軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片角度控制方式的研究與應(yīng)用

國(guó)家能源集團(tuán)錦界能源有限責(zé)任公司 張 軍

風(fēng)機(jī)是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的勢(shì)能和動(dòng)能的動(dòng)力設(shè)備。在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)是鍋爐的重要輔機(jī)之一，擔(dān)負(fù)著連續(xù)不斷地供給燃料燃燒所需要的空氣，并把燃燒生成的煙氣及飛灰排出爐外的任務(wù)，同時(shí)克服空氣流經(jīng)各個(gè)部件和煙氣流經(jīng)各個(gè)受熱面的流動(dòng)阻力。大型火力發(fā)電廠鍋爐通風(fēng)大部分采用的是動(dòng)葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)，動(dòng)葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)是通過(guò)葉片角度的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)風(fēng)量、風(fēng)壓的變化。每一個(gè)葉片角度對(duì)應(yīng)一條性能曲線，葉片角度的變化幾乎和風(fēng)量呈線性關(guān)系。這種調(diào)節(jié)的效率高，經(jīng)濟(jì)性和安全性較好。國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠安裝的動(dòng)葉可調(diào)的軸流風(fēng)機(jī)主要有成都電力機(jī)械廠，上海鼓風(fēng)機(jī)廠及丹麥豪頓華生產(chǎn)的不同型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)。

1 電動(dòng)執(zhí)行器控制方式的原理及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 電動(dòng)執(zhí)行器控制方式的工作原理

目前，大多數(shù)大型火力發(fā)電廠軸流風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行器是由帶變頻的電子單元控制電機(jī)，電機(jī)通過(guò)渦桿驅(qū)動(dòng)輸出軸及減速齒輪箱。信號(hào)齒輪單元驅(qū)動(dòng)軸將渦桿的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到信號(hào)齒輪單元。經(jīng)信號(hào)齒輪單元將行程及轉(zhuǎn)圈數(shù)降低后傳遞到電位器或非侵入式位置編碼器，編碼器計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)并將位置記錄在一次旋轉(zhuǎn)內(nèi)。電子單元通過(guò)電位器或位置編碼器的位置來(lái)識(shí)別輸出軸的位置，進(jìn)而識(shí)別被控伺服閥的位置。

電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制液壓缸的伺服閥，改變伺服閥的油路方向，壓力油進(jìn)入液壓缸活塞的兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞的前進(jìn)和后退。再通過(guò)動(dòng)葉調(diào)整機(jī)構(gòu)將液壓缸活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)葉片角度的調(diào)節(jié)。

標(biāo)定后的電動(dòng)執(zhí)行器，4～20mA 信號(hào)分別與葉片開(kāi)度對(duì)應(yīng)，即：4mA=0%，20mA=100%，電動(dòng)執(zhí)行器按輸入的電信號(hào)調(diào)節(jié)葉片角度來(lái)控制風(fēng)機(jī)性能。

圖1 電動(dòng)執(zhí)執(zhí)行器控制方式的原理圖

1.2 典型電動(dòng)執(zhí)行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)執(zhí)行器與伺服閥的機(jī)械連接機(jī)構(gòu)各廠各有不同。上海風(fēng)機(jī)是電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)柱銷聯(lián)軸器與調(diào)節(jié)軸連接，調(diào)節(jié)軸通過(guò)膜片聯(lián)軸器與伺服閥后的齒輪（或撥叉）連接，驅(qū)動(dòng)伺服閥芯移動(dòng)。豪頓華風(fēng)機(jī)電機(jī)執(zhí)行器是通過(guò)連桿與扭矩調(diào)節(jié)臂連接，通過(guò)摩擦盤帶動(dòng)調(diào)節(jié)軸，調(diào)節(jié)軸帶動(dòng)平衡塊和曲柄，再帶動(dòng)拉桿、拉叉與旋轉(zhuǎn)油封連接，旋轉(zhuǎn)油封帶動(dòng)伺服閥移動(dòng)。成都風(fēng)機(jī)的電動(dòng)執(zhí)行器與伺服閥的連接方式與豪頓華的類似。也是通過(guò)連桿和調(diào)節(jié)軸連接伺服閥，只是少了力矩保護(hù)裝置。

2 電動(dòng)執(zhí)行器控制方式的特點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

使用時(shí)間長(zhǎng)，覆蓋面廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用戶對(duì)此結(jié)構(gòu)比較熟悉；電動(dòng)執(zhí)行器有自己的內(nèi)部控制回路。電廠的控制系統(tǒng)一般都是基于電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)的。

2.2 缺點(diǎn)

一是電動(dòng)執(zhí)行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接件多，轉(zhuǎn)動(dòng)部分多，故障率高；二是電動(dòng)執(zhí)行器存在調(diào)整誤差或延遲；機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)存在動(dòng)作滯后，滯后約為風(fēng)機(jī)整個(gè)調(diào)節(jié)運(yùn)行的1.5%；最大時(shí)誤差可達(dá)5%[1]；三是電動(dòng)執(zhí)行器無(wú)冗余設(shè)計(jì)，故障意味著整個(gè)葉片調(diào)整系統(tǒng)的失效，更換電動(dòng)執(zhí)行器后，需要現(xiàn)場(chǎng)重新標(biāo)定開(kāi)度；四是伺服閥由于閥芯與閥體間總有間隙，理論上總有泄漏，液壓油切斷后葉片角度無(wú)法鎖死。

3 比例閥+位置傳感器控制動(dòng)葉片方式的工作原理及流程

近年來(lái)，比例閥+位置傳感器控制（以下簡(jiǎn)稱“比例閥控制”）軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片角度的方式，在一些新建電廠的風(fēng)機(jī)上推廣和使用。

3.1 比例閥的控制原理

DCS 給定一個(gè)葉片位置信號(hào)，該信號(hào)與位置傳感器反饋的葉片實(shí)際位置信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)DCS 的PID 控制單元轉(zhuǎn)換為比例閥的控制信號(hào)（4～20mA），控制比例閥的開(kāi)（關(guān)）。在開(kāi)（關(guān)）過(guò)程中，風(fēng)機(jī)油缸伺服端的葉片位置傳感器接收葉片位置的信號(hào)（4～20mA），該信號(hào)送回DCS，與設(shè)定的葉片位置信號(hào)比較，決定比例閥的進(jìn)一步動(dòng)作，直到達(dá)到設(shè)定的葉片位置，完成葉片角度的調(diào)節(jié)。

圖2 比例閥控制原理圖

3.2 比例閥的工作流程

早期的比例閥采用單比例閥，依靠閥芯在閥孔中處于不同位置，便可以使一些油路接通，一些油路關(guān)閉，閥芯的移動(dòng)依靠電磁線圈產(chǎn)生的磁力。比例閥輸入電源為24V，控制信號(hào)為通過(guò)DCS 的PID 控制單元輸入的4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以及DCS 輸入的電源釋放信號(hào)。其中，4～12mA 對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)方向，越接近4mA 關(guān)的速度越快；12～20mA 對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)方向，越接近20mA開(kāi)的速度越快。

現(xiàn)在風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片控制系統(tǒng)的比例閥采用雙比例閥（一用一備），如圖3所示。相比單比例閥的控制系統(tǒng)，雙比例閥的可靠性和安全性又全面提升。

圖3 雙比例閥的工作流程

3.3 比例閥的典型結(jié)構(gòu)

比例閥典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。上部為電磁比例先導(dǎo)閥，下部為液動(dòng)比例閥的主閥。先導(dǎo)閥用以改變控制壓力油流的方向，從而改變主閥的工作位置。主閥可視為先導(dǎo)閥的“負(fù)載”，主閥用來(lái)更換主油路壓力油流的方向，從而改變執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方向[2]。風(fēng)機(jī)油站上的比例閥是中位機(jī)能為Y 型的比例閥。

圖4 典型三位四通電液動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)圖

3.4 位置傳感器

安裝在風(fēng)機(jī)的液壓裝置上，反饋動(dòng)葉片的精確位置，數(shù)量為兩只，一用一備（總共配置6支位置傳感器；每一套控制系統(tǒng)信號(hào)都滿足三取二）。每支傳感器輸出兩個(gè)4～20mA 的位置信號(hào)（信號(hào)冗余），輸入電源24V，傳感器采用6芯線連接。

3.5 動(dòng)葉閉鎖結(jié)構(gòu)原理

液壓缸前端安裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部有液控單向閥，如圖5所示。當(dāng)B 側(cè)油腔進(jìn)油時(shí)，A 側(cè)油腔的油流回油箱，液壓缸活塞向左移動(dòng)，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉向開(kāi)的方向移動(dòng)；當(dāng)A 側(cè)油腔進(jìn)油時(shí)，旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部控制油路打開(kāi)B 側(cè)單向閥，B 側(cè)油腔的油經(jīng)打開(kāi)的單向閥流回油箱，液壓缸活塞向右移動(dòng)，動(dòng)葉向關(guān)的方向移動(dòng)。風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片在關(guān)狀態(tài)時(shí)離心力最大，即風(fēng)機(jī)葉片始終會(huì)有一個(gè)向關(guān)方向的一個(gè)關(guān)閉力。

圖5 液控單向閥工作原理圖

當(dāng)A、B 側(cè)都斷油時(shí)，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片因?yàn)殡x心力的作用會(huì)向關(guān)的方向移動(dòng)，即液壓缸活塞會(huì)向右移動(dòng)，此時(shí)，液壓缸B 側(cè)油腔因?yàn)閱蜗蜷y的作用，無(wú)法回油，B 側(cè)油腔會(huì)保持原有的油壓，與風(fēng)機(jī)動(dòng)葉關(guān)閉力保持平衡，風(fēng)機(jī)動(dòng)葉將不會(huì)動(dòng)作。試驗(yàn)得出，當(dāng)壓力油失去后，在1周的時(shí)間內(nèi)，液壓缸體的移動(dòng)量只有總移動(dòng)量的0.23%，完全可以忽略不計(jì)。動(dòng)葉完全閉鎖，安全性和可靠性好。

4 比例閥控制方式的特點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

一是葉片保位功能。采用比例閥控制的葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在油系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下可以對(duì)葉片位置進(jìn)行鎖定，讓風(fēng)機(jī)保持開(kāi)度不變繼續(xù)運(yùn)行。電動(dòng)執(zhí)行器控制葉片角度的調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)無(wú)法保壓，油路出現(xiàn)故障后，葉片開(kāi)度不受控制，會(huì)自行關(guān)閉，必須停機(jī)處理。比例閥出口還有節(jié)流閥和電磁閥，關(guān)閉節(jié)流閥和電磁閥也可隔絕液壓缸的回油，保持動(dòng)葉開(kāi)度不變。

二是調(diào)節(jié)系統(tǒng)冗余配置。比例閥和位置傳感器可采取冗余配置，一用一備，故障情況下自動(dòng)切換，進(jìn)一步提高液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性。而傳統(tǒng)（執(zhí)行器+伺服閥）都是單一配置，一旦出現(xiàn)故障必須停機(jī)處理。

三是故障源變少。常規(guī)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)機(jī)械部件多。比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)全部取消這些機(jī)械裝置，大大減少了故障源。

四是更高的調(diào)節(jié)精度。相比于電動(dòng)執(zhí)行器式的機(jī)械調(diào)節(jié)，比例閥調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)節(jié)精度。

五是更換方便。比例閥在風(fēng)機(jī)本體外，可在不停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行更換。同時(shí)，更換比例閥不需要停機(jī)標(biāo)定開(kāi)關(guān)位置。

六是精確的葉片位置反饋。比例閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的磁致伸縮位置傳感器直接安裝在旋轉(zhuǎn)組件上，能精確反映葉片的實(shí)際位置。

4.2 缺點(diǎn)

一是比例閥對(duì)油質(zhì)的要求相對(duì)較高。一般要求液壓油顆粒度小于7級(jí)。另外液壓油箱要和潤(rùn)滑油站分開(kāi)，防止?jié)櫥臀廴疽簤河?，也可在比例閥前增加過(guò)濾器，提高油質(zhì)。二是比例閥，位置傳感器及信號(hào)電纜均為進(jìn)口產(chǎn)品，采購(gòu)周期長(zhǎng)。

5 比例閥控制動(dòng)葉片方式的實(shí)際應(yīng)用

一是寧東電廠是較早使用比例閥控制風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片的電廠。寧東電廠二期2×660MW 超超臨界燃煤機(jī)組，2017年年底投產(chǎn)運(yùn)行，引、送、一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片的調(diào)節(jié)均采用單比例閥控制，運(yùn)行中曾發(fā)生過(guò)比例閥卡澀的問(wèn)題，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)液壓缸有閉鎖功能，檢修更換比例閥，只需要停運(yùn)油站，無(wú)須停運(yùn)風(fēng)機(jī)，驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片閉鎖功能的可靠性。二是錦界電廠在三期2×660MW 擴(kuò)建工程中，引、送、一次風(fēng)機(jī)采用了雙比例閥控制動(dòng)葉片的方式，自2020年投產(chǎn)以來(lái)，未發(fā)生過(guò)任何問(wèn)題。三是府谷電廠二期2×660MW 擴(kuò)建工程中，引、送、一次風(fēng)機(jī)也采用了雙比例閥控制動(dòng)葉片開(kāi)度的方式，為了保證比例閥的油質(zhì)，在比例閥的前部又加裝了過(guò)濾器。四是惠州熱電，寧海電廠，太倉(cāng)電廠等很多電廠也已經(jīng)對(duì)部分風(fēng)機(jī)進(jìn)行了比例閥的改造，反響都很好。

電動(dòng)執(zhí)行器控制軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片角度的方式已發(fā)展了很多年，傳統(tǒng)的軸流風(fēng)機(jī)都在使用這種控制方式，大家對(duì)此都比較熟悉。近年來(lái)，比例閥控制動(dòng)葉片角度的方式也逐步在新建電廠中推廣，一些老電廠也在對(duì)風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片的控制方式進(jìn)行比例閥改造。從使用這種控制方式的實(shí)際情況來(lái)看，比例閥控制方式機(jī)械結(jié)構(gòu)少、故障率低。關(guān)鍵是有冗余設(shè)計(jì)，比例閥、傳感器都有備用，動(dòng)葉片還有自鎖功能，風(fēng)機(jī)因?yàn)閯?dòng)葉片控制部分故障造成停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。比例閥控制是自動(dòng)化控制發(fā)展的趨勢(shì)，也是自動(dòng)化控制發(fā)展的一個(gè)方向，比例閥控制軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片角度的方式會(huì)越來(lái)越多地運(yùn)用于電力生產(chǎn)。