火力發電廠鍋爐風機變頻器的自動化控制設計

張龍

湖南省湘電試驗研究院有限公司 湖南長沙 410000

在工業發展過程中，鍋爐風機應用的非常廣泛，但是這一設備應用過程中存在最大的問題就是能源消耗量大鍋爐，風機實際運行過程中涉及到的范圍非常廣泛，所消耗的能源也非常大，在大量的能耗面前，一旦發生能源供給的問題，就會直接影響企業的生產效率。目前在電力、冶金、鋼鐵等多個領域，鍋爐風機都是其中重要的生產設備，為了能夠保證鍋爐風機的安全穩定運行，可以使用變頻器對其穩定性進行有效的控制。

1 變頻器的原理及優點

在鍋爐風機中使用變頻器，可以利用輸出端所發出的信號對風機電壓進行調整，利用相關的程序對變頻器進行有效的控制，鍋爐爐膛內設置了壓力傳感器，能夠對爐內的風壓進行實時監測，還可以將監測到的相關數據反饋給變頻器控制系統，這樣系統就能夠發出指令，為變頻器控制提供有效的數據支持[1]。實際應用過程中，會根據檢測到的爐膛內壓力信號對變頻器進行信號控制，這樣就能夠得到風機電機的輸入頻率，以此來對風機的轉速進行實時調節。利用變頻器以后可以從以下幾個方面對鍋爐風機運行進行優化：首先，利用變頻器能夠有效節約電能。由于其自身具備良好的靈敏度，可控性以及線性度，能夠對鍋爐燃燒過程中的各項參數和指標進行連鎖控制，例如風煤比、爐壓、含氧量等等，這樣就能夠有效降低工作人員控制的難度，還可以有效提高控制的精確度進行自動化保護，切實提高鍋爐的燃燒效率。第二，變頻器還能夠進行有效的線路保護。能夠對過載、短路等各種異常狀況進行有效的應對，使用變頻調速器以后，能夠有效減少啟動電流，對電機進行保護，從而降低電機的損耗。第三，使用變頻器能夠穩定線路電壓。啟動電機工頻時，相關的設備和器件能夠得到有效的保護，防止出現跳閘故障等問題，使用無機調速，還能夠有效提高風機的運行效率，減少對相關元器件產生的磨損[2]。

2 變頻器的主要控制方式

2.1 V/F控制

變頻器的主要控制方式就是V/F控制，也稱之為電壓頻率控制。在實際使用過程中能夠改變電壓頻率，對鍋爐風機進行調速，同時還能夠保證電動機的磁通不會出現改變，使用這樣的控制方式利用開環控制，其控制性能相對較低，在低頻的時候為了能夠有效改變低頻轉距特性，還必須進行轉矩補償。此外，使用這種控制方式，靜態調速和動態轉距性能都不夠高，因此控制曲線也會隨著負載的變化出現波動，也就是說，雖然V/F控制變頻器的主要控制方式，在實際應用過程中仍然出現很強的不穩定性。

2.2 矢量控制

矢量控制又稱之為磁場定向控制使用，這種方式主要是根據磁場定向原理對電動機的磁通和轉矩電流進行相應的控制，這樣就能夠對于電壓和頻率進行自動跟蹤和調節，最終實現試驗值和指定值的一致性。使用這樣的控制方式，針對鍋爐風機進行控制，需要對三相定子電流的幅度和相位進行實時調整，通過合適的電流適量輸出來保證電動機的轉距。現如今使用這樣的控制方式，由于其轉速響應相對較快，調速范圍非常廣泛，所以在控制系統中應用的比較廣泛。

2.3 轉差評率控制

變頻器另外一種主要的控制方式就是轉差評率控制，與之前介紹的兩種方式不同，這是一種直接控制方式。實際應用過程中，通過對轉差評率進行控制，能夠改變電動機的電流以及轉矩應用過程中，可以針對電動機進行轉速的檢測和計算，通過獲得的相關數據就能夠調節轉差頻率，然后根據電動機的轉差頻率和運行速度進行相應的處理，作為變頻器的給定頻率，對電動機進行相應的調整。與V/F控制相比，適用轉差頻率控制能夠有效提升加減速特性和限流能力，使用這樣的方式靜態誤差相對較小，而且還具備良好的穩定性，其應用是動態性能相對較弱[3]。

3 變頻器在鍋爐風機節中的應用

3.1 變頻器選型

鍋爐風機主要包括引風機和鼓風機兩個部分，鍋爐運行過程中兩者需要保持持續運行，如果電機出現公差一般都會進行下調。風機在運行過程中，其電流電壓和頻率都相對較小，主要是由于變頻器會直接控制變頻調速，所以利用變頻器對額定電流進行設置時，需要根據電機運行過程中產生的電流適當放大，就能夠滿足變頻器的運行需求。選擇變頻器型號時，需要對其電壓以及可能受到的干擾運行成本等進行全方位的考慮。確定好變頻器以后，還需要進行進一步的校對，例如啟動和過載電流，檢驗其是否能夠滿足鍋爐風機運行的實際需求。此外，在成本方面還應該進行科學的控制，只要能夠滿足風機的運行需求，應盡量選擇容量較低的變頻器。

3.2 電氣管控系統的合理設計

要想切實提高管理質量，就應該保證變頻器控制是集中分布。由于火電廠的廠區面積具備一定的制約性，所以在布置變頻器通風線路等多個環節時，一定要對整體的方案進行不斷的完善和優化，變頻器控制式的通風非常的關鍵。所以，需要在變頻器上安裝散熱的裝置和風道，只有這樣熱風才能夠在風道的引導下順利排出風量，并不會由于風道的存在而出現變化。在變壓器和功率單元裝置頂端也需要安裝風道，同時應單獨配置，不能夠進行整合，風機周圍的管道和風道之間間距不能夠小于3厘米，在柜的頂端接入電源安裝風機罩的時候，一定要給電源線留足充足的空間。風道排風口的位置應向下傾斜，這樣能夠起到防水的作用，在同樣位置安裝好鋼絲網可以起到防護的作用?？刂剖业娘L口應設置成濾網形式，室內的門框需要進行密封處理，利用空調對室內空氣的濕度和循環進行調整，變頻器一般都會使用下進線的方式，從隧道內被完全引出。使用輔助電源時，也需要安裝變頻器，將其安裝在引風送風和開關之間，而且也不需要拆除。既有工頻回落電機和變頻器之間使用高壓電纜進行有效的連接，盡量使用既有電纜線，如果電機還需要移動，需要提前預留好電纜余量。

3.3 風機控制系統設計

本次改造在原有爐膛壓力導葉控制邏輯基礎上，新增一套獨立的變頻控制邏輯，兩套邏輯不同時投入控制，避免調節沖突；并進行了引風機導葉最大開度、工頻運行導葉控制特性試驗、變頻器空載特性試驗、變頻運行導葉控制特性試驗等全面采集引風機工況參數，為變頻運行時爐膛壓力控制提供依據。DCS另外設置運行中“變頻轉定頻”、“定頻轉變頻”及“導葉活動操作”三個自動程序，以減小運行人員日常操作工作量及避免人為操作所帶來的潛在風險，主要有：①變頻與定頻切換操作：變頻運行時，因特殊工況原因可能需要將變頻器暫時改為定頻運行導葉控制模式，啟動該程序按鈕后，控制器自動調節爐膛負壓，并按照一定速率輸出導葉控制指令，關小入口導葉、提升頻率至預設條件后可切為定頻控制。定頻運行需切回變頻時，程序將按照一定速率輸出頻率控制指令，降低變頻頻率、關大入口導葉至預設條件后可切為變頻控制。②導葉活動測試：正常情況下，引風機保持變頻運行，入口導葉位置置于推薦開度85%，為防止導葉長期不動作導致卡澀，DCS控制邏輯中專門設置“導葉活動操作”程序，由值班員定期執行操作。導葉活動測試在機組負荷370MW時進行，程序自動以一定速率關小動作側入口導葉開度，最低關至25%并逐漸恢復原開度，以此進行導葉的大幅度動作，保證導葉軸承、關節的活動性。

本次改造過程中，在原有的爐膛壓力邏輯控制基礎上，新增加了一套獨立變頻控制邏輯，兩套邏輯控制并不會同時投入，也能夠有效防止出現調節沖突，可以進一步加大引風機導葉的最大開度[4]。進行空載特性試驗、控制特性試驗以及導液控制特性試驗時，全面收集引風機工作時的運行參數，為變頻系統運行時爐膛壓力的控制提供了充足的依據。DCS系統另外設置了變頻轉定頻，定頻轉變頻以及導葉活動操作等三個自動化的程序，能夠有效降低工作人員的操作量，還能夠有效防止人為因素帶來的風險。其主要包括：第一，定頻與變頻切換。風機控制系統進行變頻運行時，由于特殊的原因，可能會將變頻器暫時轉變為定頻運行進行導葉的控制，該程序啟動以后，控制器就會自動調節爐膛負壓，并且根據一定的速率輸出控制命令，關小入口導葉提高頻率，直到預定的條件以后再切換為定頻控制。定頻運行過程中，如果需要切換回變頻，會根據一定的輸出速度進行控制，降低變頻頻率、關大導葉開度，然后直到設置的條件以后，可以切換為變頻控制。第二，導葉活動測試。一般來說，引風機需要保持變頻運行狀態，入口導葉的位置其最適合的開度為85%，為了防止其長時間不動作導致卡澀，DCS的邏輯控制，還專門設置了導葉活動程序，一般會由值班人員進行定期操作，導葉活動測試在機組負荷370MW時進行，程序會以一定的速率自動關小導葉的開度，最低關至25%，然后恢復其原有的開度，這樣就能夠對導葉進行大幅度的動作，保證導葉軸承和關節的靈活性[5]。

3.4 轉速的調節

風機運行過程中，需要根據鍋爐運行的實際需求改變風機的供電頻率，對風機進行調速，在實際調速過程中，不論是從低速到高速還是從高速到低速，都應該保持較小的轉差率，這樣才能夠進行自動控制和無級調速。在鍋爐風機中使用變頻技術，能夠保證整個燃燒過程更加的自動化，有效降低擋板和調節閥的磨損程度和卡死故障率，降低工作人員的勞動強度，節約維修時間，還能夠有效提高火電產能運行效率，同時還具備過載、過流、過壓、欠壓等自我保護功能，能夠有效降低風機的能源消耗，切實提高資源的利用率，為火電廠帶來更大的經濟效益和社會效益。

4 變頻器改造的安全性

針對變頻器進行改造主要是應用在鍋爐離心風機和靜葉可調風機上，隨著鍋爐自身容量的不斷增加，鍋爐風機的容量也在不斷的擴大，尺寸逐漸加大，軸系變長，而風機固有的頻率逐漸降低。進行變頻改造以后，經常會出現共振的問題導致鍋爐風機出現損壞，共振的特點主要有以下幾個方面：第一，葉片共振。一旦出現葉片共振現象，其根部就會出現裂紋，共振嚴重的時候還會導致葉片出現斷裂，一般來說，在共振時風機共振相對較大。第二，軸承徑向共振。其主要表現為風機水平向振動相對較大，與徑向振動有關的因素主要包括風機、軸系支撐，在這個過程中可以降低軸承徑向間隙，適當調節軸向預緊球軸承等方法，預防共振現象的出現。第三，軸系扭轉共振。當軸隙和軸轉速固有頻率倍數相同時，就會出現扭轉共振。一旦發生扭轉共振，徑向振動就會伴隨輕微的改變，進行變頻改造以前，需要通過對軸系固有便利進行嚴格的計算，明確是否會出現扭轉共振的現象，在運行過程中就應該避開共振區運行。對鍋爐分析進行變頻改造以后，通過對風機的節能性和安全性進行綜合的分析，對管路特性、工作效率進行認真的研究，可以得到變頻改造的節能性，對軸系支撐和固有頻率進行相應的分析，能夠保證變頻改造的安全性。

5 結語

綜上所述，火電廠鍋爐風機運行過程中，使用變頻器能夠真正實現鍋爐運行的自動化控制，保證電機調速更加的精準，確?；痣姀S生產過程進行自動化管理，能夠有效提高運行效率，還能夠真正實現能源的節約利用。也就是說，目前火電廠鍋爐風機運行過程中，輔助機械的速度調整是未來的主要發展方向。但是，就目前的實際狀況來看，仍然存在很多的問題，如何使設備和系統真正實現有效的融合，依然是相關行業研究人員需要重點探討的問題。