武廣富 莊劼/上海明華電力技術工程有限公司

陳捷 孫堅/上海外高橋發(fā)電有限責任公司

動葉可調軸流式風機安全節(jié)能型變頻控制系統(tǒng)設計

武廣富 莊劼/上海明華電力技術工程有限公司

陳捷 孫堅/上海外高橋發(fā)電有限責任公司

0　引言

電站軸流風機［1-4］在運行時，負荷率下降導致低負荷時軸流式風機效率較低，因此對軸流式風機進行變頻改造成為降低廠用電率的一種手段，但若簡單將軸流式風機動葉全開，全部利用變頻調節(jié)風機出力，在部分工作區(qū)域會出現搶風失速等故障，這是由于變頻方式下風機工作點超出了正常運行范圍所致［5］，因此，選擇合理的動葉開度和變頻幅度才能最大限度發(fā)揮軸流式風機變頻的節(jié)能效果，所以，對動葉軸流式風機變頻控制優(yōu)化很有必要。

1　變頻安全性預測

電機變頻改變輸出頻率與電壓，也就是改變了電機運行轉速，使電機運行曲線平行下移。變頻調節(jié)是指利用變頻器控制風機轉速，在負載較大時啟用高速控制，在負載較小時啟用低速控制，保持風機在較高的效率區(qū)工作，達到節(jié)能降耗的效果［6-7］，其控制原理同圖1。曲線Ⅰ為電機高速運轉下風機壓頭流量性能曲線，曲線Ⅱ為電機低速運轉下風機壓頭流量性能曲線，曲線Ⅲ為介質流通管道阻力特性曲線，曲線Ⅰ，Ⅱ與曲線Ⅲ的交叉點即為實際工作點。當風機葉型、葉角相同時，在高速和低速時風機壓頭流量性能曲線基本相似，只是壓頭和流量均有所下降，根據流體力學基本原理，風量Q與轉速n的一次方成正比，風壓P與轉速n的平方成正比，軸功率N與轉速n的三次方成正比，當風量減少，轉速下降時，其功率降低很多。

風機變頻改造后，在相同的動葉開度下風機全壓、流量和功率均發(fā)生明顯變化，變化幅度與風機電機轉速密切相關，而電機轉速與變頻器開度線性相關。因此，風機變頻方式下性能與風機動葉和變頻器開度直接相關。但是，變頻僅是對風機電氣系統(tǒng)的調整，而風機的葉型、規(guī)格、轉矩等并不會因為轉速降低而發(fā)生變化，因此其對空氣的做功能力與工頻狀態(tài)完全一致，無論風機是在工頻或變頻方式，其均需滿足鍋爐正常運行所需的工藝參數要求。因此，判斷風機變頻方式下能否安全運行，實質上只要將變頻方式下風機仍需滿足的性能參數推算至工頻狀態(tài)的性能參數，判斷其是否離開其允許的特性曲線范圍，若其離開安全范圍，則表明風機工作狀態(tài)已經超出自身工作能力，必然會導致失速、喘振等問題。

以典型的300MW燃煤機組引風機為例，工頻轉速為990r/min，在全負荷范圍內進行變頻改造。將引風機參數折算至工頻方式的參數模擬計算，在全負荷范圍內引風機動葉開度變化范圍30％～90％，變頻器開度分別為100％、90％、80％、70％、 60％，比較其參數是否超過臨界參數。由于風機的特性決定其全壓是導致其不安全的決定性因素，因此僅對風機計算工頻全壓與臨界全壓進行安全性比較，如圖2所示。

模擬計算結果顯示，變頻器開度在100％、90％、80％時風機計算工頻全壓均小于其臨界全壓，能夠安全運行，而變頻器開度在70％、60％時風機的部分計算工頻全壓大于其臨界全壓，動葉開度越大，計算工頻全壓也越大。說明變頻器開度在當前開度時需使得風機動葉處于較小的開度，才能保證計算工頻全壓小于其臨界全壓，否則風機將處于失速區(qū)，引起搶風、喘振等問題。

2　動葉與變頻器協(xié)調控制

對于軸流式風機來說，采用變頻改造能夠移動風機工作點，將工作點從工頻方式下“低效區(qū)”移至變頻方式下“高效區(qū)”，實現節(jié)能降耗。由于軸流式風機工作效率的非線性特性，導致動葉開度與風機效率非線性相關，因此，需協(xié)調動葉和變頻器的工作狀態(tài)，形成最優(yōu)組合關系。

以某臺國產引進型亞臨界320MW機組為例，該機組尾部煙氣系統(tǒng)配置兩臺動葉可調式軸流式送風機、引風機和一臺增壓風機，型號SAF28-16-2，引風機的設計參數見表1。以帶變頻器的引風機為試驗對象，進行動葉開度與變頻器開度的協(xié)調調整試驗，在機組100％BMCR、80％BMCR、60％BMCR、50％ BMCR、40％BMCR負荷工況下，將引風機變頻器投自動運行，引風機進口動葉開度執(zhí)行器置于手動狀態(tài)，送風機投自動，爐膛壓力保護投用，鍋爐其他系統(tǒng)按照正常運行方式投用，人工設定不同的動葉開度，比較各動葉開度下的風機電耗，試驗結果如圖3～圖7所示。

表1　引風機設計參數表

由上圖可見，兩臺引風機總電耗與動葉開度無明顯的線性關系，在不同試驗負荷點有不同的最經濟動葉開度，這與動葉可調軸流式風機的特性有關。通過試驗可以得到機組各負荷下引風機動葉開度與變頻器開度的對應關系如表2所示。

表2　優(yōu)化后的引風機動葉與變頻器開度表

在典型負荷下將風機變頻方式的能耗情況與工頻方式進行比較試驗，對比其電流和能耗情況，計算變頻方式的電耗節(jié)能率，得到對比結果見圖8。結果顯示，送風機變頻運行后在不同負荷下電動機電流均呈現不同幅度的下降，低負荷時下降幅度較大，節(jié)能效果明顯，高負荷時下降幅度較小，額定負荷下幾乎相同，變頻失效。引風機全負荷段平均節(jié)能率為19.2％，具有較好的經濟性。

3　變頻主控方式的動葉控制優(yōu)化

通過試驗得到風機動葉與變頻器開度的協(xié)調關系之后，就能夠實現動葉可調軸流式風機變頻方式經濟運行，形成變頻器為風機主控、動葉為風機輔控的兩回路控制系統(tǒng)，其基本控制邏輯如圖9所示。

該風機控制邏輯以變頻器控制為主要控制方式，將爐膛壓力指令與測量值的偏差引入控制器，通過典型PID控制調節(jié)變頻器開度實現爐膛微負壓運行［8］，同時將負荷作為動葉的主要控制源，以負荷-動葉開度的試驗值作為控制函數，準確控制風機動葉，控制中保留了偏差人工糾正。為提高控制系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)還將壓力控制指令引入動葉控制回路中，保留了變頻器異常狀態(tài)下的風機動葉控制，防止變頻器異常狀態(tài)引起風機誤動。

4　結論

優(yōu)化后的風機控制方式既滿足了變頻器、動葉雙回路控制的安全性要求，又兼顧了動葉和變頻器協(xié)調控制的經濟性要求，較好地解決了傳統(tǒng)離心式變頻控制在軸流式風機上的不兼容問題，對軸流式風機的變頻控制具有良好的借鑒價值。

［1］楊詩成，王喜魁.泵與風機［M］.中國電力出版社，2007.

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［3］葉勇健.煙氣系統(tǒng)風機配置的綜合考慮［J］.電力勘察設計，2007（4）：62-65.

［4］葉勇健.引風機和增壓風機合二為一模式的探討［J］.華東電力，2007（11）：106-109.

［5］趙鳳毅，楊秉林.變頻器在電廠風機中的應用研究［J］.電氣傳動，2005（1）：80-82.

［6］徐志強.火電廠300MW機組引風機變頻改造［J］.能源研究與利用，2008（1）：47-48.

［7］孫龍彪，只健強，劉新利，等.670t/h鍋爐吸風機系統(tǒng)優(yōu)化運行方式研究——變頻節(jié)能技術改造效益分析［J］.天津電力技術，2007（1）：12-15.

［8］于國強，殳建軍.基于3臺電動引風機的爐膛壓力控制策略［J］.熱力發(fā)電，2014（8）：102-104.

■動葉可調軸流式風機變頻改造是電廠降低廠用電率的措施之一，變頻改造后動葉和變頻器開度的協(xié)調控制成為控制系統(tǒng)的重點和難點。針對動葉軸流式風機性能非線性的特點，進行了動葉開度調整和變頻器開度調整的聯動試驗，設計了適合變頻控制的新型風機控制邏輯，實現了動葉軸流式風機變頻控制優(yōu)化。研究結果表明，通過動葉開度的合理設置能夠避免大幅度變頻帶來的風機工作點偏離安全區(qū)域的問題，將風機工作點置于更高效的工作區(qū)，提高風機效率，降低風機電耗，同時合理的動葉和變頻器開度的協(xié)調控制能夠實現風機全負荷段的經濟運行，充分挖掘變頻潛力，對軸流式風機的變頻控制具有良好的借鑒價值。

■軸流式風機；動葉；變頻；協(xié)調控制；節(jié)能

The Design of Safety and Energy Saving Type Frequency Conversion Control System on Ad justable Blade Axial-flow Fan

Wu Guang-fu，Zhuang Jie/Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co.，Ltd.
Cheng Jie，Sun Jian/Shanghai Waigaoqiao Power PlantCo.，Ltd.

The frequency conversion upgrade of adjustable blade axial-flow fan was a choice to reduce the station service power consumption rate.The coordinated control between adjustable blade and frequency converter was the key point of control system.According to the nonlinear performance characteristics of axial-flow fan，the adjusting test about adjustment of adjustable blade and converter was made，and a new type of fan control logic was designed for variable frequency to optimize conversion control.The study shows that appropriate settings of adjustable blade can avoid faults which come from large amplitude operation of frequency conversion fan，so the fan works in more efficiency workspace，and the power consumption of the fan is reduced.Moreover，the reasonable coordination control of adjustable blade and frequency converter can reduce fan consumption over full load and improve frequency converter performance，which can be a reference case of frequency converter controlofaxial flow type fan.

axial-flow fan；adjustable blade；frequency converter；coordinated control；energy conservation

TH443；TK05

A

1006-8155（2016）04-0080-04

10.16492/j.fjjs.2016.04.0202

2015-10-08上海200090