高壓變頻器在鍋爐引風機控制系統中的節能運行

張玉軍 張勝奇

高壓變頻器在鍋爐引風機控制系統中的節能運行

張玉軍 張勝奇

風機是火力發電廠重要的輔助設備之一，循環流化床鍋爐的4大風機（送風機、引風機、返料風機與二次風機）的總耗電量約占機組發電量的2%左右。分析了影響風機運行效率的原因。高壓變頻器在鍋爐引風機控制系統中的應用節電效果顯著。

發電廠；鍋爐；引風機；引風機節能；高壓變頻器

1 提高風機運行效率的重要性

風機是火力發電廠重要的輔助設備之一，循環流化床鍋爐的4大風機（送風機、引風機、返料風機與二次風機）的總耗電量約占機組發電量的2%左右。隨著火電機組容量的提高，電站鍋爐風機的容量也在不斷增大，如國產200 MW機組，風機的總功率達6 440 kW（其中，送風機2臺2 500 kW，引風機2臺2 500 kW，排粉風機總功率1 440 kW），占機組容量的3%以上。因此，提高風機的運行效率對降低廠用電率具有重要的作用。

2 影響風機運行效率的原因

我國電站風機已普遍采用了高效離心風機，但實際運行效率并不高，其主要原因之一是風機的調速性能差，二是運行點遠離風機的最高效率點。

我國現行的火電設計規程SDJ－79規定，燃煤鍋爐的送、引風機的風量裕度分別為5%和5%～10%，風壓裕度分別為10%和10%～15%。這是因為在設計過程中，很難準確地計算出管網的阻力，并考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通常總是把系統的最大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。但風機的型號和系列是有限的，往往在選用不到合適的風機型號時，只好往大機號上靠。這樣，電站鍋爐送引風機的風量和風壓富裕度達20%～30%是比較常見的。

電站鍋爐風機的風量與風壓的富裕度以及機組的調峰運行導致風機的運行工況點與設計高效點相偏離，從而使風機的運行效率大幅度下降。一般情況下，采用風門調節的風機，在兩者偏離10%時，效率下降8%左右；偏離20%時，效率下降20%左右；而偏離30%時，效率則下降30%以上。對于采用風門擋板調節風量的風機，這是一個固有的不可避免的問題。可見，鍋爐送、引風機的用電量中，很大一部分是因風機的型號與管網系統的參數不匹配及調節方式不當而被調節門消耗掉的。因此，改進離心風機的調節方式是提高風機效率，降低風機耗電量的最有效途徑。

3 風機的變頻調速技術

圖1為采用風門擋板調節和變速調節方式時，風機的效率－流量曲線。

圖1 不同調節方式下的風機效率

由圖1可知：風機的風量由100%下降到50%時，變速調節與風門擋板調節方式相比，風機的效率平均高出30%以上。因而，從節能的觀點來看，變速調節方式為最佳調節方式。

此外，工業鍋爐燃燒的穩定性和可靠性是實現鍋爐安全經濟運行的關鍵。鍋爐爐膛的負壓是一個重要的控制參數。傳統的爐膛負壓控制方式是當電機以恒速運行時通過一次儀表檢測爐膛的負壓，再同負壓給定值比較，其差值經比例積分調節控制器按照整定參數運算后，由電動或氣動執行器控制風機引風擋板開口度，即改變風阻調節引風量達到調整燃燒的效果。在實際應用中，引風擋板的開口度一般在 60%～80%，相當一部分電能消耗在引風擋板的阻力降上，造成電能的浪費；而且，擋板的機械連接結構在擋板的調節過程中存在滯后，線性度差，調節性能不太好，除產生大量的節流損耗外，反應速度慢，也是導致鍋爐風煙系統負壓調節無法快速響應工況動態變化，穩定投入自動運行的重要因素。另外，在負壓閉環控制中，若負壓過大，還會造成爐內燃料的浪費；負壓過小，又會影響燃料的充分燃燒，進而影響鍋爐蒸汽的質量。

采用變頻調速技術，將原有的風門擋板開至最大，應用負壓閉環控制，通過調節風機電機的轉速即直接調節風量來實現鍋爐負壓自動調節控制，能夠更好地滿足生產要求，響應速度加快，控制精度也提高了，從而使整個機組的控制性能大大改善，不但改善了機組的運行狀況，還可以大大節約燃料，進一步節約能源。同時，采用變速調節以后，還可以有效地減輕葉輪和軸承的磨損，延長設備使用壽命，降低噪聲，大大改善啟動性能。

4 引風機高壓變頻調速的技術經濟分析

引風機采用變頻調速對風量進行調節要比通常采用的調節風門擋板控制風量的方法有顯著的節電效果。表達風機基本特性的參數是風量Q、風壓H、功率P和效率η。

風機總功率：

式中：Pt——總功率，kW；

Q——風量，m3/s；

Ht——全風壓，Ht=Hs+Hd,kPa；

Hs——靜壓；

Hd——動壓。

全壓效率：

當風機的轉速從 n1變為n2時，Q，H，P的大致變化關系為：

由式（3）可知，風機功率同風機轉速的三次方成正比，所以當風機的轉速變化時，風機的功率會有較大的變化。

大同煤礦集團大唐熱電有限公司，4×50 MW單抽冷凝式空冷供熱機組，由北京國電華北電力設計院設計，配備5臺240 t/h循環流化床鍋爐。鍋爐型號為HG-240/9.8-L.MG35，鍋爐型式為高溫高壓參數、單鍋筒、自然循環蒸汽鍋爐，采用循環流化床燃燒方式，平衡通風，絕熱旋風分離器。

每臺鍋爐配備2臺引風機，南通金通靈風機有限公司制造，Y6-40-1426.8F型，流量260 600 m3/h，全壓8 630 Pa，轉速985 r/min，旋轉方向左右各一，功率730 kW，介質溫度142℃；電機由西安西瑪制造，YKK560-1-6型，功率900 kW，接法Y接，轉速990 r/min，防護等級IP54，額定電壓6 000 V，額定電流107.3 A。

上述高壓電機均為直接工頻啟動運行，風量調節采用閥門擋板控制，電能損耗較高。

為了降低廠用電率，提高發電效率，實現機組調節負荷時最大限度降低電動機的功率損耗，對#1鍋爐#1、#2引風機，采用北京合康億盛科技有限公司的高壓變頻調速技術進行改造，以達到節能降耗及提高調節自動化水平的目的。

2008年6 月，對#1鍋爐#1、#2引風機進行變頻改造。所應用的HIVERT-Y06/120型變頻器，可通過在控制柜門人機界面通過觸摸鍵盤的操作切換實現“本機控制”與“遠方控制”。“遠方控制”與原有的DCS連接，在引風機控制畫面中增加了變頻器畫面，與變頻器輸出接口聯接，進行數據通訊，運行人員可以通過DCS中的畫面，對引風機和變頻器的工作電流、轉速以及運行、停止、故障等狀態進行實時監控。另外，變頻器的控制調節還經過DCS通過負壓調節器接受爐膛負壓信號和來自送風系統的前饋信號，綜合運算后經手動、自動切換單元輸出4 mA～20 mA模擬量控制信號到變頻器的控制端，調節變頻器輸出電源的頻率，從而改變電動機的轉速，改變引風量，達到穩定爐膛負壓的目的。與常規的控制調節系統比較，系統結構、運行操作方式基本不變，主要區別在于由調整引風機入口擋板開度改為調節引風機電動機轉速。為了保證生產的連續運行，當變頻器故障時，可通過自動旁路柜將故障變頻器隔離后自動切換到工頻運行，風量仍由風門擋板調節。

2008年7 月6 日，大同煤礦集團大唐熱電有限公司，#1鍋爐#1、#2引風機變頻調速技術改造進入整體調試，爐膛負壓控制全部投入自動運行，最終順利通過72 h+24 h滿負荷試運行，整個過程運行平穩，狀態優良。根據當時的調試記錄，對照引風機變頻改造前后風機實際運行電流進行節電分析計算，2臺引風機節電率累計約為29.6%；按變頻器實際功率顯示值加2臺變頻器自身8%（各4%）的損耗，對照原引風機實際運行工況，分析計算出2臺引風機節電率累計約為40%，見表1。

表1 #1鍋爐#1、#2引風機及電機參數

2008年7 月14 日，為檢驗變頻與工頻狀態下的真實節電效果，運行人員采用相同工況下4 h工頻、4 h變頻的運行方式，全程記錄了不同蒸發量下2臺變頻器節電的情況（2臺引風機均需投入運行，負荷各承擔50%）：鍋爐蒸發量170 t/h時，節電58%；鍋爐蒸發量180 t/h時，節電46%；鍋爐蒸發量200 t/h時，節電26%；鍋爐蒸發量220 t/h時，節電17%，平均節電率為36.75%。

圖2 2種運行方式功率對比

圖2是變頻調速運行風門全開和電機工頻啟動后旁路運行調節風門時對電機功率測試的對比，變頻運行有顯著的節電效果。

5 引風機高壓變頻改造中存在的問題

由于電機轉動慣量或電機負載變化增減速時，尤其是在瞬間減速過程中，容易造成電機失速，即電機轉速與變頻器輸出頻率不協調，從而導致過電流或過電壓，造成變頻器運行調整過程中故障，人為手動調整方式下發生故障的概率較高；而調節投入自動運行，通過前饋信號及系統自動跟蹤，調節幅度較小且調節平穩時，可避免類似故障發生。此外，如果發生因調節幅度過大過快而導致的故障時，也可通過調整變頻器增減速時間，避免類似故障發生。另外，由于電機低轉速時冷卻風量下降，散熱能力降低，電機溫升增加，用變頻調速在電機連續低速運行時，必須加強對電機的冷卻，同時要注意改善對變頻器自身及本體控制柜的散熱效果。

6 結束語

鍋爐引風機采用變頻調速實現爐膛負壓閉環控制，具有節能降耗、調節特性好的優點，能更好地滿足生產實際要求。鍋爐風機電機采用變頻調速，對原有設備無需進行較大改動，投資較小，投資回報快，有推廣價值。

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年畢業于山西礦院 (機電系電氣自動化專業)，大同煤礦集團大唐熱電有限公司工作，高級工程師。

張勝奇，男，1969年10月出生，2007年12月畢業于中共中央黨校經濟管理專業，現在大同煤礦集團大唐熱電有限公司工作，技師。

修回日期：2010-07-27