第一章 电力行业
第三节 一次风机变频调速节能改造(上)
1 一次风机系统生产工艺原理
锅炉一次风机主要是给锅炉制粉系统提供输粉的风源，属于锅炉三大风机之一，也是火力发电厂主要的高耗能设备。采用直吹式制粉系统的锅炉，需要配置两台一次风机。输送空气至制粉系统。由于需要的压力较高，轴流式风机一般要两级叶轮，离心式风机要高压风机，设置进口消声器。输送经预热器预热后的热空气时，还要考虑耐温要求。有的一次风机叶轮前的进口附近设置了一组可调节转角的静导叶，实现风机的流量调节。采用入口导叶调节流量不仅节流损耗大，调节品质差，而且噪声及振动大。一次风机采用变频调速后，导叶开度为最大，阻力最小，加上风机又减速运行，噪声将大幅降低。当转速为50% 左右时，噪声水平可降低十几个分贝；同时还可消除起动和停车时的打滑和尖啸声，大大改善了运行环境。
对于正压直吹式制粉系统，一次风机正常运行时主要起携带和干燥煤粉的作用，并提供煤粉着火初期所需空气。燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的主要动力来源。典型的直吹式燃煤锅炉系统结构原理如图1所示。系统主要由4台双进双出钢球磨煤机、2台一次风机、2台空气预热器等设备组成。磨煤机磨制的煤粉通过一次风管直接进入炉膛燃烧，系统通过控制一次风量实现锅炉负荷的控制。
图1 直吹式燃煤锅炉系统结构原理图
正常运行时，一次风系统通过风机入口挡板控制一次风管压力维持在9.0～11.0kPa范围内，通过冷、热风门开度的调整，实现进入磨煤机的一次风温控制，保证磨煤机运行效率；由磨煤机入口挡板控制一次风量，从而实现磨煤机负荷随锅炉负荷变化而调整。
当发电机输出功率发生变化时，锅炉的燃烧控制系统也随之而变动，为了进一步降低厂用电率，实现锅炉燃烧系统优化运行，对一次风系统变频调速改造成为继凝结水系统、送引风系统之后的又一新的课题。
目前，一次风系统主要存在以下几个问题：
（1）为保证一次风速在一定范围内，通过一次风机入口挡板控制，开度一般在40%--60%，节流损失较大；
（2）燃料制备系统中磨煤机负荷分别通过入口挡板开度控制一次风量，系统效率低，经济指标差；
（3）一次风机入口挡板及出口电动门的开关速度反应缓慢，调节品质不高，在机组出现紧急事故或单側一次风机掉闸情况下，事故保安系统不能有效响应及时动作，严重时甚至导致灭火、停炉等事故的发生，造成巨大的经济损失；
（4）前弯型一次风机因工作特性曲线陡峭，应用变频调速后容易发生抢风和喘振现象，会影响机组的安全运行。喘振是由风机的驼峰形特性曲线引起的，在采用变频调速时，要注意避开或跳过喘振频率点。
变频调速系统设计时应充分考虑机组可能出现的各种运行工况，特别是当出现异常工况时，变频调速系统可能对机组带来的影响。例如，一次风机变频运行时两侧挡板全开，如果一側一次风机掉闸后，要求另一恻风机迅速带满负荷运行以满足锅炉的风量要求；但如果故障侧风机的风门挡板不能迅速全关的话，运行侧风机的风量将部分从故障侧风道分流，导致运行侧变频器因过负荷而跳闸，造成事故扩大。对于送、引风机也存在同样的问题。因此，一方面要求挡板有快关能力，同时要求变频器有一定的短时间过载的能力。
根据一次风机应用变频调速所面临的主要问题，变频调速控制系统应具备以下主要功能：
（1）在一次风机从变频运行自动切换至工频运行的过程中，对故障点的位置要判断准确，动作及时有效；
（2）通过变频与工频运行方式之间的协调，保证一次风机的不间断运行；
（3）通过变频调速与一次风机入口挡板的开度配合，保证一次风不失压；
（4）通过故障侧一次风机与运行侧一次风机之间的协调控制，保証两台一次风机均工作在安全特性区内，不出现抢风和喘振现象。
2 典型工程案例分析
2.1 工程简介
大唐国际天津盘山发电公司2×600MW火电机组是我国华北地区建设投产最早的600MW亚临界火电机组，是京津唐电网的主力机组，曾被国家计委列为1996年利用国家外汇储备购买国产发电设备发展民族工业的试点项目。工程于1998年10月开工，其中3#机组于
每台机组锅炉各装有两台一次风机，风量调节为入口挡板调节方式，由于这样的调节方法仅仅是改变通道的流通阻力，而驱动源的输出功率并没有多大改变，节流损失相当大，浪费了大量电能，致使厂用电率高，发电成本不易降低。同时，电机启动时会产生5～7倍的冲击电流，对电机构成损害。
变频调速系统以其节能效益显著，调速精度高、范围宽，电力电子保护功能完善，及易于实现自动通信等特点，得到了广大用户和市场的认可。在运行的安全可靠性、安装使用便利性、维修维护简易性等方面，也给使用者带来了极大的好处，使之成为工业企业电动机节能的首选方式。
为了节能降耗和提高机组的调节性能，电厂经多方考察论证，决定采用北京利德华福公司生产的HARSVERT-A型2400kW/6kV高压变频调速系统。该项目主要设备包括：高压变频器4台、强制式密闭冷却装置2套、空水冷却系统4套。系统能够实现一次风机设备的变频调速运行，维持风压稳定，系统具备完善的闭锁、联锁和设备保护等功能。变频器满足DCS原有控制逻辑的接口及控制需要，能够根据单台锅炉运行工况、运行方式等信息自动实现两变、两工、单台变频或单台工频的风压自动调节控制功能。
2.2 一次风机系统参数
该电厂每台机组配有两台沈阳鼓风机厂生产的双吸入前弯型离心式一次风机。风机采用电机定速运转、入口电动动叶调整风机出力。一台一次风机容量为50％BMCR（锅炉最大连续负荷）。其具体参数如下。
风机型号：G9-2×36No
风压：15542 Pa；风量：
电机型号：YKK710-4；额定功率：2400kW；、
功率因数：0.921；绝缘等级：F；
额定转速：1494r/min。
2.3 一次风机变频系统方案
大唐盘山发电有限责任公司#3、#4炉一次风机电动机额定功率为2400kW。通过对现有一次风机动力系统的研究、分析，综合其中存在的问题，以“先保证系统安全可靠，结构合理，提供最佳性价比方案”的原则对系统进行改造方案设计。每台一次风机采用一台2400kW的高压变频器拖动，并配备“一拖一”手动旁路柜，以实现工频/变频切换。（以#3炉为例）：
#3炉31一次风机 #3炉32一次风机
图2 变频调速系统电气原理图
2.3.1 变频调速系统主要功能：
（1） #3炉31#一次风机变频运行、#3炉32#一次风机变频运行；
（2） #3炉31#一次风机工频运行、#3炉32#一次风机工频备用；
（3）单风机工频运行；
（4）单风机变频运行；
（5）变频运行方式下，风压自动转速调节；
（6）工频运行方式下，风压自动风门调节；
系统采用一拖一手动工频／变频切换方案，它是由3个高压隔离开关
高压变频调速系统具有下列功能：
（1）电机拖动风机可实现软起动（起动电流从零到额定值平滑过渡、无冲击）和软停车;
（2）可实现线性化调速，系统调频范围0～50Hz。
（3）调速区段内的设备调节和优化控制由机组DCS完成，DCS负责采集模拟量、开关量等信号，变频器输出的模拟量、开关量信号全部进入DCS系统，形成闭环控制，同时实现相关辅机的联锁功能等。
（4）系统设有就地和远方两种控制途径，就地控制是在变频器处通过变频器触摸屏进行操作或应急处理；远方控制是在控制室内进行，分为两种工作方式：一种为远方手动方式，在这种工作方式下，操作员通过DCS系统的CRT手动给定信号，调节变频器的输出频率，改变电机转速，达到调节风量的目的；一种方式为远方自动方式，在这种工作方式下，转速给定是在DCS系统中根据工况运用相关算法进行运算，得出相应风压值，转换成对应频率值，输出给变频器，调节风机的速度，使系统参数跟随给定值变化，从而达到自动调节风量的目的。
（5）信息传递：变频器可以实现同机组DCS系统的双向信息传递，可完成自诊断、报警和接收指令的功能。变频器可提供给DCS系统如下参量：输出转速、输出电流、变频器温度等反馈信息，通过4～20mA电流源模拟量输出。提供的开关量有：变频器报警及故障信息、启停状态信息、高压开关控制信号（高压合闸允许、高压开关紧急分断）等。变频器接收的DCS的模拟量信号为远控转速给定，开关量为远方启/停、高压就绪信号等。
（6）完备的保护功能：变频器内保护配置齐全，有运行中开门、冷却风扇停运、变频器过热、输入电压过低、负载超速、功率单元异常、接地等各种类型报警检测功能，并完全具备对自身及电机的保护功能。
（7）安全运行保障：
机组运行过程中，由于各种原因发生厂用电切换，会造成控制电源消失，变频器两路电源可自动切换。
当变频器出现单元故障，变频器可将故障单元旁路，并降额运行，避免不必要的停机。
当变频器整体故障或控制电源消失或按下紧急停机按钮时，高压变频器高压开关跳闸，切断电源，同时参与联锁。
（8）系统的变频风机实现变频供电和电网供电相互切换运行，可手动切换，当变频器发生异常后，风机仍需要运行，这时可将电机切换到工频电网起动。
（9）变频风机具有互锁功能，确保同一电机不出现变频、工频同时驱动，具有完善的保护、报警功能（包括信号检测系统在内）。
2.3.2变频器冷却系统方案
高压变频器对运行环境温度通常要求在0～40℃，环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过热保护而跳闸，粉尘含量过高导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高，增加维护费用。因此，采用何种冷却方式和系统结构至关重要。
按照高压变频器运行效率96％进行计算：变频器的最大散热功率为：变频额定功率×4％。根据现场的实际情况，综合考虑冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间等因素，最终决定采用综合散热的方案：空水冷+强制密闭冷+室内空调。
即：在冬天等环境温度较低的情况下，利用电厂内自身的冷却水资源，就可以满足变频器的散热要求；当进入夏季时，由于环境温度的升高和电厂负荷的增加，利用空水冷加强制密闭冷的方式可以迅速高效的将变频器散发的热量排出室内，以保证设备的安全运行；为了应对极端、特殊情况，在变频器室内另外又布置了两台5P空调，以备不时之需。
3#机组3-1#一次风机变频器室改造后布局如图3所示。
图3 3-1#一次风机变频器室改布局
3#机组3-2#一次风机变频器室改造后布局如图4所示。
图4 3-2#一次风机变频器室改布局
