一次風機變頻改造及RB功能優化

朱志軍

(山東魯能控制工程有限公司，山東濟南 250002)

0 引言

丹東某熱電公司新建300 MW機組，兩臺一次風機為成都電力機械廠生產的GG15-15-6型離心式風機，配套電機型號為 YFKK560－4 W;改造前風機按定速方式運行，通過調節風機入口擋板開度來調整一次風壓，調節范圍為30%～80%，特別是投入AGC后，負荷變化頻繁，一次風機擋板調節頻繁，功耗無法隨機組負荷變化進行調整，節流損失很大，耗電率較高;電機起動電流一般為額定電流的6～8倍，嚴重影響電機的絕緣性能和使用壽命，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，維護費用居高不下。為節能降耗，降低廠用電率，對一次風機進行變頻改造。

1 變頻器改造方案

一次風機變頻改造采用“一拖一”的改造方案，變頻器采用國電四維公司設計、制造的運用移相級聯式多電平逆變技術SWdrive－MV系列高壓變頻器，就地另配置兩套獨立的變頻控制柜，內置PLC控制器，改造前運行人員在DCS上通過調節風機入口擋板開度來控制一次風壓;變頻改造后，通過變頻器改變頻率調節風機轉速來控制一次風壓。變頻系統設置自動旁路，保留系統原有的一次風機入口擋板執行機構，變頻器故障時，變頻系統判斷故障類型，根據需要給出自動旁路允許信號至DCS，DCS邏輯控制風機由變頻方式切至工頻運行。每臺一次風機的工頻/變頻之間實現雙向自動切換，且不對鍋爐燃燒造成影響。

1.1 變頻器電氣原理

變頻器是把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電裝置，通過改變電機頻率和電壓來達到電機調速目的。改造的電氣原理如圖1所示。

圖1 一次風機變頻改造電氣原理圖

1.2 變頻器工作方式

高壓變頻器電氣控制是由3個高壓真空接觸器KM1、KM2、QF2和2個高壓隔離開關 QS1和QS2構成。QS1、QS2與 KM1、KM2聯鎖，即 QS1、QS2斷開時，KM1、KM2合不上。QF2和KM2互鎖，QF2和KM1不互鎖，KM2不能和QF2同時閉合，在電氣上實現互鎖。

工頻運行時，先合QF2，KM1和KM2因電氣機械閉鎖斷開位置，再合QF1。

變頻運行時，就地合上QS1、QS2，變頻器無故障時就地發出變頻高壓開關合閘允許信號，合上QF1，發出變頻器請求運行信號，操作發出變頻器起動指令后，變頻器合上KM1，發出高壓就緒信號，變頻器進行充電，自動充電完成后自動合上KM2，起動變頻器。

在變頻器出現嚴重故障時，變頻器能夠自動轉入工頻電網中，切開變頻調速系統，并且負載不用停機。也可在條件允許情況下由工頻方式切入變頻調速系統，另外可以在旁路運行的情況下斷開QS1和QS2檢修變頻器。真空接觸器及變頻器由DCS統一協調控制，變頻器在重故障時斷開變頻回路。

2 DCS系統邏輯控制優化

變頻改造的目的是為了節能降耗，但前提需要保證機組安全運行，這就需要DCS系統邏輯優化滿足:變頻與工頻方式之間切換，切換點的位置判斷準確、動作及時有效，保證一次風機不間斷運行;通過變頻轉速與一次風調節擋板的開度配合，保證一次風不失壓，風機不搶風、不返風;保證鍋爐在一次風機切換時，燃燒穩定，不發生跳磨、滅火、爆燃等現象。

2.1 SCS相關系統邏輯優化

高壓開關QF1的合閘允許信號在原條件上修改兩條:(1)變頻高壓開關合閘允許或在工頻方式;(2)不在工頻方式(QF2分閘時)或一次風機入口調門開度小于5%。

變頻器的起動運行條件保留原來工頻方式下系統允許條件增加變頻器本身條件:(1)變頻器無故障;(2)變頻器在遠方;(3)變頻器請求運行狀態。

一次風機的運行信號修改為工頻方式，QF2在合閘狀態且高壓開關QF1在合閘狀態;或者變頻方式KM2在合閘狀態且一次風機運行狀態。

一次風機的停止信號修改為變頻方式，QF2分閘狀態且風機電流小于5 A延時7 s，同時變頻器停止且一次風機頻率小于5 Hz延時7 s;或者工頻方式一次風機運行狀態消失且停止狀態置為“1”。

為了防止一次風機起動時變頻器過電流跳閘和風機倒風使一次風壓降低，對一次風機出口擋板邏輯進行了優化:

(1)一次風機工頻運行延時10 s開出口擋板;

(2)一次風機變頻運行，另一側風機出力不大(未運行或變頻運行頻率＜30 Hz)，變頻頻率＞15 Hz后，延時10 s開出口擋板;此時變頻器初始指令為15 Hz。

(3)一次風機變頻運行，另一側風機出力大(工頻運行或變頻運行頻率＞30 Hz)，變頻頻率＞15 Hz后，延時30 s開出口擋板;此時變頻器初始指令為40 Hz。

2.2 MCS相關系統邏輯優化

一次風機變頻改造實現在DCS系統自動控制，同時保留原有一次風機工頻自動控制，兩種方式可以無擾切換。一次風壓的設定值，自動根據機組負荷水平變化，運行人員可根據實際需要在操作面板上調整設定值偏置來調高或調低設定值。

工頻運行方式下自動調節:一次風機定速運行，一次風機出口冷風關斷擋板、出口一次風擋板運行中處于全開狀態，通過調整一次風機入口調節擋板開度來調節一次風母管壓力。

變頻運行方式下自動調節:通過變頻改變一次風機的轉速來調節一次風母管壓力，一次風機入口調節擋板、出口冷風關斷擋板、出口一次風擋板運行中處于全開狀態，必要時運行人員可手動干預進行一次風壓調整。

變頻器故障切工頻成功下自動調節:為避免切換成功后風壓過高及風機過流，本側風機入口調節擋板迅速關下，開度跟蹤切換瞬間負荷經函數轉換對應的指令值，下關過程中，當一次風壓達到切換瞬間負荷對應函數計算出的限值時，調節擋板切手動保持當前值;為了防止兩臺風機出力相差太多造成搶風，在變頻器跳閘后，對側一次風機變頻器以一定速率升至50 Hz輸出，同時入口擋板全速關到對應負荷下的開度，到達目標值后入口擋板置手動;對側一次風機擋板和變頻控制切手動。

變頻器故障切工頻不成功下自動調節:變頻信號消失后延時一定時間，如果工頻信號仍未返回，則認為自動切換不成功。此時故障風機的出、入口擋板將同時關閉，同時觸發對應的一次風機RB;另外一臺還是保持原自動運行方式，不做任何動作。

變頻器故障恢復工頻切變頻的自動調節:先將本側一次風擋板位置反饋降至30%以下，將對側風機擋板或變頻控制切至手動，本側風機變頻指令迅速超馳增至50 Hz，本側擋板在當前開度的基礎上超馳增加5%。

3 RB功能優化

機組的快減負荷功能(RUNBACK，RB)目的是當機組重要輔機發生故障時，自動將機組的負荷降至與當前運行設備允許出力對應的目標負荷，同時維持機組主要參數在允許范圍內，保證機組的安全、穩定運行。在各項RB試驗中，一次風機RB試驗歷來是成功率比較低的一項，而變頻改造后的RB更是難上加難。

3.1 影響一次風機RB的因素

單臺一次風機的參數和裕度:現代大型機組，單臺一次風機一般按50%BMCR負荷設計。設計容量越大，對實現一次風機RB功能越有利，但對節能不利。風機設計裕度過大，會造成一次風機單耗過大，特別是采取擋板調節時，大量能量白白浪費在風機節流損失上;即使采取變頻調速，選用過大的壓頭和流量裕度，也會造成低負荷時，風機運行在風機性能曲線最高點的左側，導致風機并聯困難，兩臺風機發生“搶風”現象。

變頻器調節特性:變頻器將風機頻率調整到最大出力(變頻器默認值為120 s)，較擋板由全關到全開(約需45 s)時間長很多，這樣會導致一次風機在變頻運行方式下RB時瞬間一次風壓降低很多，當一次風壓低于送粉臨界值，導致爐膛失去燃料而滅火。

系統漏風:采用正壓直吹式制粉系統的電廠，往往不是選型小，而是系統漏風嚴重，導致全部磨煤機跳閘或MFT動作。一次風機RB過程中，單臺一次風機運行時，負荷逐漸降低，空預器漏風會不斷增大;運行磨煤機臺數系統切換過程中，一次風系統管網阻力發生變化，一次風走捷徑，通過兩臺空預器及一次風聯絡門旁路大量的風量，跳閘風機入口反竄出大量漏風。

3.2 RB控制邏輯優化

一次風機RB原有基礎上增加以下觸發條件:

(1)變頻器在重故障的情況下，如果在2 s內，KM1和KM2任一開關在合閘位，則觸發QF1分閘(保護變頻器)。

(2)變頻器旁路觸發動作，QF2發出合閘指令后，如果2 s內QF2未達到合閘位，則表明QF2開關故障，則觸發QF1分閘。

發生以上情況，QF1分閘后，執行原RB動作邏輯。

變頻器邏輯優化:原有入口擋板的RB邏輯通過超馳控制和前饋控制，采用跳閘風機指令疊加在運行風機上，抑制調節量和設定值的偏差增大趨勢，有助于閉環調節品質。但是采用同樣的辦法作用到變頻器上可能因為變頻器調節速度過快，導致變頻器過流過載保護動作后一次風機跳閘。為有效防止一次風機RB電機和變頻器過流或過載保護動作，采用變參方式PID調節器控制。另外，在冷態情況下通過試驗，對變頻器加速時間參數進行優化。

閥門控制邏輯優化:主要針對系統漏風造成一次風壓降低。當一次風機RB時聯鎖關閉一次風機出口擋板、一次風機管道聯絡門、跳閘風機側的一次風空預器進/出口擋板、熱一次風再循環閥、停運磨煤機入口冷/熱風擋板及出口氣動閥;修改空預器的一次風機側進、出口擋板關允許條件非RB發生時空預器停止，為運行人員調節提供方便和手段;增加RB發生時，聯鎖關閉過熱器、再熱器減溫水閥和緊急退出吹灰器防止主氣溫下降過多，威脅機組安全運行。

一次風機RB切磨速率:根據同類型機組的經驗，當發生一次風機RB初期，4 s內一次風壓約能下降5 kPa，接近或低于一次風壓送粉臨界值，造成爐膛失去燃料或者爐膛壓力低而鍋爐MFT;原有邏輯切磨時間間隔5 s，這樣極易造成鍋爐滅火，修改切磨時間間隔為3 s;一次風量低跳磨的條件由原來延時60 s修改為一次風機RB時延時120 s。

一次風機RB與模擬量調節的優化:切除氧量自動，送風自動根據負荷對應風量調節。

4 變頻改造相關試驗結果

4.1 靜態試驗

驗證就地裝置、邏輯組態，以及線路接口的正確性，進行了變頻器單體、聯鎖保護、變頻切工頻及工頻切變頻以及變頻器與閥門的聯鎖保護等試驗;模擬一次風機變頻方式RB試驗，查看RB動作后相關情況;對在靜態試驗中出現的問題及時解決。

4.2 動態試驗

機組起動后，一次風壓設定值根據保證最小風壓的情況下負荷自動設定，運行人員手動調整偏置產生階躍擾動，對變頻器的PID參數進行整定，確保變頻器自動調節滿足機組安全運行。

4.3 RB 試驗

1#機組變頻改造完成后，一次風機因為變頻器故障造成機組發生一次風機 RB，機組負荷247 MW，一次風機兩側均為變頻方式運行，一次風壓9.5 kPa，RB發生后，負荷降至單臺一次風機目標最大出力135 MW，一次風壓最低降至5.443 kPa。機組主要參數變化如表1所示。

表1 一次風機變頻方式RB機組主要參數變化表

5 結語

一次風機系統是燃煤機組維持鍋爐穩定燃燒的關鍵系統，采用工頻/變頻自動切換的變頻器改造方案是維持機組安全穩定運行的需要。實踐證明，合理優化控制邏輯，充分利用DCS系統高速運算功能，可以實現一次風機系統的變頻調速控制，并且有運行可靠、節約能源、降低成本的功效，完全滿足生產要求，并能提高電廠的經濟和技術指標，系統具有較強現實意義和推廣價值。

[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]孫輝，梅東升.一次風機變頻調速時實現RB功能的方案[J].華北電力技術，2005，41(3):26-30.

[3]王永先，許俊永.火電廠引風機變頻改造探討[J].山東電力技術，2012(5):66-68.

[4]閆乃明，李珊珊.一次風機變頻運行方式RB功能的優化[J].熱力發電，2012，41(5):110-111.

[5]何紹賡，陳鈺.國產600MW機組一次風機RB功能的實現[J].華東電力，2004，32(7):10-12.

[6]林新田，祝海光.一次風機變頻改造的DCS控制策略介紹[J].河北電力技術，2009，28(4):44-46.