鍋爐一次風(fēng)機主要是給鍋爐制粉系統(tǒng)提供輸粉的風(fēng)源，屬于鍋爐三大風(fēng)機之一，也是火力發(fā)電廠主要的高耗能設(shè)備。采用直吹式制粉系統(tǒng)的鍋爐，需要配置兩臺一次風(fēng)機。輸送空氣至制粉系統(tǒng)。由于需要的壓力較高，軸流式風(fēng)機一般要兩級葉輪，離心式風(fēng)機要高壓風(fēng)機，設(shè)置進口消聲器。輸送經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱后的熱空氣時，還要考慮耐溫要求。有的一次風(fēng)機葉輪前的進口附近設(shè)置了一組可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角的靜導(dǎo)葉，實現(xiàn)風(fēng)機的流量調(diào)節(jié)。采用入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量不僅節(jié)流損耗大，調(diào)節(jié)品質(zhì)差，而且噪聲及振動大。一次風(fēng)機采用變頻調(diào)速后，導(dǎo)葉開度為最大，阻力最小，加上風(fēng)機又減速運行，噪聲將大幅降低。當轉(zhuǎn)速為50% 左右時，噪聲水平可降低十幾個分貝；同時還可消除起動和停車時的打滑和尖嘯聲，大大改善了運行環(huán)境。

    對于正壓直吹式制粉系統(tǒng)，一次風(fēng)機正常運行時主要起攜帶和干燥煤粉的作用，并提供煤粉著火初期所需空氣。燃煤機組中，一次風(fēng)是鍋爐的燃料輸送系統(tǒng)的主要動力來源。典型的直吹式燃煤鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由4臺雙進雙出鋼球磨煤機、2臺一次風(fēng)機、2臺空氣預(yù)熱器等設(shè)備組成。磨煤機磨制的煤粉通過一次風(fēng)管直接進入爐膛燃燒，系統(tǒng)通過控制一次風(fēng)量實現(xiàn)鍋爐負荷的控制。

圖1 直吹式燃煤鍋爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

    正常運行時，一次風(fēng)系統(tǒng)通過風(fēng)機入口擋板控制一次風(fēng)管壓力維持在9.0～11.0kPa范圍內(nèi)，通過冷、熱風(fēng)門開度的調(diào)整，實現(xiàn)進入磨煤機的一次風(fēng)溫控制，保證磨煤機運行效率；由磨煤機入口擋板控制一次風(fēng)量，從而實現(xiàn)磨煤機負荷隨鍋爐負荷變化而調(diào)整。

    當發(fā)電機輸出功率發(fā)生變化時，鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)也隨之而變動，為了進一步降低廠用電率，實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化運行，對一次風(fēng)系統(tǒng)變頻調(diào)速改造成為繼凝結(jié)水系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)之后的又一新的課題。

    目前，一次風(fēng)系統(tǒng)主要存在以下幾個問題：

    （1）為保證一次風(fēng)速在一定范圍內(nèi)，通過一次風(fēng)機入口擋板控制，開度一般在40%--60%，節(jié)流損失較大；

    （2）燃料制備系統(tǒng)中磨煤機負荷分別通過入口擋板開度控制一次風(fēng)量，系統(tǒng)效率低，經(jīng)濟指標差；

    （3）一次風(fēng)機入口擋板及出口電動門的開關(guān)速度反應(yīng)緩慢，調(diào)節(jié)品質(zhì)不高，在機組出現(xiàn)緊急事故或單側(cè)一次風(fēng)機掉閘情況下，事故保安系統(tǒng)不能有效響應(yīng)及時動作，嚴重時甚至導(dǎo)致滅火、停爐等事故的發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失；

    （4）前彎型一次風(fēng)機因工作特性曲線陡峭，應(yīng)用變頻調(diào)速后容易發(fā)生搶風(fēng)和喘振現(xiàn)象，會影響機組的安全運行。喘振是由風(fēng)機的駝峰形特性曲線引起的，在采用變頻調(diào)速時，要注意避開或跳過喘振頻率點。

    變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮機組可能出現(xiàn)的各種運行工況，特別是當出現(xiàn)異常工況時，變頻調(diào)速系統(tǒng)可能對機組帶來的影響。例如，一次風(fēng)機變頻運行時兩側(cè)擋板全開，如果一側(cè)一次風(fēng)機掉閘后，要求另一惻風(fēng)機迅速帶滿負荷運行以滿足鍋爐的風(fēng)量要求；但如果故障側(cè)風(fēng)機的風(fēng)門擋板不能迅速全關(guān)的話，運行側(cè)風(fēng)機的風(fēng)量將部分從故障側(cè)風(fēng)道分流，導(dǎo)致運行側(cè)變頻器因過負荷而跳閘，造成事故擴大。對于送、引風(fēng)機也存在同樣的問題。因此，一方面要求擋板有快關(guān)能力，同時要求變頻器有一定的短時間過載的能力。

    根據(jù)一次風(fēng)機應(yīng)用變頻調(diào)速所面臨的主要問題，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能：

    （1）在一次風(fēng)機從變頻運行自動切換至工頻運行的過程中，對故障點的位置要判斷準確，動作及時有效；

    （2）通過變頻與工頻運行方式之間的協(xié)調(diào)，保證一次風(fēng)機的不間斷運行；

    （3）通過變頻調(diào)速與一次風(fēng)機入口擋板的開度配合，保證一次風(fēng)不失壓；

    （4）通過故障側(cè)一次風(fēng)機與運行側(cè)一次風(fēng)機之間的協(xié)調(diào)控制，保証兩臺一次風(fēng)機均工作在安全特性區(qū)內(nèi)，不出現(xiàn)搶風(fēng)和喘振現(xiàn)象。


    2 典型工程案例分析

    2.1 工程簡介

    大唐國際天津盤山發(fā)電公司2×600MW火電機組是我國華北地區(qū)建設(shè)投產(chǎn)最早的600MW亞臨界火電機組，是京津唐電網(wǎng)的主力機組，曾被國家計委列為1996年利用國家外匯儲備購買國產(chǎn)發(fā)電設(shè)備發(fā)展民族工業(yè)的試點項目。工程于1998年10月開工，其中3#機組于2001年12月18日正式投產(chǎn)，4#號機組于2002年6月5日正式投產(chǎn)。

    每臺機組鍋爐各裝有兩臺一次風(fēng)機，風(fēng)量調(diào)節(jié)為入口擋板調(diào)節(jié)方式，由于這樣的調(diào)節(jié)方法僅僅是改變通道的流通阻力，而驅(qū)動源的輸出功率并沒有多大改變，節(jié)流損失相當大，浪費了大量電能，致使廠用電率高，發(fā)電成本不易降低。同時，電機啟動時會產(chǎn)生5～7倍的沖擊電流，對電機構(gòu)成損害。

    變頻調(diào)速系統(tǒng)以其節(jié)能效益顯著，調(diào)速精度高、范圍寬，電力電子保護功能完善，及易于實現(xiàn)自動通信等特點，得到了廣大用戶和市場的認可。在運行的安全可靠性、安裝使用便利性、維修維護簡易性等方面，也給使用者帶來了極大的好處，使之成為工業(yè)企業(yè)電動機節(jié)能的首選方式。

    為了節(jié)能降耗和提高機組的調(diào)節(jié)性能，電廠經(jīng)多方考察論證，決定采用北京利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT-A型2400kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。該項目主要設(shè)備包括：高壓變頻器4臺、強制式密閉冷卻裝置2套、空水冷卻系統(tǒng)4套。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一次風(fēng)機設(shè)備的變頻調(diào)速運行，維持風(fēng)壓穩(wěn)定，系統(tǒng)具備完善的閉鎖、聯(lián)鎖和設(shè)備保護等功能。變頻器滿足DCS原有控制邏輯的接口及控制需要，能夠根據(jù)單臺鍋爐運行工況、運行方式等信息自動實現(xiàn)兩變、兩工、單臺變頻或單臺工頻的風(fēng)壓自動調(diào)節(jié)控制功能。

    2.2 一次風(fēng)機系統(tǒng)參數(shù)

    該電廠每臺機組配有兩臺沈陽鼓風(fēng)機廠生產(chǎn)的雙吸入前彎型離心式一次風(fēng)機。風(fēng)機采用電機定速運轉(zhuǎn)、入口電動動葉調(diào)整風(fēng)機出力。一臺一次風(fēng)機容量為50％BMCR（鍋爐最大連續(xù)負荷）。其具體參數(shù)如下。

    風(fēng)機型號：G9-2×36No.17F；

    風(fēng)壓：15542 Pa；風(fēng)量：160.5 m³/s；

    電機型號：YKK710-4；額定功率：2400kW；、

    額定電壓：6kV；額定電流：260A；

    功率因數(shù)：0.921；絕緣等級：F；

    額定轉(zhuǎn)速：1494r/min。

    2.3 一次風(fēng)機變頻系統(tǒng)方案

    大唐盤山發(fā)電有限責任公司#3、#4爐一次風(fēng)機電動機額定功率為2400kW。通過對現(xiàn)有一次風(fēng)機動力系統(tǒng)的研究、分析，綜合其中存在的問題，以“先保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，提供最佳性價比方案”的原則對系統(tǒng)進行改造方案設(shè)計。每臺一次風(fēng)機采用一臺2400kW的高壓變頻器拖動，并配備“一拖一”手動旁路柜，以實現(xiàn)工頻/變頻切換。（以#3爐為例）：

         #3爐31一次風(fēng)機                                   #3爐32一次風(fēng)機

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖

    2.3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要功能：

    （1） #3爐31#一次風(fēng)機變頻運行、#3爐32#一次風(fēng)機變頻運行；

    （2） #3爐31#一次風(fēng)機工頻運行、#3爐32#一次風(fēng)機工頻備用；

    （3）單風(fēng)機工頻運行；

    （4）單風(fēng)機變頻運行；

    （5）變頻運行方式下，風(fēng)壓自動轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；

    （6）工頻運行方式下，風(fēng)壓自動風(fēng)門調(diào)節(jié)；

    系統(tǒng)采用一拖一手動工頻／變頻切換方案，它是由3個高壓隔離開關(guān)1G、2G和3G組成如圖2所示。變頻運行時，1G和3G閉合，3G斷開；工頻運行時，2G閉合，1G和3G斷開。

    高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有下列功能：

    （1）電機拖動風(fēng)機可實現(xiàn)軟起動（起動電流從零到額定值平滑過渡、無沖擊）和軟停車;

    （2）可實現(xiàn)線性化調(diào)速，系統(tǒng)調(diào)頻范圍0～50Hz。

    （3）調(diào)速區(qū)段內(nèi)的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制由機組DCS完成，DCS負責采集模擬量、開關(guān)量等信號，變頻器輸出的模擬量、開關(guān)量信號全部進入DCS系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，同時實現(xiàn)相關(guān)輔機的聯(lián)鎖功能等。

    （4）系統(tǒng)設(shè)有就地和遠方兩種控制途徑，就地控制是在變頻器處通過變頻器觸摸屏進行操作或應(yīng)急處理；遠方控制是在控制室內(nèi)進行，分為兩種工作方式：一種為遠方手動方式，在這種工作方式下，操作員通過DCS系統(tǒng)的CRT手動給定信號，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，改變電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的；一種方式為遠方自動方式，在這種工作方式下，轉(zhuǎn)速給定是在DCS系統(tǒng)中根據(jù)工況運用相關(guān)算法進行運算，得出相應(yīng)風(fēng)壓值，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)頻率值，輸出給變頻器，調(diào)節(jié)風(fēng)機的速度，使系統(tǒng)參數(shù)跟隨給定值變化，從而達到自動調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。

    （5）信息傳遞：變頻器可以實現(xiàn)同機組DCS系統(tǒng)的雙向信息傳遞，可完成自診斷、報警和接收指令的功能。變頻器可提供給DCS系統(tǒng)如下參量：輸出轉(zhuǎn)速、輸出電流、變頻器溫度等反饋信息，通過4～20mA電流源模擬量輸出。提供的開關(guān)量有：變頻器報警及故障信息、啟停狀態(tài)信息、高壓開關(guān)控制信號（高壓合閘允許、高壓開關(guān)緊急分斷）等。變頻器接收的DCS的模擬量信號為遠控轉(zhuǎn)速給定，開關(guān)量為遠方啟/停、高壓就緒信號等。

    （6）完備的保護功能：變頻器內(nèi)保護配置齊全，有運行中開門、冷卻風(fēng)扇停運、變頻器過熱、輸入電壓過低、負載超速、功率單元異常、接地等各種類型報警檢測功能，并完全具備對自身及電機的保護功能。

    （7）安全運行保障：

    機組運行過程中，由于各種原因發(fā)生廠用電切換，會造成控制電源消失，變頻器兩路電源可自動切換。

    當變頻器出現(xiàn)單元故障，變頻器可將故障單元旁路，并降額運行，避免不必要的停機。

    當變頻器整體故障或控制電源消失或按下緊急停機按鈕時，高壓變頻器高壓開關(guān)跳閘，切斷電源，同時參與聯(lián)鎖。

    （8）系統(tǒng)的變頻風(fēng)機實現(xiàn)變頻供電和電網(wǎng)供電相互切換運行，可手動切換，當變頻器發(fā)生異常后，風(fēng)機仍需要運行，這時可將電機切換到工頻電網(wǎng)起動。

    （9）變頻風(fēng)機具有互鎖功能，確保同一電機不出現(xiàn)變頻、工頻同時驅(qū)動，具有完善的保護、報警功能（包括信號檢測系統(tǒng)在內(nèi)）。

    2.3.2變頻器冷卻系統(tǒng)方案

    高壓變頻器對運行環(huán)境溫度通常要求在0～40℃，環(huán)境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護而跳閘，粉塵含量過高導(dǎo)致變頻器通風(fēng)濾網(wǎng)更換清洗維護量過高，增加維護費用。因此，采用何種冷卻方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

    按照高壓變頻器運行效率96％進行計算：變頻器的最大散熱功率為：變頻額定功率×4％。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，綜合考慮冷卻系統(tǒng)的投資和運營成本、設(shè)備維護量、無故障運行時間等因素，最終決定采用綜合散熱的方案：空水冷+強制密閉冷+室內(nèi)空調(diào)。

    即：在冬天等環(huán)境溫度較低的情況下，利用電廠內(nèi)自身的冷卻水資源，就可以滿足變頻器的散熱要求；當進入夏季時，由于環(huán)境溫度的升高和電廠負荷的增加，利用空水冷加強制密閉冷的方式可以迅速高效的將變頻器散發(fā)的熱量排出室內(nèi)，以保證設(shè)備的安全運行；為了應(yīng)對極端、特殊情況，在變頻器室內(nèi)另外又布置了兩臺5P空調(diào)，以備不時之需。

    3#機組3-1#一次風(fēng)機變頻器室改造后布局如圖3所示。

圖3 3-1#一次風(fēng)機變頻器室改布局

3#機組3-2#一次風(fēng)機變頻器室改造后布局如圖4所示。

圖4 3-2#一次風(fēng)機變頻器室改布局