变频协调控制技术在一次风系统中的应用研究
2007/7/13 9:36:00
摘要：通过对变频协调控制技术在电厂锅炉一次风高压变频系统改造中的应用研究，着重说明：变频协调控制技术的设计思想和系统结构，以及在一次风系统中主要解决的问题和办法，为高压变频调速技术在一次风系统中的成功应用提供了一种新的思路和方法。
关键词：变频协调控制技术 一次风系统 高压变频
一、概况
在电厂燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的主要动力来源。典型的直吹式燃煤锅炉系统结构原理如图1。系统主要由4台双进双出钢球磨煤机、2台一次风机、2台空预器等设备组成。磨煤机磨制的煤粉通过一次风管直接进入炉膛燃烧，系统通过控制一次风量实现锅炉负荷的控制。
图1：直吹式燃煤锅炉系统结构原理图
正常运行时，一次风系统通过风机入口挡板控制一次风管压力维持在9.0~11.0kPa范围内，通过冷、热风门开度的调整，实现进入磨煤机的一次风温控制，保证磨煤机运行效率；由磨入口挡板控制一次风量，从而实现磨煤机负荷随锅炉负荷变化而调整。
当发电机输出功率发生变化时，锅炉的燃烧系统、燃料控制系统等也随之变动，为了进一步降低厂用电率，实现系统优化运行。对一次风系统变频改造成为继引风系统、凝结水系统之后的又一新的研究课题。
目前，在一次风系统主要存在以下几个问题：
1.为保证一次风速在一定范围内，目前通过一次风机入口挡板控制。开度在40%~60%，节流损失较大。
2.燃料系统中磨负荷分别通过磨入口挡板开度控制一次风量，系统效率低、经济指标差。
3.一次风机入口挡板及出口电动门的开关速度反应缓慢，调节品质不好。在机组出现紧急事故或单台一次风机设备掉闸情况下，RB不能有效响应及时动作，严重时导致停炉、灭火等事故发生，造成巨大的经济损失。
4.一次风机通常为“驼峰”特性，调整特性差；压力、风量调整不当，风机效率下降明显，严重时导致设备直接过载保护跳闸。
随着高压变频技术的日益成熟和新技术、新产品的不断实践应用，在一次风机系统中采用变频节能改造，通过变频协调控制技术能够解决变频应用中存在的问题，达到改善生产工艺，降低设备单耗水平的目的。
二、一次风变频协调控制技术
通过对一次风系统的深入研究，结合高压变频调速技术的特点，针对性的研究了高压变频协调控制技术的实际应用途径和具体设计实现。
根据一次风系统应用变频所面临的主要问题，变频协调控制单元具备以下主要功能：
1.在一次风机变频运行状态自动切换至工频过程中，对故障点的位置判断准确、动作及时有效。
2.通过变频与工频运行方式之间的协调，保证一次风机能够不间断运行。
3.通过变频转速与一次风调节挡板的开度配合，保证一次风不失压。
4.通过故障一次风机与另一侧运行一次风机之间的协调控制，保证两台一次风机均工作在安全特性区内，不出现“抢风”现象。
该协调控制单元的控制结构框图如图2所示。主要包括：协调控制模块、故障点分析模块、故障识别模块、故障诊断及自处理模块、一次风机系统保护模块、保护动作连接模块、挡板开度函数器、模拟量I/O模块、数字量输入模块、数字量输出模块等十余种模块组成。
图2：控制结构框图
其工作原理是：将一次风机工/变频自动切换系统的综合保护装置作为变频回路和工频回路的主要检测方式，接受变频器上口、变频器下口以及变频器旁路开关的二次检测信号。通过对主动力系统不同位置的运行工况参数及工作状态的检测，由故障点分析模块根据信息来源的动作先后、反应速度、二次电流、电压的幅值变化，结合变频器自身的运行参数检测信息，分析判断故障点的真实位置。通过故障识别模块判断故障的安全级别和危害程度，同时指示出具体故障点位置和故障原因。
协调控制模块在接到故障点分析的具体位置和安全级别报告后，结合现场设备的运行状态和工况，决定是否采取变频向工频运行方式的切换操作。如果一次风机主动力系统允许由变频向工频运行方式的自动切换；系统直接将另一侧变频风机直接快速加速至100％，并根据实际负荷，计算出跳闸侧风机工频开关的合闸操作时机。通过挡板开度函数器实时计算出变频切工频后一次风机挡板开度自动关小的位置信号，从而实现变频向工频切换过程中一次风压尽量小扰动。保证切换动作过程中，锅炉的一次风压波动瞬值不高于锅炉燃烧系统对一次风速的最低要求、时间小于2S，使得锅炉在一次风机的切换时，锅炉运行平稳、安全不灭火、不跳机。
数字量输入、输出接口模块主要是接受外围远程控制信号，实现一次风机变频上、下口及旁路开关的联锁保护、闭锁逻辑和控制功能。同时将高压开关和外围控制信号传递给协调控制模块进行综合信息处理和判断。
故障诊断和自处理模块主要是对外围接入的开关量、模拟量以及二次仪表的检测信号进行分析判断，确定信号接口是否正常，信号输入、输出是否有效，是否存在错误状态等。并且根据实时的状态信息，判断出故障端口点号，并将其从逻辑处理回路中切除，通过信号替代保持信号处理的完整性。从而，提高系统逻辑处理的安全及可靠性。
图3：变频协调控制单元外形图
三、一次风变频调速后存在问题及对策
1.一次风机变频后的“抢风”问题
通过对一次风机的结构和工作特性研究可知：风机具有明显的马鞍形特征，在风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形区域，在此区段内运行有时出现流量大幅度脉动等不正常情况，出现“喘振”问题。而喘振仅仅是不稳定工况区内可能遇到的现象之一，在该区域内还会出现不正常的零气动力工况，这便是旋转“失速”现象。风机在不稳定工况区运行时，还可能发生流量、全压和电流的大幅度波动，气流会发生往复流动，产生强烈振动，这就是通常提到的“抢风”。锅炉一次风机改为变频调速后，两台风机并列运行，就非常容易发生“抢风”现象，威胁风机及整个系统的安全性。下面就针对两台风机的运行工况进行分析说明，如图4。
图4：风机的并联运行图
如果风机参数选择适当，运行时操作正确，两台风机并联运行时的风道性能曲线Ⅳ与风机并联合性能曲线Ⅲ交于1，则每台风机将在点1′工作，风机在此工况下工作是稳定的，不会出现“抢风”现象。如果风机工作不当，风道性能曲线Ⅴ与风机合成性能曲线Ⅲ交于点2与点3，落在∞字形区域内工作，则风机工作点可能是点2或点3。若风机在点2上运行，则两台风机尚能在点2′上稳定运行。如果两台风机的风道阻力稍有差别，或者风道系统中风量稍有变动，其结果是风机处于点3并联工作，此时两台风机工作点分别是3′和3〞点运行。其中点3′工作风机风量大且在稳定区工作，而另一台在点3〞工作的风机的风量小，且工作点落在不稳定工况区内。这样两台性能相同的风机输送的流量就不相同，出现了“抢风”。但是两台风机分别在3′和3〞点工作的状况不是稳定不变的，这两台风机的工作点会发生互换。风机在此工况下工作，严重时甚至会出现一台风机的风量大，另一台风机则产生倒流。因此，在两台风机并联运行时，为避免抢风现象发生，就应当采取措施避免风机的工作点落在∞字形区域内。
锅炉一次风机变频改造后，风机在低负荷运行时的工作点离不稳定区（左边界）较近，导致机组在低负荷区间运行时，两台一次风机“抢风”即风机的并列困难；通过两台一次风机的快速协调平衡系统，对运行参数调整，降低系统一次风压、改变系统通风量，“抢风”问题得到解决。
2.防喘振控制思想
图5：不同转速下的特性曲线图
图5给出了风机在不同转速下的特性曲线，可以看出转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小，把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为不稳定区。我们称驼峰流量为极限流量相应的驼峰点连接曲线称之为喘振抢风极限线。
显然，只要在任何转速下，都能控制鼓风机的流量，使其大于极限流量，则风机便不会发生抢风问题，这就是防喘防抢控制的基本思想。
考虑到吸入气体的状态如压力、温度、密度及系统风量、风压变化等都会引起风机特性曲线的变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不会太靠近不稳区极限，以避免发生抢风喘振事故。在一次风系统中采用“调速－比例调门法”比较适合电厂安全和节能需要。
变频协调控制单元将变频节能与防喘振协调控制，根据一次风系统的要求，风机流量波动时维持出口压力在某一定值范围内，因此取出口压力Ｐ1，送入变频节能与防喘振控制器中，由压力变送器，协调控制器，高压变频器，电动机和风机构成一个闭环控制系统，通过不断地参与鼓风机转速自动调整，来达到稳定出口压力的目的。
图6：典型的安全操作曲线图
图6给出了两条典型的安全操作线，其中安全操作线1为固定流量安全操作线控制。安全操作线2为一条与喘振极限线相似的曲线，其流量比喘振极限流量大5%~15%，解决了转速较低时安全操作线1存在的耗能问题，是一个最节能安全控制方式。
3.一次风机RB时，一
关键词：变频协调控制技术 一次风系统 高压变频
一、概况
在电厂燃煤机组中，一次风是锅炉的燃料输送系统的主要动力来源。典型的直吹式燃煤锅炉系统结构原理如图1。系统主要由4台双进双出钢球磨煤机、2台一次风机、2台空预器等设备组成。磨煤机磨制的煤粉通过一次风管直接进入炉膛燃烧，系统通过控制一次风量实现锅炉负荷的控制。
图1：直吹式燃煤锅炉系统结构原理图
正常运行时，一次风系统通过风机入口挡板控制一次风管压力维持在9.0~11.0kPa范围内，通过冷、热风门开度的调整，实现进入磨煤机的一次风温控制，保证磨煤机运行效率；由磨入口挡板控制一次风量，从而实现磨煤机负荷随锅炉负荷变化而调整。
当发电机输出功率发生变化时，锅炉的燃烧系统、燃料控制系统等也随之变动，为了进一步降低厂用电率，实现系统优化运行。对一次风系统变频改造成为继引风系统、凝结水系统之后的又一新的研究课题。
目前，在一次风系统主要存在以下几个问题：
1.为保证一次风速在一定范围内，目前通过一次风机入口挡板控制。开度在40%~60%，节流损失较大。
2.燃料系统中磨负荷分别通过磨入口挡板开度控制一次风量，系统效率低、经济指标差。
3.一次风机入口挡板及出口电动门的开关速度反应缓慢，调节品质不好。在机组出现紧急事故或单台一次风机设备掉闸情况下，RB不能有效响应及时动作，严重时导致停炉、灭火等事故发生，造成巨大的经济损失。
4.一次风机通常为“驼峰”特性，调整特性差；压力、风量调整不当，风机效率下降明显，严重时导致设备直接过载保护跳闸。
随着高压变频技术的日益成熟和新技术、新产品的不断实践应用，在一次风机系统中采用变频节能改造，通过变频协调控制技术能够解决变频应用中存在的问题，达到改善生产工艺，降低设备单耗水平的目的。
二、一次风变频协调控制技术
通过对一次风系统的深入研究，结合高压变频调速技术的特点，针对性的研究了高压变频协调控制技术的实际应用途径和具体设计实现。
根据一次风系统应用变频所面临的主要问题，变频协调控制单元具备以下主要功能：
1.在一次风机变频运行状态自动切换至工频过程中，对故障点的位置判断准确、动作及时有效。
2.通过变频与工频运行方式之间的协调，保证一次风机能够不间断运行。
3.通过变频转速与一次风调节挡板的开度配合，保证一次风不失压。
4.通过故障一次风机与另一侧运行一次风机之间的协调控制，保证两台一次风机均工作在安全特性区内，不出现“抢风”现象。
该协调控制单元的控制结构框图如图2所示。主要包括：协调控制模块、故障点分析模块、故障识别模块、故障诊断及自处理模块、一次风机系统保护模块、保护动作连接模块、挡板开度函数器、模拟量I/O模块、数字量输入模块、数字量输出模块等十余种模块组成。
图2：控制结构框图
其工作原理是：将一次风机工/变频自动切换系统的综合保护装置作为变频回路和工频回路的主要检测方式，接受变频器上口、变频器下口以及变频器旁路开关的二次检测信号。通过对主动力系统不同位置的运行工况参数及工作状态的检测，由故障点分析模块根据信息来源的动作先后、反应速度、二次电流、电压的幅值变化，结合变频器自身的运行参数检测信息，分析判断故障点的真实位置。通过故障识别模块判断故障的安全级别和危害程度，同时指示出具体故障点位置和故障原因。
协调控制模块在接到故障点分析的具体位置和安全级别报告后，结合现场设备的运行状态和工况，决定是否采取变频向工频运行方式的切换操作。如果一次风机主动力系统允许由变频向工频运行方式的自动切换；系统直接将另一侧变频风机直接快速加速至100％，并根据实际负荷，计算出跳闸侧风机工频开关的合闸操作时机。通过挡板开度函数器实时计算出变频切工频后一次风机挡板开度自动关小的位置信号，从而实现变频向工频切换过程中一次风压尽量小扰动。保证切换动作过程中，锅炉的一次风压波动瞬值不高于锅炉燃烧系统对一次风速的最低要求、时间小于2S，使得锅炉在一次风机的切换时，锅炉运行平稳、安全不灭火、不跳机。
数字量输入、输出接口模块主要是接受外围远程控制信号，实现一次风机变频上、下口及旁路开关的联锁保护、闭锁逻辑和控制功能。同时将高压开关和外围控制信号传递给协调控制模块进行综合信息处理和判断。
故障诊断和自处理模块主要是对外围接入的开关量、模拟量以及二次仪表的检测信号进行分析判断，确定信号接口是否正常，信号输入、输出是否有效，是否存在错误状态等。并且根据实时的状态信息，判断出故障端口点号，并将其从逻辑处理回路中切除，通过信号替代保持信号处理的完整性。从而，提高系统逻辑处理的安全及可靠性。
图3：变频协调控制单元外形图
三、一次风变频调速后存在问题及对策
1.一次风机变频后的“抢风”问题
通过对一次风机的结构和工作特性研究可知：风机具有明显的马鞍形特征，在风机性能曲线的左半部具有一个马鞍形区域，在此区段内运行有时出现流量大幅度脉动等不正常情况，出现“喘振”问题。而喘振仅仅是不稳定工况区内可能遇到的现象之一，在该区域内还会出现不正常的零气动力工况，这便是旋转“失速”现象。风机在不稳定工况区运行时，还可能发生流量、全压和电流的大幅度波动，气流会发生往复流动，产生强烈振动，这就是通常提到的“抢风”。锅炉一次风机改为变频调速后，两台风机并列运行，就非常容易发生“抢风”现象，威胁风机及整个系统的安全性。下面就针对两台风机的运行工况进行分析说明，如图4。
图4：风机的并联运行图
如果风机参数选择适当，运行时操作正确，两台风机并联运行时的风道性能曲线Ⅳ与风机并联合性能曲线Ⅲ交于1，则每台风机将在点1′工作，风机在此工况下工作是稳定的，不会出现“抢风”现象。如果风机工作不当，风道性能曲线Ⅴ与风机合成性能曲线Ⅲ交于点2与点3，落在∞字形区域内工作，则风机工作点可能是点2或点3。若风机在点2上运行，则两台风机尚能在点2′上稳定运行。如果两台风机的风道阻力稍有差别，或者风道系统中风量稍有变动，其结果是风机处于点3并联工作，此时两台风机工作点分别是3′和3〞点运行。其中点3′工作风机风量大且在稳定区工作，而另一台在点3〞工作的风机的风量小，且工作点落在不稳定工况区内。这样两台性能相同的风机输送的流量就不相同，出现了“抢风”。但是两台风机分别在3′和3〞点工作的状况不是稳定不变的，这两台风机的工作点会发生互换。风机在此工况下工作，严重时甚至会出现一台风机的风量大，另一台风机则产生倒流。因此，在两台风机并联运行时，为避免抢风现象发生，就应当采取措施避免风机的工作点落在∞字形区域内。
锅炉一次风机变频改造后，风机在低负荷运行时的工作点离不稳定区（左边界）较近，导致机组在低负荷区间运行时，两台一次风机“抢风”即风机的并列困难；通过两台一次风机的快速协调平衡系统，对运行参数调整，降低系统一次风压、改变系统通风量，“抢风”问题得到解决。
2.防喘振控制思想
图5：不同转速下的特性曲线图
图5给出了风机在不同转速下的特性曲线，可以看出转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小，把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为不稳定区。我们称驼峰流量为极限流量相应的驼峰点连接曲线称之为喘振抢风极限线。
显然，只要在任何转速下，都能控制鼓风机的流量，使其大于极限流量，则风机便不会发生抢风问题，这就是防喘防抢控制的基本思想。
考虑到吸入气体的状态如压力、温度、密度及系统风量、风压变化等都会引起风机特性曲线的变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不会太靠近不稳区极限，以避免发生抢风喘振事故。在一次风系统中采用“调速－比例调门法”比较适合电厂安全和节能需要。
变频协调控制单元将变频节能与防喘振协调控制，根据一次风系统的要求，风机流量波动时维持出口压力在某一定值范围内，因此取出口压力Ｐ1，送入变频节能与防喘振控制器中，由压力变送器，协调控制器，高压变频器，电动机和风机构成一个闭环控制系统，通过不断地参与鼓风机转速自动调整，来达到稳定出口压力的目的。
图6：典型的安全操作曲线图
图6给出了两条典型的安全操作线，其中安全操作线1为固定流量安全操作线控制。安全操作线2为一条与喘振极限线相似的曲线，其流量比喘振极限流量大5%~15%，解决了转速较低时安全操作线1存在的耗能问题，是一个最节能安全控制方式。
3.一次风机RB时，一
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