循环流化床锅炉风机双频无干扰切换系统分析
2013年09月10日 10:55:51
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0引言
随着《“十二五”节能减排综合性工作方案》的不断深入开展，我国电力、钢铁等行业严格按照“坚持降低能源消耗强度、合理控制能源的消费总量，推动技术进步相结合，大幅度提高能源利用效率”的政策方针，积极实施节能减排措施，以助力可持续发展。
山东威海博通热电股份有限公司作为威海经济技术开发区的主要供热单位，为区域内130多家企事业单位提供生产用汽和承担近500万平方米的集中供热任务。公司两台130t/h和一台220t/h锅炉作为主力锅炉，承担大部分供热和供暖任务。然而，由于传统设计方案存在不足，依靠风挡板来调整风压导致能源消耗量大，浪费极其严重。为积极响应国家政策号召并提升综合经济效益，山东威海博通热电股份有限公司对风机进行了变频调速改造。
1循环流化床锅炉烟风机系统改造的必要性
首先，锅炉投入初期未考虑风机的调速运行问题。风机定速运行，*由风挡板调整风压，挡板调节控制特性差，压力损失严重，挡板长期在30%~80%开度，系统效率低，造成厂用电居高不下。130t/h炉吨汽耗电量达9~10kWh/t，220t/h吨汽耗电量达11~12kWh/t，造成能源的极大浪费。
其次，传统设计的一次风机、二次风机以及引风机采用入口节流器（或称挡板、风门）开度调节压力。由于一般设计风量、风压均按要求比额定工况留有较大设计裕度，因此一般风机、电机选型偏大，因此实际风门开度在30%~80%，导致风机经常工作在低效区，浪费大量能源。
再次，风门调节的风量线性度不好，在进行风门开度调节时经常出现开度变化不大但风量变化很大的情况，很难实现风量配比要求的自动燃烧，影响循环流化床锅炉的运行效率。
因此在循环流化床锅炉的风机上应用变频调速设备能够降低机组的厂用电率，而且由于变频器调速所具有的优良特性，其应用可为锅炉机组的自动化控制打下设备基础，从节能与运行管理上降低机组运行成本。
2高压变频器调速技术节能原理
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小、效率高，是异步电动机zui为合理的调速方法。
由公式n=60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的运行转速n。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机zui主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比;输出压力H与转速n的平方成正比;输出轴功率P与转速n的立方成正比。即：Q1/Q2=n1/n2;H1/H2=（n1/n2）2;P1/P2=（n1/n2）3。
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
E=（1-（n′/n）3）×P×T
式中：n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且可大大提高设备的运行性能。以上公式为变频节能提供了理论依据。
3锅炉风机双频无扰切换技术改造实施方案
由于山东威海博通热电股份有限公司三台锅炉都是单风机，即每台锅炉都是一台引风机、一台一次风机、一台二次风机，没有备用风机，任一台风机停运都将造成锅炉的停炉。为避免因变频器运行不稳定影响锅炉正常运行，对锅炉DCS系统重新组态并与变频器实现无缝接入，经过多次的冷态、热态试验，将锅炉DCS系统与高压变频器结合在一起，实现了变频、工频自动双向切换的功能，真正实现了无扰切换。所谓无扰切换是指锅炉运行时风机在变频运行和工频运行之间进行双向切换时风量不会大幅突变，对锅炉燃烧没有扰动。无扰切换包含两个切换过程，一是风机变频器在运行中突发故障能自动切换到工频运行，锅炉燃烧稳定不受切换影响;二是风机在工频运行时能在操作人员切换变频指令发出后自动切换到变频运行，锅炉燃烧稳定不受切换影响。风机双向自动切换一次系统如图1所示。
注：（1）QS1和QS2是自动旁路柜的手动刀闸;（2）KM1、KM2和KM3是自动旁路柜的真空接触器。
图1风机双向自动切换一次系统简图
3.1自动旁路变频器控制与DCS系统的改造及程序修改
根据实际运行需要及为了简化运行人员操作步骤，防止误操作的发生，同时结合高压变频器的启动步骤，对风机高压变频控制采用变频一键启动、变频一键停止及一键工频切变频，并保留了原来的工频手动启动、工频手动停止控制。[1]
（1）变频一键启动执行的步骤
*步：合自动旁路柜的KM1、KM2。
第二步：合上级开关柜（原风机6kV开关柜）的合闸开关。
第三步：等待变频器预充电完成后（及待机反馈接通后），再合变频器启动开关。
在实际操作过程中，4号炉、5号炉风机变频器就地柜zui低赫兹数设置为10Hz，DCS画面中的变频调节指令在0~10Hz之间时，变频器就地柜始终保持在10Hz不变。6号炉风机变频器就地柜zui低赫兹数设置为15Hz，DCS画面中的变频调节指令在0~15Hz之间时，变频器就地柜始终保持在15Hz不变。
（2）变频一键停止执行的步骤
*步：合变频器停机开关。
第二步：待变频器停机后，断开上级开关柜（原风机6kV开关柜）的合闸开关。
第三步：断开自动旁路柜的KM1、KM2。
当变频器停止工作后，应手动将变频调节指令变为0Hz。
（3）一键工频切变频执行的步骤
*步：断开自动旁路柜的KM3。
第二步：3秒后，合自动旁路柜的KM1、KM2。
第三步：等待变频器预充电完成后（及待机反馈接通后），再合变频器启动开关。
在一键工频切变频前，应先手动将变频调节指令变为50Hz。
以上各种不同启动方式下每一步骤的执行都是在DCS系统的干预下自动执行完成的。DCS界面如图2所示。
图2DCS界面
3.2高压变频器变频故障自动切工频运行时的控制
锅炉风机在变频器运行时若变频器发生故障，不需要管理人员干预，变频器将发出重故障信号至DCS，此时DCS逻辑程序会自动将风门挡板关至预设定的状态，变频器延时6~8秒后自动切换至工频运行（这个时间通过变频器自动旁路柜内时间继电器进行设定）。由于风机挡板执行器动作时间过长，如果等待挡板关闭到预定位置后再切换工频，风机转速降低过大，工频启动可能出现过流保护动作，并导致锅炉汽压汽温下降过大。另外，如果不延时切换工频，风挡板全开时工频立即启动，虽电机转速下降很小电机过流保护不会动作，但风量突增对炉膛燃烧扰动太大，会造成炉膛保安装置的风压保护动作。[2]因此，综合多方面因素，经过多次试验后，确定变频器重故障信号发出后延时6~8秒切换工频，重故障信号发出后风机挡板门立即开始关闭到设定开度。然而，挡板门执行器动作速度不一致，导致挡板门设定时间各不相同。
以4号炉风机为例，以下风门设定开度是风机在工频运行时额定负荷下的风挡板开度：
4号炉二次风机计时时间为10秒，风机挡板执行器自动关闭到74%。
4号炉一次风机计时时间为15秒，风机挡板执行器自动关闭到52%。
4号炉引风机计时时间为15秒，风机挡板执行器自动关闭到51%。
当风机挡板执行器在计时时间内关不到位置时，风机挡板执行器会停在计时结束后的位置。即使风机挡板执行器提前关到位置，但计时时间没有结束，运行人员依旧无法操作风机挡板执行器，只有当计时时间结束后，运行人员才可以手动调节风机挡板执行器。[3]
在工频切换成功后风机挡板如果没有关闭到设定开度，则会在预设时间内继续自动关闭到预设位置。设定时间需要根据风挡板关闭试验确定。因为在设定时间内人工操作无效，所以设定时间要合理。[4]
山东威海博通热电股份有限公司电机微机保护启动时设置启动时间15~20秒，通过试验后从DCS系统调出数据看变频切换工频启动电流不超过额定电流的2倍，工频启动后尖峰电流出现在5秒内，5秒后电机电流进入稳定运行状态。虽然风门挡板在开启状态相当电机带负荷启动，但因电机不是从零开始加速，完躲过过流保护的整定值。这种状态下切换锅炉风压会有较小的波动，但对锅炉燃烧不会产生大的影响。
3.3工频运行切换到变频器运行
风机变频改造后，当运行中变频器突然发生故障后会自动切换到工频运行，这时需要对变频器进行检修维护，当变频器检修结束后需要投入运行时，需要进行工频切换变频的控制。变频切换工频是在变频器突发故障的状态下自动切换的，而工频切换变频是有计划的进行切换。
一键工频切变频指令发出后，DCS系统先断开自动旁路柜中的KM3开关，同时发出变频调节赫兹数50Hz信号，延时3秒后合自动旁路柜中的KM1和KM2开关。再延时2秒后，DCS发出高压变频启动指令。通过冷态和热态试验看，此种切换对炉膛燃烧没有扰动。[5]
工频切变频时变频器本身必须具备转速启动功能才能保证实现无扰切换。转速启动又称“飞车启动”，即在电机旋转状态下启动。当变频器的启动方式设为转速启动时，接到启动命令，启动变频器自动检测电机的转速，输出该转速对应下的频率，并在此频率上加减速，达到给定频率。
工频切变频成功后，操作人员逐步开启风门调节挡板和降低变频器输出频率进行调整，以炉膛风压无波动为准，直到挡板全开变频器调整到适合的输出频率。
4改造后节能效果分析
表1是高压变频器改造前后的吨汽耗电量分析表。
表1高压变频器改造前后吨汽耗电量分析
通过表1可以看出，变频改造后高压风机节电效果非常明显，尤其是5号炉因为是一台非标炉型，风机裕量过大，变频改造后节电效果更明显。另外一台给水泵和一台热网循泵节电率也在20%~30%。吨汽耗电量这种分析直观而且利于进行对比分析，但要计算需进行全年节电量的分析。下面就根据山东威海博通热电股份有限公司4号炉、5号炉、6号炉全年不同负荷区间运行的节电量进行统计分析（详细统计报表不进行罗列，只列出分析结果）。
（1）节能收益汇总
4号炉、5号炉、6号炉共9台风机、7号给水泵、7号热网循环水泵节电量合计为：
2423050+3162440+4005500+307087+531059=10429136kWh
该公司上网电价：0.42元/kWh（不含税价格）。
则：4号炉、5号炉、6号炉共9台风机、7号给水泵、7号热网循环水泵的年收益额合计为：
10429136×0.42≈438万元
（2）设备投资费用
4号炉、5号炉、6号炉共9台风机的变频器设备采购费用合计：262万元。
7号给水泵、7号热网循环水泵2台变频器设备采购费用合计：57万元。
DCS配套系统设备采购费用合计：18.8万元。
其他辅材（电缆、高压接头等）费用合计约：32万元。
设备安装和调试由博通公司检修车间完成，费用不计。
因此：11台变频器投资总费用合计为：369.8万元。
（3）投资成本回收期H
H=369.8万元÷438万元≈0.85年
以上节能效果分析表明，高压变频器技术改造节能*。即使不考虑其他附加经济效益，仅以节电一项计算，4号炉、5号炉、6号炉共9台风机、7号给水泵、7号热网循环水泵的年节电量为10429136kWh，年节电收益约438万元，按电能折标系数K=3.5吨标煤/万千瓦时计算，年可节约标煤3650吨，变频改造投资成本回收期小于0.85年。
5结论
（1）风机、水泵变频改造后节电效果非常明显，超出改造前预期。
因锅炉设计过程中，很难准确地计算出管网的阻力，考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的zui大风量和风压富裕量作为选择风机型号的设计值。这样，风机的风量和风压富裕度达20%~30%是比较常见的，尤其在低峰负荷时风压富裕量更大，大量能量浪费在节流损失上。安装了高压变频器后，可以根据负荷需求调节负载的电源频率，从而达到调节负载转速的目的，克服“大马拉小车”现象。因此在风机、给水泵上安装变频器，节电效果大幅超出预期，值得大力推广。热电厂上网电价远远低于钢材、水泥、化工、建材等行业，如果按照工业用电价格来核算则半年之内就能收回投资成本，值得大力推广。
（2）工频变频双向切换功能较好。通过多次双向切换试验，锅炉燃烧稳定，运行工况可靠，基本能实现无扰切换。
（3）安装简单。即将原高压开关柜与电动机之间插入安装高压变频器，对原有接线改动不大，只需重做电缆头，仍然使用原来的电机，大幅降低改造成本。
（4）由于实现了软启动，避免了工频启动的冲击电流，电机寿命将大幅延长，减少启动时对电网的冲击。电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。
（5）不同负荷下可以平滑无级调速，减少了风道的震动。尤其低峰负荷时，未进行变频器改造前风挡板开度过小，造成风机喘振撕裂风道的问题得到*的解决。
（6）大幅降低了厂界噪声。变频改造前，风机挡板门节流噪声极大，厂界噪声超标，周围居民多次向环保部门投诉。变频器改造后节流噪声消失，厂界噪声远远低于规定标准。
参考文献：
[1]于希宁，刘红军，李建更.控制系统无扰切换功能的设计技巧及工程实现[J].华北电力技术，1996，（4）：28-31.
[2]郑辑光，施仁，王孟效.DMC控制器的一种新的无扰切换方法[J].控制理论与应用，2006，（1）：68-71.
[3]彭增良.变频器无扰切换在沧炼的应用[J].变频器世界，2005，（3）：58-59.
[4]何幼富.锅炉引风机采用高压变频技术的节能效果[J].节能技术，2011，（4）：46-48.
[5]赵忠华，谷志刚，王素荣.130t/h燃气锅炉引风机变频调速节能改造[J].中国仪器仪表，2012年，（7）：50-53.
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