第三节 一次风机变频调速节能改造(下)
4 一次风机变频改造的实施
4.1 整个改造工程包括三部分：
（1）变频器的安装和接入在风机旁就地搭建了专门的变频小间，其中安装的主要设备包括变频器主柜体、双路控制电源切换箱、变频器UPS（交流不停电）电源柜和变频小间柜式空调机，而变频器的所有就地操作以及运行参数和报警参数的检查设置都在变频小间内完成。
（2） 电气开关部分的改造6kV高压开关加装了变频器保护回路和“工频/变频工作方式”切换把手，配合一次风机变频运行和工频两种工作方式的切换，另外从380V低压交流厂用母线段和220V直流母线段完成了对变频器控制电源和操作电源的供电改造。
（3）热工逻辑和DCS操作画面的改造。
一次风机变频器改造后主要的工作方式选择和变频器启动允许程控逻辑方案如下：
在DCS原有一次风机系统画面上增加一次风机工作方式提醒，在一次风机系统画面上不再增加变频器启动按钮，在不同工作方式下仍然用同一个按钮启动一次风机。在工频方式下，画面提示一次风机在工频方式，在原操作按钮上按下启动，则合6kV开关，并在风机运行中调整风机入口动叶开度以维持母管风压在设定值。在变频方下，画面提示一次风机在变频方式，仍在原按钮上按下启动，一次风机变频工作方式下的6kV开关与变频器启动顺序是，当操作员按下启动按钮，首先合一次风机6kV开关，等待30s（变频器电容器充电时间），检测变频器准备好信号存在，启动变频器。这时运行风机的入口风门保持全开，通过调整电机转速改变风机出力，以维持母管压力在设定值。
4.2 变频方式下一次风机的控制方式
一次风机的主控制参量为一次风压：随着磨煤机煤量变化（即机组负荷变化）而调控一次风机出口母管的风量。变频方式下一次风机的控制方式如下：
（1）保留原来的一次风机挡板调节站，另外编辑一套变频调节站。一次风机在变频方式运行时，入口调整挡板应全开，通过变频器改变电机转速以调节风机出口母管压力。
（2）一次风机在工频方式运行时，变频调节站强制手动；在变频方式运行时，挡板调节站强制手动。
（3）变频方式启动时，强制挡板全开且变频器输出为最低转速。变频器在就地位运行时，控制站跟踪转速反馈值，以实现无扰切换。
（4）变频自动调节切手动条件如下（任一满足）：
一次风机出口母管压力信号故障； 一次风机在工频方式运行； 当调速指令与速度反馈偏差过大。
由于一次风量的波动对机组影响非常快，故大多用于一次风机改造的变频装置采用手动旁路切换方式。当一侧一次风机跳闸时，机组RB（快速降负荷）功能迅速投入，以避免MFT（锅炉主燃料跳闸）动作，保证机组的连续运行。
一次风机变频改造如果采用自动旁路切换方式，则需注意以下问题：
（1）防止变切工时两台风机转速偏差太大，造成“抢风”引起切换成功后风机过流跳闸。
（2）当变频切工频时因为风机出力突然增大有可能造成一次风压波动威胁机组安全。
（3）变频切工频时的RB问题：变频器在故障情况下将自动切为工频运行，RB逻辑设计时需要考虑几种情况：在变频切工频成功情况下，不能因为切换过程中变频信号消失、工频信号未回误发RB；在切换失败情况下，能够正常触发RB；另外，在风机运行过程中一次风机其他保护动作跳闸一次风机时，必须马上触发RB，而不能有延时。
通过对一次风系统的深入研究，结合高压变频调速技术的特点，针对性的研究了高压变频调速协调控制技术的实际应用途径和具体设计实现。
根据一次风系统应用变频调速技术所面临的主要问题，协调控制单元具备以下主要功能：
（1）在一次风机变频运行状态自动切换至工频过程中，对故障点的位置判断准确、动作及时有效。
（2）通过变频与工频运行方式之间的协调，保证一次风机能够不间断运行。
（3）通过变频调速与一次风调节挡板的开度配合，保证一次风不失压。
（4）通过故障一次风机与另一侧运行一次风机之间的协调控制，保证两台一次风机均工作在安全特性区内，不出现“抢风”现象。
该协调控制单元的控制结构框图如图3所示。主要包括：协调控制模块、故障点分析模块、故障识别模块、故障诊断及自处理模块、一次风机系统保护模块、保护动作连接模块、挡板开度函数器、模拟量I/O模块、数字量输入模块、数字量输出模块等十余种模块组成。
其工作原理是：将一次风机工/变频自动切换系统的综合保护装置作为变频回路和工频回路的主要检测方式，接受变频器上口、变频器下口以及变频器旁路开关的二次检测信号。通过对主动力系统不同位置的运行工况参数及工作状态的检测，由故障点分析模块根据信息来源的动作先后、反应速度、二次电流、电压的幅值变化，结合变频器自身的运行参数检测信息，分析判断故障点的真实位置。通过故障识别模块判断故障的安全级别和危害程度，同时指示出具体故障点位置和故障原因。
协调控制模块在接到故障点分析的具体位置和安全级别报告后，结合现场设备的运行状态和工况，决定是否采取变频向工频运行方式的切换操作。如果一次风机主动力系统允许由变频向工频运行方式的自动切换；系统直接将另一侧变频风机直接快速加速至100％，并根据实际负荷，计算出跳闸侧风机工频开关的合闸操作时机。通过挡板开度函数器实时计算出变频切工频后一次风机挡板开度自动关小的位置信号，从而实现变频向工频切换过程中一次风压尽量小扰动。保证切换动作过程中，锅炉的一次风压波动瞬值不高于锅炉燃烧系统对一次风速的最低要求、时间小于2s，使得锅炉在一次风机的切换时，锅炉运行平稳、安全不灭火、不跳机。
数字量输入、输出接口模块主要是接受外围远程控制信号，实现一次风机变频上、下口及旁路开关的联锁保护、闭锁逻辑和控制功能。同时将高压开关和外围控制信号传递给协调控制模块进行综合信息处理和判断。
故障诊断和自处理模块主要是对外围接入的开关量、模拟量以及二次仪表的检测信号进行分析判断，确定信号接口是否正常，信号输入、输出是否有效，是否存在错误状态等。并且根据实时的状态信息，判断出故障端口点号，并将其从逻辑处理回路中切除，通过信号替代保持信号处理的完整性。从而，提高系统逻辑处理的安全及可靠性。
4.4 一次风机变频调速后存在问题及对策
（1）一次风机变频后的“抢风”问题
通过对一次风机的结构和工作特性研究可知：风机具有明显的马鞍形特征，在风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形区域，在此区段内运行有时出现流量大幅度脉动等不正常情况，出现“喘振”问题。而喘振仅仅是不稳定工况区内可能遇到的现象之一，在该区域内还会出现不正常的零气动力工况，这便是旋转“失速”现象。风机在不稳定工况区运行时，还可能发生流量、全压和电流的大幅度波动，气流会发生往复流动，产生强烈振动，这就是通常提到的“抢风”。锅炉一次风机改为变频调速后，两台风机并列运行，就非常容易发生“抢风”现象，威胁风机及整个系统的安全性。下面就针对两台风机的运行工况进行分析说明，如图4所示。
如果风机参数选择适当，运行时操作正确，两台风机并联运行时的风道性能曲线Ⅳ与风机并联合性能曲线Ⅲ交于1，则每台风机将在点1′工作，风机在此工况下工作是稳定的，不会出现“抢风”现象。如果风机工作不当，风道性能曲线Ⅴ与风机合成性能曲线Ⅲ交于点2与点3，落在∞字形区域内工作，则风机工作点可能是点2或点3。若风机在点2上运行，则两台风机尚能在点2′上稳定运行。如果两台风机的风道阻力稍有差别，或者风道系统中风量稍有变动，其结果是风机处于点3并联工作，此时两台风机工作点分别是3′和3〞点运行。其中点3′工作风机风量大且在稳定区工作，而另一台在点3〞工作的风机的风量小，且工作点落在不稳定工况区内。这样两台性能相同的风机输送的流量就不相同，出现了“抢风”。但是两台风机分别在3′和3〞点工作的状况不是稳定不变的，这两台风机的工作点会发生互换。风机在此工况下工作，严重时甚至会出现一台风机的风量大，另一台风机则产生倒流。因此，在两台风机并联运行时，为避免抢风现象发生，就应当采取措施避免风机的工作点落在∞字形区域内。
锅炉一次风机变频改造后，风机在低负荷运行时的工作点离不稳定区（左边界）较近，导致机组在低负荷区间运行时，两台一次风机“抢风”即风机的并列困难；通过两台一次风机的快速协调平衡系统，对运行参数调整，降低系统一次风压、改变系统通风量，“抢风”问题得到解决。
（2）防喘振控制思想
图5 不同转速下的特性曲线图 图6 典型的安全操作曲线图
图5给出了风机在不同转速下的特性曲线，可以看出转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小，把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为不稳定区。我们称驼峰流量为极限流量相应的驼峰点连接曲线称之为喘振抢风极限线。
显然，只要在任何转速下，都能控制风机的流量，使其大于极限流量，则风机便不会发生抢风问题，这就是防喘防抢控制的基本思想。
考虑到吸入气体的状态如压力、温度、密度及系统风量、风压变化等都会引起风机特性曲线的变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不会太靠近不稳区极限，以避免发生抢风喘振事故。在一次风系统中采用“调速－比例调门法”比较适合电厂安全和节能需要。
变频协调控制单元将变频节能与防喘振协调控制，根据一次风系统的要求，风机流量波动时维持出口压力在某一定值范围内，因此取出口压力Ｐ1，送入变频节能与防喘振控制器中，由压力变送器，协调控制器，高压变频器，电动机和风机构成一个闭环控制系统，通过不断地参与鼓风机转速自动调整，来达到稳定出口压力的目的。
图6给出了两条典型的安全操作线，其中安全操作线1为固定流量安全操作线控制。安全操作线2为一条与喘振极限线相似的曲线，其流量比喘振极限流量大5%~15%，解决了转速较低时安全操作线1存在的耗能问题，是一个最节能安全控制方式。
（3）一次风机RB时，一次风机变频器过负荷保护动作防范
一次风系统变频运行时，单侧一次风机变频器故障不能连续运行时，会触发机组RB功能动作。系统处理不当或反应不及时，就会最终引起机组跳闸。结合锅炉一次风机RB分析，主要会导致一次风机变频器过负荷保护动作有以下方面的原因：
次风机RB工况初期，系统通风量过大，在单点压力情况下，流量超标引起变频器过负荷；一次风机RB工况初期，风机的运行工况严重偏离高效点，运行效率极低；一次风机性能曲线陡峭，驼峰型特性明显，效率低。
为防止一次风机变频器过负荷保护动作的措施如下：
一次风变频器的设计过程中提供负荷限制功能，防止变频器过负荷保护动作跳闸；优化RB时一次风系统逻辑。
4.5 节能分析计算
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。即当电机转速降为额定转速的80％时，调速系统（高压变频器＋电机）从电网侧吸收功率约降为额定转速时的51％，因此，若工艺要求系统风量下降即一次风机转速下降时，节能效果十分明显。
用户通过近一年的观察、比较，根据四季负荷变化平均下来，一年按7000h计算，一台风机的高压变频器可以节能290kW.h，按发电成本电价0.2553元/ kW.h计算，一台风机一年节约电费74.1万元，二台一次风机每年可节约电费148.2万元。
4.6 结论
盘山发电公司对一次风机的变频改造取得了初步成功，节能效果明显。发电生产设备中辅机设备占有绝对数量，对辅机设备进行变频改造的节能效果十分明显，节能经验和数据说明技术因素对能耗的变化起着主导和决定性作用。利用新型技术对设备进行改造，根据实际应用情况做进一步完善和革新，确保节能和安全达到完全统一，把节能效果发挥到最大，相信可以为我国节能降耗工作做出更大的贡献。综合盘山发电公司对一次风机系统进行变频改造的实际情况，提出以下建议：
（1）加强变频装置及其辅助系统的维护工作，确保不发生因变频系统故障而发生的异常和安全事故；
（2）做好风机变频运行的工况下，发生事故的各种事故预案和事故演习，熟练掌握变频方式下各种事故的处理方法，减少事故扩大的可能；
（3）在实际运行中，继续探索变频调节系统各种参数的合理性和准确性，利用实际运行进一步调整各参数到最合适范围，提高节能效果和安全系数；
通过变频协调控制技术在锅炉一次风系统变频改造应用中的研究，充分说明：在利用高压变频器进行节能改造的过程中，着重研究和解决高压变频技术应用中带来的问题和解决办法，对提高系统运行安全稳定性，降低经济损失，具有更为重要的意义。将变频协调控制技术应用到各种领域当中能够显著提高生产系统因变频改造带来的安全稳定等效益，并且可以进一步实现优化系统，提高节能效果的目的。该项技术的研究势必会为高压变频技术的广泛应用起到积极的推动作用。
