軸流式引風(fēng)機(jī)變頻改造經(jīng)濟(jì)性及問題分析

趙瑞峰

（山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

動(dòng)葉可調(diào)式風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用于電廠鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，這些風(fēng)機(jī)往往功率較大，對(duì)機(jī)組的廠用電率占比較大，是主要的耗能設(shè)備。某電廠2 臺(tái)引風(fēng)機(jī)的耗電率占發(fā)電量的2%左右，是耗電量最大的2 臺(tái)輔機(jī)。隨著深調(diào)幅度的不斷增加，機(jī)組的負(fù)荷率最低可到達(dá)30%～40%，全年的深度調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3 400 h，占到機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)間的45%左右。在深調(diào)期間，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開關(guān)可到20%左右，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低效區(qū)，經(jīng)濟(jì)性差，耗電率占比不斷升高。隨著大容量變頻器技術(shù)的不斷成熟，國(guó)內(nèi)電廠已相繼完成變頻改造。因此，根據(jù)目前機(jī)組的運(yùn)行工況，對(duì)2 臺(tái)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。

1 系統(tǒng)改造概況

單臺(tái)機(jī)組配置2 臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，正常情況下，各帶50%負(fù)荷。鑒于設(shè)備安全可靠運(yùn)行要求，采用一拖一、帶工頻旁路方案。原有工頻高壓開關(guān)啟停方式不變，新增加1 套變頻運(yùn)行模式、配備旁路切換開關(guān)。旁路開關(guān)與輸出開關(guān)之間使用電氣互鎖和邏輯閉鎖，防止變頻器輸出與6 kV 電源側(cè)短路。變頻器具備工頻/變頻切換功能，變頻器可實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的自動(dòng)切換，也可由運(yùn)行人員根據(jù)運(yùn)行工況啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行。

2 空載運(yùn)行

2.1 靜態(tài)檢查及試驗(yàn)

變頻器靜態(tài)檢查[1]主要是檢查各電路元器件的安裝與接線是否正確牢固，系統(tǒng)的絕緣與接地是否安全可靠。常規(guī)檢驗(yàn)合格后接通控制器電源、輔助電源，做二次回路調(diào)試，對(duì)測(cè)點(diǎn)、狀態(tài)指示、聯(lián)鎖邏輯、防誤系統(tǒng)和報(bào)警保護(hù)進(jìn)行核對(duì)校驗(yàn)，核對(duì)電源相序，試驗(yàn)冷卻系統(tǒng)，與DCS 對(duì)點(diǎn)、開關(guān)回路進(jìn)行傳動(dòng)，檢驗(yàn)各回路、開關(guān)和邏輯的正確性，模擬頻率指令，檢驗(yàn)頻率跟蹤。

2.2 電機(jī)單體試運(yùn)

為檢驗(yàn)高壓回路，首先進(jìn)行電機(jī)工頻旁路單體試運(yùn)，確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向，切換主路變頻方式單機(jī)試運(yùn)電機(jī)，再確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向。因本次改造電機(jī)為工頻、稀油潤(rùn)滑電機(jī)，電機(jī)冷卻風(fēng)扇與電機(jī)同軸，需重點(diǎn)檢驗(yàn)低轉(zhuǎn)速下軸承冷卻效果、電機(jī)冷卻效果。在典型頻率25Hz、30Hz、40Hz、45Hz 和50Hz 下，分別試運(yùn)行30min，檢驗(yàn)軸承溫度、繞組溫度以及電機(jī)振動(dòng)情況。

2.3 工/變頻切換試驗(yàn)

工頻切換變頻模式下，電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)在DCS發(fā)出切換指令或旁路開關(guān)故障跳閘，在旁路開關(guān)斷開后變頻器會(huì)自動(dòng)跟蹤點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速，將變頻器頻率自動(dòng)匹配到相應(yīng)頻率，切換為變頻模式。變頻切換工頻模式，此模式只能由操作人員手動(dòng)切換，將變頻器頻率升至工頻頻率，發(fā)出切換指令，通過開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的切換。

3 帶載運(yùn)行

3.1 單體帶載

1）變頻啟動(dòng)1 臺(tái)引風(fēng)機(jī)、風(fēng)煙系統(tǒng)其他輔機(jī)配合啟動(dòng)。逐步提高鍋爐總風(fēng)量，手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器出力，使?fàn)t膛負(fù)壓穩(wěn)定在-100～0 Pa。記錄總風(fēng)量與變頻器輸出頻率。

2）2 臺(tái)引風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。逐步提高鍋爐總風(fēng)量，手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器出力，使?fàn)t膛負(fù)壓穩(wěn)定在-100～0 Pa。記錄總風(fēng)量與2 臺(tái)變頻器輸出頻率。記錄不同頻率及動(dòng)葉開度下電機(jī)風(fēng)機(jī)振動(dòng)、電機(jī)風(fēng)機(jī)軸承及繞組溫度。

3.2 風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行

在正常運(yùn)行中，2 臺(tái)引風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行。在工頻方式下，只需調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉來匹配2 臺(tái)風(fēng)機(jī)的出力。在變頻方式下，風(fēng)機(jī)出力受動(dòng)葉開度及電機(jī)頻率的共同影響，在帶載過程中需進(jìn)行風(fēng)機(jī)并列試驗(yàn)，以找出最佳的并列運(yùn)行方式。

1）將待并風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度與運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開至一致，然后，逐步增加頻率，將風(fēng)機(jī)并入。此方式在運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度較小時(shí)容易并列。運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開度達(dá)到60%～70%時(shí)再增加頻率，2 臺(tái)風(fēng)機(jī)出力不一致，會(huì)出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象，造成變頻風(fēng)機(jī)過流跳閘。

2）將待并風(fēng)機(jī)頻率與運(yùn)行風(fēng)機(jī)頻率調(diào)至一致，然后逐步開大動(dòng)葉，將風(fēng)機(jī)并入。此方式先增加轉(zhuǎn)速使2 臺(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一致（如過程中風(fēng)機(jī)出力過大，可關(guān)閉運(yùn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)葉來減小出力），模擬工頻并列過程，無論動(dòng)葉開度多大，均可順利將風(fēng)機(jī)并列。

3）在運(yùn)行中風(fēng)機(jī)是變工況的，出力隨負(fù)荷的變化不斷變化，軸流風(fēng)機(jī)的性能曲線呈馬鞍型，即風(fēng)機(jī)的效率隨動(dòng)葉開大而升高。當(dāng)?shù)竭_(dá)某拐點(diǎn)后，隨動(dòng)葉開度增加，效率開始下降。如追求風(fēng)機(jī)效率最高，則應(yīng)盡量將動(dòng)葉開度固定在拐點(diǎn)區(qū)域，通過調(diào)節(jié)頻率來控制風(fēng)機(jī)出力。只有在滿頻后風(fēng)機(jī)出力仍達(dá)不到需求，才通過開大動(dòng)葉來增加風(fēng)機(jī)出力。但是，在調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，在固定頻率開大動(dòng)葉的過程中，2 臺(tái)風(fēng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)搶風(fēng)現(xiàn)象，因此，運(yùn)行中盡量不要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉。即使?fàn)奚欢ǖ慕?jīng)濟(jì)性，也在并列初一次性將動(dòng)葉開到滿足最大工況需求。

3.3 動(dòng)態(tài)擾動(dòng)

爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)給定不同的風(fēng)量擾動(dòng)值，幅度由小變大，來檢驗(yàn)變頻器的調(diào)節(jié)性能。

2 臺(tái)引風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，變頻器投入自動(dòng)調(diào)節(jié)，手動(dòng)停運(yùn)1 臺(tái)引風(fēng)機(jī)，驗(yàn)證RB 動(dòng)作時(shí)引風(fēng)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能。

4 存在的問題及解決方案

在風(fēng)機(jī)變頻改造試運(yùn)及調(diào)試過程中遇到的一些問題，有些已經(jīng)解決或以妥協(xié)的方式解決，有些仍未找到問題的原因，在后續(xù)的運(yùn)行過程中，需要重點(diǎn)解決。

4.1 電機(jī)冷卻問題

風(fēng)機(jī)電機(jī)冷卻器與電機(jī)同軸，變頻器改造后，低頻下電機(jī)轉(zhuǎn)速低，會(huì)出現(xiàn)冷卻風(fēng)量不足的情況。試運(yùn)行時(shí)，在低頻時(shí)段運(yùn)行2 h 以上檢驗(yàn)電機(jī)的冷卻效果，如不能滿足電機(jī)冷卻需求，就應(yīng)將冷卻風(fēng)機(jī)改造為外置式風(fēng)機(jī)。

4.2 工/變頻切換問題

進(jìn)行工/變頻切換試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在由工頻切換變頻時(shí)，因有變頻器介入，跟蹤轉(zhuǎn)速可做到無擾切換。但此方式只有變頻器故障檢修后切換時(shí)才可能用到，由于切換過程轉(zhuǎn)速有一定的衰減，切換后，變頻器需快速提升頻率以跟蹤運(yùn)行風(fēng)機(jī)，此過程中因動(dòng)葉開度較大，頻率調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)鍋爐負(fù)壓影響較大，還需根據(jù)負(fù)壓調(diào)整動(dòng)葉，切換過程中需要考慮的因素較多，有一定的調(diào)整難度，相比工/ 變頻切換，工頻風(fēng)機(jī)停運(yùn)后再變頻啟動(dòng)并列操作更加可靠。

由變頻切工頻時(shí)，因切換過程中轉(zhuǎn)速衰減出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)均有一定的沖擊。2 臺(tái)風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，如1 臺(tái)故障跳閘切工頻，此時(shí)，另1 臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)需快速由頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為動(dòng)葉調(diào)節(jié)，即快速提升頻率至工頻，關(guān)小動(dòng)葉。由于變頻器開關(guān)的切換時(shí)間為秒級(jí)，而另一臺(tái)風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)速度至少在十幾秒內(nèi)。在調(diào)節(jié)過程中因參與調(diào)節(jié)的量過多，會(huì)引發(fā)鍋爐負(fù)壓保護(hù)動(dòng)作。同時(shí)，在切換時(shí)還需區(qū)分變頻器本身故障還是電機(jī)或電纜故障，可能出現(xiàn)保護(hù)誤判斷而切換在故障設(shè)備上。因此，選擇變頻器故障時(shí)直接跳閘觸發(fā)RB，舍棄變頻切工頻功能。

4.3 風(fēng)機(jī)振動(dòng)喘振問題

風(fēng)機(jī)振動(dòng)問題在試運(yùn)過程中各頻率段均未出現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)正常，僅在41 Hz 時(shí)風(fēng)機(jī)振動(dòng)偏大，達(dá)到3.5 mm/s，但也在合格范圍內(nèi)。在風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，出口壓力會(huì)下降。但在全頻率下，風(fēng)機(jī)均未出現(xiàn)喘振失速情況。

4.4 風(fēng)機(jī)并列搶風(fēng)問題

在風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行調(diào)整風(fēng)機(jī)動(dòng)葉時(shí)，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)搶風(fēng)問題，且每次出現(xiàn)的頻率與動(dòng)葉開度都是隨機(jī)的。在搶風(fēng)時(shí)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)會(huì)完全不出力，導(dǎo)致爐膛負(fù)壓出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。尤其在高負(fù)荷時(shí)，一旦搶風(fēng)，會(huì)導(dǎo)致鍋爐負(fù)壓保護(hù)動(dòng)作。目前，搶風(fēng)的原因尚不完全清楚。因此，并列時(shí)盡量將動(dòng)葉開到最大，只使用頻率調(diào)節(jié)。在后續(xù)的運(yùn)行過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)機(jī)并列搶風(fēng)問題，并加以解決。

4.5 調(diào)節(jié)速度問題

變頻器的頻率升、降因模塊過電壓的限制，調(diào)至全頻率最快為90 s，而風(fēng)機(jī)動(dòng)葉從全關(guān)到全開的行程時(shí)間為45 s。動(dòng)葉調(diào)整改為頻率調(diào)整后，在正常工況下，變頻調(diào)整的調(diào)節(jié)特性優(yōu)于動(dòng)葉調(diào)整。但在事故狀態(tài)下，由于調(diào)節(jié)速率的限制，頻率調(diào)整要比動(dòng)葉調(diào)整差。在故障工況下，需加大其他風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)力度來共同完成故障工況下的調(diào)節(jié)。

5 節(jié)能效果

由于不同負(fù)荷下的節(jié)能效果不同，因此，先對(duì)比不同工況下的節(jié)能效果，再根據(jù)各負(fù)荷下的節(jié)能率及全年各負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算各負(fù)荷下全年的節(jié)能量。然后，計(jì)算全年的節(jié)能效果。計(jì)算2021 年改造后總的節(jié)電率以及全年的節(jié)電量，對(duì)其節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益做出評(píng)估。

表1 為21 引風(fēng)機(jī)和22 引風(fēng)機(jī)改造前后，負(fù)荷段分別在130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 工況下的耗電量對(duì)比。

表1 各負(fù)荷段下引風(fēng)機(jī)耗電量對(duì)比分析表

如表1 所示，隨著機(jī)組負(fù)荷的上升，機(jī)組變頻改造的節(jié)電率下降。為了更好地對(duì)引風(fēng)機(jī)變頻改造經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析評(píng)估，將2 號(hào)機(jī)組2021 年1—12 月機(jī)組負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)生成負(fù)荷數(shù)據(jù)報(bào)表，分別劃分至130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 負(fù)荷段，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出2021 年度各負(fù)荷段運(yùn)行時(shí)間，其結(jié)果如表2 所示。

表2 各負(fù)荷段節(jié)電分析表

表2 中，分析了各負(fù)荷段節(jié)電狀況，根據(jù)每個(gè)負(fù)荷段的全年運(yùn)行時(shí)間與總的運(yùn)行時(shí)間比值作為權(quán)重比，再分別對(duì)每個(gè)負(fù)荷段節(jié)電率進(jìn)行加權(quán)求和，得出2號(hào)機(jī)組各運(yùn)行工況下的節(jié)電率加權(quán)和為32.02%，變頻改造后，全年總的節(jié)電量為6 622 160 kW·h。根據(jù)最新上網(wǎng)電價(jià)400.00 元/（MW·h）計(jì)算，2021 年全年運(yùn)行6 989 h，可增加經(jīng)濟(jì)收益264.87 萬元。

6 結(jié)論

6.1 運(yùn)行可靠性

軸流式風(fēng)機(jī)的變頻改造不同于離心式風(fēng)機(jī)，需要綜合考慮頻率與動(dòng)葉的配合調(diào)節(jié)，尤其是雙風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行方式，改造后，由動(dòng)葉單一變量變?yōu)閯?dòng)葉頻率雙變量調(diào)節(jié)，給熱工邏輯及運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來一定的挑戰(zhàn)。同時(shí)，因軸流式風(fēng)機(jī)壓頭低、穩(wěn)定較差，易出現(xiàn)搶風(fēng)、喘振。在變頻模式下轉(zhuǎn)速降低后，并列運(yùn)行風(fēng)機(jī)對(duì)壓頭變化更加敏感，給運(yùn)行調(diào)節(jié)帶來較大困難。

6.2 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)節(jié)能計(jì)算，變頻改造后，在低頻段內(nèi)節(jié)能效果明顯，在機(jī)組40%負(fù)荷率下，節(jié)電率可達(dá)到50%以上。隨著負(fù)荷率升高，節(jié)電率逐漸降低，機(jī)組為90%以上負(fù)荷、頻率為45 Hz 以上時(shí)，節(jié)電效果變差。滿頻運(yùn)行時(shí)，能耗甚至高于工頻，這一規(guī)律也符合變頻器節(jié)能原理。因此，經(jīng)濟(jì)性與機(jī)組的運(yùn)行方式關(guān)系較大，如機(jī)組50%負(fù)荷率以下時(shí)間占到全年運(yùn)行時(shí)間的30%以上時(shí)，則改造后的效益較明顯。如機(jī)組負(fù)荷率平均為70%，且調(diào)峰時(shí)間較少，則改造的效益就不太明顯了。