鍋爐一次風機主要是給鍋爐制粉系統提供輸粉的風源，屬于鍋爐三大風機之一，也是火力發電廠主要的高耗能設備。采用直吹式制粉系統的鍋爐，需要配置兩臺一次風機。輸送空氣至制粉系統。由于需要的壓力較高，軸流式風機一般要兩級葉輪，離心式風機要高壓風機，設置進口消聲器。輸送經預熱器預熱后的熱空氣時，還要考慮耐溫要求。有的一次風機葉輪前的進口附近設置了一組可調節轉角的靜導葉，實現風機的流量調節。采用入口導葉調節流量不僅節流損耗大，調節品質差，而且噪聲及振動大。一次風機采用變頻調速后，導葉開度為最大，阻力最小，加上風機又減速運行，噪聲將大幅降低。當轉速為50% 左右時，噪聲水平可降低十幾個分貝；同時還可消除起動和停車時的打滑和尖嘯聲，大大改善了運行環境。

    對于正壓直吹式制粉系統，一次風機正常運行時主要起攜帶和干燥煤粉的作用，并提供煤粉著火初期所需空氣。燃煤機組中，一次風是鍋爐的燃料輸送系統的主要動力來源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統結構原理如圖1所示。系統主要由4臺雙進雙出鋼球磨煤機、2臺一次風機、2臺空氣預熱器等設備組成。磨煤機磨制的煤粉通過一次風管直接進入爐膛燃燒，系統通過控制一次風量實現鍋爐負荷的控制。

圖1 直吹式燃煤鍋爐系統結構原理圖

    正常運行時，一次風系統通過風機入口擋板控制一次風管壓力維持在9.0～11.0kPa范圍內，通過冷、熱風門開度的調整，實現進入磨煤機的一次風溫控制，保證磨煤機運行效率；由磨煤機入口擋板控制一次風量，從而實現磨煤機負荷隨鍋爐負荷變化而調整。

    當發電機輸出功率發生變化時，鍋爐的燃燒控制系統也隨之而變動，為了進一步降低廠用電率，實現鍋爐燃燒系統優化運行，對一次風系統變頻調速改造成為繼凝結水系統、送引風系統之后的又一新的課題。

    目前，一次風系統主要存在以下幾個問題：

    （1）為保證一次風速在一定范圍內，通過一次風機入口擋板控制，開度一般在40%--60%，節流損失較大；

    （2）燃料制備系統中磨煤機負荷分別通過入口擋板開度控制一次風量，系統效率低，經濟指標差；

    （3）一次風機入口擋板及出口電動門的開關速度反應緩慢，調節品質不高，在機組出現緊急事故或單側一次風機掉閘情況下，事故保安系統不能有效響應及時動作，嚴重時甚至導致滅火、停爐等事故的發生，造成巨大的經濟損失；

    （4）前彎型一次風機因工作特性曲線陡峭，應用變頻調速后容易發生搶風和喘振現象，會影響機組的安全運行。喘振是由風機的駝峰形特性曲線引起的，在采用變頻調速時，要注意避開或跳過喘振頻率點。

    變頻調速系統設計時應充分考慮機組可能出現的各種運行工況，特別是當出現異常工況時，變頻調速系統可能對機組帶來的影響。例如，一次風機變頻運行時兩側擋板全開，如果一側一次風機掉閘后，要求另一惻風機迅速帶滿負荷運行以滿足鍋爐的風量要求；但如果故障側風機的風門擋板不能迅速全關的話，運行側風機的風量將部分從故障側風道分流，導致運行側變頻器因過負荷而跳閘，造成事故擴大。對于送、引風機也存在同樣的問題。因此，一方面要求擋板有快關能力，同時要求變頻器有一定的短時間過載的能力。

    根據一次風機應用變頻調速所面臨的主要問題，變頻調速控制系統應具備以下主要功能：

    （1）在一次風機從變頻運行自動切換至工頻運行的過程中，對故障點的位置要判斷準確，動作及時有效；

    （2）通過變頻與工頻運行方式之間的協調，保證一次風機的不間斷運行；

    （3）通過變頻調速與一次風機入口擋板的開度配合，保證一次風不失壓；

    （4）通過故障側一次風機與運行側一次風機之間的協調控制，保証兩臺一次風機均工作在安全特性區內，不出現搶風和喘振現象。


    2 典型工程案例分析

    2.1 工程簡介

    大唐國際天津盤山發電公司2×600MW火電機組是我國華北地區建設投產最早的600MW亞臨界火電機組，是京津唐電網的主力機組，曾被國家計委列為1996年利用國家外匯儲備購買國產發電設備發展民族工業的試點項目。工程于1998年10月開工，其中3#機組于2001年12月18日正式投產，4#號機組于2002年6月5日正式投產。

    每臺機組鍋爐各裝有兩臺一次風機，風量調節為入口擋板調節方式，由于這樣的調節方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅動源的輸出功率并沒有多大改變，節流損失相當大，浪費了大量電能，致使廠用電率高，發電成本不易降低。同時，電機啟動時會產生5～7倍的沖擊電流，對電機構成損害。

    變頻調速系統以其節能效益顯著，調速精度高、范圍寬，電力電子保護功能完善，及易于實現自動通信等特點，得到了廣大用戶和市場的認可。在運行的安全可靠性、安裝使用便利性、維修維護簡易性等方面，也給使用者帶來了極大的好處，使之成為工業企業電動機節能的首選方式。

    為了節能降耗和提高機組的調節性能，電廠經多方考察論證，決定采用北京利德華福公司生產的HARSVERT-A型2400kW/6kV高壓變頻調速系統。該項目主要設備包括：高壓變頻器4臺、強制式密閉冷卻裝置2套、空水冷卻系統4套。系統能夠實現一次風機設備的變頻調速運行，維持風壓穩定，系統具備完善的閉鎖、聯鎖和設備保護等功能。變頻器滿足DCS原有控制邏輯的接口及控制需要，能夠根據單臺鍋爐運行工況、運行方式等信息自動實現兩變、兩工、單臺變頻或單臺工頻的風壓自動調節控制功能。

    2.2 一次風機系統參數

    該電廠每臺機組配有兩臺沈陽鼓風機廠生產的雙吸入前彎型離心式一次風機。風機采用電機定速運轉、入口電動動葉調整風機出力。一臺一次風機容量為50％BMCR（鍋爐最大連續負荷）。其具體參數如下。

    風機型號：G9-2×36No.17F；

    風壓：15542 Pa；風量：160.5 m³/s；

    電機型號：YKK710-4；額定功率：2400kW；、

    額定電壓：6kV；額定電流：260A；

    功率因數：0.921；絕緣等級：F；

    額定轉速：1494r/min。

    2.3 一次風機變頻系統方案

    大唐盤山發電有限責任公司#3、#4爐一次風機電動機額定功率為2400kW。通過對現有一次風機動力系統的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統安全可靠，結構合理，提供最佳性價比方案”的原則對系統進行改造方案設計。每臺一次風機采用一臺2400kW的高壓變頻器拖動，并配備“一拖一”手動旁路柜，以實現工頻/變頻切換。（以#3爐為例）：

         #3爐31一次風機                                   #3爐32一次風機

圖2 變頻調速系統電氣原理圖

    2.3.1 變頻調速系統主要功能：

    （1） #3爐31#一次風機變頻運行、#3爐32#一次風機變頻運行；

    （2） #3爐31#一次風機工頻運行、#3爐32#一次風機工頻備用；

    （3）單風機工頻運行；

    （4）單風機變頻運行；

    （5）變頻運行方式下，風壓自動轉速調節；

    （6）工頻運行方式下，風壓自動風門調節；

    系統采用一拖一手動工頻／變頻切換方案，它是由3個高壓隔離開關1G、2G和3G組成如圖2所示。變頻運行時，1G和3G閉合，3G斷開；工頻運行時，2G閉合，1G和3G斷開。

    高壓變頻調速系統具有下列功能：

    （1）電機拖動風機可實現軟起動（起動電流從零到額定值平滑過渡、無沖擊）和軟停車;

    （2）可實現線性化調速，系統調頻范圍0～50Hz。

    （3）調速區段內的設備調節和優化控制由機組DCS完成，DCS負責采集模擬量、開關量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關量信號全部進入DCS系統，形成閉環控制，同時實現相關輔機的聯鎖功能等。

    （4）系統設有就地和遠方兩種控制途徑，就地控制是在變頻器處通過變頻器觸摸屏進行操作或應急處理；遠方控制是在控制室內進行，分為兩種工作方式：一種為遠方手動方式，在這種工作方式下，操作員通過DCS系統的CRT手動給定信號，調節變頻器的輸出頻率，改變電機轉速，達到調節風量的目的；一種方式為遠方自動方式，在這種工作方式下，轉速給定是在DCS系統中根據工況運用相關算法進行運算，得出相應風壓值，轉換成對應頻率值，輸出給變頻器，調節風機的速度，使系統參數跟隨給定值變化，從而達到自動調節風量的目的。

    （5）信息傳遞：變頻器可以實現同機組DCS系統的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統如下參量：輸出轉速、輸出電流、變頻器溫度等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出。提供的開關量有：變頻器報警及故障信息、啟停狀態信息、高壓開關控制信號（高壓合閘允許、高壓開關緊急分斷）等。變頻器接收的DCS的模擬量信號為遠控轉速給定，開關量為遠方啟/停、高壓就緒信號等。

    （6）完備的保護功能：變頻器內保護配置齊全，有運行中開門、冷卻風扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負載超速、功率單元異常、接地等各種類型報警檢測功能，并完全具備對自身及電機的保護功能。

    （7）安全運行保障：

    機組運行過程中，由于各種原因發生廠用電切換，會造成控制電源消失，變頻器兩路電源可自動切換。

    當變頻器出現單元故障，變頻器可將故障單元旁路，并降額運行，避免不必要的停機。

    當變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急停機按鈕時，高壓變頻器高壓開關跳閘，切斷電源，同時參與聯鎖。

    （8）系統的變頻風機實現變頻供電和電網供電相互切換運行，可手動切換，當變頻器發生異常后，風機仍需要運行，這時可將電機切換到工頻電網起動。

    （9）變頻風機具有互鎖功能，確保同一電機不出現變頻、工頻同時驅動，具有完善的保護、報警功能（包括信號檢測系統在內）。

    2.3.2變頻器冷卻系統方案

    高壓變頻器對運行環境溫度通常要求在0～40℃，環境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護而跳閘，粉塵含量過高導致變頻器通風濾網更換清洗維護量過高，增加維護費用。因此，采用何種冷卻方式和系統結構至關重要。

    按照高壓變頻器運行效率96％進行計算：變頻器的最大散熱功率為：變頻額定功率×4％。根據現場的實際情況，綜合考慮冷卻系統的投資和運營成本、設備維護量、無故障運行時間等因素，最終決定采用綜合散熱的方案：空水冷+強制密閉冷+室內空調。

    即：在冬天等環境溫度較低的情況下，利用電廠內自身的冷卻水資源，就可以滿足變頻器的散熱要求；當進入夏季時，由于環境溫度的升高和電廠負荷的增加，利用空水冷加強制密閉冷的方式可以迅速高效的將變頻器散發的熱量排出室內，以保證設備的安全運行；為了應對極端、特殊情況，在變頻器室內另外又布置了兩臺5P空調，以備不時之需。

    3#機組3-1#一次風機變頻器室改造后布局如圖3所示。

圖3 3-1#一次風機變頻器室改布局

3#機組3-2#一次風機變頻器室改造后布局如圖4所示。

圖4 3-2#一次風機變頻器室改布局