２０１１年８月 电 力 科技 与 环 保 第２７卷 第４期 风机变频改造及自动切换功能的应用 Ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｎ ｆａｎ 胡林，颜纲要 （国电蚌埠发电有限公司，安徽蚌埠２３３４１１） 摘要：火电厂既是电能生产企业，也是耗能大户，要提高电厂综合效益，必须降低厂用电率和发电煤耗。电厂辅机 出力为长期连续运行并常常处于变负荷运行状态，送、引风机作为主要辅机，采用控制风机挡板的开度来调节出 力，而作为电动机消耗的能量变化则不大，造成较大能量损耗，直接影响到厂用电率。改为变频调节后，通过改变 电机转速控制出力，实现调整需要，达到节电目的。 关键词：火电厂；风机；变频调速技术；节能；改造 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏａｌ—ｆｉｒｅｄ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ｉｓ ｅｎｅｒｙ ｐｒｏｄｕｃｅｒ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｅｎｅｒｙ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎ－ ｃｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔｓ ｍｕｓｔ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏａｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｆｏｒ ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ ｃｏｎｔｉｎｗｏｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｆｔｅｎ ｒｕｎｍｉｎｇ ａｔ ｖａｒｉａｂｌｅ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅ—ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｎ ａｉｒ ｆａｎ ａｎｄ ｄｒａｆｔ ｆａｎ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｅｆ－ ｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｒｅｔｒｏｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ ｉｓ ｎｏｒｍａｌ，ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ；ｆａｎ；ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ：ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＭ９２１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４—８０６９（２０１１）０４—０６０—０３ 目前，我国电厂锅炉大功率设备在运行中普遍 压４５３．５ ｋＰａ，转速５９５ ｒ／ｒａｉｎ，效率８５．９％。引风机 存在耗能较高的问题。国内在已建和新建机组上大 电机型号ＹＫＫ９００—１０，额定功率２８５０ｋＷ，电压 量应用变频调速器，一般只采用纯变频运行方式，设 ６ ｋＶ，电流３２１．４ ｋＡ，转速５９７ ｒ／ｍｉｎ。 备功耗降低、运行效率提高、厂用电率降低，节能效 送风机采用６ｋＶ、１ ５００ｋＷ定速电机驱动运行， 果显著。但改造后出现新的问题：由于变频器设备 靠调节进口动叶开度来调整送风量，引风机为６ ｋＶ、 结构复杂、部件较多、发热量大，在运行中发生故障 ２ ８５０ｋＷ定速电机驱动运行，靠调节出口静开度来 的概率依然存在，尤其在投产初期，故障相对较多， 调整引风量，以适应锅炉负荷变化。由于风机选型 变频器故障后将导致设备跳闸，甚至造成机组的停 时风量裕量都比较大，改造前机组满负荷运行时送 运事故。如何降低变频故障后对机组安全运行的风 风机电流７８ Ａ，挡板开度在５４％左右，风量７５０ ｔ／ｈ； 险，成为变频改造后的关键问题。 引风机电流为２２０Ａ，挡板开度在５０％左右，风量为 １ 概况 １ ２５０ｔ／ｈ，节流损失非常大，因此考虑对送、引风机 进行变频改造。因送、引风机变频改造原理基本相 蚌埠电厂１、２号６００ＭＷ机组，分别配有离心 同，在以后的描述中，只以送风机为例。 式送、引风机各２台。送风机本体为上海鼓风机厂 制造，型号ＦＡＦ２６．６—１５一ｌ，风量２５０～２１５ Ｉｎ ／ｓ， ２ 改造方案 全压为４２４６—５０６０Ｐａ，转速为９８５ ｒ／ｍｉｎ，效率为 为了满足需要，每台风机各配备１台西门子高 ８７．３６％，液压动叶调节。送风机电机为株洲南车电 压变频器和前、后隔离开关、旁路开关，保留原一次 机厂制造，型号ＹＫＫ６３０—６，额定功率ｌ ５００ｋＷ，电 风机电动机和高压开关，并在引风机附近配置变频 压为６ｋＶ，电流１７６Ａ，转速９９２ ｒ／ｍｉｎ。 器小间。风机电动机采用变频控制方式，调节挡板 引风机本体成都鼓风机厂制造，型号ＡＮ３５ｅ６ 仍保留，风控制逻辑及变频调节逻辑在ＤＣＳ系统内 （Ｖ１３＋４。），静叶可调轴流式，风量４６１．４ｉｎ ／ｓ，全 实现，实现手动及自动控制功能。 ６０ ２０１ １互 胡林等：风机变频改造及自动切换功能的应用 第４期 目前，国内送、引风机变频改造一般均为纯变频 运行方式，当变频器故障时直接跳闸送、引风机。 送、引风机是发电机组的重要辅机，跳闸后可能造成 机组跳闸，如果变频器在运行中频繁跳闸，将极大的 影响到机组的安全和效益。蚌埠电厂在风机变频改 造中，要求实现变频自动切换功能。经反复研究，决 定加装旁路开关，当变频器本身故障时，可自动切换 到工频旁路运行，保证机组的安全。该设计对机组 的安全性和经济性有利，但也面临着逻辑设计复杂 及工况复杂等问题。为了解决上述问题，我们决定 采用电气硬回路和ＤＣＳ共同完成以上的功能，由电 气回路的硬联锁保证变频器的运行安全，由ＤＣＳ实 现各项控制和切换功能的灵活实现。风机变频器一 次回路接线原理如图１所示。 图１ 风机变频器一次接线原理 ３改造中存在问题及解决措施 ３．１存在问题 （１）变频器爆炸。变频器运行有严格的要求， 不能在入、出口处同时送人工频电压，否则将导致变 频器爆炸。为此，我们设计了旁路运行，就是要防止 变频器经由后隔离开关反送电的可能性，即不能使 ＱＦ２／ＱＦ３与ＱＦ１同时合闸。在ＱＦ２／ＱＦ３与ＱＦ１之 间设计互相闭锁逻辑，在各开关柜内部硬回路和 ＤＣＳ内部同时都有这个联锁。 （２）锅炉负压波动及燃烧不稳。当风机运行中 变频器遇故障切工频后，由于切工频的风机出力突 然增大，会引起炉膛负压波动，有可能造成锅炉 ＭＦＴ动作。切换过程中，另１台正常风机的变频器 投自动或手动都会有弊端，切手动易因为操作不及 时使风压波动超过允许的范围；投自动又易因为变 频器跳闸后又合工频，总风量会有一个先降低后又 突然大幅升高的过程。投自动的变频器调节器输出 会大幅摆动，更易造成风压控制不稳，需要仔细调整 各控制参数，较好的控制切换过程中２台风机的出 力，使锅炉负压及燃烧不致有太大的波动。 （３）变频切工频时的联锁保护。变频器在故障 情况下将自动切换为工频运行，在风烟大联锁及ＲＢ 逻辑中需要考虑：一是变频切工频成功时，不能因为 切换过程中变频信号消失、工频信号未回误发风机 跳闸信号；二是切换失败时，应能正常发出风机跳闸 信号，进行后续的相关联锁保护动作。 ３．２解决措施 为了解决上述问题，蚌埠电厂送、引风机变频改 造时采取了完全不同于其他电厂的变频控制方案。 主要设计思路如下：变频器故障切换时控制系统设 计在ＤＣＳ内部，包括风机的两种启动工况：一是工 频启动。首先合闸ＱＦ１开关，之后合闸ＱＦ开关， ＱＦ开关的合闸条件及跳闸联锁与原来一致，风机启 动后由挡板进行风量调节；二是变频启动。可以选 择顺序启动，当运行人员选择变频顺序启动时，自动 合闸ＱＦ２及ＱＦ３开关，然后合闸ＱＦ开关，在变频器 就绪后，启动变频器，打开风机挡板，给定变频器频 率指令进行变频控制。 风机变频运行时，调节挡板保持接近全开位置， 风量通过改变风机电动机转速来调节；变频器出现 故障时，挡板自动关闭，合工频开关ＱＦ１，切换至工 频定速运行，调节挡板接管风量控制。各项控制功 能由ＤＣＳ完成，实现起来方便灵活，也非常可靠，无 需另外再增加１套ＰＬＣ，可以节省改造费用。 变频运行的风机在变频器故障跳闸后，可能出 现两种情况：一是自动切工频成功，二是自动切工频 不成功。判断自动切换是否成功的条件是变频信号 消失后，工频信号在设定时间内是否回来。不同情 况下，２台风机的变频器和入口挡板的控制也不相 同。下面针对这两种情况分别进行说明： （１）变频器故障时切工频成功，风量变化为先 降后升。变频器跳闸后，风量马上有一定幅度的下 降，故障风机变频信号消失，此时应立即全速调整故 障风机的人口挡板至当前负荷对应的开度。故障变 频器跳闸后风机并不马上切成工频，而是在挡板关 闭到位后，再经过判断ＱＦ２／ＱＦ３开关是否已经断 开，然后再合闸ＱＦ１启动风机工频运行。为了防止 变频器故障后风量降低太多，在故障风机发生变频 器跳闸后，另１台风机变频器自动提高出力，这样， 当工频启动后也不致发生“抢风”现象。 （２）变频器故障时切工频不成功。如果变频信 号消失后延时３０ Ｓ，ＱＦ１合闸信号仍未返回，则认为 ６１ ２０１１年８月 电 力 科技 与 环 保 第２７卷 第４期 自动切换不成功。此时ＱＦ跳闸，发出风机跳闸信 号，出、入口挡板将同时关闭，并触发相应的联锁逻 辑。送、引风机变频投入运行后发生过多次变频器 故障，在切换过程中锅炉负压及燃烧都控制在了允 许范围内，没有引发其他保护，切换逻辑经历了这些 考验，证明确实能够有效保证锅炉正常燃烧，从而保 障机组的安全运行。 ４应用实例 ４．１变频切换 ２０１０年，蚌埠电厂２号机组Ｂ送风机由于变频 器跳闸自动切为工频运行，切换过程中送风机电流、 入口挡板开度、炉膛负压均发生一定的变化。 蚌埠电厂２号机组Ｂ送风机切换前机组负荷 为３６９ＭＷ，炉膛压力定值为一５０ Ｐａ，２台送、引风机 均变频自动运行。Ｂ送风机变频器跳闸后，其入口 挡板关至２３％，风机自动切为工频运行，在此同时， Ａ送风机变频器由条件系统增加频率，对总风量进 行调节，由２５ Ｈｚ升至２９ Ｈｚ，当Ｂ送风机切换至工 频后，频率调节下降。切换过程中，引起炉膛负压波 动，最高升至２４１ Ｐａ，最低降至一１８９ Ｐａ，机组负荷及 过热蒸汽温度、压力保持稳定，切换过程未对炉膛负 压和燃烧造成太大影响。 ４．２运行优化 为了在变频器投运初期对函数和各时间参数进 行初始设置以及在变频器投入运行后对参数进行优 化，需要进行以下测试： （１）风机最大出力检测。在风机空气动力场试 验中，工频运行对各台风机初步开大挡板，观察风机 各参数，直至电流剧变或振动变大、出力无变化平缓 等条件满足，确定此时挡板位置并记录参数。同样 方法，在变频运行工况，逐渐增大风机频率，确定风 机最大运行频率，以做为风机负荷限制条件。 （２）变频切工频检测。对切换进行试验，一方 面检验切换功能，另一方面记录切换时风量变化情 况，调整相应的参数，以保证在切换时能正常工作。 试验方法：开启５台磨的出、入口挡板，设定机组负 荷为３００ Ｍｗ，变频启动送、引风机，将各台风机开到 大约５０％负荷，炉膛压力设为一５０ Ｐａ后投入自动， 当压力平稳后手动将１台风机切为工频运行，观察 ２台风机动作情况是否满足要求，如不满足则调整 相关参数；设定６００ ＭＷ负荷，进行同样试验。 ６２ （３）扰动试验。用于确定变频时的ＰＩＤ参数， 在变频器投入自动后，通过加各种扰动，观察风量的 控制曲线，相应调整ＰＩＤ参数使达到最优。 ５经济效益分析 ５．１直接经济效益 根据２００９年蚌埠电厂发电量及风机运行情况， 如果按全年运行５ ３００ ｈ，每台机组可以节省电能 ４４３８８００ｋＷ・ｈ／ａ，按０．３９元／ｋＷ・ｈ计，可节省费 用２７１．２万元，三年左右时间可收回全部投资，并将 在长期取得较大的经济效益。 ５．２间接经济效益 改造前风机工频启动时，电机承受８～１０倍的 冲击电流，而采用变频启动后，电动机由于软启动， 启动电流小，启动过程平稳，对电网和电机没有冲 击，对风机也不产生大的启动转矩冲击，可延长设备 使用寿命，降低维修费用，减少维修改造量。发电机 组在每次机组跳闸后，统计重新启动和跳闸所造成 的电量损失，其直接经济损失约为１５０万元以上，变 频自动切换的投入，将避免因变频器故障而产生的 机组跳闸后果。另外，采用变频运行后，风机转速降 低，减轻了机械振动和噪声，可延长设备使用寿命， 改善了劳动环境。变频运行后，风量稳定可靠，提高 了风烟系统运行稳定性。 ６ 结语 蚌埠电厂送、引风机变频改造后，降低了厂用电 率。在变频器由变频到工频的切换过程中，控制系 统显示了良好的控制品质，保证了机组的运行安全。 通过对这次改进中过程控制策略的分析，为其他电 厂风机变频改造提供了参考，有利于变频技术在节 约能源，降低厂用电中得到进一步推广应用。 参考文献： ［１］毕贞福．火力发电厂热工自动控制实用技术［Ｍ］．北京：中周电 力出版社，２００８． ［２］赵燕平，杨平．电厂热工测量装置及控制系统试验技术［Ｍ］．北 京：中国电力出版社，２００８． ［３］王付生．电厂热工自动控制与保护［Ｍ］．北京：中国电力出版礼， ’ｎｎＳ 收稿日期：２０１１－０５－１２；修回日期：２０１１—０６—２７ 作者简介：胡林（１９７４－），男，山东省高唐县人，高级工程师，从 事火电厂设备管理工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｉｇｅｒ７４一ｈａｐｐｙ＠１６３．ｅｏｍ