變頻協(xié)調控制技術(shù)在一次風(fēng)高壓變頻系統中的應用

變頻協(xié)調控制技術(shù)在一次風(fēng)高壓變頻系統中的應用

通過(guò)對變頻協(xié)調控制技術(shù)在電廠(chǎng)鍋爐一次風(fēng)高壓變頻系統改造中的應用研究，著(zhù)重說(shuō)明：變頻協(xié)調控制技術(shù)的設計思想和系統結構，以及在一次風(fēng)系統中主要解決的問(wèn)題和辦法，為高壓變頻調速技術(shù)在一次風(fēng)系統中的成功應用提供了一種新的思路和方法。

一、概況

在電廠(chǎng)燃煤機組中，一次風(fēng)是鍋爐的燃料輸送系統的主要動(dòng)力來(lái)源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統結構原理如圖1。系統主要由4臺雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機、2臺一次風(fēng)機、2臺空預器等設備組成。磨煤機磨制的煤粉通過(guò)一次風(fēng)管直接進(jìn)入爐膛燃燒，系統通過(guò)控制一次風(fēng)量實(shí)現鍋爐負荷的控制。

圖1：直吹式燃煤鍋爐系統結構原理圖

正常運行時(shí)，一次風(fēng)系統通過(guò)風(fēng)機入口擋板控制一次風(fēng)管壓力維持在9.0~11.0kPa范圍內，通過(guò)冷、熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度的調整，實(shí)現進(jìn)入磨煤機的一次風(fēng)溫控制，保證磨煤機運行效率；由磨入口擋板控制一次風(fēng)量，從而實(shí)現磨煤機負荷隨鍋爐負荷變化而調整。

當發(fā)電機輸出功率發(fā)生變化時(shí)，鍋爐的燃燒系統、燃料控制系統等也隨之變動(dòng)，為了進(jìn)一步降低廠(chǎng)用電率，實(shí)現系統優(yōu)化運行。對一次風(fēng)系統變頻改造成為繼引風(fēng)系統、凝結水系統之后的又一新的研究課題。

目前，在一次風(fēng)系統主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.為保證一次風(fēng)速在一定范圍內，目前通過(guò)一次風(fēng)機入口擋板控制。開(kāi)度在40%~60%，節流損失較大。

2.燃料系統中磨負荷分別通過(guò)磨入口擋板開(kāi)度控制一次風(fēng)量，系統效率低、經(jīng)濟指標差。

3.一次風(fēng)機入口擋板及出口電動(dòng)門(mén)的開(kāi)關(guān)速度反應緩慢，調節品質(zhì)不好。在機組出現緊急事故或單臺一次風(fēng)機設備掉閘情況下，RB不能有效響應及時(shí)動(dòng)作，嚴重時(shí)導致停爐、滅火等事故發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失。

4.一次風(fēng)機通常為“駝峰”特性，調整特性差；壓力、風(fēng)量調整不當，風(fēng)機效率下降明顯，嚴重時(shí)導致設備直接過(guò)載保護跳閘。

隨著(zhù)高壓變頻技術(shù)的日益成熟和新技術(shù)、新產(chǎn)品的不斷實(shí)踐應用，在一次風(fēng)機系統中采用變頻節能改造，通過(guò)變頻協(xié)調控制技術(shù)能夠解決變頻應用中存在的問(wèn)題，達到改善生產(chǎn)工藝，降低設備單耗水平的目的。

二、一次風(fēng)變頻協(xié)調控制技術(shù)

通過(guò)對一次風(fēng)系統的深入研究，結合高壓變頻調速技術(shù)的特點(diǎn)，針對性的研究了高壓變頻協(xié)調控制技術(shù)的實(shí)際應用途徑和具體設計實(shí)現。

根據一次風(fēng)系統應用變頻所面臨的主要問(wèn)題，變頻協(xié)調控制單元具備以下主要功能：

1.在一次風(fēng)機變頻運行狀態(tài)自動(dòng)切換至工頻過(guò)程中，對故障點(diǎn)的位置判斷準確、動(dòng)作及時(shí)有效。

2.通過(guò)變頻與工頻運行方式之間的協(xié)調，保證一次風(fēng)機能夠不間斷運行。

3.通過(guò)變頻轉速與一次風(fēng)調節擋板的開(kāi)度配合，保證一次風(fēng)不失壓。

4.通過(guò)故障一次風(fēng)機與另一側運行一次風(fēng)機之間的協(xié)調控制，保證兩臺一次風(fēng)機均工作在安全特性區內，不出現“搶風(fēng)”現象。

該協(xié)調控制單元的控制結構框圖如圖2所示。主要包括：協(xié)調控制模塊、故障點(diǎn)分析模塊、故障識別模塊、故障診斷及自處理模塊、一次風(fēng)機系統保護模塊、保護動(dòng)作連接模塊、擋板開(kāi)度函數器、模擬量I/O模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等十余種模塊組成。

圖2：控制結構框圖

其工作原理是：將一次風(fēng)機工/變頻自動(dòng)切換系統的綜合保護裝置作為變頻回路和工頻回路的主要檢測方式，接受變頻器上口、變頻器下口以及變頻器旁路開(kāi)關(guān)的二次檢測信號。通過(guò)對主動(dòng)力系統不同位置的運行工況參數及工作狀態(tài)的檢測，由故障點(diǎn)分析模塊根據信息來(lái)源的動(dòng)作先后、反應速度、二次電流、電壓的幅值變化，結合變頻器自身的運行參數檢測信息，分析判斷故障點(diǎn)的真實(shí)位置。通過(guò)故障識別模塊判斷故障的安全級別和危害程度，同時(shí)指示出具體故障點(diǎn)位置和故障原因。

協(xié)調控制模塊在接到故障點(diǎn)分析的具體位置和安全級別報告后，結合現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)和工況，決定是否采取變頻向工頻運行方式的切換操作。如果一次風(fēng)機主動(dòng)力系統允許由變頻向工頻運行方式的自動(dòng)切換；系統直接將另一側變頻風(fēng)機直接快速加速至100％，并根據實(shí)際負荷，計算出跳閘側風(fēng)機工頻開(kāi)關(guān)的合閘操作時(shí)機。通過(guò)擋板開(kāi)度函數器實(shí)時(shí)計算出變頻切工頻后一次風(fēng)機擋板開(kāi)度自動(dòng)關(guān)小的位置信號，從而實(shí)現變頻向工頻切換過(guò)程中一次風(fēng)壓盡量小擾動(dòng)。保證切換動(dòng)作過(guò)程中，鍋爐的一次風(fēng)壓波動(dòng)瞬值不高于鍋爐燃燒系統對一次風(fēng)速的最低要求、時(shí)間小于2S，使得鍋爐在一次風(fēng)機的切換時(shí)，鍋爐運行平穩、安全不滅火、不跳機。

數字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠程控制信號，實(shí)現一次風(fēng)機變頻上、下口及旁路開(kāi)關(guān)的聯(lián)鎖保護、閉鎖邏輯和控制功能。同時(shí)將高壓開(kāi)關(guān)和外圍控制信號傳遞給協(xié)調控制模塊進(jìn)行綜合信息處理和判斷。

故障診斷和自處理模塊主要是對外圍接入的開(kāi)關(guān)量、模擬量以及二次儀表的檢測信號進(jìn)行分析判斷，確定信號接口是否正常，信號輸入、輸出是否有效，是否存在錯誤狀態(tài)等。并且根據實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息，判斷出故障端口點(diǎn)號，并將其從邏輯處理回路中切除，通過(guò)信號替代保持信號處理的完整性。從而，提高系統邏輯處理的安全及可靠性。

圖3：變頻協(xié)調控制單元外形圖

三、一次風(fēng)變頻調速后存在問(wèn)題及對策

1.一次風(fēng)機變頻后的“搶風(fēng)”問(wèn)題

通過(guò)對一次風(fēng)機的結構和工作特性研究可知：風(fēng)機具有明顯的馬鞍形特征，在風(fēng)機性能曲線(xiàn)的左半部具有一個(gè)馬鞍形區域，在此區段內運行有時(shí)出現流量大幅度脈動(dòng)等不正常情況，出現“喘振”問(wèn)題。而喘振僅僅是不穩定工況區內可能遇到的現象之一，在該區域內還會(huì )出現不正常的零氣動(dòng)力工況，這便是旋轉“失速”現象。風(fēng)機在不穩定工況區運行時(shí)，還可能發(fā)生流量、全壓和電流的大幅度波動(dòng)，氣流會(huì )發(fā)生往復流動(dòng)，產(chǎn)生強烈振動(dòng)，這就是通常提到的“搶風(fēng)”。鍋爐一次風(fēng)機改為變頻調速后，兩臺風(fēng)機并列運行，就非常容易發(fā)生“搶風(fēng)”現象，威脅風(fēng)機及整個(gè)系統的安全性。下面就針對兩臺風(fēng)機的運行工況進(jìn)行分析說(shuō)明，如圖4。

圖4：風(fēng)機的并聯(lián)運行圖

如果風(fēng)機參數選擇適當，運行時(shí)操作正確，兩臺風(fēng)機并聯(lián)運行時(shí)的風(fēng)道性能曲線(xiàn)Ⅳ與風(fēng)機并聯(lián)合性能曲線(xiàn)Ⅲ交于1，則每臺風(fēng)機將在點(diǎn)1′工作，風(fēng)機在此工況下工作是穩定的，不會(huì )出現“搶風(fēng)”現象。如果風(fēng)機工作不當，風(fēng)道性能曲線(xiàn)Ⅴ與風(fēng)機合成性能曲線(xiàn)Ⅲ交于點(diǎn)2與點(diǎn)3，落在∞字形區域內工作，則風(fēng)機工作點(diǎn)可能是點(diǎn)2或點(diǎn)3。若風(fēng)機在點(diǎn)2上運行，則兩臺風(fēng)機尚能在點(diǎn)2′上穩定運行。如果兩臺風(fēng)機的風(fēng)道阻力稍有差別，或者風(fēng)道系統中風(fēng)量稍有變動(dòng)，其結果是風(fēng)機處于點(diǎn)3并聯(lián)工作，此時(shí)兩臺風(fēng)機工作點(diǎn)分別是3′和3〞點(diǎn)運行。其中點(diǎn)3′工作風(fēng)機風(fēng)量大且在穩定區工作，而另一臺在點(diǎn)3〞工作的風(fēng)機的風(fēng)量小，且工作點(diǎn)落在不穩定工況區內。這樣兩臺性能相同的風(fēng)機輸送的流量就不相同，出現了“搶風(fēng)”。但是兩臺風(fēng)機分別在3′和3〞點(diǎn)工作的狀況不是穩定不變的，這兩臺風(fēng)機的工作點(diǎn)會(huì )發(fā)生互換。風(fēng)機在此工況下工作，嚴重時(shí)甚至會(huì )出現一臺風(fēng)機的風(fēng)量大，另一臺風(fēng)機則產(chǎn)生倒流。因此，在兩臺風(fēng)機并聯(lián)運行時(shí)，為避免搶風(fēng)現象發(fā)生，就應當采取措施避免風(fēng)機的工作點(diǎn)落在∞字形區域內。

鍋爐一次風(fēng)機變頻改造后，風(fēng)機在低負荷運行時(shí)的工作點(diǎn)離不穩定區（左邊界）較近，導致機組在低負荷區間運行時(shí)，兩臺一次風(fēng)機“搶風(fēng)”即風(fēng)機的并列困難；通過(guò)兩臺一次風(fēng)機的快速協(xié)調平衡系統，對運行參數調整，降低系統一次風(fēng)壓、改變系統通風(fēng)量，“搶風(fēng)”問(wèn)題得到解決。

2.防喘振控制思想

圖5：不同轉速下的特性曲線(xiàn)圖

圖5給出了風(fēng)機在不同轉速下的特性曲線(xiàn)，可以看出轉速不同，相應的駝峰點(diǎn)和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點(diǎn)越向左移，駝峰流量越小，把不同轉速下的駝峰點(diǎn)連接起來(lái)，就構成了一條曲線(xiàn)，曲線(xiàn)右側為穩定工作區，曲線(xiàn)左側為不穩定區。我們稱(chēng)駝峰流量為極限流量相應的駝峰點(diǎn)連接曲線(xiàn)稱(chēng)之為喘振搶風(fēng)極限線(xiàn)。

顯然，只要在任何轉速下，都能控制鼓風(fēng)機的流量，使其大于極限流量，則風(fēng)機便不會(huì )發(fā)生搶風(fēng)問(wèn)題，這就是防喘防搶控制的基本思想。

考慮到吸入氣體的狀態(tài)如壓力、溫度、密度及系統風(fēng)量、風(fēng)壓變化等都會(huì )引起風(fēng)機特性曲線(xiàn)的變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實(shí)際工作點(diǎn)不會(huì )太靠近不穩區極限，以避免發(fā)生搶風(fēng)喘振事故。在一次風(fēng)系統中采用“調速－比例調門(mén)法”比較適合電廠(chǎng)安全和節能需要。

變頻協(xié)調控制單元將變頻節能與防喘振協(xié)調控制，根據一次風(fēng)系統的要求，風(fēng)機流量波動(dòng)時(shí)維持出口壓力在某一定值范圍內，因此取出口壓力Ｐ1，送入變頻節能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協(xié)調控制器，高壓變頻器，電動(dòng)機和風(fēng)機構成一個(gè)閉環(huán)控制系統，通過(guò)不斷地參與鼓風(fēng)機轉速自動(dòng)調整，來(lái)達到穩定出口壓力的目的。

圖6：典型的安全操作曲線(xiàn)圖

圖6給出了兩條典型的安全操作線(xiàn)，其中安全操作線(xiàn)1為固定流量安全操作線(xiàn)控制。安全操作線(xiàn)2為一條與喘振極限線(xiàn)相似的曲線(xiàn)，其流量比喘振極限流量大5%~15%，解決了轉速較低時(shí)安全操作線(xiàn)1存在的耗能問(wèn)題，是一個(gè)最節能安全控制方式。

3.一次風(fēng)機RB時(shí)，一次風(fēng)機變頻器過(guò)負荷保護動(dòng)作防范

一次風(fēng)系統變頻運行時(shí)，單側一次風(fēng)機變頻器故障不能連續運行時(shí)，會(huì )觸發(fā)機組RB功能動(dòng)作。系統處理不當或反應不及時(shí)，就會(huì )最終引起機組跳閘。結合鍋爐一次風(fēng)機RB分析，主要會(huì )導致一次風(fēng)機變頻器過(guò)負荷保護動(dòng)作有以下方面的原因：

3.1次風(fēng)機RB工況初期，系統通風(fēng)量過(guò)大，在單點(diǎn)壓力情況下，流量超標引起變頻器過(guò)負荷。

3.2一次風(fēng)機RB工況初期，風(fēng)機的運行工況嚴重偏離高效點(diǎn)，運行效率極低。

3.3一次風(fēng)機性能曲線(xiàn)陡峭，駝峰型特性明顯效率低。

為防止一次風(fēng)機變頻器過(guò)負荷保護動(dòng)作的措施如下：

（1）一次風(fēng)變頻器的設計過(guò)程中提供負荷限制功能，防止變頻器過(guò)負荷保護動(dòng)作跳閘。

（2）優(yōu)化RB時(shí)一次風(fēng)系統邏輯。

四、結束語(yǔ)

通過(guò)變頻協(xié)調控制技術(shù)在鍋爐一次風(fēng)系統變頻改造應用中的研究，充分說(shuō)明：在利用高壓變頻進(jìn)行節能改造的過(guò)程中，著(zhù)重研究和解決高壓變頻技術(shù)應用中帶來(lái)的問(wèn)題和解決辦法，對提高系統運行安全穩定性，降低經(jīng)濟損失，具有更為重要的意義。將變頻協(xié)調控制技術(shù)應用到各種領(lǐng)域當中能夠顯著(zhù)提高生產(chǎn)系統因變頻改造帶來(lái)的安全穩定等效益，并且可以進(jìn)一步實(shí)現優(yōu)化系統，提高節能效果的目的。該項技術(shù)的研究勢必會(huì )為高壓變頻技術(shù)的廣泛應用起到積極的推動(dòng)作用。