高压变频器在锅炉引风机控制系统中的节能运行

张玉军 张胜奇

高压变频器在锅炉引风机控制系统中的节能运行

张玉军 张胜奇

风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，循环流化床锅炉的4大风机（送风机、引风机、返料风机与二次风机）的总耗电量约占机组发电量的2%左右。分析了影响风机运行效率的原因。高压变频器在锅炉引风机控制系统中的应用节电效果显著。

发电厂；锅炉；引风机；引风机节能；高压变频器

1 提高风机运行效率的重要性

风机是火力发电厂重要的辅助设备之一，循环流化床锅炉的4大风机（送风机、引风机、返料风机与二次风机）的总耗电量约占机组发电量的2%左右。随着火电机组容量的提高，电站锅炉风机的容量也在不断增大，如国产200 MW机组，风机的总功率达6 440 kW（其中，送风机2台2 500 kW，引风机2台2 500 kW，排粉风机总功率1 440 kW），占机组容量的3%以上。因此，提高风机的运行效率对降低厂用电率具有重要的作用。

2 影响风机运行效率的原因

我国电站风机已普遍采用了高效离心风机，但实际运行效率并不高，其主要原因之一是风机的调速性能差，二是运行点远离风机的最高效率点。

我国现行的火电设计规程SDJ－79规定，燃煤锅炉的送、引风机的风量裕度分别为5%和5%～10%，风压裕度分别为10%和10%～15%。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。这样，电站锅炉送引风机的风量和风压富裕度达20%～30%是比较常见的。

电站锅炉风机的风量与风压的富裕度以及机组的调峰运行导致风机的运行工况点与设计高效点相偏离，从而使风机的运行效率大幅度下降。一般情况下，采用风门调节的风机，在两者偏离10%时，效率下降8%左右；偏离20%时，效率下降20%左右；而偏离30%时，效率则下降30%以上。对于采用风门挡板调节风量的风机，这是一个固有的不可避免的问题。可见，锅炉送、引风机的用电量中，很大一部分是因风机的型号与管网系统的参数不匹配及调节方式不当而被调节门消耗掉的。因此，改进离心风机的调节方式是提高风机效率，降低风机耗电量的最有效途径。

3 风机的变频调速技术

图1为采用风门挡板调节和变速调节方式时，风机的效率－流量曲线。

图1 不同调节方式下的风机效率

由图1可知：风机的风量由100%下降到50%时，变速调节与风门挡板调节方式相比，风机的效率平均高出30%以上。因而，从节能的观点来看，变速调节方式为最佳调节方式。

此外，工业锅炉燃烧的稳定性和可靠性是实现锅炉安全经济运行的关键。锅炉炉膛的负压是一个重要的控制参数。传统的炉膛负压控制方式是当电机以恒速运行时通过一次仪表检测炉膛的负压，再同负压给定值比较，其差值经比例积分调节控制器按照整定参数运算后，由电动或气动执行器控制风机引风挡板开口度，即改变风阻调节引风量达到调整燃烧的效果。在实际应用中，引风挡板的开口度一般在 60%～80%，相当一部分电能消耗在引风挡板的阻力降上，造成电能的浪费；而且，挡板的机械连接结构在挡板的调节过程中存在滞后，线性度差，调节性能不太好，除产生大量的节流损耗外，反应速度慢，也是导致锅炉风烟系统负压调节无法快速响应工况动态变化，稳定投入自动运行的重要因素。另外，在负压闭环控制中，若负压过大，还会造成炉内燃料的浪费；负压过小，又会影响燃料的充分燃烧，进而影响锅炉蒸汽的质量。

采用变频调速技术，将原有的风门挡板开至最大，应用负压闭环控制，通过调节风机电机的转速即直接调节风量来实现锅炉负压自动调节控制，能够更好地满足生产要求，响应速度加快，控制精度也提高了，从而使整个机组的控制性能大大改善，不但改善了机组的运行状况，还可以大大节约燃料，进一步节约能源。同时，采用变速调节以后，还可以有效地减轻叶轮和轴承的磨损，延长设备使用寿命，降低噪声，大大改善启动性能。

4 引风机高压变频调速的技术经济分析

引风机采用变频调速对风量进行调节要比通常采用的调节风门挡板控制风量的方法有显著的节电效果。表达风机基本特性的参数是风量Q、风压H、功率P和效率η。

风机总功率：

式中：Pt——总功率，kW；

Q——风量，m3/s；

Ht——全风压，Ht=Hs+Hd,kPa；

Hs——静压；

Hd——动压。

全压效率：

当风机的转速从 n1变为n2时，Q，H，P的大致变化关系为：

由式（3）可知，风机功率同风机转速的三次方成正比，所以当风机的转速变化时，风机的功率会有较大的变化。

大同煤矿集团大唐热电有限公司，4×50 MW单抽冷凝式空冷供热机组，由北京国电华北电力设计院设计，配备5台240 t/h循环流化床锅炉。锅炉型号为HG-240/9.8-L.MG35，锅炉型式为高温高压参数、单锅筒、自然循环蒸汽锅炉，采用循环流化床燃烧方式，平衡通风，绝热旋风分离器。

每台锅炉配备2台引风机，南通金通灵风机有限公司制造，Y6-40-1426.8F型，流量260 600 m3/h，全压8 630 Pa，转速985 r/min，旋转方向左右各一，功率730 kW，介质温度142℃；电机由西安西玛制造，YKK560-1-6型，功率900 kW，接法Y接，转速990 r/min，防护等级IP54，额定电压6 000 V，额定电流107.3 A。

上述高压电机均为直接工频启动运行，风量调节采用阀门挡板控制，电能损耗较高。

为了降低厂用电率，提高发电效率，实现机组调节负荷时最大限度降低电动机的功率损耗，对#1锅炉#1、#2引风机，采用北京合康亿盛科技有限公司的高压变频调速技术进行改造，以达到节能降耗及提高调节自动化水平的目的。

2008年6 月，对#1锅炉#1、#2引风机进行变频改造。所应用的HIVERT-Y06/120型变频器，可通过在控制柜门人机界面通过触摸键盘的操作切换实现“本机控制”与“远方控制”。“远方控制”与原有的DCS连接，在引风机控制画面中增加了变频器画面，与变频器输出接口联接，进行数据通讯，运行人员可以通过DCS中的画面，对引风机和变频器的工作电流、转速以及运行、停止、故障等状态进行实时监控。另外，变频器的控制调节还经过DCS通过负压调节器接受炉膛负压信号和来自送风系统的前馈信号，综合运算后经手动、自动切换单元输出4 mA～20 mA模拟量控制信号到变频器的控制端，调节变频器输出电源的频率，从而改变电动机的转速，改变引风量，达到稳定炉膛负压的目的。与常规的控制调节系统比较，系统结构、运行操作方式基本不变，主要区别在于由调整引风机入口挡板开度改为调节引风机电动机转速。为了保证生产的连续运行，当变频器故障时，可通过自动旁路柜将故障变频器隔离后自动切换到工频运行，风量仍由风门挡板调节。

2008年7 月6 日，大同煤矿集团大唐热电有限公司，#1锅炉#1、#2引风机变频调速技术改造进入整体调试，炉膛负压控制全部投入自动运行，最终顺利通过72 h+24 h满负荷试运行，整个过程运行平稳，状态优良。根据当时的调试记录，对照引风机变频改造前后风机实际运行电流进行节电分析计算，2台引风机节电率累计约为29.6%；按变频器实际功率显示值加2台变频器自身8%（各4%）的损耗，对照原引风机实际运行工况，分析计算出2台引风机节电率累计约为40%，见表1。

表1 #1锅炉#1、#2引风机及电机参数

2008年7 月14 日，为检验变频与工频状态下的真实节电效果，运行人员采用相同工况下4 h工频、4 h变频的运行方式，全程记录了不同蒸发量下2台变频器节电的情况（2台引风机均需投入运行，负荷各承担50%）：锅炉蒸发量170 t/h时，节电58%；锅炉蒸发量180 t/h时，节电46%；锅炉蒸发量200 t/h时，节电26%；锅炉蒸发量220 t/h时，节电17%，平均节电率为36.75%。

图2 2种运行方式功率对比

图2是变频调速运行风门全开和电机工频启动后旁路运行调节风门时对电机功率测试的对比，变频运行有显著的节电效果。

5 引风机高压变频改造中存在的问题

由于电机转动惯量或电机负载变化增减速时，尤其是在瞬间减速过程中，容易造成电机失速，即电机转速与变频器输出频率不协调，从而导致过电流或过电压，造成变频器运行调整过程中故障，人为手动调整方式下发生故障的概率较高；而调节投入自动运行，通过前馈信号及系统自动跟踪，调节幅度较小且调节平稳时，可避免类似故障发生。此外，如果发生因调节幅度过大过快而导致的故障时，也可通过调整变频器增减速时间，避免类似故障发生。另外，由于电机低转速时冷却风量下降，散热能力降低，电机温升增加，用变频调速在电机连续低速运行时，必须加强对电机的冷却，同时要注意改善对变频器自身及本体控制柜的散热效果。

6 结束语

锅炉引风机采用变频调速实现炉膛负压闭环控制，具有节能降耗、调节特性好的优点，能更好地满足生产实际要求。锅炉风机电机采用变频调速，对原有设备无需进行较大改动，投资较小，投资回报快，有推广价值。

Energy-saving Operation of High-voltage Frequency Converter in the Controlling System of Boiler Fan

Zhang Yujun Zhang Shengqi

Fans are one of the most important auxiliary equipments in power plant，electricity consumption of the fans takes account of approximately 2 per cent of the all consumption.This paper analyses the causes of low efficiency operation of the fan and explains energy-saving effect of the high-voltage frequency converter in the controlling system of the boiler fans.

power plant；boiler；fan；fan energy-saving；frequency converter with high-voltage

TM921.51

A

1000-4866（2010）03-0008-03

2010-07-08

张玉军，男，1957年8月出生，1979年毕业于山西矿院 (机电系电气自动化专业)，大同煤矿集团大唐热电有限公司工作，高级工程师。

张胜奇，男，1969年10月出生，2007年12月毕业于中共中央党校经济管理专业，现在大同煤矿集团大唐热电有限公司工作，技师。

修回日期：2010-07-27