張玉軍 張勝奇

高壓變頻器在鍋爐引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的節(jié)能運(yùn)行

張玉軍 張勝奇

風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠(chǎng)重要的輔助設(shè)備之一，循環(huán)流化床鍋爐的4大風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、返料風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)）的總耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的2%左右。分析了影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的原因。高壓變頻器在鍋爐引風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用節(jié)電效果顯著。

發(fā)電廠(chǎng)；鍋爐；引風(fēng)機(jī)；引風(fēng)機(jī)節(jié)能；高壓變頻器

1 提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的重要性

風(fēng)機(jī)是火力發(fā)電廠(chǎng)重要的輔助設(shè)備之一，循環(huán)流化床鍋爐的4大風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、返料風(fēng)機(jī)與二次風(fēng)機(jī)）的總耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的2%左右。隨著火電機(jī)組容量的提高，電站鍋爐風(fēng)機(jī)的容量也在不斷增大，如國(guó)產(chǎn)200 MW機(jī)組，風(fēng)機(jī)的總功率達(dá)6 440 kW（其中，送風(fēng)機(jī)2臺(tái)2 500 kW，引風(fēng)機(jī)2臺(tái)2 500 kW，排粉風(fēng)機(jī)總功率1 440 kW），占機(jī)組容量的3%以上。因此，提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)降低廠(chǎng)用電率具有重要的作用。

2 影響風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的原因

我國(guó)電站風(fēng)機(jī)已普遍采用了高效離心風(fēng)機(jī)，但實(shí)際運(yùn)行效率并不高，其主要原因之一是風(fēng)機(jī)的調(diào)速性能差，二是運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的最高效率點(diǎn)。

我國(guó)現(xiàn)行的火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ－79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5%和5%～10%，風(fēng)壓裕度分別為10%和10%～15%。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，很難準(zhǔn)確地計(jì)算出管網(wǎng)的阻力，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，通?？偸前严到y(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓富裕量作為選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)的設(shè)計(jì)值。但風(fēng)機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往在選用不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)，只好往大機(jī)號(hào)上靠。這樣，電站鍋爐送引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓富裕度達(dá)20%～30%是比較常見(jiàn)的。

電站鍋爐風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)壓的富裕度以及機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)高效點(diǎn)相偏離，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率大幅度下降。一般情況下，采用風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)，在兩者偏離10%時(shí)，效率下降8%左右；偏離20%時(shí)，效率下降20%左右；而偏離30%時(shí)，效率則下降30%以上。對(duì)于采用風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，這是一個(gè)固有的不可避免的問(wèn)題。可見(jiàn)，鍋爐送、引風(fēng)機(jī)的用電量中，很大一部分是因風(fēng)機(jī)的型號(hào)與管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)不匹配及調(diào)節(jié)方式不當(dāng)而被調(diào)節(jié)門(mén)消耗掉的。因此，改進(jìn)離心風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式是提高風(fēng)機(jī)效率，降低風(fēng)機(jī)耗電量的最有效途徑。

3 風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)

圖1為采用風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)方式時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率－流量曲線(xiàn)。

圖1 不同調(diào)節(jié)方式下的風(fēng)機(jī)效率

由圖1可知：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由100%下降到50%時(shí)，變速調(diào)節(jié)與風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)方式相比，風(fēng)機(jī)的效率平均高出30%以上。因而，從節(jié)能的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，變速調(diào)節(jié)方式為最佳調(diào)節(jié)方式。

此外，工業(yè)鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和可靠性是實(shí)現(xiàn)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。鍋爐爐膛的負(fù)壓是一個(gè)重要的控制參數(shù)。傳統(tǒng)的爐膛負(fù)壓控制方式是當(dāng)電機(jī)以恒速運(yùn)行時(shí)通過(guò)一次儀表檢測(cè)爐膛的負(fù)壓，再同負(fù)壓給定值比較，其差值經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)控制器按照整定參數(shù)運(yùn)算后，由電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行器控制風(fēng)機(jī)引風(fēng)擋板開(kāi)口度，即改變風(fēng)阻調(diào)節(jié)引風(fēng)量達(dá)到調(diào)整燃燒的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，引風(fēng)擋板的開(kāi)口度一般在 60%～80%，相當(dāng)一部分電能消耗在引風(fēng)擋板的阻力降上，造成電能的浪費(fèi)；而且，擋板的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)在擋板的調(diào)節(jié)過(guò)程中存在滯后，線(xiàn)性度差，調(diào)節(jié)性能不太好，除產(chǎn)生大量的節(jié)流損耗外，反應(yīng)速度慢，也是導(dǎo)致鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)負(fù)壓調(diào)節(jié)無(wú)法快速響應(yīng)工況動(dòng)態(tài)變化，穩(wěn)定投入自動(dòng)運(yùn)行的重要因素。另外，在負(fù)壓閉環(huán)控制中，若負(fù)壓過(guò)大，還會(huì)造成爐內(nèi)燃料的浪費(fèi)；負(fù)壓過(guò)小，又會(huì)影響燃料的充分燃燒，進(jìn)而影響鍋爐蒸汽的質(zhì)量。

采用變頻調(diào)速技術(shù)，將原有的風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)至最大，應(yīng)用負(fù)壓閉環(huán)控制，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即直接調(diào)節(jié)風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，能夠更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，響應(yīng)速度加快，控制精度也提高了，從而使整個(gè)機(jī)組的控制性能大大改善，不但改善了機(jī)組的運(yùn)行狀況，還可以大大節(jié)約燃料，進(jìn)一步節(jié)約能源。同時(shí)，采用變速調(diào)節(jié)以后，還可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低噪聲，大大改善啟動(dòng)性能。

4 引風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)要比通常采用的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)擋板控制風(fēng)量的方法有顯著的節(jié)電效果。表達(dá)風(fēng)機(jī)基本特性的參數(shù)是風(fēng)量Q、風(fēng)壓H、功率P和效率η。

風(fēng)機(jī)總功率：

式中：Pt——總功率，kW；

Q——風(fēng)量，m3/s；

Ht——全風(fēng)壓，Ht=Hs+Hd,kPa；

Hs——靜壓；

Hd——?jiǎng)訅骸?/p>

全壓效率：

當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?n1變?yōu)閚2時(shí)，Q，H，P的大致變化關(guān)系為：

由式（3）可知，風(fēng)機(jī)功率同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率會(huì)有較大的變化。

大同煤礦集團(tuán)大唐熱電有限公司，4×50 MW單抽冷凝式空冷供熱機(jī)組，由北京國(guó)電華北電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，配備5臺(tái)240 t/h循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐型號(hào)為HG-240/9.8-L.MG35，鍋爐型式為高溫高壓參數(shù)、單鍋筒、自然循環(huán)蒸汽鍋爐，采用循環(huán)流化床燃燒方式，平衡通風(fēng)，絕熱旋風(fēng)分離器。

每臺(tái)鍋爐配備2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，南通金通靈風(fēng)機(jī)有限公司制造，Y6-40-1426.8F型，流量260 600 m3/h，全壓8 630 Pa，轉(zhuǎn)速985 r/min，旋轉(zhuǎn)方向左右各一，功率730 kW，介質(zhì)溫度142℃；電機(jī)由西安西瑪制造，YKK560-1-6型，功率900 kW，接法Y接，轉(zhuǎn)速990 r/min，防護(hù)等級(jí)IP54，額定電壓6 000 V，額定電流107.3 A。

上述高壓電機(jī)均為直接工頻啟動(dòng)運(yùn)行，風(fēng)量調(diào)節(jié)采用閥門(mén)擋板控制，電能損耗較高。

為了降低廠(chǎng)用電率，提高發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)最大限度降低電動(dòng)機(jī)的功率損耗，對(duì)#1鍋爐#1、#2引風(fēng)機(jī)，采用北京合康億盛科技有限公司的高壓變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行改造，以達(dá)到節(jié)能降耗及提高調(diào)節(jié)自動(dòng)化水平的目的。

2008年6 月，對(duì)#1鍋爐#1、#2引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。所應(yīng)用的HIVERT-Y06/120型變頻器，可通過(guò)在控制柜門(mén)人機(jī)界面通過(guò)觸摸鍵盤(pán)的操作切換實(shí)現(xiàn)“本機(jī)控制”與“遠(yuǎn)方控制”?！斑h(yuǎn)方控制”與原有的DCS連接，在引風(fēng)機(jī)控制畫(huà)面中增加了變頻器畫(huà)面，與變頻器輸出接口聯(lián)接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，運(yùn)行人員可以通過(guò)DCS中的畫(huà)面，對(duì)引風(fēng)機(jī)和變頻器的工作電流、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行、停止、故障等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。另外，變頻器的控制調(diào)節(jié)還經(jīng)過(guò)DCS通過(guò)負(fù)壓調(diào)節(jié)器接受爐膛負(fù)壓信號(hào)和來(lái)自送風(fēng)系統(tǒng)的前饋信號(hào)，綜合運(yùn)算后經(jīng)手動(dòng)、自動(dòng)切換單元輸出4 mA～20 mA模擬量控制信號(hào)到變頻器的控制端，調(diào)節(jié)變頻器輸出電源的頻率，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變引風(fēng)量，達(dá)到穩(wěn)定爐膛負(fù)壓的目的。與常規(guī)的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作方式基本不變，主要區(qū)別在于由調(diào)整引風(fēng)機(jī)入口擋板開(kāi)度改為調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)變頻器故障時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)旁路柜將故障變頻器隔離后自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，風(fēng)量仍由風(fēng)門(mén)擋板調(diào)節(jié)。

2008年7 月6 日，大同煤礦集團(tuán)大唐熱電有限公司，#1鍋爐#1、#2引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)改造進(jìn)入整體調(diào)試，爐膛負(fù)壓控制全部投入自動(dòng)運(yùn)行，最終順利通過(guò)72 h+24 h滿(mǎn)負(fù)荷試運(yùn)行，整個(gè)過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，狀態(tài)優(yōu)良。根據(jù)當(dāng)時(shí)的調(diào)試記錄，對(duì)照引風(fēng)機(jī)變頻改造前后風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流進(jìn)行節(jié)電分析計(jì)算，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)節(jié)電率累計(jì)約為29.6%；按變頻器實(shí)際功率顯示值加2臺(tái)變頻器自身8%（各4%）的損耗，對(duì)照原引風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，分析計(jì)算出2臺(tái)引風(fēng)機(jī)節(jié)電率累計(jì)約為40%，見(jiàn)表1。

表1 #1鍋爐#1、#2引風(fēng)機(jī)及電機(jī)參數(shù)

2008年7 月14 日，為檢驗(yàn)變頻與工頻狀態(tài)下的真實(shí)節(jié)電效果，運(yùn)行人員采用相同工況下4 h工頻、4 h變頻的運(yùn)行方式，全程記錄了不同蒸發(fā)量下2臺(tái)變頻器節(jié)電的情況（2臺(tái)引風(fēng)機(jī)均需投入運(yùn)行，負(fù)荷各承擔(dān)50%）：鍋爐蒸發(fā)量170 t/h時(shí)，節(jié)電58%；鍋爐蒸發(fā)量180 t/h時(shí)，節(jié)電46%；鍋爐蒸發(fā)量200 t/h時(shí)，節(jié)電26%；鍋爐蒸發(fā)量220 t/h時(shí)，節(jié)電17%，平均節(jié)電率為36.75%。

圖2 2種運(yùn)行方式功率對(duì)比

圖2是變頻調(diào)速運(yùn)行風(fēng)門(mén)全開(kāi)和電機(jī)工頻啟動(dòng)后旁路運(yùn)行調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)對(duì)電機(jī)功率測(cè)試的對(duì)比，變頻運(yùn)行有顯著的節(jié)電效果。

5 引風(fēng)機(jī)高壓變頻改造中存在的問(wèn)題

由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或電機(jī)負(fù)載變化增減速時(shí)，尤其是在瞬間減速過(guò)程中，容易造成電機(jī)失速，即電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器輸出頻率不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致過(guò)電流或過(guò)電壓，造成變頻器運(yùn)行調(diào)整過(guò)程中故障，人為手動(dòng)調(diào)整方式下發(fā)生故障的概率較高；而調(diào)節(jié)投入自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)前饋信號(hào)及系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤，調(diào)節(jié)幅度較小且調(diào)節(jié)平穩(wěn)時(shí)，可避免類(lèi)似故障發(fā)生。此外，如果發(fā)生因調(diào)節(jié)幅度過(guò)大過(guò)快而導(dǎo)致的故障時(shí)，也可通過(guò)調(diào)整變頻器增減速時(shí)間，避免類(lèi)似故障發(fā)生。另外，由于電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)冷卻風(fēng)量下降，散熱能力降低，電機(jī)溫升增加，用變頻調(diào)速在電機(jī)連續(xù)低速運(yùn)行時(shí)，必須加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的冷卻，同時(shí)要注意改善對(duì)變頻器自身及本體控制柜的散熱效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐引風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)爐膛負(fù)壓閉環(huán)控制，具有節(jié)能降耗、調(diào)節(jié)特性好的優(yōu)點(diǎn)，能更好地滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際要求。鍋爐風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻調(diào)速，對(duì)原有設(shè)備無(wú)需進(jìn)行較大改動(dòng)，投資較小，投資回報(bào)快，有推廣價(jià)值。

Energy-saving Operation of High-voltage Frequency Converter in the Controlling System of Boiler Fan

Zhang Yujun Zhang Shengqi

Fans are one of the most important auxiliary equipments in power plant，electricity consumption of the fans takes account of approximately 2 per cent of the all consumption.This paper analyses the causes of low efficiency operation of the fan and explains energy-saving effect of the high-voltage frequency converter in the controlling system of the boiler fans.

power plant；boiler；fan；fan energy-saving；frequency converter with high-voltage

TM921.51

A

1000-4866（2010）03-0008-03

2010-07-08

張玉軍，男，1957年8月出生，1979年畢業(yè)于山西礦院 (機(jī)電系電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè))，大同煤礦集團(tuán)大唐熱電有限公司工作，高級(jí)工程師。

張勝奇，男，1969年10月出生，2007年12月畢業(yè)于中共中央黨校經(jīng)濟(jì)管理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)大唐熱電有限公司工作，技師。

修回日期：2010-07-27