动叶可调轴流式风机安全节能型变频控制系统设计

武广富 庄劼/上海明华电力技术工程有限公司

陈捷 孙坚/上海外高桥发电有限责任公司

动叶可调轴流式风机安全节能型变频控制系统设计

武广富 庄劼/上海明华电力技术工程有限公司

陈捷 孙坚/上海外高桥发电有限责任公司

0　引言

电站轴流风机［1-4］在运行时，负荷率下降导致低负荷时轴流式风机效率较低，因此对轴流式风机进行变频改造成为降低厂用电率的一种手段，但若简单将轴流式风机动叶全开，全部利用变频调节风机出力，在部分工作区域会出现抢风失速等故障，这是由于变频方式下风机工作点超出了正常运行范围所致［5］，因此，选择合理的动叶开度和变频幅度才能最大限度发挥轴流式风机变频的节能效果，所以，对动叶轴流式风机变频控制优化很有必要。

1　变频安全性预测

电机变频改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行转速，使电机运行曲线平行下移。变频调节是指利用变频器控制风机转速，在负载较大时启用高速控制，在负载较小时启用低速控制，保持风机在较高的效率区工作，达到节能降耗的效果［6-7］，其控制原理同图1。曲线Ⅰ为电机高速运转下风机压头流量性能曲线，曲线Ⅱ为电机低速运转下风机压头流量性能曲线，曲线Ⅲ为介质流通管道阻力特性曲线，曲线Ⅰ，Ⅱ与曲线Ⅲ的交叉点即为实际工作点。当风机叶型、叶角相同时，在高速和低速时风机压头流量性能曲线基本相似，只是压头和流量均有所下降，根据流体力学基本原理，风量Q与转速n的一次方成正比，风压P与转速n的平方成正比，轴功率N与转速n的三次方成正比，当风量减少，转速下降时，其功率降低很多。

风机变频改造后，在相同的动叶开度下风机全压、流量和功率均发生明显变化，变化幅度与风机电机转速密切相关，而电机转速与变频器开度线性相关。因此，风机变频方式下性能与风机动叶和变频器开度直接相关。但是，变频仅是对风机电气系统的调整，而风机的叶型、规格、转矩等并不会因为转速降低而发生变化，因此其对空气的做功能力与工频状态完全一致，无论风机是在工频或变频方式，其均需满足锅炉正常运行所需的工艺参数要求。因此，判断风机变频方式下能否安全运行，实质上只要将变频方式下风机仍需满足的性能参数推算至工频状态的性能参数，判断其是否离开其允许的特性曲线范围，若其离开安全范围，则表明风机工作状态已经超出自身工作能力，必然会导致失速、喘振等问题。

以典型的300MW燃煤机组引风机为例，工频转速为990r/min，在全负荷范围内进行变频改造。将引风机参数折算至工频方式的参数模拟计算，在全负荷范围内引风机动叶开度变化范围30％～90％，变频器开度分别为100％、90％、80％、70％、 60％，比较其参数是否超过临界参数。由于风机的特性决定其全压是导致其不安全的决定性因素，因此仅对风机计算工频全压与临界全压进行安全性比较，如图2所示。

模拟计算结果显示，变频器开度在100％、90％、80％时风机计算工频全压均小于其临界全压，能够安全运行，而变频器开度在70％、60％时风机的部分计算工频全压大于其临界全压，动叶开度越大，计算工频全压也越大。说明变频器开度在当前开度时需使得风机动叶处于较小的开度，才能保证计算工频全压小于其临界全压，否则风机将处于失速区，引起抢风、喘振等问题。

2　动叶与变频器协调控制

对于轴流式风机来说，采用变频改造能够移动风机工作点，将工作点从工频方式下“低效区”移至变频方式下“高效区”，实现节能降耗。由于轴流式风机工作效率的非线性特性，导致动叶开度与风机效率非线性相关，因此，需协调动叶和变频器的工作状态，形成最优组合关系。

以某台国产引进型亚临界320MW机组为例，该机组尾部烟气系统配置两台动叶可调式轴流式送风机、引风机和一台增压风机，型号SAF28-16-2，引风机的设计参数见表1。以带变频器的引风机为试验对象，进行动叶开度与变频器开度的协调调整试验，在机组100％BMCR、80％BMCR、60％BMCR、50％ BMCR、40％BMCR负荷工况下，将引风机变频器投自动运行，引风机进口动叶开度执行器置于手动状态，送风机投自动，炉膛压力保护投用，锅炉其他系统按照正常运行方式投用，人工设定不同的动叶开度，比较各动叶开度下的风机电耗，试验结果如图3～图7所示。

表1　引风机设计参数表

由上图可见，两台引风机总电耗与动叶开度无明显的线性关系，在不同试验负荷点有不同的最经济动叶开度，这与动叶可调轴流式风机的特性有关。通过试验可以得到机组各负荷下引风机动叶开度与变频器开度的对应关系如表2所示。

表2　优化后的引风机动叶与变频器开度表

在典型负荷下将风机变频方式的能耗情况与工频方式进行比较试验，对比其电流和能耗情况，计算变频方式的电耗节能率，得到对比结果见图8。结果显示，送风机变频运行后在不同负荷下电动机电流均呈现不同幅度的下降，低负荷时下降幅度较大，节能效果明显，高负荷时下降幅度较小，额定负荷下几乎相同，变频失效。引风机全负荷段平均节能率为19.2％，具有较好的经济性。

3　变频主控方式的动叶控制优化

通过试验得到风机动叶与变频器开度的协调关系之后，就能够实现动叶可调轴流式风机变频方式经济运行，形成变频器为风机主控、动叶为风机辅控的两回路控制系统，其基本控制逻辑如图9所示。

该风机控制逻辑以变频器控制为主要控制方式，将炉膛压力指令与测量值的偏差引入控制器，通过典型PID控制调节变频器开度实现炉膛微负压运行［8］，同时将负荷作为动叶的主要控制源，以负荷-动叶开度的试验值作为控制函数，准确控制风机动叶，控制中保留了偏差人工纠正。为提高控制系统可靠性，系统还将压力控制指令引入动叶控制回路中，保留了变频器异常状态下的风机动叶控制，防止变频器异常状态引起风机误动。

4　结论

优化后的风机控制方式既满足了变频器、动叶双回路控制的安全性要求，又兼顾了动叶和变频器协调控制的经济性要求，较好地解决了传统离心式变频控制在轴流式风机上的不兼容问题，对轴流式风机的变频控制具有良好的借鉴价值。

［1］杨诗成，王喜魁.泵与风机［M］.中国电力出版社，2007.

［2］吴剑恒.电站锅炉风机的节能改造工程［J］.电力需求侧管理，2008（1）：42-45.

［3］叶勇健.烟气系统风机配置的综合考虑［J］.电力勘察设计，2007（4）：62-65.

［4］叶勇健.引风机和增压风机合二为一模式的探讨［J］.华东电力，2007（11）：106-109.

［5］赵凤毅，杨秉林.变频器在电厂风机中的应用研究［J］.电气传动，2005（1）：80-82.

［6］徐志强.火电厂300MW机组引风机变频改造［J］.能源研究与利用，2008（1）：47-48.

［7］孙龙彪，只健强，刘新利，等.670t/h锅炉吸风机系统优化运行方式研究——变频节能技术改造效益分析［J］.天津电力技术，2007（1）：12-15.

［8］于国强，殳建军.基于3台电动引风机的炉膛压力控制策略［J］.热力发电，2014（8）：102-104.

■动叶可调轴流式风机变频改造是电厂降低厂用电率的措施之一，变频改造后动叶和变频器开度的协调控制成为控制系统的重点和难点。针对动叶轴流式风机性能非线性的特点，进行了动叶开度调整和变频器开度调整的联动试验，设计了适合变频控制的新型风机控制逻辑，实现了动叶轴流式风机变频控制优化。研究结果表明，通过动叶开度的合理设置能够避免大幅度变频带来的风机工作点偏离安全区域的问题，将风机工作点置于更高效的工作区，提高风机效率，降低风机电耗，同时合理的动叶和变频器开度的协调控制能够实现风机全负荷段的经济运行，充分挖掘变频潜力，对轴流式风机的变频控制具有良好的借鉴价值。

■轴流式风机；动叶；变频；协调控制；节能

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