望亭發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)改造

包曉軍

(上海華電閔行能源有限公司，上海 201108)

0 引言

在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵是最主要的耗電設(shè)備，這些設(shè)備均長期連續(xù)運(yùn)行并常常處于變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能潛力巨大。因此，發(fā)電廠輔機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，直接關(guān)系到廠用電率的高低。降低發(fā)電成本和節(jié)能降耗已成為發(fā)電廠努力追求的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

目前，我國電廠鍋爐風(fēng)機(jī)(特別是一次風(fēng)機(jī))在運(yùn)行中普遍存在耗能高的問題。全國范圍內(nèi)已有多家電廠在已建機(jī)組和新建機(jī)組離心式一次風(fēng)機(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速器。風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)后，風(fēng)機(jī)耗功降低、運(yùn)行效率提高、廠用電率降低，節(jié)能效果顯著。但有些改造項(xiàng)目卻出現(xiàn)了新的問題:如在并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)負(fù)荷不平衡時(shí)發(fā)生“搶風(fēng)”現(xiàn)象;一次風(fēng)機(jī)變頻器過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐主燃料跳閘MFT(Main Fuel Trip)動(dòng)作，嚴(yán)重影響了風(fēng)機(jī)及鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在一次風(fēng)機(jī)變頻改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮2臺“搶風(fēng)”、一次風(fēng)機(jī)變頻器故障等一系列安全問題。

1 望亭發(fā)電廠一次風(fēng)機(jī)設(shè)備概況

望亭發(fā)電廠#14機(jī)組額定容量均為330MW，分別配有2臺單吸入懸臂離心式一次風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)及電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 一次風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 一次風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

#14機(jī)組制粉系統(tǒng)包括2臺正壓、直吹、離心式一次風(fēng)機(jī)和5臺HP型中速磨煤機(jī)。2臺一次風(fēng)機(jī)均用6 kV、1560 kW定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，在正常運(yùn)行時(shí)靠調(diào)節(jié)靜葉擋板開度來調(diào)整一次風(fēng)量，以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷變化。由于當(dāng)初選型時(shí)風(fēng)量裕量和壓力裕量都比較大，改造前機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)機(jī)電流約82．8A，擋板開度在 50%，風(fēng)壓約 6．48 kPa，節(jié)流損失非常大，因此，考慮對一次風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。

一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行方式:“一拖一”配置，采用單套變頻器帶1臺一次風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的方案。系統(tǒng)原理圖如圖1所示，圖1中虛線框所示的設(shè)備由國電南京自動(dòng)化股份有限公司供貨。

刀閘 QS1，QS2，QS3安裝在 1 個(gè)刀閘柜內(nèi)，QS2，QS3為雙擲刀閘，QS2和QS3機(jī)械互鎖，主開關(guān)與QS1，QS2和 QS3電氣連鎖。高壓變頻器型號為ASD6000S－1250。

2 一次風(fēng)機(jī)變頻改造中需要解決的幾個(gè)問題

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)及系統(tǒng)原理圖

(1)機(jī)組安全問題。近年來，電廠送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等變頻器故障跳閘引起機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的情況較為頻繁，而一次風(fēng)機(jī)不同于凝升泵變頻改造，不可能備用。因此，如何避免因變頻器故障而引起機(jī)組跳閘是控制策略設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。

(2)“搶風(fēng)問題”。由于2臺風(fēng)機(jī)都改成變頻控制，因此，每臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式均存在變頻和工頻2種方式。如果2臺風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差太大，勢必會(huì)造成“搶風(fēng)”，造成一次風(fēng)壓失控。因此，變頻器投用后采用何種運(yùn)行方式必須和運(yùn)行人員取得一致意見。

(3)變頻器就地可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)控制和分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)控制的分界點(diǎn)。兩者之間的信號交接、控制范圍必須事先約定。尤其是一次風(fēng)機(jī)的保護(hù)、連鎖的設(shè)計(jì)、一次風(fēng)壓和變頻器轉(zhuǎn)速控制、報(bào)警范圍和結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)SCS(Structure Cabling System)的銜接等必須全面梳理，力求控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)層次清晰、簡單明了。

(4)機(jī)組快減負(fù)荷RB(Run Back)控制回路的完善。鑒于一次風(fēng)機(jī)的重要性，一旦變頻器故障極有可能觸發(fā)RB回路。因此，必須請有關(guān)科研單位的技術(shù)人員對原有的RB回路的控制策略進(jìn)行優(yōu)化和完善，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

(5)閘刀是否改造，是否必須做到工頻、變頻的自動(dòng)切換，這一點(diǎn)至關(guān)重要，投資前要進(jìn)行必要性論證。存在的問題是:所有的閘刀更換投資較大;控制回路設(shè)計(jì)復(fù)雜和工頻變頻切換存在風(fēng)險(xiǎn)，在切換過程中，很有可能存在偏差造成其中1臺變頻器過流造成MFT。

3 一次風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)控制策略的設(shè)計(jì)方案

針對以上問題，通過對江蘇省內(nèi)多家使用一次風(fēng)機(jī)變頻器電廠的調(diào)研，根據(jù)望亭發(fā)電廠#14機(jī)組實(shí)際情況，采用如下控制策略:保留就地旁路閘刀形式不變，變頻器重故障直接跳一次風(fēng)機(jī)，由DCS觸發(fā)RB自動(dòng)程序;DCS保留一次風(fēng)機(jī)工頻調(diào)節(jié)回路，增加變頻調(diào)節(jié)回路，DCS實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓閉環(huán)，就地PLC實(shí)現(xiàn)變頻器轉(zhuǎn)速閉環(huán)。具體如下:

(1)系統(tǒng)的基本操作功能描述。在正常變頻啟動(dòng)時(shí)，首先將刀閘切換到變頻位置，由DCS發(fā)啟動(dòng)指令給斷路器至合閘，變頻器充電自檢通過后，變頻器自動(dòng)啟動(dòng)。在正常變頻停機(jī)時(shí)，由DCS發(fā)停機(jī)指令給變頻器，變頻器停機(jī)后，發(fā)變頻器停止信號，同時(shí)，變頻器發(fā)指令給斷路器至分閘。在變頻運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生變頻器故障或電動(dòng)機(jī)故障，由變頻器停機(jī)后發(fā)指令給斷路器至分閘。DCS實(shí)現(xiàn)變頻器的開/閉環(huán)運(yùn)行選擇，DCS接收變頻器的內(nèi)置信號轉(zhuǎn)換4～20mA模擬電流輸出信號進(jìn)行監(jiān)視。在開環(huán)狀態(tài)下，操作員通過DCS直接給變頻器4～20mA(對應(yīng)0～50Hz)模擬電流輸出信號控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在閉環(huán)狀態(tài)下，DCS根據(jù)反饋給定變頻器4～20mA模擬量輸出信號控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器依據(jù)該模擬量運(yùn)算輸出運(yùn)行頻率并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)平衡。在設(shè)計(jì)時(shí)，4～20mA模擬電流輸出信號對應(yīng)0～50 Hz。變頻器具有最低轉(zhuǎn)速限制，保證機(jī)組最低負(fù)荷運(yùn)行要求，當(dāng)模擬量信號發(fā)生故障時(shí)變頻器輸出保持不變。

(2)DCS原有的關(guān)于一次風(fēng)機(jī)的主開關(guān)的順序控制功能保留不變，連鎖一次風(fēng)機(jī)出口擋板門功能不變。DCS增加一次風(fēng)機(jī)母管壓力的變頻自動(dòng)控制回路，變頻器投入使用時(shí)，一次風(fēng)機(jī)靜葉開足。原有工頻方式下的一次風(fēng)機(jī)靜葉自動(dòng)控制回路保持不變，2套自動(dòng)回路由運(yùn)行根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行人工切換。增加一次風(fēng)機(jī)母管壓力測點(diǎn)，DCS中按三取平均值計(jì)算。一次風(fēng)壓自動(dòng)控制原理圖如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)壓自動(dòng)控制原理圖

一次風(fēng)機(jī)的控制回路有:2臺工頻調(diào)節(jié)方式、2臺變頻調(diào)節(jié)方式、A工頻B變頻方式和A變頻B工頻方式。

(3)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式。一次風(fēng)機(jī)一般不宜工頻和變頻并列運(yùn)行，以防止2臺一次風(fēng)機(jī)搶風(fēng)。若工頻和變頻風(fēng)機(jī)必須并列運(yùn)行，應(yīng)將變頻一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速投入自動(dòng)控制，工頻一次風(fēng)機(jī)入口靜葉控制切手動(dòng)控制，維持工頻一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓和變頻一次風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓相近。

(4)一旦一次風(fēng)機(jī)變頻器故障，DCS將對側(cè)變頻器轉(zhuǎn)速開到最大并切到手動(dòng)方式定速運(yùn)行;同時(shí)由就地變頻器直接跳一次風(fēng)機(jī)主開關(guān)，從而再觸發(fā)RB。

(5)一次風(fēng)機(jī)RB功能完善。由于一次風(fēng)機(jī)跳閘極易造成機(jī)組MFT，因此，必須完善一次風(fēng)機(jī)RB的邏輯。根據(jù)電力科學(xué)研究院提供的RB邏輯方案，由于機(jī)組鍋爐通常存在較大的熱慣性，按常規(guī)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制減煤時(shí)鍋爐熱負(fù)荷短時(shí)間內(nèi)下降不足，因此，可改原有自動(dòng)調(diào)節(jié)為動(dòng)、靜結(jié)合控制，動(dòng)態(tài)時(shí)快速跳磨，靜態(tài)后轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制。其中，一次風(fēng)機(jī)RB時(shí)，考慮到風(fēng)壓瞬間下降過快，可適當(dāng)縮短跳磨間隔至5 s。所以，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等需要采用必要的超馳控制和前饋控制。給水自動(dòng)可以采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕员苊馓摷偎粚ψ詣?dòng)的影響，防止最后汽包高水位停爐。

4 變頻器及相關(guān)試驗(yàn)

4．1 變頻器試驗(yàn)

在DCS上啟動(dòng)一次風(fēng)機(jī)14A(B)，連續(xù)運(yùn)行30 min，變頻啟動(dòng)前先確認(rèn)風(fēng)門擋板(或風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉)在全關(guān)的位置，確保電動(dòng)機(jī)無負(fù)載啟動(dòng)。高壓上電后，等有了變頻器“啟動(dòng)允許”信號后(合斷路器后30 s)，啟動(dòng)變頻器到起始轉(zhuǎn)速，然后，再逐步打開風(fēng)門擋板(或風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉)。其過程和第1臺風(fēng)機(jī)執(zhí)行同樣的啟動(dòng)過程，啟動(dòng)第2臺風(fēng)機(jī)到起始轉(zhuǎn)速后逐步打開風(fēng)門擋板(或風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉)。同步給2臺風(fēng)機(jī)加(減)轉(zhuǎn)速，加速過程中調(diào)節(jié)2臺一次風(fēng)機(jī)出力基本相當(dāng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到機(jī)組運(yùn)行要求后，由DCS切入自動(dòng)，實(shí)現(xiàn)DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在變頻停機(jī)時(shí)，把需停機(jī)的風(fēng)機(jī)風(fēng)門擋板(或風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉)打到0(即全關(guān))的位置，降低變頻器給定頻率到起始轉(zhuǎn)速，待變頻器頻率穩(wěn)定后停機(jī)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)逐步下降，運(yùn)行信號消失后斷開上級斷路器。開1臺變頻器到起始頻率，把風(fēng)門擋板開到最大，慢慢升頻率，看輸出電流，當(dāng)超過額定時(shí)，調(diào)小風(fēng)門直到運(yùn)行到50Hz時(shí)，變頻器還沒有過載，這時(shí)的風(fēng)門開度為正常工作時(shí)的最大開度。首先，根據(jù)風(fēng)機(jī)特性設(shè)定一個(gè)初設(shè)轉(zhuǎn)速。設(shè)定初設(shè)轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，保持所有磨煤機(jī)入口擋板全關(guān)，然后逐步開風(fēng)機(jī)入口擋板，如果風(fēng)機(jī)入口擋板全開后超過壓力設(shè)定值，則初設(shè)轉(zhuǎn)速就是最低轉(zhuǎn)速。如果風(fēng)機(jī)入口擋板全開后達(dá)不到壓力設(shè)定值(考慮漏風(fēng)和風(fēng)道阻力)，就提高轉(zhuǎn)速且升壓力，等出口壓力和壓力定值相等后，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就可以設(shè)為最低轉(zhuǎn)速。需要對2臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，2臺風(fēng)機(jī)設(shè)定的最低轉(zhuǎn)速應(yīng)一致。

4．2 一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)

對切換進(jìn)行試驗(yàn)，一方面檢驗(yàn)切換功能，另一方面記錄通過切換時(shí)的壓力變化情況，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，以保證一次風(fēng)壓控制在切換時(shí)仍能正常工作。試驗(yàn)方法:開啟5臺磨煤機(jī)的出入口擋板，設(shè)定機(jī)組負(fù)荷為550MW，開啟送、引風(fēng)機(jī)，達(dá)到條件后變頻開啟一次風(fēng)機(jī)，將2臺風(fēng)機(jī)開到大約50%負(fù)荷，出口壓力設(shè)為11．5 kPa后投入自動(dòng)，當(dāng)壓力平穩(wěn)后，手動(dòng)將1臺風(fēng)機(jī)切為工頻運(yùn)行，觀察2臺風(fēng)機(jī)動(dòng)作情況是否符合原始邏輯設(shè)計(jì)。

4．3 一次風(fēng)壓擾動(dòng)試驗(yàn)

用于確定變頻自動(dòng)的比例，積分，微分PID(Proportion，Intetal，Derivative)參數(shù)，在變頻器投入自動(dòng)后，通過加一次風(fēng)風(fēng)壓力的階躍擾動(dòng)，觀察一次風(fēng)壓的控制曲線，相應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)自調(diào)品質(zhì)之目的。

5 投用效果及存在的問題

一次風(fēng)機(jī)變頻器改造前、后技術(shù)參數(shù)對比見表3。

表3 一次風(fēng)機(jī)變頻器改造前、后技術(shù)參數(shù)比

電廠一次風(fēng)機(jī)變頻改造已經(jīng)4個(gè)月之久，從表3一次風(fēng)機(jī)改變頻前、后相關(guān)數(shù)據(jù)對比可以看出，改造對降低廠用電率起到了積極的作用，節(jié)能效果明顯。在此期間，曾因?yàn)樽冾l器本身的問題發(fā)生變頻到工頻的切換，在這些切換過程中，由于變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理及良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，保障了機(jī)組的運(yùn)行安全。

目前主要存在的問題是由于電廠煤種變化大，磨煤機(jī)冷熱風(fēng)調(diào)整頻繁，造成一次風(fēng)壓力變化過大，對一次風(fēng)壓力自動(dòng)的投入帶來一定的影響。因此，可通過間接調(diào)節(jié)空氣預(yù)熱器出口風(fēng)壓來控制一次風(fēng)壓。此外，在一次風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)過程中，B一次風(fēng)機(jī)在開至上限過程中超電流(134 A)，邏輯限制動(dòng)作，輸出反跟蹤當(dāng)前轉(zhuǎn)速92%(1 306 r/min);后運(yùn)行人員又手動(dòng)緩慢增加至95%(1 426 r/min)，此時(shí)風(fēng)機(jī)電流為138A。變頻器廠家采取了限制電流輸出上限的措施來解決電流超限的問題。