轴流风机动叶片角度控制方式的研究与应用

国家能源集团锦界能源有限责任公司 张 军

风机是一种把机械能转变为流体的势能和动能的动力设备。在火力发电厂中，风机是锅炉的重要辅机之一，担负着连续不断地供给燃料燃烧所需要的空气，并把燃烧生成的烟气及飞灰排出炉外的任务，同时克服空气流经各个部件和烟气流经各个受热面的流动阻力。大型火力发电厂锅炉通风大部分采用的是动叶可调的轴流风机，动叶可调的轴流风机是通过叶片角度的调节来适应风量、风压的变化。每一个叶片角度对应一条性能曲线，叶片角度的变化几乎和风量呈线性关系。这种调节的效率高，经济性和安全性较好。国内火力发电厂安装的动叶可调的轴流风机主要有成都电力机械厂，上海鼓风机厂及丹麦豪顿华生产的不同型号的轴流风机。

1 电动执行器控制方式的原理及传动机构

1.1 电动执行器控制方式的工作原理

目前，大多数大型火力发电厂轴流风机的动叶片调节系统由电动执行器驱动。电动执行器是由带变频的电子单元控制电机，电机通过涡杆驱动输出轴及减速齿轮箱。信号齿轮单元驱动轴将涡杆的转动传递到信号齿轮单元。经信号齿轮单元将行程及转圈数降低后传递到电位器或非侵入式位置编码器，编码器计算转动的圈数并将位置记录在一次旋转内。电子单元通过电位器或位置编码器的位置来识别输出轴的位置，进而识别被控伺服阀的位置。

电动执行器通过机械传动机构控制液压缸的伺服阀，改变伺服阀的油路方向，压力油进入液压缸活塞的两侧，实现液压缸活塞的前进和后退。再通过动叶调整机构将液压缸活塞的直线运动转化为叶片的转动，最终实现叶片角度的调节。

标定后的电动执行器，4～20mA 信号分别与叶片开度对应，即：4mA=0%，20mA=100%，电动执行器按输入的电信号调节叶片角度来控制风机性能。

图1 电动执执行器控制方式的原理图

1.2 典型电动执行器的传动机构

电动执行器与伺服阀的机械连接机构各厂各有不同。上海风机是电动执行器通过柱销联轴器与调节轴连接，调节轴通过膜片联轴器与伺服阀后的齿轮（或拨叉）连接，驱动伺服阀芯移动。豪顿华风机电机执行器是通过连杆与扭矩调节臂连接，通过摩擦盘带动调节轴，调节轴带动平衡块和曲柄，再带动拉杆、拉叉与旋转油封连接，旋转油封带动伺服阀移动。成都风机的电动执行器与伺服阀的连接方式与豪顿华的类似。也是通过连杆和调节轴连接伺服阀，只是少了力矩保护装置。

2 电动执行器控制方式的特点

2.1 优点

使用时间长，覆盖面广，结构简单，用户对此结构比较熟悉；电动执行器有自己的内部控制回路。电厂的控制系统一般都是基于电动执行器设计的。

2.2 缺点

一是电动执行器的传动机构连接件多，转动部分多，故障率高；二是电动执行器存在调整误差或延迟；机械连杆机构存在动作滞后，滞后约为风机整个调节运行的1.5%；最大时误差可达5%[1]；三是电动执行器无冗余设计，故障意味着整个叶片调整系统的失效，更换电动执行器后，需要现场重新标定开度；四是伺服阀由于阀芯与阀体间总有间隙，理论上总有泄漏，液压油切断后叶片角度无法锁死。

3 比例阀+位置传感器控制动叶片方式的工作原理及流程

近年来，比例阀+位置传感器控制（以下简称“比例阀控制”）轴流风机动叶片角度的方式，在一些新建电厂的风机上推广和使用。

3.1 比例阀的控制原理

DCS 给定一个叶片位置信号，该信号与位置传感器反馈的叶片实际位置信号进行对比，通过DCS 的PID 控制单元转换为比例阀的控制信号（4～20mA），控制比例阀的开（关）。在开（关）过程中，风机油缸伺服端的叶片位置传感器接收叶片位置的信号（4～20mA），该信号送回DCS，与设定的叶片位置信号比较，决定比例阀的进一步动作，直到达到设定的叶片位置，完成叶片角度的调节。

图2 比例阀控制原理图

3.2 比例阀的工作流程

早期的比例阀采用单比例阀，依靠阀芯在阀孔中处于不同位置，便可以使一些油路接通，一些油路关闭，阀芯的移动依靠电磁线圈产生的磁力。比例阀输入电源为24V，控制信号为通过DCS 的PID 控制单元输入的4～20mA 的标准信号，以及DCS 输入的电源释放信号。其中，4～12mA 对应调节系统的关方向，越接近4mA 关的速度越快；12～20mA 对应调节系统的开方向，越接近20mA开的速度越快。

现在风机动叶片控制系统的比例阀采用双比例阀（一用一备），如图3所示。相比单比例阀的控制系统，双比例阀的可靠性和安全性又全面提升。

图3 双比例阀的工作流程

3.3 比例阀的典型结构

比例阀典型结构如图4所示。上部为电磁比例先导阀，下部为液动比例阀的主阀。先导阀用以改变控制压力油流的方向，从而改变主阀的工作位置。主阀可视为先导阀的“负载”，主阀用来更换主油路压力油流的方向，从而改变执行元件的运动方向[2]。风机油站上的比例阀是中位机能为Y 型的比例阀。

图4 典型三位四通电液动比例阀结构图

3.4 位置传感器

安装在风机的液压装置上，反馈动叶片的精确位置，数量为两只，一用一备（总共配置6支位置传感器；每一套控制系统信号都满足三取二）。每支传感器输出两个4～20mA 的位置信号（信号冗余），输入电源24V，传感器采用6芯线连接。

3.5 动叶闭锁结构原理

液压缸前端安装有一个旋转接头，旋转接头内部有液控单向阀，如图5所示。当B 侧油腔进油时，A 侧油腔的油流回油箱，液压缸活塞向左移动，风机动叶向开的方向移动；当A 侧油腔进油时，旋转接头内部控制油路打开B 侧单向阀，B 侧油腔的油经打开的单向阀流回油箱，液压缸活塞向右移动，动叶向关的方向移动。风机动叶片在关状态时离心力最大，即风机叶片始终会有一个向关方向的一个关闭力。

图5 液控单向阀工作原理图

当A、B 侧都断油时，风机动叶片因为离心力的作用会向关的方向移动，即液压缸活塞会向右移动，此时，液压缸B 侧油腔因为单向阀的作用，无法回油，B 侧油腔会保持原有的油压，与风机动叶关闭力保持平衡，风机动叶将不会动作。试验得出，当压力油失去后，在1周的时间内，液压缸体的移动量只有总移动量的0.23%，完全可以忽略不计。动叶完全闭锁，安全性和可靠性好。

4 比例阀控制方式的特点

4.1 优点

一是叶片保位功能。采用比例阀控制的叶片调节系统，在油系统出现故障情况下可以对叶片位置进行锁定，让风机保持开度不变继续运行。电动执行器控制叶片角度的调节系统液压系统无法保压，油路出现故障后，叶片开度不受控制，会自行关闭，必须停机处理。比例阀出口还有节流阀和电磁阀，关闭节流阀和电磁阀也可隔绝液压缸的回油，保持动叶开度不变。

二是调节系统冗余配置。比例阀和位置传感器可采取冗余配置，一用一备，故障情况下自动切换，进一步提高液压调节系统的安全性。而传统（执行器+伺服阀）都是单一配置，一旦出现故障必须停机处理。

三是故障源变少。常规电动执行器调节机构机械部件多。比例阀调节系统全部取消这些机械装置，大大减少了故障源。

四是更高的调节精度。相比于电动执行器式的机械调节，比例阀调节可以实现更高的调节精度。

五是更换方便。比例阀在风机本体外，可在不停机状态下进行更换。同时，更换比例阀不需要停机标定开关位置。

六是精确的叶片位置反馈。比例阀调节系统采用的磁致伸缩位置传感器直接安装在旋转组件上，能精确反映叶片的实际位置。

4.2 缺点

一是比例阀对油质的要求相对较高。一般要求液压油颗粒度小于7级。另外液压油箱要和润滑油站分开，防止润滑油污染液压油，也可在比例阀前增加过滤器，提高油质。二是比例阀，位置传感器及信号电缆均为进口产品，采购周期长。

5 比例阀控制动叶片方式的实际应用

一是宁东电厂是较早使用比例阀控制风机动叶片的电厂。宁东电厂二期2×660MW 超超临界燃煤机组，2017年年底投产运行，引、送、一次风机动叶片的调节均采用单比例阀控制，运行中曾发生过比例阀卡涩的问题，因为风机液压缸有闭锁功能，检修更换比例阀，只需要停运油站，无须停运风机，验证了风机动叶片闭锁功能的可靠性。二是锦界电厂在三期2×660MW 扩建工程中，引、送、一次风机采用了双比例阀控制动叶片的方式，自2020年投产以来，未发生过任何问题。三是府谷电厂二期2×660MW 扩建工程中，引、送、一次风机也采用了双比例阀控制动叶片开度的方式，为了保证比例阀的油质，在比例阀的前部又加装了过滤器。四是惠州热电，宁海电厂，太仓电厂等很多电厂也已经对部分风机进行了比例阀的改造，反响都很好。

电动执行器控制轴流风机动叶片角度的方式已发展了很多年，传统的轴流风机都在使用这种控制方式，大家对此都比较熟悉。近年来，比例阀控制动叶片角度的方式也逐步在新建电厂中推广，一些老电厂也在对风机动叶片的控制方式进行比例阀改造。从使用这种控制方式的实际情况来看，比例阀控制方式机械结构少、故障率低。关键是有冗余设计，比例阀、传感器都有备用，动叶片还有自锁功能，风机因为动叶片控制部分故障造成停机的风险大大降低。比例阀控制是自动化控制发展的趋势，也是自动化控制发展的一个方向，比例阀控制轴流风机动叶片角度的方式会越来越多地运用于电力生产。