變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在一次風(fēng)高壓變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在一次風(fēng)高壓變頻系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過對變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在電廠鍋爐一次風(fēng)高壓變頻系統(tǒng)改造中的應(yīng)用研究，著重說明：變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)的設(shè)計思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及在一次風(fēng)系統(tǒng)中主要解決的問題和辦法，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在一次風(fēng)系統(tǒng)中的成功應(yīng)用提供了一種新的思路和方法。

一、概況

在電廠燃煤機(jī)組中，一次風(fēng)是鍋爐的燃料輸送系統(tǒng)的主要動力來源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1。系統(tǒng)主要由4臺雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)、2臺一次風(fēng)機(jī)、2臺空預(yù)器等設(shè)備組成。磨煤機(jī)磨制的煤粉通過一次風(fēng)管直接進(jìn)入爐膛燃燒，系統(tǒng)通過控制一次風(fēng)量實現(xiàn)鍋爐負(fù)荷的控制。

圖1：直吹式燃煤鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

正常運(yùn)行時，一次風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)入口擋板控制一次風(fēng)管壓力維持在9.0~11.0kPa范圍內(nèi)，通過冷、熱風(fēng)門開度的調(diào)整，實現(xiàn)進(jìn)入磨煤機(jī)的一次風(fēng)溫控制，保證磨煤機(jī)運(yùn)行效率；由磨入口擋板控制一次風(fēng)量，從而實現(xiàn)磨煤機(jī)負(fù)荷隨鍋爐負(fù)荷變化而調(diào)整。

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生變化時，鍋爐的燃燒系統(tǒng)、燃料控制系統(tǒng)等也隨之變動，為了進(jìn)一步降低廠用電率，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。對一次風(fēng)系統(tǒng)變頻改造成為繼引風(fēng)系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)之后的又一新的研究課題。

目前，在一次風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：

1.為保證一次風(fēng)速在一定范圍內(nèi)，目前通過一次風(fēng)機(jī)入口擋板控制。開度在40%~60%，節(jié)流損失較大。

2.燃料系統(tǒng)中磨負(fù)荷分別通過磨入口擋板開度控制一次風(fēng)量，系統(tǒng)效率低、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差。

3.一次風(fēng)機(jī)入口擋板及出口電動門的開關(guān)速度反應(yīng)緩慢，調(diào)節(jié)品質(zhì)不好。在機(jī)組出現(xiàn)緊急事故或單臺一次風(fēng)機(jī)設(shè)備掉閘情況下，RB不能有效響應(yīng)及時動作，嚴(yán)重時導(dǎo)致停爐、滅火等事故發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4.一次風(fēng)機(jī)通常為“駝峰”特性，調(diào)整特性差；壓力、風(fēng)量調(diào)整不當(dāng)，風(fēng)機(jī)效率下降明顯，嚴(yán)重時導(dǎo)致設(shè)備直接過載保護(hù)跳閘。

隨著高壓變頻技術(shù)的日益成熟和新技術(shù)、新產(chǎn)品的不斷實踐應(yīng)用，在一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中采用變頻節(jié)能改造，通過變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)能夠解決變頻應(yīng)用中存在的問題，達(dá)到改善生產(chǎn)工藝，降低設(shè)備單耗水平的目的。

二、一次風(fēng)變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)

通過對一次風(fēng)系統(tǒng)的深入研究，結(jié)合高壓變頻調(diào)速技術(shù)的特點，針對性的研究了高壓變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實際應(yīng)用途徑和具體設(shè)計實現(xiàn)。

根據(jù)一次風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用變頻所面臨的主要問題，變頻協(xié)調(diào)控制單元具備以下主要功能：

1.在一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)自動切換至工頻過程中，對故障點的位置判斷準(zhǔn)確、動作及時有效。

2.通過變頻與工頻運(yùn)行方式之間的協(xié)調(diào)，保證一次風(fēng)機(jī)能夠不間斷運(yùn)行。

3.通過變頻轉(zhuǎn)速與一次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板的開度配合，保證一次風(fēng)不失壓。

4.通過故障一次風(fēng)機(jī)與另一側(cè)運(yùn)行一次風(fēng)機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制，保證兩臺一次風(fēng)機(jī)均工作在安全特性區(qū)內(nèi)，不出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

該協(xié)調(diào)控制單元的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主要包括：協(xié)調(diào)控制模塊、故障點分析模塊、故障識別模塊、故障診斷及自處理模塊、一次風(fēng)機(jī)系統(tǒng)保護(hù)模塊、保護(hù)動作連接模塊、擋板開度函數(shù)器、模擬量I/O模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊等十余種模塊組成。

圖2：控制結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理是：將一次風(fēng)機(jī)工/變頻自動切換系統(tǒng)的綜合保護(hù)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關(guān)的二次檢測信號。通過對主動力系統(tǒng)不同位置的運(yùn)行工況參數(shù)及工作狀態(tài)的檢測，由故障點分析模塊根據(jù)信息來源的動作先后、反應(yīng)速度、二次電流、電壓的幅值變化，結(jié)合變頻器自身的運(yùn)行參數(shù)檢測信息，分析判斷故障點的真實位置。通過故障識別模塊判斷故障的安全級別和危害程度，同時指示出具體故障點位置和故障原因。

協(xié)調(diào)控制模塊在接到故障點分析的具體位置和安全級別報告后，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工況，決定是否采取變頻向工頻運(yùn)行方式的切換操作。如果一次風(fēng)機(jī)主動力系統(tǒng)允許由變頻向工頻運(yùn)行方式的自動切換；系統(tǒng)直接將另一側(cè)變頻風(fēng)機(jī)直接快速加速至100％，并根據(jù)實際負(fù)荷，計算出跳閘側(cè)風(fēng)機(jī)工頻開關(guān)的合閘操作時機(jī)。通過擋板開度函數(shù)器實時計算出變頻切工頻后一次風(fēng)機(jī)擋板開度自動關(guān)小的位置信號，從而實現(xiàn)變頻向工頻切換過程中一次風(fēng)壓盡量小擾動。保證切換動作過程中，鍋爐的一次風(fēng)壓波動瞬值不高于鍋爐燃燒系統(tǒng)對一次風(fēng)速的最低要求、時間小于2S，使得鍋爐在一次風(fēng)機(jī)的切換時，鍋爐運(yùn)行平穩(wěn)、安全不滅火、不跳機(jī)。

數(shù)字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠(yuǎn)程控制信號，實現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)變頻上、下口及旁路開關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)、閉鎖邏輯和控制功能。同時將高壓開關(guān)和外圍控制信號傳遞給協(xié)調(diào)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(jù)實時的狀態(tài)信息，判斷出故障端口點號，并將其從邏輯處理回路中切除，通過信號替代保持信號處理的完整性。從而，提高系統(tǒng)邏輯處理的安全及可靠性。

圖3：變頻協(xié)調(diào)控制單元外形圖

三、一次風(fēng)變頻調(diào)速后存在問題及對策

1.一次風(fēng)機(jī)變頻后的“搶風(fēng)”問題

通過對一次風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特性研究可知：風(fēng)機(jī)具有明顯的馬鞍形特征，在風(fēng)機(jī)性能曲線的左半部具有一個馬鞍形區(qū)域，在此區(qū)段內(nèi)運(yùn)行有時出現(xiàn)流量大幅度脈動等不正常情況，出現(xiàn)“喘振”問題。而喘振僅僅是不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)可能遇到的現(xiàn)象之一，在該區(qū)域內(nèi)還會出現(xiàn)不正常的零氣動力工況，這便是旋轉(zhuǎn)“失速”現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)在不穩(wěn)定工況區(qū)運(yùn)行時，還可能發(fā)生流量、全壓和電流的大幅度波動，氣流會發(fā)生往復(fù)流動，產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，這就是通常提到的“搶風(fēng)”。鍋爐一次風(fēng)機(jī)改為變頻調(diào)速后，兩臺風(fēng)機(jī)并列運(yùn)行，就非常容易發(fā)生“搶風(fēng)”現(xiàn)象，威脅風(fēng)機(jī)及整個系統(tǒng)的安全性。下面就針對兩臺風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行分析說明，如圖4。

圖4：風(fēng)機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行圖

如果風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇適當(dāng)，運(yùn)行時操作正確，兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時的風(fēng)道性能曲線Ⅳ與風(fēng)機(jī)并聯(lián)合性能曲線Ⅲ交于1，則每臺風(fēng)機(jī)將在點1′工作，風(fēng)機(jī)在此工況下工作是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。如果風(fēng)機(jī)工作不當(dāng)，風(fēng)道性能曲線Ⅴ與風(fēng)機(jī)合成性能曲線Ⅲ交于點2與點3，落在∞字形區(qū)域內(nèi)工作，則風(fēng)機(jī)工作點可能是點2或點3。若風(fēng)機(jī)在點2上運(yùn)行，則兩臺風(fēng)機(jī)尚能在點2′上穩(wěn)定運(yùn)行。如果兩臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)道阻力稍有差別，或者風(fēng)道系統(tǒng)中風(fēng)量稍有變動，其結(jié)果是風(fēng)機(jī)處于點3并聯(lián)工作，此時兩臺風(fēng)機(jī)工作點分別是3′和3〞點運(yùn)行。其中點3′工作風(fēng)機(jī)風(fēng)量大且在穩(wěn)定區(qū)工作，而另一臺在點3〞工作的風(fēng)機(jī)的風(fēng)量小，且工作點落在不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)。這樣兩臺性能相同的風(fēng)機(jī)輸送的流量就不相同，出現(xiàn)了“搶風(fēng)”。但是兩臺風(fēng)機(jī)分別在3′和3〞點工作的狀況不是穩(wěn)定不變的，這兩臺風(fēng)機(jī)的工作點會發(fā)生互換。風(fēng)機(jī)在此工況下工作，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)一臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大，另一臺風(fēng)機(jī)則產(chǎn)生倒流。因此，在兩臺風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，為避免搶風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，就應(yīng)當(dāng)采取措施避免風(fēng)機(jī)的工作點落在∞字形區(qū)域內(nèi)。

鍋爐一次風(fēng)機(jī)變頻改造后，風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時的工作點離不穩(wěn)定區(qū)（左邊界）較近，導(dǎo)致機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時，兩臺一次風(fēng)機(jī)“搶風(fēng)”即風(fēng)機(jī)的并列困難；通過兩臺一次風(fēng)機(jī)的快速協(xié)調(diào)平衡系統(tǒng)，對運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，降低系統(tǒng)一次風(fēng)壓、改變系統(tǒng)通風(fēng)量，“搶風(fēng)”問題得到解決。

2.防喘振控制思想

圖5：不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線圖

圖5給出了風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線，可以看出轉(zhuǎn)速不同，相應(yīng)的駝峰點和駝峰流量也不同。轉(zhuǎn)速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小，把不同轉(zhuǎn)速下的駝峰點連接起來，就構(gòu)成了一條曲線，曲線右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，曲線左側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)。我們稱駝峰流量為極限流量相應(yīng)的駝峰點連接曲線稱之為喘振搶風(fēng)極限線。

顯然，只要在任何轉(zhuǎn)速下，都能控制鼓風(fēng)機(jī)的流量，使其大于極限流量，則風(fēng)機(jī)便不會發(fā)生搶風(fēng)問題，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(tǒng)風(fēng)量、風(fēng)壓變化等都會引起風(fēng)機(jī)特性曲線的變化，因此應(yīng)考慮一定的安全容量，確保實際工作點不會太靠近不穩(wěn)區(qū)極限，以避免發(fā)生搶風(fēng)喘振事故。在一次風(fēng)系統(tǒng)中采用“調(diào)速－比例調(diào)門法”比較適合電廠安全和節(jié)能需要。

變頻協(xié)調(diào)控制單元將變頻節(jié)能與防喘振協(xié)調(diào)控制，根據(jù)一次風(fēng)系統(tǒng)的要求，風(fēng)機(jī)流量波動時維持出口壓力在某一定值范圍內(nèi)，因此取出口壓力Ｐ1，送入變頻節(jié)能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協(xié)調(diào)控制器，高壓變頻器，電動機(jī)和風(fēng)機(jī)構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過不斷地參與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動調(diào)整，來達(dá)到穩(wěn)定出口壓力的目的。

圖6：典型的安全操作曲線圖

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

3.一次風(fēng)機(jī)RB時，一次風(fēng)機(jī)變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作防范

一次風(fēng)系統(tǒng)變頻運(yùn)行時，單側(cè)一次風(fēng)機(jī)變頻器故障不能連續(xù)運(yùn)行時，會觸發(fā)機(jī)組RB功能動作。系統(tǒng)處理不當(dāng)或反應(yīng)不及時，就會最終引起機(jī)組跳閘。結(jié)合鍋爐一次風(fēng)機(jī)RB分析，主要會導(dǎo)致一次風(fēng)機(jī)變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作有以下方面的原因：

3.1次風(fēng)機(jī)RB工況初期，系統(tǒng)通風(fēng)量過大，在單點壓力情況下，流量超標(biāo)引起變頻器過負(fù)荷。

3.2一次風(fēng)機(jī)RB工況初期，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離高效點，運(yùn)行效率極低。

3.3一次風(fēng)機(jī)性能曲線陡峭，駝峰型特性明顯效率低。

為防止一次風(fēng)機(jī)變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作的措施如下：

（1）一次風(fēng)變頻器的設(shè)計過程中提供負(fù)荷限制功能，防止變頻器過負(fù)荷保護(hù)動作跳閘。

（2）優(yōu)化RB時一次風(fēng)系統(tǒng)邏輯。

四、結(jié)束語

通過變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在鍋爐一次風(fēng)系統(tǒng)變頻改造應(yīng)用中的研究，充分說明：在利用高壓變頻進(jìn)行節(jié)能改造的過程中，著重研究和解決高壓變頻技術(shù)應(yīng)用中帶來的問題和解決辦法，對提高系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性，降低經(jīng)濟(jì)損失，具有更為重要的意義。將變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用到各種領(lǐng)域當(dāng)中能夠顯著提高生產(chǎn)系統(tǒng)因變頻改造帶來的安全穩(wěn)定等效益，并且可以進(jìn)一步實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)，提高節(jié)能效果的目的。該項技術(shù)的研究勢必會為高壓變頻技術(shù)的廣泛應(yīng)用起到積極的推動作用。