高压变频器在电厂锅炉一次风机上的改造实践

2008年全国发电厂热工自动化专业会议论文集高压变频器在电厂锅炉一次风机上的改造实践孙永再冯连根李军娟（山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司）摘 要： 文章对350MW燃煤火电机组一次风机高压变频调速改造方案、变频器电气系统接线进行了介绍，针对一次风机变频改造后DCS系统中存在的问题，对一次风机启停逻辑和一次风压控制回路进行了改进。改造后，系统工作正常，节电效果较好。关键词： 一次风机 变频器 调速Abstract：The article introduce the retrofit scheme of primary air fan for speed regulation through frequency conversion in 350MW power plant, the wire-connection of electric system for frequency converter. Aim at the existent problem in DCS system after frequency conversion retrofitting, improvement primary air fan start /stop control logic and primary air pressure control loop . After retrofitting, the operation of said system is normal, the energy-saving effectiveness is better .Keyword：primary air fan frequency converter speed regulation1 引言：当前，在煤电价格倒挂现象日趋严重，火电企业经营形势日趋严峻的外部环境下，降低厂用电率，降低发电成本，已成为各火电厂努力追求的经济目标。受设计和制造技术条件的影响，电厂主要用电设备如送风机、引风机、一次风机、给水泵等高耗能设备，其输出功率不能随机组负荷变化而变化，只能通过改变挡板或阀门的开度来调整，造成大部分能量消耗在节流损失中。针对以上能源浪费的现象，采用高压变频调速技术对电厂主要用电设备的驱动电源进行技术改造，是电厂节能降耗、提高竞价上网竞争能力的有效途径。漳泽电力河津发电分公司一期为2350MW（#1、#2机组）日产燃煤机组。锅炉两台一次风机高压交流电动机容量为870KW，电压等级6KV，锅炉一次风压调节通过改变两台一次风机的入口调节挡板开度来实现，入口挡板开度在40100之间变化，电流在100A左右变化。由于入口挡板节流损失大，运行效率低，使厂用电率升高。因此决定在B级检修期间对1锅炉两台一次风机实施变频调速改造，经综合考虑决定选用东芝三菱电机产业系统株式会社的TMdrive-MV系列变频器。2 风机变频调速节能分析风机是流体机械，由流体动力学可知，流量Q与转速n成正比，扬程H与转速n2成正比，电机功耗P与转速n3成正比。当转速由额定转速ne降为n时，流量由额定值Qe降至Q，与额定功耗Pe相比较，采用转速调节时电机的功耗为：P =（n/ne）3Pe 。如果流量Qe由100%降到50%，则转速ne由 100%降到50%，扬程H降到25，而电机的功耗降到12.5% Pe ，即节约电能87.5% Pe。即使扣除挡板调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降可能会引起电机的效率下降等因素，节电效果也是非常显著的。图1为风机在定速运行时的工作特性曲线，其中AB为风机的Q-H曲线，OB、OP、OQ、OR、OS等为挡板不同开度时的管路阻力曲线，Q-H线与管路阻力曲线OB等的交点即为风机的工作点。当关小挡板流量减小时，风机分别工作在P、Q、R、S点。风机在设计工作点（额定工作点）时效率最高，在非设计工作点时效率降低，其损失消耗在挡板压降上，产生的热量被风带走，压降损失最终体现在电动机的功耗上。利用变频器调速，可使电机和风机变速运行，风机在变速运行时，有多条Q-H特性曲线。在小流量时，风机的转速和扬程H较小。除了节能效果显著外，采用变频调速还有以下优点：（1）异步电动机启动时电流一般为电机额定电流的（68）倍，且容易产生操作过电压，损伤电动机绝缘。采用变频器后，电动机可在0转速下启动，即软启动，可大大延长电机和风机的使用寿命。同时，运行噪音低，磨损减少。（2）高压变频器采用液晶显示数字界面，调速精度高。（3）有通用的外部接口，可以与可编程逻辑控制器、工控机、DCS进行数据交换并实现联锁控制等。3 变频器电气系统配置变频器有两种工作状态：变频运行状态、工频运行状态。变频器正常时处于变频运行状态，异常时处于工频运行状态，因此必然涉及变频状态和工频状态之间的切换方式问题。切换方式也包括两种：自动切换方式、手动切换方式。考虑到锅炉一次风压稳定对于机组安全运行的重要性及其它电厂一次风机变频改造的经验，决定采用手动旁路系统。变频器的电气系统配置见图2。QF为一次风机原6KV断路器，QS1、QS2、QS3为手动刀闸。当QS1、QS2同时闭合、QS3断开时表示：“变频位”；当QS1、QS2同时断开、QS3闭合时表示：“工频位”；变频位和工频位之间的闭锁由就地机械装置来保证。变频位和工频位只是上述开关状态的表示，并不表示风机已处于相应的运行状态。只有当风机处于“变频位”状态，且6KV断路器QF闭合后，才表示风机处于“变频运行”状态；同理只有当风机处于“工频位”状态，且6KV断路器QF闭合后，才表示风机处于“工频运行”状态。4 DCS系统中控制回路改进4.1 一次风机原控制回路简介河津电发电分公司一期机组DCS控制系统自动化程度比较高，能实现机组级的自启停，顺序控制逻辑从结构上分为APS级、功能组级、功能子组级、设备驱动级，功能子组级和设备驱动级之间的联系由步序逻辑实现。一次风机的启动步序为：第一步、一次风机出口关断挡板关闭，一次风机入口调节挡板关闭；第二步、一次风机启动；第三步、一次风机出口关断挡板打开。第二步的启动允许条件为：“一次风机出口关断挡板已经关闭且一次风机入口调节挡板已经关闭”，第三步的启动允许条件为：“一次风机电机断路器QF已经闭合且延时40秒”。一次风机的停止步序为：第一步、一次风机入口调节挡板关闭；第二步、一次风机停止；第三步、一次风机出口关断挡板关闭。当一次风机启动40秒后，入口调节挡板开始自动控制锅炉一次风压力， 一次风压自动控制系统包括四套一次风压测量装置、一套一次风压调节回路、两套一次风机入口调节挡板执行机构，自动控制回路如图3。图3中函数关系见表1。控制回路中的函数FX1、FX2为一次风压定值产生函数，当磨煤机煤量上升即机组负荷增加时函数FX2产生一次风压定值，当磨煤机煤量下降即机组负荷减少时函数FX1产生一次风压定值；函数FX3、 FX4、 FX5、 FX6输出之和为前馈控制信号，输入信号为磨煤机一次风调节挡板开度命令，PI调节器参数为P=3、I=12。控制回路输出420mA信号到一次风机入口调节挡板执行机构控制挡板开度，调节一次风压。表1：图3中函数关系对照表FX1FX2FX3FX4FX5FX6X（T/H）Y（KPa）X（T/H）Y（KPa）XYXYXYXY08080000000028.5833.5843.511.848.511.8100201002010020100205011.85011.84.2 一次风机控制回路改进4.2.1 增加的控制信号为了控制变频器和监视变频器的运行状态，增加了必要的控制信号和控制画面，开关量输入信号9个，分别是：变频器远方控制、变频器Ready、变频器变频运行状态、变频器工频运行状态、变频器异常、变频器过热、变频器风扇故障、变频器运行、变频器重故障；开关量输出2个，分别是：变频器启动命令、变频器停止命令；模拟量输入信号2个，分别是：变频器转速信号、变频器电流信号；模拟量输出信号1个，即变频器转速命令。4.2.2 一次风机启停控制回路改进为了确保机组自启停功能不受影响，变频改造后，没有把变频器作为单独的设备驱动级，而是把其启停逻辑集成到一次风机驱动级逻辑回路中，并对相应步序逻辑的允许条件进行修改。（1）启动逻辑修改原启动步序逻辑不变，变频器启动逻辑做在一次风机驱动逻辑中，修改为：当启动步序逻辑发出第二步启动命令“一次风机启动”后先闭合一次风机6KV断路器QF，此时若一次风机变频器处于远方控制方式且变频器为变频状态且变频器Ready信号返回，延时3秒后发出一次风机变频器启动命令，一次风机6KV断路器QF闭合和一次风机变频器启动之间有3秒的间隔，其目的是保证变频器一次端充分充电后再启动升速；第三步的启动允许条件修改为：一次风机变频器为工频状态且一次风机断路器QF已经闭合延时40秒或一次风机变频器为变频状态且一次风机变频器处于运行状态延时40秒。（2）停止逻辑修改原停止步序逻辑不变，变频器停止逻辑做在一次风机驱动逻辑中，修改为：停止步序逻辑发出第二步停止命令“一次风机停止”后先停止一次风机变频器，延时1秒后断开一次风机断路器QF。（3）联锁逻辑修改增加一次风机变频器重故障跳闸功能。变频器在变频状态下发生变频器重故障时延时1秒一次风机跳闸。4.2.3 一次风压自动控制回路改进一次风机变频改造后一次风压控制系统增加了一套一次风压调节回路（用于控制变频器）、两套一次风机变频器执行机构，并对原控制回路进行了修改。（1）原一次风压调节回路（用于控制入口调节挡板）逻辑修改在原控制回路的基础上，增加了用变频器转速对调节挡板指令进行修正的功能，修正函数为FX3，修改后的逻辑图见图4，图4中函数关系见表2，PI调节器参数、FX1、FX2、FX4、FX5、FX6、FX7的函数关系没有发生改变。在一次风机入口调节挡板执行机构输出指令中增加“任一变频器自动后执行机构开度命令为90%”，即在任一变频器自动后将控制权限交给变频器来执行。表2：图4中函数关系对照表FX1FX2FX3FX4FX5FX6FX7X（T/H）Y（KPa）X（T/H）Y（KPa）XYXYXYXYXY0808201.500000000301.328.5833.58401.25501.2601.1543.511.848.511.8701.110020100201002010020801.055011.85011.89011001（2）新增一次风压控制回路（用于控制变频器）新增一次风压控制回路（用于控制变频器）见图5。考虑到变频器动作的快速性新调节器的调节参数更改为：P=0.35、I=12；FX1、FX2、FX3、FX4、FX5、FX6、FX7函数关系与修改后一次风压控制回路相同，FX3为入口调节挡板开度修正函数，用入口调节挡板的开度修正变频器的调节作用，控制回路输出420mA控制信号指令到变频器的控制端，调节变频器输出电源的频率，从而改变电动机的转速，改变一次风量，达到稳定一次风压的目的。图5中各函数关系与图4相同。（3）两套一次风压控制回路之间的切换变频改造后，正常情况下用变频器控制一次风压，控制逻辑为：当变频器转速200RPM，并且一次风机变频器运行40秒后变频器自动控制一次风压；如果两台变频器都退出自动运行状态，控制回路自动切换为入口调节挡板控制回路。具体的逻辑关系见图6、图7。4.2.4 变频器的最低转速对变频器而言，没有最低转速限制，变频器可以在0-1470RPM之间正常运行，但是一次风机电机的冷却和电机轴承的润滑对最小转速有严格的要求。一次风机电机冷却方式为水空冷冷却，电机轴承润滑方式为油脂润滑，变频器转速过低将导致电机轴承温度升高、轴承不能形成油膜润滑。但因缺乏最小允许转速资料我们暂时把最小转速设置为400RPM，后期可以根据电机运行情况随时调整。4.2.5 控制回路改进后的效果通过切换变频器控制柜上“远方/就地”开关选择变频器运行方式为“本机控制”或“远方控制”。“远方控制”与DCS系统连接，在一次风机控制画面中增加了变频器控制画面，与变频器输入输出接口联接，进行数据通讯，运行人员可以通过控制室CRT画面对一次风机变频器的工作电流、转速以及运行、停止、故障等状态进行实时监控。机组启动前对修改的逻辑进行静态试验，随后在机组启动过程中一次风机变频器投入试运行，在试运行过程中，各联锁功能可靠，故障报警准确，变频器自动控制精确度高，锅炉一次风压能控制在需求的范围内。而且变频器控制范围宽，可以满足从机组启动到额定负荷范围内的控制要求，从试运行以来，入口调节挡板一直保持全开状态而没有参与节流调节。5 变频改造后的节能效果1机组一次风机改为变频调速后，工作稳定，节能效果明显。1机组A、B一次风机与未进行改造的2机组A、B一次风机运行数据对比见表3。表3：#1、#2机组一次风机变频电机参数对比表设备名称机组负荷（MW）调节挡板开度（%）电机电流（A）电机电压（KV）电机功率（KW）#1机组A一次风机变频电机350100%65.26391.2#1机组B一次风机变频电机350100%66.76400.2#2机组A一次风机电机35086.1%1006600#2机组B一次风机电机35087.7%99.56597因#1、#2机组完全相同，因此可以根据#1、#2机组一次风机数据进行比较。由上表可见，与2机组A、B一次风机相比较，每年按360天算， #1机组两台一次风机年耗电量：（391.2400.2）24小时360天=6837696 KWh，#2机组两台一次风机年耗电量：（600597）24小时360天=10342080