火电机组引风机变频节能分析及控制优化

火电机组引风机变频节能分析及控制优化

李强

华电新疆五彩湾北一发电有限公司

摘要：大量风能、太阳能等绿色清洁能源接入电力系统，对提高火电机组的灵活性和调峰运行提出了更高的要求。但在低负荷调峰运行期间，火电机组发电效率显著降低，供电煤耗率显著增加，其中约30%是由于低负荷下厂用电率增加所致。实践证明，火电机组大型辅机采用变频运行方式是降低厂用电消耗和厂用电率的有效手段。引风机是电站锅炉的重要辅助设备之一。用于吸收锅炉燃烧产生的烟气和过剩空气，形成并保持炉膛负压，防止火焰窜流和烟气泄漏。这对锅炉燃烧的稳定性和安全运行至关重要。同时，引风机也是电站辅助设备中的一大耗能设备，其耗电量约占厂用电的20%。引风机与增风机组合的机组，其电耗比例较高。但在实际工程应用中，由于考虑变频器的可靠性、变频运行后引风机设备的适应性以及变频方式下炉膛负压的可控性，引风机采用变频控制比例低。因此，研究引风机变频运行控制技术，在保证火电机组安全运行的前提下，降低引风机的电耗和厂用电率是十分必要的，从而提高机组宽负荷运行的经济性，实现节能减排。

关键词：火电机组；引风机；变频节能；控制优化

一次能源是不可再生的国家资源，节约是国家的基本国策，节能减耗是国家的长远方针，例如某电业有限公司的电厂（装机容量7×600MW）作为全国“百家重点用能单位”，为完成2020年年度供电煤耗节能考核目标，前期通过对耗能设备数据资料收集，分析了风机类设备调速的基本原理,最终确定对引风机设备进行变频改造，然后引风机采用离心式，以入口导叶开度来控制炉膛负压，节流损耗大，效率低、电耗高，是节能改造的关键环节。

1引风机变频运行节能原理

根据流体力学的基本原理，对于电动机驱动的引风机负载，轴功率P与烟气流量Q,扬程H的关系如下式所示：

 (1)

当电动机的转速由n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下：

 (2)

(3)

(4)

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，扬程H和转速的平方成正比关系，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。

另外，从引风机的运行曲线变化来分析变频运行后的节能效果也非常直观。当机组负荷降低，烟气量从Q1减小到Q2时，如果采用静叶节流(或动叶关小)的办法，烟道阻力将会增加，烟道阻力特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用变频调速控制方式，引风机转速由n1下降到n2,其烟道特性并不发生改变，但引风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Δ(P)与(H2-HB)×Q2的面积成正比。当然实际情况还要考虑减速后引风机效率下降，以及变频装置的附加损耗等因素。

2火电机组引风机变频节能控制优化

2.1引风机变频控制逻辑

为使引风机变频改造符合电厂制程及操作习惯，运行部专业人员编写了引风机变频控制逻辑，经与某热工院详细检讨修订后，再由技术人员写入机组DCS，确保引风机变频器的可靠控制。改造后功能上实现旁路/变频一键启停，同时保留引风机原来的启停方式，确保工频、变频均可正常操作，简化值班员操作流程，人员操作性和适应性良好。

2.2变频控制逻辑

本次改造在原有炉膛压力导叶控制逻辑基础上，新增一套独立的变频控制逻辑，两套逻辑不同时投入控制，避免调节冲突；并进行了引风机导叶最大开度、工频运行导叶控制特性试验、变频器空载特性试验、变频运行导叶控制特性试验等全面采集引风机工况参数，为变频运行时炉膛压力控制提供依据。

进行了引风机导叶最大开度测试、引风机工频运行导叶控制特性试验、引风机变频器空载特性试验、引风机变频运行导叶控制特性试验等全面采集引风机工况参数，为变频运行时炉膛压力控制提供逻辑改造依据进行了引风机导叶最大开度测试、引风机工频运行导叶控制特性试验、引风机变频器空载特性试验、引风机变频运行导叶控制特性试验等全面采集引风机工况参数，为变频运行时炉膛压力控制提供逻辑改造依据旁路运行时，炉膛负压维持原有导叶控制。机组启动初期，变频器维持最小频率15Hz运行，炉膛负压初始由导叶控制，随着锅炉负荷增加，导叶开度接近上限，炉膛负压即可切至变频控制。

2.3自动程序

除正常运行控制逻辑，DCS另外设置运行中“变频转定频”、“定频转变频”及“导叶活动操作”三个自动程序，以减小运行人员日常操作工作量及避免人为操作所带来的潜在风险，主要有：(1)变频与定频切换操作：变频运行时，因特殊工况原因可能需要将变频器暂时改为定频运行导叶控制模式，启动该程序按钮后，控制器自动调节炉膛负压，并按照一定速率输出导叶控制指令，关小入口导叶、提升频率至预设条件后可切为定频控制。定频运行需切回变频时，程序将按照一定速率输出频率控制指令，降低变频频率、关大入口导叶至预设条件后可切为变频控制。(2)导叶活动测试：正常情况下，引风机保持变频运行，入口导叶位置置于推荐开度85%，为防止导叶长期不动作导致卡涩，DCS控制逻辑中专门设置“导叶活动操作”程序，由值班员定期执行操作。导叶活动测试在机组负荷370MW时进行,程序自动以一定速率关小动作侧入口导叶开度，最低关至25%并逐渐恢复原开度，以此进行导叶的大幅度动作，保证导叶轴承、关节的活动性。

2.4引风机变频控制冷态模拟试验

冷态模拟试验时，在锅炉未投入燃料的冷态方式下，启动送、引风机，必要时也需开启一次风机，以增加引风机工作负荷。首先在合适的送风量下，进行炉膛负压设定值和送风量扰动试验，设置和优化负压控制PID参数及相关前馈系数。然后人工停运一台送风机或引风机，模拟触发送风机或引风机RB,观察变频控制及炉膛负压波动情况，调整控制策略，优化控制参数。

按照上述方法完成冷态模拟试验后，即使未做热态风机RB试验，也可认为已经验证了机组风烟系统具备送、引风机RB控制功能。机组进行引风机变频改造后，只是完成冷态模拟试验、未做热态RB试验后的RB实动曲线，机组实际运行中发生了引风机B变频故障，引风机B跳闸而触发引风机RB。

当时机组负荷接近额定负荷，引风机B变频故障跳闸后，引风机A变频指令从42.8Hz快速升高到50Hz,炉膛负压先升高，最高至1235Pa,后下降，最低至-917Pa,之后恢复平稳。

总体来看，炉膛负压的变化基本正常，控制品质达到预期效果，实际RB动作效果进一步验证了冷态模拟试验方法的有效性。

结论

引风机是火电机组辅助设备中的一大用电设备，其用电量约占辅助用电的20%。变频运行是降低引风机电耗和厂用电率的有效途径。静叶可调引风机变频运行节能效果显著，动叶可调引风机变频运行也可进一步节能。静叶变频模式的节电效果优于动叶工频模式。在火电机组柔性控制和深度调峰的新形势下，低负荷运行经济性差的矛盾日益突出。引风机变频运行控制技术可以在保证设备安全可靠运行的前提下实现火电机组的经济运行、节能减排，有很大的应用和推广空间。

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