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摘要：通過對變頻協調控制技術在電廠鍋爐一次風高壓變頻系統改造中的應用研究，著重說明：變頻協調控制技術的設計思想和系統結構，以及在一次風系統中主要解決的問題和辦法，為高壓變頻調速技術在一次風系統中的成功應用提供了一種新的思路和方法。
關鍵詞：變頻協調控制技術 一次風系統 高壓變頻
在電廠燃煤機組中，一次風是鍋爐的燃料輸送系統的主要動力來源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統結構原理如圖1。系統主要由4臺雙進雙出鋼球磨煤機、2臺一次風機、2臺空預器等設備組成。磨煤機磨制的煤粉通過一次風管直接進入爐膛燃燒，系統通過控制一次風量實現鍋爐負荷的控制。
圖1：直吹式燃煤鍋爐系統結構原理圖
正常運行時，一次風系統通過風機入口擋板控制一次風管壓力維持在9.0~11.0kPa范圍內，通過冷、熱風門開度的調整，實現進入磨煤機的一次風溫控制，保證磨煤機運行效率；由磨入口擋板控制一次風量，從而實現磨煤機負荷隨鍋爐負荷變化而調整。
當發電機輸出功率發生變化時，鍋爐的燃燒系統、燃料控制系統等也隨之變動，為了進一步降低廠用電率，實現系統優化運行。對一次風系統變頻改造成為繼引風系統、凝結水系統之后的又一新的研究課題。
目前，在一次風系統主要存在以下幾個問題：
1.為保證一次風速在一定范圍內，目前通過一次風機入口擋板控制。開度在40%~60%，節流損失較大。
2.燃料系統中磨負荷分別通過磨入口擋板開度控制一次風量，系統效率低、經濟指標差。
3.一次風機入口擋板及出口電動門的開關速度反應緩慢，調節品質不好。在機組出現緊急事故或單臺一次風機設備掉閘情況下，RB不能有效響應及時動作，嚴重時導致停爐、滅火等事故發生，造成巨大的經濟損失。
4.一次風機通常為“駝峰”特性，調整特性差；壓力、風量調整不當，風機效率下降明顯，嚴重時導致設備直接過載保護跳閘。
隨著高壓變頻技術的日益成熟和新技術、新產品的不斷實踐應用，在一次風機系統中采用變頻節能改造，通過變頻協調控制技術能夠解決變頻應用中存在的問題，達到改善生產工藝，降低設備單耗水平的目的。
二、一次風變頻協調控制技術
通過對一次風系統的深入研究，結合高壓變頻調速技術的特點，針對性的研究了高壓變頻協調控制技術的實際應用途徑和具體設計實現。
根據一次風系統應用變頻所面臨的主要問題，變頻協調控制單元具備以下主要功能：
1.在一次風機變頻運行狀態自動切換至工頻過程中，對故障點的位置判斷準確、動作及時有效。
2.通過變頻與工頻運行方式之間的協調，保證一次風機能夠不間斷運行。
3.通過變頻轉速與一次風調節擋板的開度配合，保證一次風不失壓。
4.通過故障一次風機與另一側運行一次風機之間的協調控制，保證兩臺一次風機均工作在安全特性區內，不出現“搶風”現象。
該協調控制單元的控制結構框圖如圖2所示。主要包括：協調控制模塊、故障點分析模塊、故障識別模塊、故障診斷及自處理模塊、一次風機系統保護模塊、保護動作連接模塊、擋板開度函數器、模擬量I/O模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等十余種模塊組成。
圖2：控制結構框圖
其工作原理是：將一次風機工/變頻自動切換系統的綜合保護裝置作為變頻回路和工頻回路的主要檢測方式，接受變頻器上口、變頻器下口以及變頻器旁路開關的二次檢測信號。通過對主動力系統不同位置的運行工況參數及工作狀態的檢測，由故障點分析模塊根據信息來源的動作先后、反應速度、二次電流、電壓的幅值變化，結合變頻器自身的運行參數檢測信息，分析判斷故障點的真實位置。通過故障識別模塊判斷故障的安全級別和危害程度，同時指示出具體故障點位置和故障原因。
協調控制模塊在接到故障點分析的具體位置和安全級別報告后，結合現場設備的運行狀態和工況，決定是否采取變頻向工頻運行方式的切換操作。如果一次風機主動力系統允許由變頻向工頻運行方式的自動切換；系統直接將另一側變頻風機直接快速加速至100％，并根據實際負荷，計算出跳閘側風機工頻開關的合閘操作時機。通過擋板開度函數器實時計算出變頻切工頻后一次風機擋板開度自動關小的位置信號，從而實現變頻向工頻切換過程中一次風壓盡量小擾動。保證切換動作過程中，鍋爐的一次風壓波動瞬值不高于鍋爐燃燒系統對一次風速的最低要求、時間小于2S，使得鍋爐在一次風機的切換時，鍋爐運行平穩、安全不滅火、不跳機。
數字量輸入、輸出接口模塊主要是接受外圍遠程控制信號，實現一次風機變頻上、下口及旁路開關的聯鎖保護、閉鎖邏輯和控制功能。同時將高壓開關和外圍控制信號傳遞給協調控制模塊進行綜合信息處理和判斷。
故障診斷和自處理模塊主要是對外圍接入的開關量、模擬量以及二次儀表的檢測信號進行分析判斷，確定信號接口是否正常，信號輸入、輸出是否有效，是否存在錯誤狀態等。并且根據實時的狀態信息，判斷出故障端口點號，并將其從邏輯處理回路中切除，通過信號替代保持信號處理的完整性。從而，提高系統邏輯處理的安全及可靠性。
圖3：變頻協調控制單元外形圖
通過對一次風機的結構和工作特性研究可知：風機具有明顯的馬鞍形特征，在風機性能曲線的左半部具有一個馬鞍形區域，在此區段內運行有時出現流量大幅度脈動等不正常情況，出現“喘振”問題。而喘振僅僅是不穩定工況區內可能遇到的現象之一，在該區域內還會出現不正常的零氣動力工況，這便是旋轉“失速”現象。風機在不穩定工況區運行時，還可能發生流量、全壓和電流的大幅度波動，氣流會發生往復流動，產生強烈振動，這就是通常提到的“搶風”。鍋爐一次風機改為變頻調速后，兩臺風機并列運行，就非常容易發生“搶風”現象，威脅風機及整個系統的安全性。下面就針對兩臺風機的運行工況進行分析說明，如圖4。
圖4：風機的并聯運行圖
如果風機參數選擇適當，運行時操作正確，兩臺風機并聯運行時的風道性能曲線Ⅳ與風機并聯合性能曲線Ⅲ交于1，則每臺風機將在點1′工作，風機在此工況下工作是穩定的，不會出現“搶風”現象。如果風機工作不當，風道性能曲線Ⅴ與風機合成性能曲線Ⅲ交于點2與點3，落在∞字形區域內工作，則風機工作點可能是點2或點3。若風機在點2上運行，則兩臺風機尚能在點2′上穩定運行。如果兩臺風機的風道阻力稍有差別，或者風道系統中風量稍有變動，其結果是風機處于點3并聯工作，此時兩臺風機工作點分別是3′和3〞點運行。其中點3′工作風機風量大且在穩定區工作，而另一臺在點3〞工作的風機的風量小，且工作點落在不穩定工況區內。這樣兩臺性能相同的風機輸送的流量就不相同，出現了“搶風”。但是兩臺風機分別在3′和3〞點工作的狀況不是穩定不變的，這兩臺風機的工作點會發生互換。風機在此工況下工作，嚴重時甚至會出現一臺風機的風量大，另一臺風機則產生倒流。因此，在兩臺風機并聯運行時，為避免搶風現象發生，就應當采取措施避免風機的工作點落在∞字形區域內。
鍋爐一次風機變頻改造后，風機在低負荷運行時的工作點離不穩定區（左邊界）較近，導致機組在低負荷區間運行時，兩臺一次風機“搶風”即風機的并列困難；通過兩臺一次風機的快速協調平衡系統，對運行參數調整，降低系統一次風壓、改變系統通風量，“搶風”問題得到解決。
圖5：不同轉速下的特性曲線圖
圖5給出了風機在不同轉速下的特性曲線，可以看出轉速不同，相應的駝峰點和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小，把不同轉速下的駝峰點連接起來，就構成了一條曲線，曲線右側為穩定工作區，曲線左側為不穩定區。我們稱駝峰流量為極限流量相應的駝峰點連接曲線稱之為喘振搶風極限線。
顯然，只要在任何轉速下，都能控制鼓風機的流量，使其大于極限流量，則風機便不會發生搶風問題，這就是防喘防搶控制的基本思想。
考慮到吸入氣體的狀態如壓力、溫度、密度及系統風量、風壓變化等都會引起風機特性曲線的變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實際工作點不會太靠近不穩區極限，以避免發生搶風喘振事故。在一次風系統中采用“調速－比例調門法”比較適合電廠安全和節能需要。
變頻協調控制單元將變頻節能與防喘振協調控制，根據一次風系統的要求，風機流量波動時維持出口壓力在某一定值范圍內，因此取出口壓力Ｐ1，送入變頻節能與防喘振控制器中，由壓力變送器，協調控制器，高壓變頻器，電動機和風機構成一個閉環控制系統，通過不斷地參與鼓風機轉速自動調整，來達到穩定出口壓力的目的。
圖6：典型的安全操作曲線圖
圖6給出了兩條典型的安全操作線，其中安全操作線1為固定流量安全操作線控制。安全操作線2為一條與喘振極限線相似的曲線，其流量比喘振極限流量大5%~15%，解決了轉速較低時安全操作線1存在的耗能問題，是一個最節能安全控制方式。
3.一次風機RB時，一次風機變頻器過負荷保護動作防范
一次風系統變頻運行時，單側一次風機變頻器故障不能連續運行時，會觸發機組RB功能動作。系統處理不當或反應不及時，就會最終引起機組跳閘。結合鍋爐一次風機RB分析，主要會導致一次風機變頻器過負荷保護動作有以下方面的原因：
3.1次風機RB工況初期，系統通風量過大，在單點壓力情況下，流量超標引起變頻器過負荷。
3.2一次風機RB工況初期，風機的運行工況嚴重偏離高效點，運行效率極低。
3.3一次風機性能曲線陡峭，駝峰型特性明顯效率低。
為防止一次風機變頻器過負荷保護動作的措施如下：
（1）一次風變頻器的設計過程中提供負荷限制功能，防止變頻器過負荷保護動作跳閘。
（2）優化RB時一次風系統邏輯。
四、結束語
通過變頻協調控制技術在鍋爐一次風系統變頻改造應用中的研究，充分說明：在利用高壓變頻進行節能改造的過程中，著重研究和解決高壓變頻技術應用中帶來的問題和解決辦法，對提高系統運行安全穩定性，降低經濟損失，具有更為重要的意義。將變頻協調控制技術應用到各種領域當中能夠顯著提高生產系統因變頻改造帶來的安全穩定等效益，并且可以進一步實現優化系統，提高節能效果的目的。該項技術的研究勢必會為高壓變頻技術的廣泛應用起到積極的推動作用。
作者簡介：
劉軍祥，1996年畢業于天津大學。長期從事高壓變頻技術在電力、冶金、鋼鐵、石化、水泥等行業的應用技術研究及新技術、新領域的開發研究工作。現任北京利德華福電氣技術有限公司技術成套部經理，負責高壓變頻應用系統的成套服務和管理工作。
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