火电机组引风机变频节能分析及控制优化

祝建飞, 王 煦, 杨太勇, 沈建峰, 陈 梁, 叶颖俊

(1.上海明华电力科技有限公司，上海 200090；2.中国电力国际发展有限公司，北京 100097；3. 上海上电漕泾发电有限公司，上海 201507，4. 上海外高桥发电有限责任公司，上海 200137)

0 引言

风电、太阳能等绿色清洁能源在电力系统的大量接入，给火电机组灵活性能力的提升和调峰运行提出了更高要求，然而火电机组低负荷调峰运行时发电效率下降明显，供电煤耗率大幅上升，其中约三成原因是由于低负荷下厂用电率上升造成的[1-3]。实践证明，对火电机组大型辅机采用变频运行方式，是降低辅机电耗和厂用电率的一种有效手段[4-6]。引风机是电站锅炉重要辅机设备之一，用来抽吸锅炉燃烧生成的烟气和富余空气，形成并维持炉膛负压，防止火焰外窜和烟气外漏，对锅炉燃烧稳定和安全运行至关重要。同时引风机也是电站辅机中的耗能大户，其耗电量约占厂用电的20%左右，对于采用引增合一的机组其耗电比例将更高[7-9]。但在实际工程应用中因担心变频器的可靠性[10]、变频运行后引风机设备的适应性[11-16]，以及变频方式下炉膛负压的可控性等问题，引风机采用变频控制的比例较低。为此非常有必要研究引风机变频运行及控制技术，在保证火电机组安全运行的前提下，降低引风机电耗和厂用电率，以提高机组宽负荷运行经济性，实现节能减排。

1 引风机变频运行节能原理

根据流体力学的基本原理，对于电动机驱动的引风机负载，轴功率P与烟气流量Q，扬程H的关系如下式所示：

P∝Q×H

(1)

当电动机的转速由n1变化到n2时，Q、H、P与转速的关系如下：

(2)

(3)

(4)

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，扬程H和转速的平方成正比关系，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。

另外，从引风机的运行曲线变化来分析变频运行后的节能效果也非常直观，如图1所示。当机组负荷降低，烟气量从Q1减小到Q2时，如果采用静叶节流(或动叶关小)的办法，烟道阻力将会增加，烟道阻力特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用变频调速控制方式，引风机转速由n1下降到n2，其烟道特性并不发生改变，但引风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Δ(P)与(H2-HB)×Q2的面积成正比。当然实际情况还要考虑减速后引风机效率下降，以及变频装置的附加损耗等因素。

图1 引风机变频运行曲线变化

2 静叶可调引风机变频控制

早期的大型火电机组经常会选用静叶可调轴流引风机，通过调节静叶挡板开度来改变引风机抽吸能力。这类风机结构简单，初始投资较少，但由于存在不可避免的设计裕量，以及低负荷下静叶节流损失加大、引风机效率下降等原因，低负荷下厂用电率上升明显，变频运行的节能空间很大[17]。

按照我国现行的设计规程，燃煤锅炉引风机风量裕量在5%～10%，风压裕度在10%～15%，实际上有些机组的裕量更大，即使在额定负荷下静叶也有较大节流。采用变频方式后，通过调节风机转速来改变抽吸能力，这样可以全开静叶挡板，在额定负荷下变频器转速就会低于50Hz[18]。原先的设计裕量越大，额定负荷下的风机转速越低。图2和表1为某1000MW超超临界机组静叶可调引风机，在工频静叶调节和变频静叶全开方式下的耗电量对比。变频运行后，额定负荷下引风机耗电量从7729kW下降到5759kW，下降幅度达25.5%。

图2 某1000MW机组静叶可调引风机变频运行后耗电量对比

表1 某1000MW机组静叶可调引风机变频运行节能数据

另外，在低负荷下，随着变频和引风机转速的下降，引风机耗电量更是下降明显，变频运行可使风机在较大范围内保持较高的运行效率，从而大大减少风机轴功率。如在50%负荷下，引风机耗电量从工频方式下的5274kW下降到1290kW，下降幅度达75.5%。从表1可知，各负荷下厂用电率平均下降0.4846%，节电率平均达52.2%，约使供电煤耗率下降1405g/(kW·h)，节能效果显著。

相比原先采用静叶调节的方式，引风机变频运行后，炉膛负压采用变频控制，调节死区小，控制平滑，调节精度提高；而静叶执行机构存在一定的机械死区，在调节过程中容易对炉膛负压造成扰动。图3为1000MW机组典型变负荷工况(600MW加至950MW)下炉膛负压波动情况，负压一般在设定值上下100Pa内变化，参数控制品质较好。

图3 变频方式下炉膛负压控制效果

但由于变频器指令增减有一定的速率限制，其速率通常要慢于静叶挡板的动作速率，如某机组的引风机变频从0上行到50Hz需要90s，从50Hz下行到0Hz需要200s，而静叶全量程变化只需30s，远快于变频变化速率。故在1台引风机故障跳闸，需要另外1台快速拉起时，由于变频上行速率问题，可能会导致动态过程中炉膛负压偏高；或者在1台送风机故障跳闸，需要两台引风机同时降低出力，由于变频下行速率问题，可能会导致动态过程中炉膛负压偏低。

3 动叶可调引风机变频控制

因为静叶可调引风机在低负荷下效率下降较多，新建机组逐渐开始选用动叶可调轴流式引风机。即使动叶可调引风机低负荷下运行效率相对较高，但仍可通过变频方式进一步降低风机电耗。

静叶可调引风机变频运行后可以采用静叶全开，变频调节的方式，但对动叶可调引风机变频运行不能简单采用这样的方式。如果动叶始终全开，在低负荷下则可能会进入工作失稳区域，导致引风机发生“抢风”，1台出力增加，1台出力急剧下降并发生喘振，炉膛负压波动加剧，严重的话会导致锅炉MFT保护[19]。

针对这一问题，提出了引风机变频-动叶联合调节的技术，即引风机变频自动调节炉膛负压，根据炉膛负压的变化，自动改变引风机变频转速，维持炉膛负压在设定值附近；在不同动叶开度下测试引风机工作效率和性能，寻找经济和稳定运行的动叶开度，动叶开度跟随锅炉负荷缓慢变化，即锅炉负荷升高，动叶以一定速率逐渐开大，锅炉负荷下降，动叶以一定速率逐渐关小，实现引风机变频-动叶联合控制，达到了引风机变频运行的节能效果，同时也能满足锅炉安全可靠运行的要求。引风机动叶-变频联合调节技术的控制示意如图4所示。

图4 引风机变频-动叶联合调节示意

某320MW机组，动叶可调引风机采用变频方式后，在不同负荷下动叶开度大于原先工频方式下的开度，详见图5，动叶开度大，风机运行效率高，故这一开度的变化也从一个侧面说明了采用变频运行后带来的运行效率提高。采用变频方式后，该机组引风机耗电量的变化如表2所示。

图5 动叶可调引风机变频运行后动叶开度变化

表2 动叶可调引风机变频运行后节能数据

各负荷下平均节电率27.4%，使得厂用电率平均下降0.3%，节电率平均达27.5%，约使供电煤耗率下降0.9g/(kW·h)。

另外，通过对比不同1000MW等级超超临界机组引风机电耗率和负荷的变化关系，来进一步说明变频方式的节能效果，详见图6。

图6 不同型式引风机电耗随机组负荷的变化关系

图6中静叶工频和静叶变频为某台1000MW机组在不同方式下的运行数据，该机组布置有2台引风机和2台增压风机；动叶工频为某台新建1050MW机组动叶可调引风机的运行数据，该机组布置有2台引风机(引增合一)。为便于比较，对负荷和引风机电耗分别按照额定负荷和额定负荷下的引风机电耗进行了百分化处理，也忽略环境温度等边界条件的差异。从图6可知，静叶变频方式引风机电耗相对机组负荷下降最快，动叶工频其次，静叶工频下降最慢。

4 变频运行适应性问题及对策

引风机原设计一般采用工频定速运行方式，改为变频运行后，可能会在某些频率区域发生共振，再加上炉膛负压波动频繁，采用变频调节后使得引风机变频始终处于来回调节状态，拖动引风机本体和轴系来回不断调节，引起引风机设备本身和轴系的疲劳损伤，在某些频率下还可能会耦合发生扭振。若引风机设备强度裕量不足，无法满足变频运行要求，会损坏引风机本体和轴承设备。如某电厂引风机变频运行后发生联轴器部件故障[20]，国内也曾有引风机变频运行后转轴断裂的事件。

所以在进行引风机变频改造前，和变频投运初期要进行相关测试和设备强度分析，以掌握变频运行的适应性情况[21]。为解决适应性问题，一方面可以通过引风机设备改造，改善设备共振特性，增加相关部件强度；另一方面也可以通过调整控制策略，减轻引风机设备工作强度，同时设置变频工作区域，避开共振点[22-24]。如某1000MW机组，原先采用静叶全开，变频全程调节的方式，但发生了联轴器弹簧膜片断裂和螺栓断裂事件，故设计了一种新的调节方法，如图7所示。

图7 引风机静叶-变频联合调节原理

另外一个解决方法是将联轴器更换为高阻尼弹性联轴器，以补偿轴向位移，通过弹性元件传递扭矩，采用不同的扭转刚度和阻尼，充分调节动力系统的扭振特性，大幅降低变频风机扭振大小。

5 引风机变频控制冷态模拟试验

冷态模拟试验时，在锅炉未投入燃料的冷态方式下，启动送、引风机，必要时也需开启一次风机，以增加引风机工作负荷。首先在合适的送风量下，进行炉膛负压设定值和送风量扰动试验，设置和优化负压控制PID参数及相关前馈系数。然后人工停运一台送风机或引风机，模拟触发送风机或引风机RB，观察变频控制及炉膛负压波动情况，调整控制策略，优化控制参数。

冷态方式下，某1000MW机组引风机跳闸试验曲线见图8。送风机跳闸试验见图9。

图8 冷态下引风机跳闸炉膛负压扰动试验

图9 冷态下送风机跳闸炉膛负压扰动试验

按照上述方法完成冷态模拟试验后，即使未做热态风机RB试验，也可认为已经验证了机组风烟系统具备送、引风机RB控制功能。图10为某机组进行引风机变频改造后，只是完成冷态模拟试验、未做热态RB试验后的RB实动曲线，机组实际运行中发生了引风机B变频故障，引风机B跳闸而触发引风机RB。

图10 引风机B跳闸RB工况参数变化曲线

当时机组负荷接近额定负荷，引风机B变频故障跳闸后，引风机A变频指令从42.8Hz快速升高到50Hz，炉膛负压先升高，最高至1235Pa，后下降，最低至-917Pa，之后恢复平稳。

总体来看，炉膛负压的变化基本正常，控制品质达到预期效果，实际RB动作效果进一步验证了冷态模拟试验方法的有效性。

6 结语

引风机是火电机组辅机设备中的耗电大户，其用电量约占厂用电20%左右，采用变频运行是降低引风机用电量和厂用电率的一种有效途径。静叶可调引风机变频运行后节能效果显著，动叶可调引风机变频运行也可进一步节能，静叶变频方式节电效果优于动叶工频方式。在当前火电机组灵活性控制，以及深度调峰的新形势下，低负荷下运行经济性差的矛盾日益突出，引风机变频运行及控制技术，能在设备安全可靠运行的前提下，实现火电机组经济运行和节能减排，应用和推广空间较大。