望亭发电厂一次风机变频控制系统改造

包晓军

(上海华电闵行能源有限公司，上海 201108)

0 引言

在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，这些设备均长期连续运行并常常处于变负荷运行状态，节能潜力巨大。因此，发电厂辅机的经济运行，直接关系到厂用电率的高低。降低发电成本和节能降耗已成为发电厂努力追求的经济目标。

目前，我国电厂锅炉风机(特别是一次风机)在运行中普遍存在耗能高的问题。全国范围内已有多家电厂在已建机组和新建机组离心式一次风机上应用变频调速器。风机变速调节后，风机耗功降低、运行效率提高、厂用电率降低，节能效果显著。但有些改造项目却出现了新的问题:如在并列运行的风机负荷不平衡时发生“抢风”现象;一次风机变频器过负荷保护动作进而导致锅炉主燃料跳闸MFT(Main Fuel Trip)动作，严重影响了风机及锅炉的安全、经济运行。在一次风机变频改造设计时，应充分考虑2台“抢风”、一次风机变频器故障等一系列安全问题。

1 望亭发电厂一次风机设备概况

望亭发电厂#14机组额定容量均为330MW，分别配有2台单吸入悬臂离心式一次风机，一次风机及电动机技术参数分别见表1和表2。

表1 一次风机技术参数

表2 一次风机电动机技术参数

#14机组制粉系统包括2台正压、直吹、离心式一次风机和5台HP型中速磨煤机。2台一次风机均用6 kV、1560 kW定速电动机驱动运行，在正常运行时靠调节静叶挡板开度来调整一次风量，以适应锅炉负荷变化。由于当初选型时风量裕量和压力裕量都比较大，改造前机组满负荷运行时，一次风机电流约82．8A，挡板开度在 50%，风压约 6．48 kPa，节流损失非常大，因此，考虑对一次风机进行变频改造。

一次风机变频运行方式:“一拖一”配置，采用单套变频器带1台一次风机电动机的方案。系统原理图如图1所示，图1中虚线框所示的设备由国电南京自动化股份有限公司供货。

刀闸 QS1，QS2，QS3安装在 1 个刀闸柜内，QS2，QS3为双掷刀闸，QS2和QS3机械互锁，主开关与QS1，QS2和 QS3电气连锁。高压变频器型号为ASD6000S－1250。

2 一次风机变频改造中需要解决的几个问题

图1 变频调速系统及系统原理图

(1)机组安全问题。近年来，电厂送风机、引风机、一次风机等变频器故障跳闸引起机组非计划停机的情况较为频繁，而一次风机不同于凝升泵变频改造，不可能备用。因此，如何避免因变频器故障而引起机组跳闸是控制策略设计时必须考虑的问题。

(2)“抢风问题”。由于2台风机都改成变频控制，因此，每台风机的运行方式均存在变频和工频2种方式。如果2台风机转速偏差太大，势必会造成“抢风”，造成一次风压失控。因此，变频器投用后采用何种运行方式必须和运行人员取得一致意见。

(3)变频器就地可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)控制和分散控制系统DCS(Distributed Control System)控制的分界点。两者之间的信号交接、控制范围必须事先约定。尤其是一次风机的保护、连锁的设计、一次风压和变频器转速控制、报警范围和结构化布线系统SCS(Structure Cabling System)的衔接等必须全面梳理，力求控制系统的设计层次清晰、简单明了。

(4)机组快减负荷RB(Run Back)控制回路的完善。鉴于一次风机的重要性，一旦变频器故障极有可能触发RB回路。因此，必须请有关科研单位的技术人员对原有的RB回路的控制策略进行优化和完善，并进行相关试验。

(5)闸刀是否改造，是否必须做到工频、变频的自动切换，这一点至关重要，投资前要进行必要性论证。存在的问题是:所有的闸刀更换投资较大;控制回路设计复杂和工频变频切换存在风险，在切换过程中，很有可能存在偏差造成其中1台变频器过流造成MFT。

3 一次风机变频自动控制策略的设计方案

针对以上问题，通过对江苏省内多家使用一次风机变频器电厂的调研，根据望亭发电厂#14机组实际情况，采用如下控制策略:保留就地旁路闸刀形式不变，变频器重故障直接跳一次风机，由DCS触发RB自动程序;DCS保留一次风机工频调节回路，增加变频调节回路，DCS实现风压闭环，就地PLC实现变频器转速闭环。具体如下:

(1)系统的基本操作功能描述。在正常变频启动时，首先将刀闸切换到变频位置，由DCS发启动指令给断路器至合闸，变频器充电自检通过后，变频器自动启动。在正常变频停机时，由DCS发停机指令给变频器，变频器停机后，发变频器停止信号，同时，变频器发指令给断路器至分闸。在变频运行时，若发生变频器故障或电动机故障，由变频器停机后发指令给断路器至分闸。DCS实现变频器的开/闭环运行选择，DCS接收变频器的内置信号转换4～20mA模拟电流输出信号进行监视。在开环状态下，操作员通过DCS直接给变频器4～20mA(对应0～50Hz)模拟电流输出信号控制电动机转速。在闭环状态下，DCS根据反馈给定变频器4～20mA模拟量输出信号控制电动机转速。变频器依据该模拟量运算输出运行频率并在内部实现平衡。在设计时，4～20mA模拟电流输出信号对应0～50 Hz。变频器具有最低转速限制，保证机组最低负荷运行要求，当模拟量信号发生故障时变频器输出保持不变。

(2)DCS原有的关于一次风机的主开关的顺序控制功能保留不变，连锁一次风机出口挡板门功能不变。DCS增加一次风机母管压力的变频自动控制回路，变频器投入使用时，一次风机静叶开足。原有工频方式下的一次风机静叶自动控制回路保持不变，2套自动回路由运行根据运行工况进行人工切换。增加一次风机母管压力测点，DCS中按三取平均值计算。一次风压自动控制原理图如图2所示。

图2 一次风压自动控制原理图

一次风机的控制回路有:2台工频调节方式、2台变频调节方式、A工频B变频方式和A变频B工频方式。

(3)一次风机运行方式。一次风机一般不宜工频和变频并列运行，以防止2台一次风机抢风。若工频和变频风机必须并列运行，应将变频一次风机转速投入自动控制，工频一次风机入口静叶控制切手动控制，维持工频一次风机出口风压和变频一次风机出口风压相近。

(4)一旦一次风机变频器故障，DCS将对侧变频器转速开到最大并切到手动方式定速运行;同时由就地变频器直接跳一次风机主开关，从而再触发RB。

(5)一次风机RB功能完善。由于一次风机跳闸极易造成机组MFT，因此，必须完善一次风机RB的逻辑。根据电力科学研究院提供的RB逻辑方案，由于机组锅炉通常存在较大的热惯性，按常规设计自动控制减煤时锅炉热负荷短时间内下降不足，因此，可改原有自动调节为动、静结合控制，动态时快速跳磨，静态后转为自动控制。其中，一次风机RB时，考虑到风压瞬间下降过快，可适当缩短跳磨间隔至5 s。所以，送风机、引风机、一次风机等需要采用必要的超驰控制和前馈控制。给水自动可以采取适当的控制策略，以避免虚假水位对自动的影响，防止最后汽包高水位停炉。

4 变频器及相关试验

4．1 变频器试验

在DCS上启动一次风机14A(B)，连续运行30 min，变频启动前先确认风门挡板(或风机导叶)在全关的位置，确保电动机无负载启动。高压上电后，等有了变频器“启动允许”信号后(合断路器后30 s)，启动变频器到起始转速，然后，再逐步打开风门挡板(或风机导叶)。其过程和第1台风机执行同样的启动过程，启动第2台风机到起始转速后逐步打开风门挡板(或风机导叶)。同步给2台风机加(减)转速，加速过程中调节2台一次风机出力基本相当，风机转速达到机组运行要求后，由DCS切入自动，实现DCS自动调节风机转速。在变频停机时，把需停机的风机风门挡板(或风机导叶)打到0(即全关)的位置，降低变频器给定频率到起始转速，待变频器频率稳定后停机，风机转速会逐步下降，运行信号消失后断开上级断路器。开1台变频器到起始频率，把风门挡板开到最大，慢慢升频率，看输出电流，当超过额定时，调小风门直到运行到50Hz时，变频器还没有过载，这时的风门开度为正常工作时的最大开度。首先，根据风机特性设定一个初设转速。设定初设转速后，启动风机，保持所有磨煤机入口挡板全关，然后逐步开风机入口挡板，如果风机入口挡板全开后超过压力设定值，则初设转速就是最低转速。如果风机入口挡板全开后达不到压力设定值(考虑漏风和风道阻力)，就提高转速且升压力，等出口压力和压力定值相等后，其对应的转速就可以设为最低转速。需要对2台风机进行试验，2台风机设定的最低转速应一致。

4．2 一次风机RB试验

对切换进行试验，一方面检验切换功能，另一方面记录通过切换时的压力变化情况，调整相应的参数，以保证一次风压控制在切换时仍能正常工作。试验方法:开启5台磨煤机的出入口挡板，设定机组负荷为550MW，开启送、引风机，达到条件后变频开启一次风机，将2台风机开到大约50%负荷，出口压力设为11．5 kPa后投入自动，当压力平稳后，手动将1台风机切为工频运行，观察2台风机动作情况是否符合原始逻辑设计。

4．3 一次风压扰动试验

用于确定变频自动的比例，积分，微分PID(Proportion，Intetal，Derivative)参数，在变频器投入自动后，通过加一次风风压力的阶跃扰动，观察一次风压的控制曲线，相应调整PID参数，以达到最优自调品质之目的。

5 投用效果及存在的问题

一次风机变频器改造前、后技术参数对比见表3。

表3 一次风机变频器改造前、后技术参数比

电厂一次风机变频改造已经4个月之久，从表3一次风机改变频前、后相关数据对比可以看出，改造对降低厂用电率起到了积极的作用，节能效果明显。在此期间，曾因为变频器本身的问题发生变频到工频的切换，在这些切换过程中，由于变频控制系统的设计合理及良好的调节品质，保障了机组的运行安全。

目前主要存在的问题是由于电厂煤种变化大，磨煤机冷热风调整频繁，造成一次风压力变化过大，对一次风压力自动的投入带来一定的影响。因此，可通过间接调节空气预热器出口风压来控制一次风压。此外，在一次风机RB试验过程中，B一次风机在开至上限过程中超电流(134 A)，逻辑限制动作，输出反跟踪当前转速92%(1 306 r/min);后运行人员又手动缓慢增加至95%(1 426 r/min)，此时风机电流为138A。变频器厂家采取了限制电流输出上限的措施来解决电流超限的问题。