引風機高壓變頻控制策略與優化

郭伯春，肖勝

(1.四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638000;2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

隨著節能降耗的深入開展，發電廠已把節能環保列入重要的工作日程。高壓變頻控制技術是節能工作的重要一環，其有節能效果明顯并能提高設備及相關電機使用壽命等優點，從而得到了廣泛推廣和應用。電廠高耗能設備(如引風機、送風機、一次風機和凝結水泵等)已成為高壓變頻控制改造的主要對象。在高壓變頻改造中，其控制策略的先進性和合理性成為高壓電機設備變頻器改造項目成功實施的關鍵因素。本文以四川廣安發電有限責任公司三期工程#62機組(600 MW)引風機高壓變頻改造為例，略論引風機高壓變頻改造方案中控制策略及與之相關的優化問題。

1 變頻改造方案

1.1 電氣部分改造

引風機在火電廠鍋爐運行中起著至關重要的作用，引風機出力的大小直接作用于爐膛壓力，維系著爐膛燃燒的穩定性。在電氣部分改造方案中，兩側引風機分別采用“一拖一”的改造方案，即1套變頻裝置帶1臺引風機和斷路器通、斷電源。單側引風機變頻器可實現變頻和工頻之間的自動切換且不會對爐膛壓力造成較大影響。高壓變頻設備廠家通常根據系統情況和用戶要求進行設備配置。四川廣安發電有限責任公司三期工程#62機組引風機變壓變頻改造后，變頻器和電動機的連接方式如圖1所示。

該電氣部分改造方案共增加了2套高壓變頻裝置，每套高壓變頻裝置包含3臺高壓斷路器。變頻方式啟動時，操作變頻器出線斷路器QF4和入線斷路器 QF3合閘，再合上6 kV母線出線斷路器66515，最后啟動變頻器，引風機變頻運行。切到工頻方式時，首先停止變頻器，然后斷開QF3和QF4，再合上旁路斷路器QF5，變頻器工頻運行。

1.2 分散控制系統(DCS)部分改造

變頻器自身控制邏輯和相關報警由變頻器內的可編程邏輯控制器(PLC)控制，具有較好的與分散控制系統(DCS)接口的能力。根據引風機的現場運行特性要求及變頻器控制的具體情況，確定采用表1給出的DCS與電氣部分接口方案。

在該方案中，對于單側引風機，DCS與電氣部分接口的信號共有21個，其中開關量信號18個、模擬量信號3個。通過增加上述信號的DCS相關模件和I/O通道并在DCS中設計控制策略，進行相應的控制邏輯組態和流程畫面組態，可在DCS上啟、停兩側引風機以及手、自動控制其轉速，并且可顯示相關保護和報警。

2 控制策略

2.1 控制策略要求

(1)通過引風機高壓變頻改造，實現爐膛壓力自動變頻調節，以達到節能降耗之目的。

(2)通過變頻與工頻運行方式之間的切換和協調控制，保證引風機不間斷運行。在變頻切工頻過程中，對切換點位置判斷準確，動作及時可靠，避免對爐膛壓力產生較大擾動。

(3)通過變頻轉速與引風機靜葉開度的配合，保證爐膛壓力穩定，風機不失速、不搶風、不返風。

2.2 順控及保護部分

以四川廣安發電有限責任公司三期工程#62機組引風機高壓變頻電氣部分改造為例，其順控及保護部分的控制策略如下。

(1)工頻方式。QF3在分閘位，QF4在分閘位，QF5在合閘位。

(2)變頻方式。QF3在合閘位，QF4在合閘位，QF5在分閘位。

圖1 #62機組單側引風機高壓變頻電氣部分改造方案

表1 #62機組單側引風機高壓變頻改造DCS與電氣部分的接口

(3)工頻運行狀態。工頻方式且66515在合閘位。

(4)變頻運行狀態。變頻方式，66515在合閘位且變頻器正運行。

(5)變頻器中各斷路器合閘允許和聯鎖信號。

1)QF3合閘允許:QF5在分閘位，66515在分閘位;

2)QF3聯鎖分閘:引風機變頻切工頻觸發;

3)QF4合閘允許:QF5在分閘位，66515在分閘位;

4)QF4聯鎖分閘:引風機變頻切工頻觸發;

5)QF5合閘允許:QF4在分閘位且原引風機熱工允許條件;

6)QF5聯鎖合閘:引風機變頻切工頻觸發;

7)QF5聯鎖分閘:引風機熱工保護條件為1。

(6)變頻器啟動允許條件(以下4個條件相與)。

1)變頻方式且66515在合閘位;

2)變頻器在遠方控制且變頻器就緒;

3)變頻器停運30 min以上(66515或QF3在分閘位達30 min);

4)引風機熱工允許條件為1。

(7)變頻器聯鎖停(以下2個條件相或)。

1)變頻器重故障;

2)引風機保護跳閘條件。

(8)6 kV母線出線斷路器66515合閘允許條件(以下2個條件相或)。

1)工頻方式時，原允許條件保留不變;

2)變頻方式時，原允許條件保留不變且變頻器停運30 min以上。

(9)6 kV斷路器66515聯鎖跳閘:原保護條件保留并增加如下條件(以下3個條件相或)。

1)工頻運行狀態(延時2 s消失)且 QF5在分位;

2)變頻運行狀態(延時2 s消失)，變頻器重故障加非變頻運行狀態且風機變頻切工頻功能未投入;

3)引風機變頻切工頻失敗。

(10)引風機運行(以下3個條件相或)。1)工頻運行狀態;2)變頻運行狀態;

3)觸發引風機變頻切工頻功能。

(11)引風機停止:“引風機運行”取非。

2.3 自動調節部分

爐膛負壓控制有3種方式:兩側工頻控制方式、兩側變頻控制方式以及一側工頻另一側變頻控制方式。其中，兩側工頻控制方式下，原控制邏輯保持不變，下面分析其他2種控制方式相關控制策略設計。

2.3.1 變頻調節

由于變頻調節對象與引風機靜葉調節對象都是爐膛壓力，所以將原有的偏差形成回路直接引出作為變頻的偏差，用于現有的引風變頻控制。即按原有引風機靜葉爐膛壓力控制組態再做一頁引風變頻爐膛壓力控制組態，其中閉鎖增減指令、作前饋的送風指令、超馳控制、MFT返程控制等信號都與原有引風機靜葉爐膛壓力控制組態一致;同時，根據變頻的特點加入了結合轉速的平衡回路，使兩側的出力保持平衡，其余部分邏輯與原有引風機靜葉爐膛壓力控制組態相同，引風機變頻投自動與其靜葉自動互相閉鎖。

2.3.2 變頻切工頻

引風機在變頻運行狀態發生引風機變頻器重故障或非變頻運行狀態以及因需要人為手動切工頻時，為了保證引風機不間斷運行，將觸發引風機變頻切工頻功能:立即聯鎖分閘QF3和QF4，然后再延時合閘QF5。為了避免運行狀態切換對爐膛壓力產生較大擾動，風機工頻啟動前，引風機靜葉開度應保證風機出力和變頻運行狀態出力相當。因此，切工頻前的引風機轉速要換算為切工頻后靜葉開度指令，立即作用于引風機靜葉，其開度偏差在5%以內或其作用時間已達到4 s且在QF4在分閘位，才發出合閘QF5指令;QF5在合閘位時，引風機從變頻運行狀態成功切為工頻運行狀態。判斷變頻切工頻成功的條件應為:觸發引風機變頻切工頻功能延時6 s后，風機在工頻運行狀態。

2.3.3 一側工頻另一側變頻

單側引風機變頻器跳閘且切為工頻運行后，當前工頻運行的引風機由靜葉來調整，為了爐膛壓力自動調節穩定、簡化DCS邏輯控制，變頻切工頻完成后，另一側引風機變頻切手動而引風機靜葉自動，逐步加大變頻指令，變頻指令達到最大后工頻側再投入靜葉自動。

另外，引風機變頻啟動時，為防止其喘振和對爐膛壓力產生影響，應采用變頻模擬工頻啟動方式，即啟動前出口擋板全開，入口擋板和靜葉全關;風機變頻方式啟動后，自動升速到全速運行狀態，將其投入變頻自動，然后手動開入口擋板，再緩慢開啟靜葉直到全開。

單側引風機跳閘，聯跳相應側送風機，其相關控制邏輯保持不變;在變頻運行方式下，單側引風機跳閘，維持原邏輯;在運行方式切換過程中，保持其運行狀態，實現閉鎖RB，若切換失敗再觸發RB保護動作;工頻運行的引風機跳閘，直接觸發RB，不再自動從工頻切為變頻，因為現場調試中，工頻跳閘自動切為變頻運行的成功概率很小，實際意義不大。

3 完善與優化

由于引風機在鍋爐系統中的重要作用和地位，因此，保證其保護和自動控制的完善、優化其對爐膛壓力的調節品質，是高壓變頻控制策略中的重點和難點。結合引風機和變頻器的自身特性分析，本文著重從以下5個方面對引風機高壓變頻控制進行完善和優化。

(1)斷路器QF4和QF5之間雖然已有電氣閉鎖，為了提高閉鎖的可靠性，在DCS組態中增加其邏輯閉鎖條件，進一步防止變頻器輸出側和6 kV母線側短路以及變頻器因倒送電而引起爆炸。

(2)由于變頻切工頻過程只有6 s，因此，引風機靜葉需要在6s內迅速動作到位，以保證風機切換為工頻運行狀態前不會失壓過多;靜葉執行器應采用具有高速動作特性的執行器，在變頻切工頻成功后，靜葉開度指令繼續有效，直到其開度偏差在5%以內或手動輸入指令為止。

(3)在兩側引風機自動調節邏輯中引入了出力平衡回路，其產生的偏置只要有一側設備投入自動就會起作用。在運行狀態切換過程中，為防止平衡回路誤動，變頻切工頻時工頻和變頻偏置均鎖定，工頻切變頻時變頻偏置鎖定，變頻啟動時變頻回路偏置鎖定。這樣，處于自動調節狀態的引風機會在原來的工作點基礎上進行調節，不受另一側設備動作的直接干擾。直到兩側風機調節站都切手動，然后投入自動后平衡回路恢復正常，解除偏置鎖定。

(4)單側引風機從變頻切到工頻運行后，為保證另一側引風機仍發揮變頻節能作用，要求工頻運行引風機投靜葉自動，變頻運行引風機投變頻自動，需在其各自調節回路引入出力動態平衡回路，即變頻運行側的轉速與工頻運行側的靜葉開度對應，使其兩側引風機出力相當。為了防止出現A，B引風機出力不一致的情況，將處于變頻運行的引風機指令通過函數與處于工頻運行的引風機指令相比較，超差過大時閉鎖相應變頻器轉速及靜葉開度指令。可采用工程試驗法求得風機變頻運行轉速與工頻運行靜葉開度對應的關系特性曲線。

(5)為充分發揮高壓變頻節能的作用，變頻器故障修復后，在變頻器功能滿足的情況下，通過DCS組態，可實現工頻、變頻功能。即風機慣性惰走時，變頻器同期啟動，變頻啟動后轉速自動升到最大，靜葉保持切換前位置不變，盡量保持風機切換前、后出力不變，切換過程中產生的擾動由另一側風機自動調節;接下來將非切換側風機調節切手動，切換側風機投入變頻自動，再緩慢開啟靜葉直到全開。

4 改造效果

四川廣安發電有限責任公司三期工程600 MW機組引風機高壓變頻改造中，設計了上述控制策略，實施了具體的改造方案并進行了相關完善及優化措施。在正式投入使用前，四川廣安發電有限責任公司進行了相關冷、熱態試驗，對其中的一些參數進行了整定和修改。試驗結果表明:引風機變頻自動調節品質優良，能滿足引風機變頻控制策略要求;在變頻切工頻過程中，爐膛壓力“負偏”較大，主要是切換時間和靜葉開度指令及其響應速度影響，通過多次試驗可以調整到較好范圍，基本上可實現無擾切換。

5 結束語

在引風機變壓變頻改造中，其控制策略的合理性和先進性，直接影響改造是否成功。四川廣安發電有限責任公司三期工程600 MW機組引風機高壓變頻改造中，科學合理地設計了先進的控制策略，對高壓變頻控制進行了完善和優化，為高壓變頻全過程自動調節和爐膛壓力穩定提供了有力的保證，節能降耗效果顯著，達到了預期的改造目的，可供其他火電廠高壓變頻改造時參考和借鑒。

［1］朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［2］李衛國，李本國，郭雅峰.480t/h CFB鍋爐引風機變頻器改造與應用［J］.華電技術，2008，30(2):42－45.