火电厂锅炉风机变频器改造与自动化控制设计

王旭星

（国能民权热电有限公司，河南商丘 476821）

0 引言

火电厂的风机是锅炉输送燃料、氧气和排烟的动力源，是火电厂中不可或缺的设施。风机的耗电量约占电厂用电总量的30%，能耗较高，在绿色环保的社会经济发展理念下，需采取节能降耗措施。本文从风机变频器改造和自动化控制设计两个角度进行分析，并验证改造措施的可行性[1]。

1 项目背景

某火电厂装机容量550 MW，一期、二期分别采用125 MW、137.5 MW 燃煤机组，均为2 台。4#锅炉燃烧系统内置送风机和引风机各2 台，甲、乙送风机及乙引风机为单速电机带液偶调节，根据节能降耗的项目要求，仅保留甲引风机的液偶调节，其他均改造为变频器调节机制，适配无谐波高压变频器。原来的分散控制系统（DCS）自动调节锅炉风量和炉膛压力，两台送风机和乙侧引风机的变频器满足工况要求[2-3]。

2 风机变频器改造方案

2.1 电气控制系统

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（图1）。实际应用过程中，变频器系统会根据检测到的炉膛内压力信号对变频器进行控制，得到风机电机的输入频率，对风机的转速进行实时调节。变频器设置在400 V 开关室内，一次整体规划布置。为变频器柜加装通风散热风道，改善变频器小室的通风散热条件，要求风量保持稳定，不由于外加风道而导致风量异常降低。风道四周与风机四周的距离至少为30 cm，风机罩不得覆盖电源进线。风道出口增设铁丝网，防止异物进入，并设防尘吸入临时盖板固定孔；风道出口向下倾斜，避免风道积水。小室的进风口带滤网，密封门窗。变频器总发热量按每台20 kW 计算，适配空调机用于降低小室温度。

图1 变频器系统结构

变频器的下进线由电缆隧道引出，在引风机、送风机电机与开关间配套变频装置，利用原厂用电6 kV辅机电源开关，保留原工频回路做旁路。通过高压动力电缆连接变频器与开关室、变频器与电机，发挥既有电缆的利用价值，减少线缆敷设工作量。在前移电机之前，应考虑原高压电缆余量。

双路电源切换，一期从1#、2#机400 V 厂用电各引一路电源，二期从3#、4#机400 V 厂用电各引一路电源，满足小室空调、变频器低压控制装置、通风设施等的用电需求。6 kV 电源经变频装置输入刀闸至高压变频装置，经旁路刀闸启动电机，变频输出装置经出线刀闸送至电机。

2.2 逻辑控制系统

DCS 集中控制变频器，变频电机各项运行参数均由DCS 自动控制。改造后，取消液偶勺管的操作控制，保留电机开关的控制操作，增加变频器的操作控制，提供就地控制和远程控制两种模式，供员工视实际工作条件灵活选择：就地控制模式下，员工实地操作，对变频器远方操作无效；远程控制模式下，DCS 输出的转速命令信号跟踪变频器转速反馈。变频器受DCS 控制时，提供手动、自动两种操作方式。

改造设计中，调节变频器控制的送、引风机启动条件，改为对应变频器控制信号、隔离开关位置的综合判断信号，取消“液偶开度小于10%”的条件。

2.3 电机与风机连接方案

根据既有装置运行现状，初步提出两种方案，做对比分析与选择：

方案1：电机前移，用联轴器连接电机和风机轴。在停炉后拆除液力耦合器和附属油水管路，在液偶和电机的基础钻4 个深800～1000 mm、孔径超过100 mm 的孔，以便电机的前移和安装。在新电机处凿毛，清理杂物，重新安装电机，二次灌浆处理。新配一只半联轴器，或改造原联轴器。成本方面，每台电机的土建、安装费用约5000 元，4 个钻孔的费用约5000 元，合计10 000元。此改造方案的优势在于提升装置的可靠性，创设便捷的日常运行维护条件，但工期较长。

方案2：电机与风机轴采用过渡轴及联轴器直连，电机的位置不做改动。在停炉后拆除液力耦合器和附属油水管路，在装置基础上方设过渡轴，电机与风机轴稳定连接。此方案的优势在于施工效率高，风机停运1 d 时间内便可完成各项改造工作；不足之处在于操作难度大、精度高。例如，过渡轴及1 对联轴器的重量超过300 kg，对重物找中心时难度较大，且过渡轴的位置可能在风机停运后发生变化，致使轴的中心偏离正常位置，严重时导致联轴器销子受损。成本方面，中间过渡轴的费用约为1 万元，且由于新增联轴器导致传动效率降低，装置运行可靠性变差，故障发生率高。

两项方案的成本基本相同，但方案1 的安全性良好、装置运行可靠，因此选择方案1，即通过联轴器直联前移的电机和风机轴。此方案的注意事项为：

（1）按15 d 土建及安装改造工期进行设计，保障安全，提高质量，缩短时间。

（2）送/引风机电机改造时，虽然需考虑甲、乙两侧，但两部分的结构一致。

（3）根据各风机轴功率确定联轴器的型号，条件允许时尽可能采用原风机侧的半联轴器，提高既有资源的利用价值；改造原液偶输出轴的半联轴器时，可以采取重新加工配对或优化轴孔的方法。键与键槽的尺寸各异，需精准控制各自的长度、深度和高度，并考虑新旧国标的具体标准，做好协调。配对加工弹性柱销齿式联轴器的齿孔，应严格控制加工尺寸。

3 自动化控制设计

3.1 送风自动调节系统

送风调节系统负责供风，以满足炉膛内燃料燃烧对风量的要求，控制机理是由调节系统控制送风机变频器指令，从而调节风机转速，最终进入炉内的风量将由于转速的变化而发生改变，使燃料经济燃烧，减少不必要的送风机电力资源消耗。

进入炉内风量变化到锅炉尾部氧量信号的反映需耗费一段时间，且此过程具有动态变化的特性。为此采用双支氧化锆测量氧量信号，再根据测量结果采取补偿措施，提供适宜的氧量。甲、乙侧氧量偏差大、氧量变送器发生故障、氧量调节器入口偏差较大时，均调整为手动控制模式，由专员以装置实际运行状态为准，用软手操增减氧量定值，尽快恢复正常运行状态。

根据经烟气含氧量修正后的风量信号控制风量调节器的被调量。送风控制系统应保持富氧燃烧状态，即锅炉燃烧时的送风量始终超过燃料量，而此运行状态取决于以下3 个信号的最大值，分别为协调控制的能量需求指令信号、燃烧控制系统的热量需求指令、最小风量定值（30%额定风量）。通过风量调节器的输出控制变频器，以维持良好运行状态。根据自动化控制目标，将4#炉甲、乙侧送风机均调节为变频控制机制，两者均具备自动调节的功能。送风机的转速由送风自动调节系统控制，先控制两侧变频器、再调节风机转速。

3.2 引风（炉膛负压）调节系统

通过调节引风机转速加之送风系统的辅助，始终将锅炉压力稳定在合适的区间内。炉膛压力采用3 个变送器取中值测量，调节系统采用前馈控制，具体调控方式根据送风量指令信号而定。为炉膛负压调节系统设计方向闭锁控制，炉膛压力偏低时，提高自动闭锁引风机转速；炉膛压力偏高时，则降低该风机转速，以动态调控的方式使炉膛压力始终维持稳定。

引风自动调节系统调控功能通过控制乙侧变频器、控制引风机转速而实现（图2）。4#炉甲侧引风机仍保持原工频定数运行，乙侧引风机调整为变频控制、参与自动调节。变频器退出运行后，引风自动控制则通过调节液力耦合器勺管的方式进行。

图2 为引风调节系统原理

4 变频改造后的节能性能评估

在负荷工况保持一致的条件，对改造前、后4#炉的两台送/引风机的耗电量进行分析，评估变频改造的节能效果。

4.1 改造前的耗电量

改造前，多种负荷段调节工况时，各引风机和送风机的功率结果如表1 所示。

表1 改造前送/引风机的消耗功率 kW·h

每台机组的年运行时长取6000 h，机组负荷水平按照80 MW 运行时间为35%、105 MW 运行时间为50%、120 MW 运行时间为10%、137.5 MW 运行时间为5%加权平均为条件计算，则4 台风机的年耗电量为：

4.2 改造后的耗电量

试验工况点考虑的是机组80 MW 负荷、105 MW负荷、120 MW 负荷、137.5 MW 负荷，并检验4#炉送/引风机在各工况点间的调节性能。分析发现，甲、乙引风机和送风机在负荷为80～137.5 MW 内平衡调节。在稳定工况点，锅炉的运行时间不短于60 min，应确保漏风量被控制在许可范围内，同时一、二次风分配值合理。改造后，4 台风机在各负荷段的运行功率如表2 所示。

表2 改造后送/引风机的消耗功率 kW·h

改造后，根据4 台风机的功率计算年耗电量为719.42×104kW·h。

4.3 节能性能评估

改造前、后，风机年耗电量分别为719.42×104kW·h、896.31×104kW·h，改造后年耗电量节约176.89×104kW·h，电价0.32 元/kW·h，单台炉年节约费用约176.89×0.32＝56.6 万元，投资回收年限约282/56.6＝4.98 年。

根据耗电量、成本的对比分析结果可知，改造后节电效果大幅提升，且在机组中、低负荷段运行时体现得更为明显。经计算，在单侧送、引风机采取变频控制策略后，每台炉年减少耗电量176.89×104kW·h，有良好的节能效果。由于用电量减少，还可节约成本，因此具有良好的生态环境效益和经济效益。

5 结束语

综上所述，火电厂的风机能耗较高，为此采取变频改造策略，并设计自动化控制系统后，每台炉厂用电率降低约0.3%，节能降耗效果良好。改造后进行长期观察，风机未见异常振动、功能失效等问题，装置运行安全。因此，本火电厂锅炉的变频改造策略及自动化控制策略具有可行性，可为类似项目提供参考。