第三節 一次風機變頻調速節能改造(下)
4 一次風機變頻改造的實施
4.1 整個改造工程包括三部分：
（1）變頻器的安裝和接入在風機旁就地搭建了專門的變頻小間，其中安裝的主要設備包括變頻器主柜體、雙路控制電源切換箱、變頻器UPS（交流不停電）電源柜和變頻小間柜式空調機，而變頻器的所有就地操作以及運行參數和報警參數的檢查設置都在變頻小間內完成。
（2） 電氣開關部分的改造6kV高壓開關加裝了變頻器保護回路和“工頻/變頻工作方式”切換把手，配合一次風機變頻運行和工頻兩種工作方式的切換，另外從380V低壓交流廠用母線段和220V直流母線段完成了對變頻器控制電源和操作電源的供電改造。
（3）熱工邏輯和DCS操作畫面的改造。
一次風機變頻器改造后主要的工作方式選擇和變頻器啟動允許程控邏輯方案如下：
在DCS原有一次風機系統畫面上增加一次風機工作方式提醒，在一次風機系統畫面上不再增加變頻器啟動按鈕，在不同工作方式下仍然用同一個按鈕啟動一次風機。在工頻方式下，畫面提示一次風機在工頻方式，在原操作按鈕上按下啟動，則合6kV開關，并在風機運行中調整風機入口動葉開度以維持母管風壓在設定值。在變頻方下，畫面提示一次風機在變頻方式，仍在原按鈕上按下啟動，一次風機變頻工作方式下的6kV開關與變頻器啟動順序是，當操作員按下啟動按鈕，首先合一次風機6kV開關，等待30s（變頻器電容器充電時間），檢測變頻器準備好信號存在，啟動變頻器。這時運行風機的入口風門保持全開，通過調整電機轉速改變風機出力，以維持母管壓力在設定值。
4.2 變頻方式下一次風機的控制方式
一次風機的主控制參量為一次風壓：隨著磨煤機煤量變化（即機組負荷變化）而調控一次風機出口母管的風量。變頻方式下一次風機的控制方式如下：
（1）保留原來的一次風機擋板調節站，另外編輯一套變頻調節站。一次風機在變頻方式運行時，入口調整擋板應全開，通過變頻器改變電機轉速以調節風機出口母管壓力。
（2）一次風機在工頻方式運行時，變頻調節站強制手動；在變頻方式運行時，擋板調節站強制手動。
（3）變頻方式啟動時，強制擋板全開且變頻器輸出為最低轉速。變頻器在就地位運行時，控制站跟蹤轉速反饋值，以實現無擾切換。
（4）變頻自動調節切手動條件如下（任一滿足）：
一次風機出口母管壓力信號故障； 一次風機在工頻方式運行； 當調速指令與速度反饋偏差過大。
由于一次風量的波動對機組影響非常快，故大多用于一次風機改造的變頻裝置采用手動旁路切換方式。當一側一次風機跳閘時，機組RB（快速降負荷）功能迅速投入，以避免MFT（鍋爐主燃料跳閘）動作，保證機組的連續運行。
一次風機變頻改造如果采用自動旁路切換方式，則需注意以下問題：
（1）防止變切工時兩臺風機轉速偏差太大，造成“搶風”引起切換成功后風機過流跳閘。
（2）當變頻切工頻時因為風機出力突然增大有可能造成一次風壓波動威脅機組安全。
（3）變頻切工頻時的RB問題：變頻器在故障情況下將自動切為工頻運行，RB邏輯設計時需要考慮幾種情況：在變頻切工頻成功情況下，不能因為切換過程中變頻信號消失、工頻信號未回誤發RB；在切換失敗情況下，能夠正常觸發RB；另外，在風機運行過程中一次風機其他保護動作跳閘一次風機時，必須馬上觸發RB，而不能有延時。
通過對一次風系統的深入研究，結合高壓變頻調速技術的特點，針對性的研究了高壓變頻調速協調控制技術的實際應用途徑和具體設計實現。
根據一次風系統應用變頻調速技術所面臨的主要問題，協調控制單元具備以下主要功能：
（1）在一次風機變頻運行狀態自動切換至工頻過程中，對故障點的位置判斷準確、動作及時有效。
（2）通過變頻與工頻運行方式之間的協調，保證一次風機能夠不間斷運行。
（3）通過變頻調速與一次風調節擋板的開度配合，保證一次風不失壓。
（4）通過故障一次風機與另一側運行一次風機之間的協調控制，保證兩臺一次風機均工作在安全特性區內，不出現“搶風”現象。
該協調控制單元的控制結構框圖如圖3所示。主要包括：協調控制模塊、故障點分析模塊、故障識別模塊、故障診斷及自處理模塊、一次風機系統保護模塊、保護動作連接模塊、擋板開度函數器、模擬量I/O模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等十余種模塊組成。
其工作原理是：將一次風機工/變頻自動切換系統的綜合保護裝置作為變頻回路和工頻回路的主要檢測方式，接受變頻器上口、變頻器下口以及變頻器旁路開關的二次檢測信號。通過對主動力系統不同位置的運行工況參數及工作狀態的檢測，由故障點分析模塊根據信息來源的動作先后、反應速度、二次電流、電壓的幅值變化，結合變頻器自身的運行參數檢測信息，分析判斷故障點的真實位置。通過故障識別模塊判斷故障的安全級別和危害程度，同時指示出具體故障點位置和故障原因。
協調控制模塊在接到故障點分析的具體位置和安全級別報告后，結合現場設備的運行狀態和工況，決定是否采取變頻向工頻運行方式的切換操作。如果一次風機主動力系統允許由變頻向工頻運行方式的自動切換；系統直接將另一側變頻風機直接快速加速至100％，并根據實際負荷，計算出跳閘側風機工頻開關的合閘操作時機。通過擋板開度函數器實時計算出變頻切工頻后一次風機擋板開度自動關小的位置信號，從而實現變頻向工頻切換過程中一次風壓盡量小擾動。保證切換動作過程中，鍋爐的一次風壓波動瞬值不高于鍋爐燃燒系統對一次風速的最低要求、時間小于2s，使得鍋爐在一次風機的切換時，鍋爐運行平穩、安全不滅火、不跳機。
數字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠程控制信號，實現一次風機變頻上、下口及旁路開關的聯鎖保護、閉鎖邏輯和控制功能。同時將高壓開關和外圍控制信號傳遞給協調控制模塊進行綜合信息處理和判斷。
故障診斷和自處理模塊主要是對外圍接入的開關量、模擬量以及二次儀表的檢測信號進行分析判斷，確定信號接口是否正常，信號輸入、輸出是否有效，是否存在錯誤狀態等。并且根據實時的狀態信息，判斷出故障端口點號，并將其從邏輯處理回路中切除，通過信號替代保持信號處理的完整性。從而，提高系統邏輯處理的安全及可靠性。
4.4 一次風機變頻調速后存在問題及對策
（1）一次風機變頻后的“搶風”問題
通過對一次風機的結構和工作特性研究可知：風機具有明顯的馬鞍形特征，在風機性能曲線的左半部具有一個馬鞍形區域，在此區段內運行有時出現流量大幅度脈動等不正常情況，出現“喘振”問題。而喘振僅僅是不穩定工況區內可能遇到的現象之一，在該區域內還會出現不正常的零氣動力工況，這便是旋轉“失速”現象。風機在不穩定工況區運行時，還可能發生流量、全壓和電流的大幅度波動，氣流會發生往復流動，產生強烈振動，這就是通常提到的“搶風”。鍋爐一次風機改為變頻調速后，兩臺風機并列運行，就非常容易發生“搶風”現象，威脅風機及整個系統的安全性。下面就針對兩臺風機的運行工況進行分析說明，如圖4所示。
如果風機參數選擇適當，運行時操作正確，兩臺風機并聯運行時的風道性能曲線Ⅳ與風機并聯合性能曲線Ⅲ交于1，則每臺風機將在點1′工作，風機在此工況下工作是穩定的，不會出現“搶風”現象。如果風機工作不當，風道性能曲線Ⅴ與風機合成性能曲線Ⅲ交于點2與點3，落在∞字形區域內工作，則風機工作點可能是點2或點3。若風機在點2上運行，則兩臺風機尚能在點2′上穩定運行。如果兩臺風機的風道阻力稍有差別，或者風道系統中風量稍有變動，其結果是風機處于點3并聯工作，此時兩臺風機工作點分別是3′和3〞點運行。其中點3′工作風機風量大且在穩定區工作，而另一臺在點3〞工作的風機的風量小，且工作點落在不穩定工況區內。這樣兩臺性能相同的風機輸送的流量就不相同，出現了“搶風”。但是兩臺風機分別在3′和3〞點工作的狀況不是穩定不變的，這兩臺風機的工作點會發生互換。風機在此工況下工作，嚴重時甚至會出現一臺風機的風量大，另一臺風機則產生倒流。因此，在兩臺風機并聯運行時，為避免搶風現象發生，就應當采取措施避免風機的工作點落在∞字形區域內。
鍋爐一次風機變頻改造后，風機在低負荷運行時的工作點離不穩定區（左邊界）較近，導致機組在低負荷區間運行時，兩臺一次風機“搶風”即風機的并列困難；通過兩臺一次風機的快速協調平衡系統，對運行參數調整，降低系統一次風壓、改變系統通風量，“搶風”問題得到解決。
（2）防喘振控制思想
圖5 不同轉速下的特性曲線圖 圖6 典型的安全操作曲線圖
圖5給出了風機在不同轉速下的特性曲線，可以看出轉速不同，相應的駝峰點和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小，把不同轉速下的駝峰點連接起來，就構成了一條曲線，曲線右側為穩定工作區，曲線左側為不穩定區。我們稱駝峰流量為極限流量相應的駝峰點連接曲線稱之為喘振搶風極限線。
顯然，只要在任何轉速下，都能控制風機的流量，使其大于極限流量，則風機便不會發生搶風問題，這就是防喘防搶控制的基本思想。
考慮到吸入氣體的狀態如壓力、溫度、密度及系統風量、風壓變化等都會引起風機特性曲線的變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實際工作點不會太靠近不穩區極限，以避免發生搶風喘振事故。在一次風系統中采用“調速－比例調門法”比較適合電廠安全和節能需要。
變頻協調控制單元將變頻節能與防喘振協調控制，根據一次風系統的要求，風機流量波動時維持出口壓力在某一定值范圍內，因此取出口壓力Ｐ1，送入變頻節能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協調控制器，高壓變頻器，電動機和風機構成一個閉環控制系統，通過不斷地參與鼓風機轉速自動調整，來達到穩定出口壓力的目的。
圖6給出了兩條典型的安全操作線，其中安全操作線1為固定流量安全操作線控制。安全操作線2為一條與喘振極限線相似的曲線，其流量比喘振極限流量大5%~15%，解決了轉速較低時安全操作線1存在的耗能問題，是一個最節能安全控制方式。
（3）一次風機RB時，一次風機變頻器過負荷保護動作防范
一次風系統變頻運行時，單側一次風機變頻器故障不能連續運行時，會觸發機組RB功能動作。系統處理不當或反應不及時，就會最終引起機組跳閘。結合鍋爐一次風機RB分析，主要會導致一次風機變頻器過負荷保護動作有以下方面的原因：
次風機RB工況初期，系統通風量過大，在單點壓力情況下，流量超標引起變頻器過負荷；一次風機RB工況初期，風機的運行工況嚴重偏離高效點，運行效率極低；一次風機性能曲線陡峭，駝峰型特性明顯，效率低。
為防止一次風機變頻器過負荷保護動作的措施如下：
一次風變頻器的設計過程中提供負荷限制功能，防止變頻器過負荷保護動作跳閘；優化RB時一次風系統邏輯。
4.5 節能分析計算
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。即當電機轉速降為額定轉速的80％時，調速系統（高壓變頻器＋電機）從電網側吸收功率約降為額定轉速時的51％，因此，若工藝要求系統風量下降即一次風機轉速下降時，節能效果十分明顯。
用戶通過近一年的觀察、比較，根據四季負荷變化平均下來，一年按7000h計算，一臺風機的高壓變頻器可以節能290kW.h，按發電成本電價0.2553元/ kW.h計算，一臺風機一年節約電費74.1萬元，二臺一次風機每年可節約電費148.2萬元。
4.6 結論
盤山發電公司對一次風機的變頻改造取得了初步成功，節能效果明顯。發電生產設備中輔機設備占有絕對數量，對輔機設備進行變頻改造的節能效果十分明顯，節能經驗和數據說明技術因素對能耗的變化起著主導和決定性作用。利用新型技術對設備進行改造，根據實際應用情況做進一步完善和革新，確保節能和安全達到完全統一，把節能效果發揮到最大，相信可以為我國節能降耗工作做出更大的貢獻。綜合盤山發電公司對一次風機系統進行變頻改造的實際情況，提出以下建議：
（1）加強變頻裝置及其輔助系統的維護工作，確保不發生因變頻系統故障而發生的異常和安全事故；
（2）做好風機變頻運行的工況下，發生事故的各種事故預案和事故演習，熟練掌握變頻方式下各種事故的處理方法，減少事故擴大的可能；
（3）在實際運行中，繼續探索變頻調節系統各種參數的合理性和準確性，利用實際運行進一步調整各參數到最合適范圍，提高節能效果和安全系數；
通過變頻協調控制技術在鍋爐一次風系統變頻改造應用中的研究，充分說明：在利用高壓變頻器進行節能改造的過程中，著重研究和解決高壓變頻技術應用中帶來的問題和解決辦法，對提高系統運行安全穩定性，降低經濟損失，具有更為重要的意義。將變頻協調控制技術應用到各種領域當中能夠顯著提高生產系統因變頻改造帶來的安全穩定等效益，并且可以進一步實現優化系統，提高節能效果的目的。該項技術的研究勢必會為高壓變頻技術的廣泛應用起到積極的推動作用。
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