軸流風機動葉片角度控制方式的研究與應用

國家能源集團錦界能源有限責任公司 張 軍

風機是一種把機械能轉變為流體的勢能和動能的動力設備。在火力發電廠中，風機是鍋爐的重要輔機之一，擔負著連續不斷地供給燃料燃燒所需要的空氣，并把燃燒生成的煙氣及飛灰排出爐外的任務，同時克服空氣流經各個部件和煙氣流經各個受熱面的流動阻力。大型火力發電廠鍋爐通風大部分采用的是動葉可調的軸流風機，動葉可調的軸流風機是通過葉片角度的調節來適應風量、風壓的變化。每一個葉片角度對應一條性能曲線，葉片角度的變化幾乎和風量呈線性關系。這種調節的效率高，經濟性和安全性較好。國內火力發電廠安裝的動葉可調的軸流風機主要有成都電力機械廠，上海鼓風機廠及丹麥豪頓華生產的不同型號的軸流風機。

1 電動執行器控制方式的原理及傳動機構

1.1 電動執行器控制方式的工作原理

目前，大多數大型火力發電廠軸流風機的動葉片調節系統由電動執行器驅動。電動執行器是由帶變頻的電子單元控制電機，電機通過渦桿驅動輸出軸及減速齒輪箱。信號齒輪單元驅動軸將渦桿的轉動傳遞到信號齒輪單元。經信號齒輪單元將行程及轉圈數降低后傳遞到電位器或非侵入式位置編碼器，編碼器計算轉動的圈數并將位置記錄在一次旋轉內。電子單元通過電位器或位置編碼器的位置來識別輸出軸的位置，進而識別被控伺服閥的位置。

電動執行器通過機械傳動機構控制液壓缸的伺服閥，改變伺服閥的油路方向，壓力油進入液壓缸活塞的兩側，實現液壓缸活塞的前進和后退。再通過動葉調整機構將液壓缸活塞的直線運動轉化為葉片的轉動，最終實現葉片角度的調節。

標定后的電動執行器，4～20mA 信號分別與葉片開度對應，即：4mA=0%，20mA=100%，電動執行器按輸入的電信號調節葉片角度來控制風機性能。

圖1 電動執執行器控制方式的原理圖

1.2 典型電動執行器的傳動機構

電動執行器與伺服閥的機械連接機構各廠各有不同。上海風機是電動執行器通過柱銷聯軸器與調節軸連接，調節軸通過膜片聯軸器與伺服閥后的齒輪（或撥叉）連接，驅動伺服閥芯移動。豪頓華風機電機執行器是通過連桿與扭矩調節臂連接，通過摩擦盤帶動調節軸，調節軸帶動平衡塊和曲柄，再帶動拉桿、拉叉與旋轉油封連接，旋轉油封帶動伺服閥移動。成都風機的電動執行器與伺服閥的連接方式與豪頓華的類似。也是通過連桿和調節軸連接伺服閥，只是少了力矩保護裝置。

2 電動執行器控制方式的特點

2.1 優點

使用時間長，覆蓋面廣，結構簡單，用戶對此結構比較熟悉；電動執行器有自己的內部控制回路。電廠的控制系統一般都是基于電動執行器設計的。

2.2 缺點

一是電動執行器的傳動機構連接件多，轉動部分多，故障率高；二是電動執行器存在調整誤差或延遲；機械連桿機構存在動作滯后，滯后約為風機整個調節運行的1.5%；最大時誤差可達5%[1]；三是電動執行器無冗余設計，故障意味著整個葉片調整系統的失效，更換電動執行器后，需要現場重新標定開度；四是伺服閥由于閥芯與閥體間總有間隙，理論上總有泄漏，液壓油切斷后葉片角度無法鎖死。

3 比例閥+位置傳感器控制動葉片方式的工作原理及流程

近年來，比例閥+位置傳感器控制（以下簡稱“比例閥控制”）軸流風機動葉片角度的方式，在一些新建電廠的風機上推廣和使用。

3.1 比例閥的控制原理

DCS 給定一個葉片位置信號，該信號與位置傳感器反饋的葉片實際位置信號進行對比，通過DCS 的PID 控制單元轉換為比例閥的控制信號（4～20mA），控制比例閥的開（關）。在開（關）過程中，風機油缸伺服端的葉片位置傳感器接收葉片位置的信號（4～20mA），該信號送回DCS，與設定的葉片位置信號比較，決定比例閥的進一步動作，直到達到設定的葉片位置，完成葉片角度的調節。

圖2 比例閥控制原理圖

3.2 比例閥的工作流程

早期的比例閥采用單比例閥，依靠閥芯在閥孔中處于不同位置，便可以使一些油路接通，一些油路關閉，閥芯的移動依靠電磁線圈產生的磁力。比例閥輸入電源為24V，控制信號為通過DCS 的PID 控制單元輸入的4～20mA 的標準信號，以及DCS 輸入的電源釋放信號。其中，4～12mA 對應調節系統的關方向，越接近4mA 關的速度越快；12～20mA 對應調節系統的開方向，越接近20mA開的速度越快。

現在風機動葉片控制系統的比例閥采用雙比例閥（一用一備），如圖3所示。相比單比例閥的控制系統，雙比例閥的可靠性和安全性又全面提升。

圖3 雙比例閥的工作流程

3.3 比例閥的典型結構

比例閥典型結構如圖4所示。上部為電磁比例先導閥，下部為液動比例閥的主閥。先導閥用以改變控制壓力油流的方向，從而改變主閥的工作位置。主閥可視為先導閥的“負載”，主閥用來更換主油路壓力油流的方向，從而改變執行元件的運動方向[2]。風機油站上的比例閥是中位機能為Y 型的比例閥。

圖4 典型三位四通電液動比例閥結構圖

3.4 位置傳感器

安裝在風機的液壓裝置上，反饋動葉片的精確位置，數量為兩只，一用一備（總共配置6支位置傳感器；每一套控制系統信號都滿足三取二）。每支傳感器輸出兩個4～20mA 的位置信號（信號冗余），輸入電源24V，傳感器采用6芯線連接。

3.5 動葉閉鎖結構原理

液壓缸前端安裝有一個旋轉接頭，旋轉接頭內部有液控單向閥，如圖5所示。當B 側油腔進油時，A 側油腔的油流回油箱，液壓缸活塞向左移動，風機動葉向開的方向移動；當A 側油腔進油時，旋轉接頭內部控制油路打開B 側單向閥，B 側油腔的油經打開的單向閥流回油箱，液壓缸活塞向右移動，動葉向關的方向移動。風機動葉片在關狀態時離心力最大，即風機葉片始終會有一個向關方向的一個關閉力。

圖5 液控單向閥工作原理圖

當A、B 側都斷油時，風機動葉片因為離心力的作用會向關的方向移動，即液壓缸活塞會向右移動，此時，液壓缸B 側油腔因為單向閥的作用，無法回油，B 側油腔會保持原有的油壓，與風機動葉關閉力保持平衡，風機動葉將不會動作。試驗得出，當壓力油失去后，在1周的時間內，液壓缸體的移動量只有總移動量的0.23%，完全可以忽略不計。動葉完全閉鎖，安全性和可靠性好。

4 比例閥控制方式的特點

4.1 優點

一是葉片保位功能。采用比例閥控制的葉片調節系統，在油系統出現故障情況下可以對葉片位置進行鎖定，讓風機保持開度不變繼續運行。電動執行器控制葉片角度的調節系統液壓系統無法保壓，油路出現故障后，葉片開度不受控制，會自行關閉，必須停機處理。比例閥出口還有節流閥和電磁閥，關閉節流閥和電磁閥也可隔絕液壓缸的回油，保持動葉開度不變。

二是調節系統冗余配置。比例閥和位置傳感器可采取冗余配置，一用一備，故障情況下自動切換，進一步提高液壓調節系統的安全性。而傳統（執行器+伺服閥）都是單一配置，一旦出現故障必須停機處理。

三是故障源變少。常規電動執行器調節機構機械部件多。比例閥調節系統全部取消這些機械裝置，大大減少了故障源。

四是更高的調節精度。相比于電動執行器式的機械調節，比例閥調節可以實現更高的調節精度。

五是更換方便。比例閥在風機本體外，可在不停機狀態下進行更換。同時，更換比例閥不需要停機標定開關位置。

六是精確的葉片位置反饋。比例閥調節系統采用的磁致伸縮位置傳感器直接安裝在旋轉組件上，能精確反映葉片的實際位置。

4.2 缺點

一是比例閥對油質的要求相對較高。一般要求液壓油顆粒度小于7級。另外液壓油箱要和潤滑油站分開，防止潤滑油污染液壓油，也可在比例閥前增加過濾器，提高油質。二是比例閥，位置傳感器及信號電纜均為進口產品，采購周期長。

5 比例閥控制動葉片方式的實際應用

一是寧東電廠是較早使用比例閥控制風機動葉片的電廠。寧東電廠二期2×660MW 超超臨界燃煤機組，2017年年底投產運行，引、送、一次風機動葉片的調節均采用單比例閥控制，運行中曾發生過比例閥卡澀的問題，因為風機液壓缸有閉鎖功能，檢修更換比例閥，只需要停運油站，無須停運風機，驗證了風機動葉片閉鎖功能的可靠性。二是錦界電廠在三期2×660MW 擴建工程中，引、送、一次風機采用了雙比例閥控制動葉片的方式，自2020年投產以來，未發生過任何問題。三是府谷電廠二期2×660MW 擴建工程中，引、送、一次風機也采用了雙比例閥控制動葉片開度的方式，為了保證比例閥的油質，在比例閥的前部又加裝了過濾器。四是惠州熱電，寧海電廠，太倉電廠等很多電廠也已經對部分風機進行了比例閥的改造，反響都很好。

電動執行器控制軸流風機動葉片角度的方式已發展了很多年，傳統的軸流風機都在使用這種控制方式，大家對此都比較熟悉。近年來，比例閥控制動葉片角度的方式也逐步在新建電廠中推廣，一些老電廠也在對風機動葉片的控制方式進行比例閥改造。從使用這種控制方式的實際情況來看，比例閥控制方式機械結構少、故障率低。關鍵是有冗余設計，比例閥、傳感器都有備用，動葉片還有自鎖功能，風機因為動葉片控制部分故障造成停機的風險大大降低。比例閥控制是自動化控制發展的趨勢，也是自動化控制發展的一個方向，比例閥控制軸流風機動葉片角度的方式會越來越多地運用于電力生產。