由于其自身具備良好的靈敏度，可控性以及線性度，能夠?qū)﹀仩t燃燒過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行連鎖控制，例如風(fēng)煤比、爐壓、含氧量等等，這樣就能夠有效降低工作人員控制的難度，還可以有效提高控制的精確度進(jìn)行自動(dòng)化保護(hù)，切實(shí)提高鍋爐的燃燒效率。第二，變頻器還能夠進(jìn)行有效的線路保護(hù)。能夠?qū)^(guò)載、短路等各種異常狀況進(jìn)行有效的應(yīng)對(duì)，使用變頻調(diào)速器以后，能夠有效減少啟動(dòng)電流，對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，從而降低電機(jī)的損耗。第三，使用變頻器能夠穩(wěn)定線路電壓。啟動(dòng)電機(jī)工頻時(shí)，相關(guān)的設(shè)備和器件能夠得到有效的保護(hù)，防止出現(xiàn)跳閘故障等問(wèn)題，使用無(wú)機(jī)調(diào)速，還能夠有效提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，減少對(duì)相關(guān)元器件產(chǎn)生的磨損[2]。

2 變頻器的主要控制方式

2.1 V/F控制

變頻器的主要控制方式就是V/F控制，也稱之為電壓頻率控制。在實(shí)際使用過(guò)程中能夠改變電壓頻率，對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，同時(shí)還能夠保證電動(dòng)機(jī)的磁通不會(huì)出現(xiàn)改變，使用這樣的控制方式利用開(kāi)環(huán)控制，其控制性能相對(duì)較低，在低頻的時(shí)候?yàn)榱四軌蛴行Ц淖兊皖l轉(zhuǎn)距特性，還必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。此外，使用這種控制方式，靜態(tài)調(diào)速和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)距性能都不夠高，因此控制曲線也會(huì)隨著負(fù)載的變化出現(xiàn)波動(dòng)，也就是說(shuō)，雖然V/F控制變頻器的主要控制方式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然出現(xiàn)很強(qiáng)的不穩(wěn)定性。

2.2 矢量控制

矢量控制又稱之為磁場(chǎng)定向控制使用，這種方式主要是根據(jù)磁場(chǎng)定向原理對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行相應(yīng)的控制，這樣就能夠?qū)τ陔妷汉皖l率進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)值和指定值的一致性。使用這樣的控制方式，針對(duì)鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，需要對(duì)三相定子電流的幅度和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，通過(guò)合適的電流適量輸出來(lái)保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距?，F(xiàn)如今使用這樣的控制方式，由于其轉(zhuǎn)速響應(yīng)相對(duì)較快，調(diào)速范圍非常廣泛，所以在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的比較廣泛。

2.3 轉(zhuǎn)差評(píng)率控制

變頻器另外一種主要的控制方式就是轉(zhuǎn)差評(píng)率控制，與之前介紹的兩種方式不同，這是一種直接控制方式。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差評(píng)率進(jìn)行控制，能夠改變電動(dòng)機(jī)的電流以及轉(zhuǎn)矩應(yīng)用過(guò)程中，可以針對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)和計(jì)算，通過(guò)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)就能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差頻率，然后根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率和運(yùn)行速度進(jìn)行相應(yīng)的處理，作為變頻器的給定頻率，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。與V/F控制相比，適用轉(zhuǎn)差頻率控制能夠有效提升加減速特性和限流能力，使用這樣的方式靜態(tài)誤差相對(duì)較小，而且還具備良好的穩(wěn)定性，其應(yīng)用是動(dòng)態(tài)性能相對(duì)較弱[3]。

3 變頻器在鍋爐風(fēng)機(jī)節(jié)中的應(yīng)用

3.1 變頻器選型

鍋爐風(fēng)機(jī)主要包括引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)兩個(gè)部分，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中兩者需要保持持續(xù)運(yùn)行，如果電機(jī)出現(xiàn)公差一般都會(huì)進(jìn)行下調(diào)。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其電流電壓和頻率都相對(duì)較小，主要是由于變頻器會(huì)直接控制變頻調(diào)速，所以利用變頻器對(duì)額定電流進(jìn)行設(shè)置時(shí)，需要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的電流適當(dāng)放大，就能夠滿足變頻器的運(yùn)行需求。選擇變頻器型號(hào)時(shí)，需要對(duì)其電壓以及可能受到的干擾運(yùn)行成本等進(jìn)行全方位的考慮。確定好變頻器以后，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的校對(duì)，例如啟動(dòng)和過(guò)載電流，檢驗(yàn)其是否能夠滿足鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際需求。此外，在成本方面還應(yīng)該進(jìn)行科學(xué)的控制，只要能夠滿足風(fēng)機(jī)的運(yùn)行需求，應(yīng)盡量選擇容量較低的變頻器。

3.2 電氣管控系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)

要想切實(shí)提高管理質(zhì)量，就應(yīng)該保證變頻器控制是集中分布。由于火電廠的廠區(qū)面積具備一定的制約性，所以在布置變頻器通風(fēng)線路等多個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)，一定要對(duì)整體的方案進(jìn)行不斷的完善和優(yōu)化，變頻器控制式的通風(fēng)非常的關(guān)鍵。所以，需要在變頻器上安裝散熱的裝置和風(fēng)道，只有這樣熱風(fēng)才能夠在風(fēng)道的引導(dǎo)下順利排出風(fēng)量，并不會(huì)由于風(fēng)道的存在而出現(xiàn)變化。在變壓器和功率單元裝置頂端也需要安裝風(fēng)道，同時(shí)應(yīng)單獨(dú)配置，不能夠進(jìn)行整合，風(fēng)機(jī)周圍的管道和風(fēng)道之間間距不能夠小于3厘米，在柜的頂端接入電源安裝風(fēng)機(jī)罩的時(shí)候，一定要給電源線留足充足的空間。風(fēng)道排風(fēng)口的位置應(yīng)向下傾斜，這樣能夠起到防水的作用，在同樣位置安裝好鋼絲網(wǎng)可以起到防護(hù)的作用?？刂剖业娘L(fēng)口應(yīng)設(shè)置成濾網(wǎng)形式，室內(nèi)的門框需要進(jìn)行密封處理，利用空調(diào)對(duì)室內(nèi)空氣的濕度和循環(huán)進(jìn)行調(diào)整，變頻器一般都會(huì)使用下進(jìn)線的方式，從隧道內(nèi)被完全引出。使用輔助電源時(shí)，也需要安裝變頻器，將其安裝在引風(fēng)送風(fēng)和開(kāi)關(guān)之間，而且也不需要拆除。既有工頻回落電機(jī)和變頻器之間使用高壓電纜進(jìn)行有效的連接，盡量使用既有電纜線，如果電機(jī)還需要移動(dòng)，需要提前預(yù)留好電纜余量。

3.3 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次改造在原有爐膛壓力導(dǎo)葉控制邏輯基礎(chǔ)上，新增一套獨(dú)立的變頻控制邏輯，兩套邏輯不同時(shí)投入控制，避免調(diào)節(jié)沖突；并進(jìn)行了引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉最大開(kāi)度、工頻運(yùn)行導(dǎo)葉控制特性試驗(yàn)、變頻器空載特性試驗(yàn)、變頻運(yùn)行導(dǎo)葉控制特性試驗(yàn)等全面采集引風(fēng)機(jī)工況參數(shù)，為變頻運(yùn)行時(shí)爐膛壓力控制提供依據(jù)。DCS另外設(shè)置運(yùn)行中“變頻轉(zhuǎn)定頻”、“定頻轉(zhuǎn)變頻”及“導(dǎo)葉活動(dòng)操作”三個(gè)自動(dòng)程序，以減小運(yùn)行人員日常操作工作量及避免人為操作所帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，主要有：①變頻與定頻切換操作：變頻運(yùn)行時(shí)，因特殊工況原因可能需要將變頻器暫時(shí)改為定頻運(yùn)行導(dǎo)葉控制模式，啟動(dòng)該程序按鈕后，控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，并按照一定速率輸出導(dǎo)葉控制指令，關(guān)小入口導(dǎo)葉、提升頻率至預(yù)設(shè)條件后可切為定頻控制。定頻運(yùn)行需切回變頻時(shí)，程序?qū)凑找欢ㄋ俾瘦敵鲱l率控制指令，降低變頻頻率、關(guān)大入口導(dǎo)葉至預(yù)設(shè)條件后可切為變頻控制。②導(dǎo)葉活動(dòng)測(cè)試：正常情況下，引風(fēng)機(jī)保持變頻運(yùn)行，入口導(dǎo)葉位置置于推薦開(kāi)度85%，為防止導(dǎo)葉長(zhǎng)期不動(dòng)作導(dǎo)致卡澀，DCS控制邏輯中專門設(shè)置“導(dǎo)葉活動(dòng)操作”程序，由值班員定期執(zhí)行操作。導(dǎo)葉活動(dòng)測(cè)試在機(jī)組負(fù)荷370MW時(shí)進(jìn)行，程序自動(dòng)以一定速率關(guān)小動(dòng)作側(cè)入口導(dǎo)葉開(kāi)度，最低關(guān)至25%并逐漸恢復(fù)原開(kāi)度，以此進(jìn)行導(dǎo)葉的大幅度動(dòng)作，保證導(dǎo)葉軸承、關(guān)節(jié)的活動(dòng)性。

本次改造過(guò)程中，在原有的爐膛壓力邏輯控制基礎(chǔ)上，新增加了一套獨(dú)立變頻控制邏輯，兩套邏輯控制并不會(huì)同時(shí)投入，也能夠有效防止出現(xiàn)調(diào)節(jié)沖突，可以進(jìn)一步加大引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉的最大開(kāi)度[4]。進(jìn)行空載特性試驗(yàn)、控制特性試驗(yàn)以及導(dǎo)液控制特性試驗(yàn)時(shí)，全面收集引風(fēng)機(jī)工作時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，為變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)爐膛壓力的控制提供了充足的依據(jù)。DCS系統(tǒng)另外設(shè)置了變頻轉(zhuǎn)定頻，定頻轉(zhuǎn)變頻以及導(dǎo)葉活動(dòng)操作等三個(gè)自動(dòng)化的程序，能夠有效降低工作人員的操作量，還能夠有效防止人為因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。其主要包括：第一，定頻與變頻切換。風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻運(yùn)行時(shí)，由于特殊的原因，可能會(huì)將變頻器暫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槎l運(yùn)行進(jìn)行導(dǎo)葉的控制，該程序啟動(dòng)以后，控制器就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，并且根據(jù)一定的速率輸出控制命令，關(guān)小入口導(dǎo)葉提高頻率，直到預(yù)定的條件以后再切換為定頻控制。定頻運(yùn)行過(guò)程中，如果需要切換回變頻，會(huì)根據(jù)一定的輸出速度進(jìn)行控制，降低變頻頻率、關(guān)大導(dǎo)葉開(kāi)度，然后直到設(shè)置的條件以后，可以切換為變頻控制。第二，導(dǎo)葉活動(dòng)測(cè)試。一般來(lái)說(shuō)，引風(fēng)機(jī)需要保持變頻運(yùn)行狀態(tài)，入口導(dǎo)葉的位置其最適合的開(kāi)度為85%，為了防止其長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)作導(dǎo)致卡澀，DCS的邏輯控制，還專門設(shè)置了導(dǎo)葉活動(dòng)程序，一般會(huì)由值班人員進(jìn)行定期操作，導(dǎo)葉活動(dòng)測(cè)試在機(jī)組負(fù)荷370MW時(shí)進(jìn)行，程序會(huì)以一定的速率自動(dòng)關(guān)小導(dǎo)葉的開(kāi)度，最低關(guān)至25%，然后恢復(fù)其原有的開(kāi)度，這樣就能夠?qū)?dǎo)葉進(jìn)行大幅度的動(dòng)作，保證導(dǎo)葉軸承和關(guān)節(jié)的靈活性[5]。

3.4 轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)鍋爐運(yùn)行的實(shí)際需求改變風(fēng)機(jī)的供電頻率，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，在實(shí)際調(diào)速過(guò)程中，不論是從低速到高速還是從高速到低速，都應(yīng)該保持較小的轉(zhuǎn)差率，這樣才能夠進(jìn)行自動(dòng)控制和無(wú)級(jí)調(diào)速。在鍋爐風(fēng)機(jī)中使用變頻技術(shù)，能夠保證整個(gè)燃燒過(guò)程更加的自動(dòng)化，有效降低擋板和調(diào)節(jié)閥的磨損程度和卡死故障率，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約維修時(shí)間，還能夠有效提高火電產(chǎn)能運(yùn)行效率，同時(shí)還具備過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等自我保護(hù)功能，能夠有效降低風(fēng)機(jī)的能源消耗，切實(shí)提高資源的利用率，為火電廠帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 變頻器改造的安全性

針對(duì)變頻器進(jìn)行改造主要是應(yīng)用在鍋爐離心風(fēng)機(jī)和靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)上，隨著鍋爐自身容量的不斷增加，鍋爐風(fēng)機(jī)的容量也在不斷的擴(kuò)大，尺寸逐漸加大，軸系變長(zhǎng)，而風(fēng)機(jī)固有的頻率逐漸降低。進(jìn)行變頻改造以后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)共振的問(wèn)題導(dǎo)致鍋爐風(fēng)機(jī)出現(xiàn)損壞，共振的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：第一，葉片共振。一旦出現(xiàn)葉片共振現(xiàn)象，其根部就會(huì)出現(xiàn)裂紋，共振嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂，一般來(lái)說(shuō)，在共振時(shí)風(fēng)機(jī)共振相對(duì)較大。第二，軸承徑向共振。其主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)水平向振動(dòng)相對(duì)較大，與徑向振動(dòng)有關(guān)的因素主要包括風(fēng)機(jī)、軸系支撐，在這個(gè)過(guò)程中可以降低軸承徑向間隙，適當(dāng)調(diào)節(jié)軸向預(yù)緊球軸承等方法，預(yù)防共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。第三，軸系扭轉(zhuǎn)共振。當(dāng)軸隙和軸轉(zhuǎn)速固有頻率倍數(shù)相同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振。一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)共振，徑向振動(dòng)就會(huì)伴隨輕微的改變，進(jìn)行變頻改造以前，需要通過(guò)對(duì)軸系固有便利進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，明確是否會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振的現(xiàn)象，在運(yùn)行過(guò)程中就應(yīng)該避開(kāi)共振區(qū)運(yùn)行。對(duì)鍋爐分析進(jìn)行變頻改造以后，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的節(jié)能性和安全性進(jìn)行綜合的分析，對(duì)管路特性、工作效率進(jìn)行認(rèn)真的研究，可以得到變頻改造的節(jié)能性，對(duì)軸系支撐和固有頻率進(jìn)行相應(yīng)的分析，能夠保證變頻改造的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，火電廠鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，使用變頻器能夠真正實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行的自動(dòng)化控制，保證電機(jī)調(diào)速更加的精準(zhǔn)，確?；痣姀S生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化管理，能夠有效提高運(yùn)行效率，還能夠真正實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約利用。也就是說(shuō)，目前火電廠鍋爐風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，輔助機(jī)械的速度調(diào)整是未來(lái)的主要發(fā)展方向。但是，就目前的實(shí)際狀況來(lái)看，仍然存在很多的問(wèn)題，如何使設(shè)備和系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)有效的融合，依然是相關(guān)行業(yè)研究人員需要重點(diǎn)探討的問(wèn)題。