火電廠鍋爐風(fēng)機變頻器改造與自動化控制設(shè)計

王旭星

（國能民權(quán)熱電有限公司，河南商丘 476821）

0 引言

火電廠的風(fēng)機是鍋爐輸送燃料、氧氣和排煙的動力源，是火電廠中不可或缺的設(shè)施。風(fēng)機的耗電量約占電廠用電總量的30%，能耗較高，在綠色環(huán)保的社會經(jīng)濟發(fā)展理念下，需采取節(jié)能降耗措施。本文從風(fēng)機變頻器改造和自動化控制設(shè)計兩個角度進行分析，并驗證改造措施的可行性[1]。

1 項目背景

某火電廠裝機容量550 MW，一期、二期分別采用125 MW、137.5 MW 燃煤機組，均為2 臺。4#鍋爐燃燒系統(tǒng)內(nèi)置送風(fēng)機和引風(fēng)機各2 臺，甲、乙送風(fēng)機及乙引風(fēng)機為單速電機帶液偶調(diào)節(jié)，根據(jù)節(jié)能降耗的項目要求，僅保留甲引風(fēng)機的液偶調(diào)節(jié)，其他均改造為變頻器調(diào)節(jié)機制，適配無諧波高壓變頻器。原來的分散控制系統(tǒng)（DCS）自動調(diào)節(jié)鍋爐風(fēng)量和爐膛壓力，兩臺送風(fēng)機和乙側(cè)引風(fēng)機的變頻器滿足工況要求[2-3]。

2 風(fēng)機變頻器改造方案

2.1 電氣控制系統(tǒng)

在鍋爐風(fēng)機中使用變頻器，可以利用輸出端所發(fā)出的信號對風(fēng)機電壓進行調(diào)整，利用相關(guān)的程序?qū)ψ冾l器進行有效的控制。鍋爐膛內(nèi)設(shè)置了壓力傳感器，能夠?qū)t內(nèi)的風(fēng)壓進行實時監(jiān)測，還可以將監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給變頻器控制系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)就能夠發(fā)出指令，為變頻器控制提供有效的數(shù)據(jù)支持（圖1）。實際應(yīng)用過程中，變頻器系統(tǒng)會根據(jù)檢測到的爐膛內(nèi)壓力信號對變頻器進行控制，得到風(fēng)機電機的輸入頻率，對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)。變頻器設(shè)置在400 V 開關(guān)室內(nèi)，一次整體規(guī)劃布置。為變頻器柜加裝通風(fēng)散熱風(fēng)道，改善變頻器小室的通風(fēng)散熱條件，要求風(fēng)量保持穩(wěn)定，不由于外加風(fēng)道而導(dǎo)致風(fēng)量異常降低。風(fēng)道四周與風(fēng)機四周的距離至少為30 cm，風(fēng)機罩不得覆蓋電源進線。風(fēng)道出口增設(shè)鐵絲網(wǎng)，防止異物進入，并設(shè)防塵吸入臨時蓋板固定孔；風(fēng)道出口向下傾斜，避免風(fēng)道積水。小室的進風(fēng)口帶濾網(wǎng)，密封門窗。變頻器總發(fā)熱量按每臺20 kW 計算，適配空調(diào)機用于降低小室溫度。

圖1 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變頻器的下進線由電纜隧道引出，在引風(fēng)機、送風(fēng)機電機與開關(guān)間配套變頻裝置，利用原廠用電6 kV輔機電源開關(guān)，保留原工頻回路做旁路。通過高壓動力電纜連接變頻器與開關(guān)室、變頻器與電機，發(fā)揮既有電纜的利用價值，減少線纜敷設(shè)工作量。在前移電機之前，應(yīng)考慮原高壓電纜余量。

雙路電源切換，一期從1#、2#機400 V 廠用電各引一路電源，二期從3#、4#機400 V 廠用電各引一路電源，滿足小室空調(diào)、變頻器低壓控制裝置、通風(fēng)設(shè)施等的用電需求。6 kV 電源經(jīng)變頻裝置輸入刀閘至高壓變頻裝置，經(jīng)旁路刀閘啟動電機，變頻輸出裝置經(jīng)出線刀閘送至電機。

2.2 邏輯控制系統(tǒng)

DCS 集中控制變頻器，變頻電機各項運行參數(shù)均由DCS 自動控制。改造后，取消液偶勺管的操作控制，保留電機開關(guān)的控制操作，增加變頻器的操作控制，提供就地控制和遠程控制兩種模式，供員工視實際工作條件靈活選擇：就地控制模式下，員工實地操作，對變頻器遠方操作無效；遠程控制模式下，DCS 輸出的轉(zhuǎn)速命令信號跟蹤變頻器轉(zhuǎn)速反饋。變頻器受DCS 控制時，提供手動、自動兩種操作方式。

改造設(shè)計中，調(diào)節(jié)變頻器控制的送、引風(fēng)機啟動條件，改為對應(yīng)變頻器控制信號、隔離開關(guān)位置的綜合判斷信號，取消“液偶開度小于10%”的條件。

2.3 電機與風(fēng)機連接方案

根據(jù)既有裝置運行現(xiàn)狀，初步提出兩種方案，做對比分析與選擇：

方案1：電機前移，用聯(lián)軸器連接電機和風(fēng)機軸。在停爐后拆除液力耦合器和附屬油水管路，在液偶和電機的基礎(chǔ)鉆4 個深800～1000 mm、孔徑超過100 mm 的孔，以便電機的前移和安裝。在新電機處鑿毛，清理雜物，重新安裝電機，二次灌漿處理。新配一只半聯(lián)軸器，或改造原聯(lián)軸器。成本方面，每臺電機的土建、安裝費用約5000 元，4 個鉆孔的費用約5000 元，合計10 000元。此改造方案的優(yōu)勢在于提升裝置的可靠性，創(chuàng)設(shè)便捷的日常運行維護條件，但工期較長。

方案2：電機與風(fēng)機軸采用過渡軸及聯(lián)軸器直連，電機的位置不做改動。在停爐后拆除液力耦合器和附屬油水管路，在裝置基礎(chǔ)上方設(shè)過渡軸，電機與風(fēng)機軸穩(wěn)定連接。此方案的優(yōu)勢在于施工效率高，風(fēng)機停運1 d 時間內(nèi)便可完成各項改造工作；不足之處在于操作難度大、精度高。例如，過渡軸及1 對聯(lián)軸器的重量超過300 kg，對重物找中心時難度較大，且過渡軸的位置可能在風(fēng)機停運后發(fā)生變化，致使軸的中心偏離正常位置，嚴重時導(dǎo)致聯(lián)軸器銷子受損。成本方面，中間過渡軸的費用約為1 萬元，且由于新增聯(lián)軸器導(dǎo)致傳動效率降低，裝置運行可靠性變差，故障發(fā)生率高。

兩項方案的成本基本相同，但方案1 的安全性良好、裝置運行可靠，因此選擇方案1，即通過聯(lián)軸器直聯(lián)前移的電機和風(fēng)機軸。此方案的注意事項為：

（1）按15 d 土建及安裝改造工期進行設(shè)計，保障安全，提高質(zhì)量，縮短時間。

（2）送/引風(fēng)機電機改造時，雖然需考慮甲、乙兩側(cè)，但兩部分的結(jié)構(gòu)一致。

（3）根據(jù)各風(fēng)機軸功率確定聯(lián)軸器的型號，條件允許時盡可能采用原風(fēng)機側(cè)的半聯(lián)軸器，提高既有資源的利用價值；改造原液偶輸出軸的半聯(lián)軸器時，可以采取重新加工配對或優(yōu)化軸孔的方法。鍵與鍵槽的尺寸各異，需精準(zhǔn)控制各自的長度、深度和高度，并考慮新舊國標(biāo)的具體標(biāo)準(zhǔn)，做好協(xié)調(diào)。配對加工彈性柱銷齒式聯(lián)軸器的齒孔，應(yīng)嚴格控制加工尺寸。

3 自動化控制設(shè)計

3.1 送風(fēng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)負責(zé)供風(fēng)，以滿足爐膛內(nèi)燃料燃燒對風(fēng)量的要求，控制機理是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制送風(fēng)機變頻器指令，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，最終進入爐內(nèi)的風(fēng)量將由于轉(zhuǎn)速的變化而發(fā)生改變，使燃料經(jīng)濟燃燒，減少不必要的送風(fēng)機電力資源消耗。

進入爐內(nèi)風(fēng)量變化到鍋爐尾部氧量信號的反映需耗費一段時間，且此過程具有動態(tài)變化的特性。為此采用雙支氧化鋯測量氧量信號，再根據(jù)測量結(jié)果采取補償措施，提供適宜的氧量。甲、乙側(cè)氧量偏差大、氧量變送器發(fā)生故障、氧量調(diào)節(jié)器入口偏差較大時，均調(diào)整為手動控制模式，由專員以裝置實際運行狀態(tài)為準(zhǔn)，用軟手操增減氧量定值，盡快恢復(fù)正常運行狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)煙氣含氧量修正后的風(fēng)量信號控制風(fēng)量調(diào)節(jié)器的被調(diào)量。送風(fēng)控制系統(tǒng)應(yīng)保持富氧燃燒狀態(tài)，即鍋爐燃燒時的送風(fēng)量始終超過燃料量，而此運行狀態(tài)取決于以下3 個信號的最大值，分別為協(xié)調(diào)控制的能量需求指令信號、燃燒控制系統(tǒng)的熱量需求指令、最小風(fēng)量定值（30%額定風(fēng)量）。通過風(fēng)量調(diào)節(jié)器的輸出控制變頻器，以維持良好運行狀態(tài)。根據(jù)自動化控制目標(biāo)，將4#爐甲、乙側(cè)送風(fēng)機均調(diào)節(jié)為變頻控制機制，兩者均具備自動調(diào)節(jié)的功能。送風(fēng)機的轉(zhuǎn)速由送風(fēng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，先控制兩側(cè)變頻器、再調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

3.2 引風(fēng)（爐膛負壓）調(diào)節(jié)系統(tǒng)

通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機轉(zhuǎn)速加之送風(fēng)系統(tǒng)的輔助，始終將鍋爐壓力穩(wěn)定在合適的區(qū)間內(nèi)。爐膛壓力采用3 個變送器取中值測量，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用前饋控制，具體調(diào)控方式根據(jù)送風(fēng)量指令信號而定。為爐膛負壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計方向閉鎖控制，爐膛壓力偏低時，提高自動閉鎖引風(fēng)機轉(zhuǎn)速；爐膛壓力偏高時，則降低該風(fēng)機轉(zhuǎn)速，以動態(tài)調(diào)控的方式使?fàn)t膛壓力始終維持穩(wěn)定。

引風(fēng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)控功能通過控制乙側(cè)變頻器、控制引風(fēng)機轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)（圖2）。4#爐甲側(cè)引風(fēng)機仍保持原工頻定數(shù)運行，乙側(cè)引風(fēng)機調(diào)整為變頻控制、參與自動調(diào)節(jié)。變頻器退出運行后，引風(fēng)自動控制則通過調(diào)節(jié)液力耦合器勺管的方式進行。

圖2 為引風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

4 變頻改造后的節(jié)能性能評估

在負荷工況保持一致的條件，對改造前、后4#爐的兩臺送/引風(fēng)機的耗電量進行分析，評估變頻改造的節(jié)能效果。

4.1 改造前的耗電量

改造前，多種負荷段調(diào)節(jié)工況時，各引風(fēng)機和送風(fēng)機的功率結(jié)果如表1 所示。

表1 改造前送/引風(fēng)機的消耗功率 kW·h

每臺機組的年運行時長取6000 h，機組負荷水平按照80 MW 運行時間為35%、105 MW 運行時間為50%、120 MW 運行時間為10%、137.5 MW 運行時間為5%加權(quán)平均為條件計算，則4 臺風(fēng)機的年耗電量為：

4.2 改造后的耗電量

試驗工況點考慮的是機組80 MW 負荷、105 MW負荷、120 MW 負荷、137.5 MW 負荷，并檢驗4#爐送/引風(fēng)機在各工況點間的調(diào)節(jié)性能。分析發(fā)現(xiàn)，甲、乙引風(fēng)機和送風(fēng)機在負荷為80～137.5 MW 內(nèi)平衡調(diào)節(jié)。在穩(wěn)定工況點，鍋爐的運行時間不短于60 min，應(yīng)確保漏風(fēng)量被控制在許可范圍內(nèi)，同時一、二次風(fēng)分配值合理。改造后，4 臺風(fēng)機在各負荷段的運行功率如表2 所示。

表2 改造后送/引風(fēng)機的消耗功率 kW·h

改造后，根據(jù)4 臺風(fēng)機的功率計算年耗電量為719.42×104kW·h。

4.3 節(jié)能性能評估

改造前、后，風(fēng)機年耗電量分別為719.42×104kW·h、896.31×104kW·h，改造后年耗電量節(jié)約176.89×104kW·h，電價0.32 元/kW·h，單臺爐年節(jié)約費用約176.89×0.32＝56.6 萬元，投資回收年限約282/56.6＝4.98 年。

根據(jù)耗電量、成本的對比分析結(jié)果可知，改造后節(jié)電效果大幅提升，且在機組中、低負荷段運行時體現(xiàn)得更為明顯。經(jīng)計算，在單側(cè)送、引風(fēng)機采取變頻控制策略后，每臺爐年減少耗電量176.89×104kW·h，有良好的節(jié)能效果。由于用電量減少，還可節(jié)約成本，因此具有良好的生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

綜上所述，火電廠的風(fēng)機能耗較高，為此采取變頻改造策略，并設(shè)計自動化控制系統(tǒng)后，每臺爐廠用電率降低約0.3%，節(jié)能降耗效果良好。改造后進行長期觀察，風(fēng)機未見異常振動、功能失效等問題，裝置運行安全。因此，本火電廠鍋爐的變頻改造策略及自動化控制策略具有可行性，可為類似項目提供參考。