火力发电厂锅炉风机变频器的自动化控制设计

张龙

湖南省湘电试验研究院有限公司 湖南长沙 410000

在工业发展过程中，锅炉风机应用的非常广泛，但是这一设备应用过程中存在最大的问题就是能源消耗量大锅炉，风机实际运行过程中涉及到的范围非常广泛，所消耗的能源也非常大，在大量的能耗面前，一旦发生能源供给的问题，就会直接影响企业的生产效率。目前在电力、冶金、钢铁等多个领域，锅炉风机都是其中重要的生产设备，为了能够保证锅炉风机的安全稳定运行，可以使用变频器对其稳定性进行有效的控制。

1 变频器的原理及优点

在锅炉风机中使用变频器，可以利用输出端所发出的信号对风机电压进行调整，利用相关的程序对变频器进行有效的控制，锅炉炉膛内设置了压力传感器，能够对炉内的风压进行实时监测，还可以将监测到的相关数据反馈给变频器控制系统，这样系统就能够发出指令，为变频器控制提供有效的数据支持[1]。实际应用过程中，会根据检测到的炉膛内压力信号对变频器进行信号控制，这样就能够得到风机电机的输入频率，以此来对风机的转速进行实时调节。利用变频器以后可以从以下几个方面对锅炉风机运行进行优化：首先，利用变频器能够有效节约电能。由于其自身具备良好的灵敏度，可控性以及线性度，能够对锅炉燃烧过程中的各项参数和指标进行连锁控制，例如风煤比、炉压、含氧量等等，这样就能够有效降低工作人员控制的难度，还可以有效提高控制的精确度进行自动化保护，切实提高锅炉的燃烧效率。第二，变频器还能够进行有效的线路保护。能够对过载、短路等各种异常状况进行有效的应对，使用变频调速器以后，能够有效减少启动电流，对电机进行保护，从而降低电机的损耗。第三，使用变频器能够稳定线路电压。启动电机工频时，相关的设备和器件能够得到有效的保护，防止出现跳闸故障等问题，使用无机调速，还能够有效提高风机的运行效率，减少对相关元器件产生的磨损[2]。

2 变频器的主要控制方式

2.1 V/F控制

变频器的主要控制方式就是V/F控制，也称之为电压频率控制。在实际使用过程中能够改变电压频率，对锅炉风机进行调速，同时还能够保证电动机的磁通不会出现改变，使用这样的控制方式利用开环控制，其控制性能相对较低，在低频的时候为了能够有效改变低频转距特性，还必须进行转矩补偿。此外，使用这种控制方式，静态调速和动态转距性能都不够高，因此控制曲线也会随着负载的变化出现波动，也就是说，虽然V/F控制变频器的主要控制方式，在实际应用过程中仍然出现很强的不稳定性。

2.2 矢量控制

矢量控制又称之为磁场定向控制使用，这种方式主要是根据磁场定向原理对电动机的磁通和转矩电流进行相应的控制，这样就能够对于电压和频率进行自动跟踪和调节，最终实现试验值和指定值的一致性。使用这样的控制方式，针对锅炉风机进行控制，需要对三相定子电流的幅度和相位进行实时调整，通过合适的电流适量输出来保证电动机的转距。现如今使用这样的控制方式，由于其转速响应相对较快，调速范围非常广泛，所以在控制系统中应用的比较广泛。

2.3 转差评率控制

变频器另外一种主要的控制方式就是转差评率控制，与之前介绍的两种方式不同，这是一种直接控制方式。实际应用过程中，通过对转差评率进行控制，能够改变电动机的电流以及转矩应用过程中，可以针对电动机进行转速的检测和计算，通过获得的相关数据就能够调节转差频率，然后根据电动机的转差频率和运行速度进行相应的处理，作为变频器的给定频率，对电动机进行相应的调整。与V/F控制相比，适用转差频率控制能够有效提升加减速特性和限流能力，使用这样的方式静态误差相对较小，而且还具备良好的稳定性，其应用是动态性能相对较弱[3]。

3 变频器在锅炉风机节中的应用

3.1 变频器选型

锅炉风机主要包括引风机和鼓风机两个部分，锅炉运行过程中两者需要保持持续运行，如果电机出现公差一般都会进行下调。风机在运行过程中，其电流电压和频率都相对较小，主要是由于变频器会直接控制变频调速，所以利用变频器对额定电流进行设置时，需要根据电机运行过程中产生的电流适当放大，就能够满足变频器的运行需求。选择变频器型号时，需要对其电压以及可能受到的干扰运行成本等进行全方位的考虑。确定好变频器以后，还需要进行进一步的校对，例如启动和过载电流，检验其是否能够满足锅炉风机运行的实际需求。此外，在成本方面还应该进行科学的控制，只要能够满足风机的运行需求，应尽量选择容量较低的变频器。

3.2 电气管控系统的合理设计

要想切实提高管理质量，就应该保证变频器控制是集中分布。由于火电厂的厂区面积具备一定的制约性，所以在布置变频器通风线路等多个环节时，一定要对整体的方案进行不断的完善和优化，变频器控制式的通风非常的关键。所以，需要在变频器上安装散热的装置和风道，只有这样热风才能够在风道的引导下顺利排出风量，并不会由于风道的存在而出现变化。在变压器和功率单元装置顶端也需要安装风道，同时应单独配置，不能够进行整合，风机周围的管道和风道之间间距不能够小于3厘米，在柜的顶端接入电源安装风机罩的时候，一定要给电源线留足充足的空间。风道排风口的位置应向下倾斜，这样能够起到防水的作用，在同样位置安装好钢丝网可以起到防护的作用。控制室的风口应设置成滤网形式，室内的门框需要进行密封处理，利用空调对室内空气的湿度和循环进行调整，变频器一般都会使用下进线的方式，从隧道内被完全引出。使用辅助电源时，也需要安装变频器，将其安装在引风送风和开关之间，而且也不需要拆除。既有工频回落电机和变频器之间使用高压电缆进行有效的连接，尽量使用既有电缆线，如果电机还需要移动，需要提前预留好电缆余量。

3.3 风机控制系统设计

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。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。

本次改造过程中，在原有的炉膛压力逻辑控制基础上，新增加了一套独立变频控制逻辑，两套逻辑控制并不会同时投入，也能够有效防止出现调节冲突，可以进一步加大引风机导叶的最大开度[4]。进行空载特性试验、控制特性试验以及导液控制特性试验时，全面收集引风机工作时的运行参数，为变频系统运行时炉膛压力的控制提供了充足的依据。DCS系统另外设置了变频转定频，定频转变频以及导叶活动操作等三个自动化的程序，能够有效降低工作人员的操作量，还能够有效防止人为因素带来的风险。其主要包括：第一，定频与变频切换。风机控制系统进行变频运行时，由于特殊的原因，可能会将变频器暂时转变为定频运行进行导叶的控制，该程序启动以后，控制器就会自动调节炉膛负压，并且根据一定的速率输出控制命令，关小入口导叶提高频率，直到预定的条件以后再切换为定频控制。定频运行过程中，如果需要切换回变频，会根据一定的输出速度进行控制，降低变频频率、关大导叶开度，然后直到设置的条件以后，可以切换为变频控制。第二，导叶活动测试。一般来说，引风机需要保持变频运行状态，入口导叶的位置其最适合的开度为85%，为了防止其长时间不动作导致卡涩，DCS的逻辑控制，还专门设置了导叶活动程序，一般会由值班人员进行定期操作，导叶活动测试在机组负荷370MW时进行，程序会以一定的速率自动关小导叶的开度，最低关至25%，然后恢复其原有的开度，这样就能够对导叶进行大幅度的动作，保证导叶轴承和关节的灵活性[5]。

3.4 转速的调节

风机运行过程中，需要根据锅炉运行的实际需求改变风机的供电频率，对风机进行调速，在实际调速过程中，不论是从低速到高速还是从高速到低速，都应该保持较小的转差率，这样才能够进行自动控制和无级调速。在锅炉风机中使用变频技术，能够保证整个燃烧过程更加的自动化，有效降低挡板和调节阀的磨损程度和卡死故障率，降低工作人员的劳动强度，节约维修时间，还能够有效提高火电产能运行效率，同时还具备过载、过流、过压、欠压等自我保护功能，能够有效降低风机的能源消耗，切实提高资源的利用率，为火电厂带来更大的经济效益和社会效益。

4 变频器改造的安全性

针对变频器进行改造主要是应用在锅炉离心风机和静叶可调风机上，随着锅炉自身容量的不断增加，锅炉风机的容量也在不断的扩大，尺寸逐渐加大，轴系变长，而风机固有的频率逐渐降低。进行变频改造以后，经常会出现共振的问题导致锅炉风机出现损坏，共振的特点主要有以下几个方面：第一，叶片共振。一旦出现叶片共振现象，其根部就会出现裂纹，共振严重的时候还会导致叶片出现断裂，一般来说，在共振时风机共振相对较大。第二，轴承径向共振。其主要表现为风机水平向振动相对较大，与径向振动有关的因素主要包括风机、轴系支撑，在这个过程中可以降低轴承径向间隙，适当调节轴向预紧球轴承等方法，预防共振现象的出现。第三，轴系扭转共振。当轴隙和轴转速固有频率倍数相同时，就会出现扭转共振。一旦发生扭转共振，径向振动就会伴随轻微的改变，进行变频改造以前，需要通过对轴系固有便利进行严格的计算，明确是否会出现扭转共振的现象，在运行过程中就应该避开共振区运行。对锅炉分析进行变频改造以后，通过对风机的节能性和安全性进行综合的分析，对管路特性、工作效率进行认真的研究，可以得到变频改造的节能性，对轴系支撑和固有频率进行相应的分析，能够保证变频改造的安全性。

5 结语

综上所述，火电厂锅炉风机运行过程中，使用变频器能够真正实现锅炉运行的自动化控制，保证电机调速更加的精准，确保火电厂生产过程进行自动化管理，能够有效提高运行效率，还能够真正实现能源的节约利用。也就是说，目前火电厂锅炉风机运行过程中，辅助机械的速度调整是未来的主要发展方向。但是，就目前的实际状况来看，仍然存在很多的问题，如何使设备和系统真正实现有效的融合，依然是相关行业研究人员需要重点探讨的问题。