望亭發電廠一次風機變頻控制系統改造

包曉軍

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

0 引言

在火力發電廠中，風機和水泵是最主要的耗電設備，這些設備均長期連續運行并常常處于變負荷運行狀態，節能潛力巨大。因此，發電廠輔機的經濟運行，直接關系到廠用電率的高低。降低發電成本和節能降耗已成為發電廠努力追求的經濟目標。

目前，我國電廠鍋爐風機(特別是一次風機)在運行中普遍存在耗能高的問題。全國范圍內已有多家電廠在已建機組和新建機組離心式一次風機上應用變頻調速器。風機變速調節后，風機耗功降低、運行效率提高、廠用電率降低，節能效果顯著。但有些改造項目卻出現了新的問題:如在并列運行的風機負荷不平衡時發生“搶風”現象;一次風機變頻器過負荷保護動作進而導致鍋爐主燃料跳閘MFT(Main Fuel Trip)動作，嚴重影響了風機及鍋爐的安全、經濟運行。在一次風機變頻改造設計時，應充分考慮2臺“搶風”、一次風機變頻器故障等一系列安全問題。

1 望亭發電廠一次風機設備概況

望亭發電廠#14機組額定容量均為330MW，分別配有2臺單吸入懸臂離心式一次風機，一次風機及電動機技術參數分別見表1和表2。

表1 一次風機技術參數

表2 一次風機電動機技術參數

#14機組制粉系統包括2臺正壓、直吹、離心式一次風機和5臺HP型中速磨煤機。2臺一次風機均用6 kV、1560 kW定速電動機驅動運行，在正常運行時靠調節靜葉擋板開度來調整一次風量，以適應鍋爐負荷變化。由于當初選型時風量裕量和壓力裕量都比較大，改造前機組滿負荷運行時，一次風機電流約82．8A，擋板開度在 50%，風壓約 6．48 kPa，節流損失非常大，因此，考慮對一次風機進行變頻改造。

一次風機變頻運行方式:“一拖一”配置，采用單套變頻器帶1臺一次風機電動機的方案。系統原理圖如圖1所示，圖1中虛線框所示的設備由國電南京自動化股份有限公司供貨。

刀閘 QS1，QS2，QS3安裝在 1 個刀閘柜內，QS2，QS3為雙擲刀閘，QS2和QS3機械互鎖，主開關與QS1，QS2和 QS3電氣連鎖。高壓變頻器型號為ASD6000S－1250。

2 一次風機變頻改造中需要解決的幾個問題

圖1 變頻調速系統及系統原理圖

(1)機組安全問題。近年來，電廠送風機、引風機、一次風機等變頻器故障跳閘引起機組非計劃停機的情況較為頻繁，而一次風機不同于凝升泵變頻改造，不可能備用。因此，如何避免因變頻器故障而引起機組跳閘是控制策略設計時必須考慮的問題。

(2)“搶風問題”。由于2臺風機都改成變頻控制，因此，每臺風機的運行方式均存在變頻和工頻2種方式。如果2臺風機轉速偏差太大，勢必會造成“搶風”，造成一次風壓失控。因此，變頻器投用后采用何種運行方式必須和運行人員取得一致意見。

(3)變頻器就地可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)控制和分散控制系統DCS(Distributed Control System)控制的分界點。兩者之間的信號交接、控制范圍必須事先約定。尤其是一次風機的保護、連鎖的設計、一次風壓和變頻器轉速控制、報警范圍和結構化布線系統SCS(Structure Cabling System)的銜接等必須全面梳理，力求控制系統的設計層次清晰、簡單明了。

(4)機組快減負荷RB(Run Back)控制回路的完善。鑒于一次風機的重要性，一旦變頻器故障極有可能觸發RB回路。因此，必須請有關科研單位的技術人員對原有的RB回路的控制策略進行優化和完善，并進行相關試驗。

(5)閘刀是否改造，是否必須做到工頻、變頻的自動切換，這一點至關重要，投資前要進行必要性論證。存在的問題是:所有的閘刀更換投資較大;控制回路設計復雜和工頻變頻切換存在風險，在切換過程中，很有可能存在偏差造成其中1臺變頻器過流造成MFT。

3 一次風機變頻自動控制策略的設計方案

針對以上問題，通過對江蘇省內多家使用一次風機變頻器電廠的調研，根據望亭發電廠#14機組實際情況，采用如下控制策略:保留就地旁路閘刀形式不變，變頻器重故障直接跳一次風機，由DCS觸發RB自動程序;DCS保留一次風機工頻調節回路，增加變頻調節回路，DCS實現風壓閉環，就地PLC實現變頻器轉速閉環。具體如下:

(1)系統的基本操作功能描述。在正常變頻啟動時，首先將刀閘切換到變頻位置，由DCS發啟動指令給斷路器至合閘，變頻器充電自檢通過后，變頻器自動啟動。在正常變頻停機時，由DCS發停機指令給變頻器，變頻器停機后，發變頻器停止信號，同時，變頻器發指令給斷路器至分閘。在變頻運行時，若發生變頻器故障或電動機故障，由變頻器停機后發指令給斷路器至分閘。DCS實現變頻器的開/閉環運行選擇，DCS接收變頻器的內置信號轉換4～20mA模擬電流輸出信號進行監視。在開環狀態下，操作員通過DCS直接給變頻器4～20mA(對應0～50Hz)模擬電流輸出信號控制電動機轉速。在閉環狀態下，DCS根據反饋給定變頻器4～20mA模擬量輸出信號控制電動機轉速。變頻器依據該模擬量運算輸出運行頻率并在內部實現平衡。在設計時，4～20mA模擬電流輸出信號對應0～50 Hz。變頻器具有最低轉速限制，保證機組最低負荷運行要求，當模擬量信號發生故障時變頻器輸出保持不變。

(2)DCS原有的關于一次風機的主開關的順序控制功能保留不變，連鎖一次風機出口擋板門功能不變。DCS增加一次風機母管壓力的變頻自動控制回路，變頻器投入使用時，一次風機靜葉開足。原有工頻方式下的一次風機靜葉自動控制回路保持不變，2套自動回路由運行根據運行工況進行人工切換。增加一次風機母管壓力測點，DCS中按三取平均值計算。一次風壓自動控制原理圖如圖2所示。

圖2 一次風壓自動控制原理圖

一次風機的控制回路有:2臺工頻調節方式、2臺變頻調節方式、A工頻B變頻方式和A變頻B工頻方式。

(3)一次風機運行方式。一次風機一般不宜工頻和變頻并列運行，以防止2臺一次風機搶風。若工頻和變頻風機必須并列運行，應將變頻一次風機轉速投入自動控制，工頻一次風機入口靜葉控制切手動控制，維持工頻一次風機出口風壓和變頻一次風機出口風壓相近。

(4)一旦一次風機變頻器故障，DCS將對側變頻器轉速開到最大并切到手動方式定速運行;同時由就地變頻器直接跳一次風機主開關，從而再觸發RB。

(5)一次風機RB功能完善。由于一次風機跳閘極易造成機組MFT，因此，必須完善一次風機RB的邏輯。根據電力科學研究院提供的RB邏輯方案，由于機組鍋爐通常存在較大的熱慣性，按常規設計自動控制減煤時鍋爐熱負荷短時間內下降不足，因此，可改原有自動調節為動、靜結合控制，動態時快速跳磨，靜態后轉為自動控制。其中，一次風機RB時，考慮到風壓瞬間下降過快，可適當縮短跳磨間隔至5 s。所以，送風機、引風機、一次風機等需要采用必要的超馳控制和前饋控制。給水自動可以采取適當的控制策略，以避免虛假水位對自動的影響，防止最后汽包高水位停爐。

4 變頻器及相關試驗

4．1 變頻器試驗

在DCS上啟動一次風機14A(B)，連續運行30 min，變頻啟動前先確認風門擋板(或風機導葉)在全關的位置，確保電動機無負載啟動。高壓上電后，等有了變頻器“啟動允許”信號后(合斷路器后30 s)，啟動變頻器到起始轉速，然后，再逐步打開風門擋板(或風機導葉)。其過程和第1臺風機執行同樣的啟動過程，啟動第2臺風機到起始轉速后逐步打開風門擋板(或風機導葉)。同步給2臺風機加(減)轉速，加速過程中調節2臺一次風機出力基本相當，風機轉速達到機組運行要求后，由DCS切入自動，實現DCS自動調節風機轉速。在變頻停機時，把需停機的風機風門擋板(或風機導葉)打到0(即全關)的位置，降低變頻器給定頻率到起始轉速，待變頻器頻率穩定后停機，風機轉速會逐步下降，運行信號消失后斷開上級斷路器。開1臺變頻器到起始頻率，把風門擋板開到最大，慢慢升頻率，看輸出電流，當超過額定時，調小風門直到運行到50Hz時，變頻器還沒有過載，這時的風門開度為正常工作時的最大開度。首先，根據風機特性設定一個初設轉速。設定初設轉速后，啟動風機，保持所有磨煤機入口擋板全關，然后逐步開風機入口擋板，如果風機入口擋板全開后超過壓力設定值，則初設轉速就是最低轉速。如果風機入口擋板全開后達不到壓力設定值(考慮漏風和風道阻力)，就提高轉速且升壓力，等出口壓力和壓力定值相等后，其對應的轉速就可以設為最低轉速。需要對2臺風機進行試驗，2臺風機設定的最低轉速應一致。

4．2 一次風機RB試驗

對切換進行試驗，一方面檢驗切換功能，另一方面記錄通過切換時的壓力變化情況，調整相應的參數，以保證一次風壓控制在切換時仍能正常工作。試驗方法:開啟5臺磨煤機的出入口擋板，設定機組負荷為550MW，開啟送、引風機，達到條件后變頻開啟一次風機，將2臺風機開到大約50%負荷，出口壓力設為11．5 kPa后投入自動，當壓力平穩后，手動將1臺風機切為工頻運行，觀察2臺風機動作情況是否符合原始邏輯設計。

4．3 一次風壓擾動試驗

用于確定變頻自動的比例，積分，微分PID(Proportion，Intetal，Derivative)參數，在變頻器投入自動后，通過加一次風風壓力的階躍擾動，觀察一次風壓的控制曲線，相應調整PID參數，以達到最優自調品質之目的。

5 投用效果及存在的問題

一次風機變頻器改造前、后技術參數對比見表3。

表3 一次風機變頻器改造前、后技術參數比

電廠一次風機變頻改造已經4個月之久，從表3一次風機改變頻前、后相關數據對比可以看出，改造對降低廠用電率起到了積極的作用，節能效果明顯。在此期間，曾因為變頻器本身的問題發生變頻到工頻的切換，在這些切換過程中，由于變頻控制系統的設計合理及良好的調節品質，保障了機組的運行安全。

目前主要存在的問題是由于電廠煤種變化大，磨煤機冷熱風調整頻繁，造成一次風壓力變化過大，對一次風壓力自動的投入帶來一定的影響。因此，可通過間接調節空氣預熱器出口風壓來控制一次風壓。此外，在一次風機RB試驗過程中，B一次風機在開至上限過程中超電流(134 A)，邏輯限制動作，輸出反跟蹤當前轉速92%(1 306 r/min);后運行人員又手動緩慢增加至95%(1 426 r/min)，此時風機電流為138A。變頻器廠家采取了限制電流輸出上限的措施來解決電流超限的問題。