火電機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能分析及控制優(yōu)化

祝建飛, 王 煦, 楊太勇, 沈建峰, 陳 梁, 葉穎俊

(1.上海明華電力科技有限公司，上海 200090；2.中國電力國際發(fā)展有限公司，北京 100097；3. 上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507，4. 上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137)

0 引言

風(fēng)電、太陽能等綠色清潔能源在電力系統(tǒng)的大量接入，給火電機(jī)組靈活性能力的提升和調(diào)峰運(yùn)行提出了更高要求，然而火電機(jī)組低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行時(shí)發(fā)電效率下降明顯，供電煤耗率大幅上升，其中約三成原因是由于低負(fù)荷下廠用電率上升造成的[1-3]。實(shí)踐證明，對火電機(jī)組大型輔機(jī)采用變頻運(yùn)行方式，是降低輔機(jī)電耗和廠用電率的一種有效手段[4-6]。引風(fēng)機(jī)是電站鍋爐重要輔機(jī)設(shè)備之一，用來抽吸鍋爐燃燒生成的煙氣和富余空氣，形成并維持爐膛負(fù)壓，防止火焰外竄和煙氣外漏，對鍋爐燃燒穩(wěn)定和安全運(yùn)行至關(guān)重要。同時(shí)引風(fēng)機(jī)也是電站輔機(jī)中的耗能大戶，其耗電量約占廠用電的20%左右，對于采用引增合一的機(jī)組其耗電比例將更高[7-9]。但在實(shí)際工程應(yīng)用中因擔(dān)心變頻器的可靠性[10]、變頻運(yùn)行后引風(fēng)機(jī)設(shè)備的適應(yīng)性[11-16]，以及變頻方式下爐膛負(fù)壓的可控性等問題，引風(fēng)機(jī)采用變頻控制的比例較低。為此非常有必要研究引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行及控制技術(shù)，在保證火電機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，降低引風(fēng)機(jī)電耗和廠用電率，以提高機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行節(jié)能原理

根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，對于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的引風(fēng)機(jī)負(fù)載，軸功率P與煙氣流量Q，揚(yáng)程H的關(guān)系如下式所示：

P∝Q×H

(1)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時(shí)，Q、H、P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

(2)

(3)

(4)

可見流量Q和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，揚(yáng)程H和轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。

另外，從引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線變化來分析變頻運(yùn)行后的節(jié)能效果也非常直觀，如圖1所示。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低，煙氣量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用靜葉節(jié)流(或動(dòng)葉關(guān)小)的辦法，煙道阻力將會(huì)增加，煙道阻力特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)運(yùn)行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用變頻調(diào)速控制方式，引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其煙道特性并不發(fā)生改變，但引風(fēng)機(jī)的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)。此時(shí)所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Δ(P)與(H2-HB)×Q2的面積成正比。當(dāng)然實(shí)際情況還要考慮減速后引風(fēng)機(jī)效率下降，以及變頻裝置的附加損耗等因素。

圖1 引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行曲線變化

2 靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻控制

早期的大型火電機(jī)組經(jīng)常會(huì)選用靜葉可調(diào)軸流引風(fēng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)靜葉擋板開度來改變引風(fēng)機(jī)抽吸能力。這類風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，初始投資較少，但由于存在不可避免的設(shè)計(jì)裕量，以及低負(fù)荷下靜葉節(jié)流損失加大、引風(fēng)機(jī)效率下降等原因，低負(fù)荷下廠用電率上升明顯，變頻運(yùn)行的節(jié)能空間很大[17]。

按照我國現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)程，燃煤鍋爐引風(fēng)機(jī)風(fēng)量裕量在5%～10%，風(fēng)壓裕度在10%～15%，實(shí)際上有些機(jī)組的裕量更大，即使在額定負(fù)荷下靜葉也有較大節(jié)流。采用變頻方式后，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來改變抽吸能力，這樣可以全開靜葉擋板，在額定負(fù)荷下變頻器轉(zhuǎn)速就會(huì)低于50Hz[18]。原先的設(shè)計(jì)裕量越大，額定負(fù)荷下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。圖2和表1為某1000MW超超臨界機(jī)組靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)，在工頻靜葉調(diào)節(jié)和變頻靜葉全開方式下的耗電量對比。變頻運(yùn)行后，額定負(fù)荷下引風(fēng)機(jī)耗電量從7729kW下降到5759kW，下降幅度達(dá)25.5%。

圖2 某1000MW機(jī)組靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后耗電量對比

表1 某1000MW機(jī)組靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行節(jié)能數(shù)據(jù)

另外，在低負(fù)荷下，隨著變頻和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，引風(fēng)機(jī)耗電量更是下降明顯，變頻運(yùn)行可使風(fēng)機(jī)在較大范圍內(nèi)保持較高的運(yùn)行效率，從而大大減少風(fēng)機(jī)軸功率。如在50%負(fù)荷下，引風(fēng)機(jī)耗電量從工頻方式下的5274kW下降到1290kW，下降幅度達(dá)75.5%。從表1可知，各負(fù)荷下廠用電率平均下降0.4846%，節(jié)電率平均達(dá)52.2%，約使供電煤耗率下降1405g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著。

相比原先采用靜葉調(diào)節(jié)的方式，引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后，爐膛負(fù)壓采用變頻控制，調(diào)節(jié)死區(qū)小，控制平滑，調(diào)節(jié)精度提高；而靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在一定的機(jī)械死區(qū)，在調(diào)節(jié)過程中容易對爐膛負(fù)壓造成擾動(dòng)。圖3為1000MW機(jī)組典型變負(fù)荷工況(600MW加至950MW)下爐膛負(fù)壓波動(dòng)情況，負(fù)壓一般在設(shè)定值上下100Pa內(nèi)變化，參數(shù)控制品質(zhì)較好。

圖3 變頻方式下爐膛負(fù)壓控制效果

但由于變頻器指令增減有一定的速率限制，其速率通常要慢于靜葉擋板的動(dòng)作速率，如某機(jī)組的引風(fēng)機(jī)變頻從0上行到50Hz需要90s，從50Hz下行到0Hz需要200s，而靜葉全量程變化只需30s，遠(yuǎn)快于變頻變化速率。故在1臺(tái)引風(fēng)機(jī)故障跳閘，需要另外1臺(tái)快速拉起時(shí)，由于變頻上行速率問題，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)過程中爐膛負(fù)壓偏高；或者在1臺(tái)送風(fēng)機(jī)故障跳閘，需要兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)同時(shí)降低出力，由于變頻下行速率問題，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)過程中爐膛負(fù)壓偏低。

3 動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻控制

因?yàn)殪o葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷下效率下降較多，新建機(jī)組逐漸開始選用動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。即使動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷下運(yùn)行效率相對較高，但仍可通過變頻方式進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)電耗。

靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后可以采用靜葉全開，變頻調(diào)節(jié)的方式，但對動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行不能簡單采用這樣的方式。如果動(dòng)葉始終全開，在低負(fù)荷下則可能會(huì)進(jìn)入工作失穩(wěn)區(qū)域，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)發(fā)生“搶風(fēng)”，1臺(tái)出力增加，1臺(tái)出力急劇下降并發(fā)生喘振，爐膛負(fù)壓波動(dòng)加劇，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致鍋爐MFT保護(hù)[19]。

針對這一問題，提出了引風(fēng)機(jī)變頻-動(dòng)葉聯(lián)合調(diào)節(jié)的技術(shù)，即引風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，根據(jù)爐膛負(fù)壓的變化，自動(dòng)改變引風(fēng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速，維持爐膛負(fù)壓在設(shè)定值附近；在不同動(dòng)葉開度下測試引風(fēng)機(jī)工作效率和性能，尋找經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)葉開度，動(dòng)葉開度跟隨鍋爐負(fù)荷緩慢變化，即鍋爐負(fù)荷升高，動(dòng)葉以一定速率逐漸開大，鍋爐負(fù)荷下降，動(dòng)葉以一定速率逐漸關(guān)小，實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)變頻-動(dòng)葉聯(lián)合控制，達(dá)到了引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行的節(jié)能效果，同時(shí)也能滿足鍋爐安全可靠運(yùn)行的要求。引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉-變頻聯(lián)合調(diào)節(jié)技術(shù)的控制示意如圖4所示。

圖4 引風(fēng)機(jī)變頻-動(dòng)葉聯(lián)合調(diào)節(jié)示意

某320MW機(jī)組，動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)采用變頻方式后，在不同負(fù)荷下動(dòng)葉開度大于原先工頻方式下的開度，詳見圖5，動(dòng)葉開度大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高，故這一開度的變化也從一個(gè)側(cè)面說明了采用變頻運(yùn)行后帶來的運(yùn)行效率提高。采用變頻方式后，該機(jī)組引風(fēng)機(jī)耗電量的變化如表2所示。

圖5 動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后動(dòng)葉開度變化

表2 動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后節(jié)能數(shù)據(jù)

各負(fù)荷下平均節(jié)電率27.4%，使得廠用電率平均下降0.3%，節(jié)電率平均達(dá)27.5%，約使供電煤耗率下降0.9g/(kW·h)。

另外，通過對比不同1000MW等級(jí)超超臨界機(jī)組引風(fēng)機(jī)電耗率和負(fù)荷的變化關(guān)系，來進(jìn)一步說明變頻方式的節(jié)能效果，詳見圖6。

圖6 不同型式引風(fēng)機(jī)電耗隨機(jī)組負(fù)荷的變化關(guān)系

圖6中靜葉工頻和靜葉變頻為某臺(tái)1000MW機(jī)組在不同方式下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該機(jī)組布置有2臺(tái)引風(fēng)機(jī)和2臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)；動(dòng)葉工頻為某臺(tái)新建1050MW機(jī)組動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該機(jī)組布置有2臺(tái)引風(fēng)機(jī)(引增合一)。為便于比較，對負(fù)荷和引風(fēng)機(jī)電耗分別按照額定負(fù)荷和額定負(fù)荷下的引風(fēng)機(jī)電耗進(jìn)行了百分化處理，也忽略環(huán)境溫度等邊界條件的差異。從圖6可知，靜葉變頻方式引風(fēng)機(jī)電耗相對機(jī)組負(fù)荷下降最快，動(dòng)葉工頻其次，靜葉工頻下降最慢。

4 變頻運(yùn)行適應(yīng)性問題及對策

引風(fēng)機(jī)原設(shè)計(jì)一般采用工頻定速運(yùn)行方式，改為變頻運(yùn)行后，可能會(huì)在某些頻率區(qū)域發(fā)生共振，再加上爐膛負(fù)壓波動(dòng)頻繁，采用變頻調(diào)節(jié)后使得引風(fēng)機(jī)變頻始終處于來回調(diào)節(jié)狀態(tài)，拖動(dòng)引風(fēng)機(jī)本體和軸系來回不斷調(diào)節(jié)，引起引風(fēng)機(jī)設(shè)備本身和軸系的疲勞損傷，在某些頻率下還可能會(huì)耦合發(fā)生扭振。若引風(fēng)機(jī)設(shè)備強(qiáng)度裕量不足，無法滿足變頻運(yùn)行要求，會(huì)損壞引風(fēng)機(jī)本體和軸承設(shè)備。如某電廠引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后發(fā)生聯(lián)軸器部件故障[20]，國內(nèi)也曾有引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后轉(zhuǎn)軸斷裂的事件。

所以在進(jìn)行引風(fēng)機(jī)變頻改造前，和變頻投運(yùn)初期要進(jìn)行相關(guān)測試和設(shè)備強(qiáng)度分析，以掌握變頻運(yùn)行的適應(yīng)性情況[21]。為解決適應(yīng)性問題，一方面可以通過引風(fēng)機(jī)設(shè)備改造，改善設(shè)備共振特性，增加相關(guān)部件強(qiáng)度；另一方面也可以通過調(diào)整控制策略，減輕引風(fēng)機(jī)設(shè)備工作強(qiáng)度，同時(shí)設(shè)置變頻工作區(qū)域，避開共振點(diǎn)[22-24]。如某1000MW機(jī)組，原先采用靜葉全開，變頻全程調(diào)節(jié)的方式，但發(fā)生了聯(lián)軸器彈簧膜片斷裂和螺栓斷裂事件，故設(shè)計(jì)了一種新的調(diào)節(jié)方法，如圖7所示。

圖7 引風(fēng)機(jī)靜葉-變頻聯(lián)合調(diào)節(jié)原理

另外一個(gè)解決方法是將聯(lián)軸器更換為高阻尼彈性聯(lián)軸器，以補(bǔ)償軸向位移，通過彈性元件傳遞扭矩，采用不同的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼，充分調(diào)節(jié)動(dòng)力系統(tǒng)的扭振特性，大幅降低變頻風(fēng)機(jī)扭振大小。

5 引風(fēng)機(jī)變頻控制冷態(tài)模擬試驗(yàn)

冷態(tài)模擬試驗(yàn)時(shí)，在鍋爐未投入燃料的冷態(tài)方式下，啟動(dòng)送、引風(fēng)機(jī)，必要時(shí)也需開啟一次風(fēng)機(jī)，以增加引風(fēng)機(jī)工作負(fù)荷。首先在合適的送風(fēng)量下，進(jìn)行爐膛負(fù)壓設(shè)定值和送風(fēng)量擾動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)置和優(yōu)化負(fù)壓控制PID參數(shù)及相關(guān)前饋系數(shù)。然后人工停運(yùn)一臺(tái)送風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)，模擬觸發(fā)送風(fēng)機(jī)或引風(fēng)機(jī)RB，觀察變頻控制及爐膛負(fù)壓波動(dòng)情況，調(diào)整控制策略，優(yōu)化控制參數(shù)。

冷態(tài)方式下，某1000MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)跳閘試驗(yàn)曲線見圖8。送風(fēng)機(jī)跳閘試驗(yàn)見圖9。

圖8 冷態(tài)下引風(fēng)機(jī)跳閘爐膛負(fù)壓擾動(dòng)試驗(yàn)

圖9 冷態(tài)下送風(fēng)機(jī)跳閘爐膛負(fù)壓擾動(dòng)試驗(yàn)

按照上述方法完成冷態(tài)模擬試驗(yàn)后，即使未做熱態(tài)風(fēng)機(jī)RB試驗(yàn)，也可認(rèn)為已經(jīng)驗(yàn)證了機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)具備送、引風(fēng)機(jī)RB控制功能。圖10為某機(jī)組進(jìn)行引風(fēng)機(jī)變頻改造后，只是完成冷態(tài)模擬試驗(yàn)、未做熱態(tài)RB試驗(yàn)后的RB實(shí)動(dòng)曲線，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生了引風(fēng)機(jī)B變頻故障，引風(fēng)機(jī)B跳閘而觸發(fā)引風(fēng)機(jī)RB。

圖10 引風(fēng)機(jī)B跳閘RB工況參數(shù)變化曲線

當(dāng)時(shí)機(jī)組負(fù)荷接近額定負(fù)荷，引風(fēng)機(jī)B變頻故障跳閘后，引風(fēng)機(jī)A變頻指令從42.8Hz快速升高到50Hz，爐膛負(fù)壓先升高，最高至1235Pa，后下降，最低至-917Pa，之后恢復(fù)平穩(wěn)。

總體來看，爐膛負(fù)壓的變化基本正常，控制品質(zhì)達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)際RB動(dòng)作效果進(jìn)一步驗(yàn)證了冷態(tài)模擬試驗(yàn)方法的有效性。

6 結(jié)語

引風(fēng)機(jī)是火電機(jī)組輔機(jī)設(shè)備中的耗電大戶，其用電量約占廠用電20%左右，采用變頻運(yùn)行是降低引風(fēng)機(jī)用電量和廠用電率的一種有效途徑。靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行后節(jié)能效果顯著，動(dòng)葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行也可進(jìn)一步節(jié)能，靜葉變頻方式節(jié)電效果優(yōu)于動(dòng)葉工頻方式。在當(dāng)前火電機(jī)組靈活性控制，以及深度調(diào)峰的新形勢下，低負(fù)荷下運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的矛盾日益突出，引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行及控制技術(shù)，能在設(shè)備安全可靠運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能減排，應(yīng)用和推廣空間較大。