轴流式引风机变频改造经济性及问题分析

赵瑞峰

（山西京玉发电有限责任公司， 山西 朔州 037200）

0 引言

动叶可调式风机广泛应用于电厂锅炉的送、引风机系统，这些风机往往功率较大，对机组的厂用电率占比较大，是主要的耗能设备。某电厂2 台引风机的耗电率占发电量的2%左右，是耗电量最大的2 台辅机。随着深调幅度的不断增加，机组的负荷率最低可到达30%～40%，全年的深度调峰时长达到3 400 h，占到机组全年运行时间的45%左右。在深调期间，风机动叶开关可到20%左右，导致引风机长期工作在低效区，经济性差，耗电率占比不断升高。随着大容量变频器技术的不断成熟，国内电厂已相继完成变频改造。因此，根据目前机组的运行工况，对2 台引风机进行变频改造。

1 系统改造概况

单台机组配置2 台风机并列运行，正常情况下，各带50%负荷。鉴于设备安全可靠运行要求，采用一拖一、带工频旁路方案。原有工频高压开关启停方式不变，新增加1 套变频运行模式、配备旁路切换开关。旁路开关与输出开关之间使用电气互锁和逻辑闭锁，防止变频器输出与6 kV 电源侧短路。变频器具备工频/变频切换功能，变频器可实现变频到工频的自动切换，也可由运行人员根据运行工况启动引风机工频运行。

2 空载运行

2.1 静态检查及试验

变频器静态检查[1]主要是检查各电路元器件的安装与接线是否正确牢固，系统的绝缘与接地是否安全可靠。常规检验合格后接通控制器电源、辅助电源，做二次回路调试，对测点、状态指示、联锁逻辑、防误系统和报警保护进行核对校验，核对电源相序，试验冷却系统，与DCS 对点、开关回路进行传动，检验各回路、开关和逻辑的正确性，模拟频率指令，检验频率跟踪。

2.2 电机单体试运

为检验高压回路，首先进行电机工频旁路单体试运，确认电机转向，切换主路变频方式单机试运电机，再确认电机转向。因本次改造电机为工频、稀油润滑电机，电机冷却风扇与电机同轴，需重点检验低转速下轴承冷却效果、电机冷却效果。在典型频率25Hz、30Hz、40Hz、45Hz 和50Hz 下，分别试运行30min，检验轴承温度、绕组温度以及电机振动情况。

2.3 工/变频切换试验

工频切换变频模式下，电机工频运行时在DCS发出切换指令或旁路开关故障跳闸，在旁路开关断开后变频器会自动跟踪点击转速，将变频器频率自动匹配到相应频率，切换为变频模式。变频切换工频模式，此模式只能由操作人员手动切换，将变频器频率升至工频频率，发出切换指令，通过开关切换来实现变频到工频的切换。

3 带载运行

3.1 单体带载

1）变频启动1 台引风机、风烟系统其他辅机配合启动。逐步提高锅炉总风量，手动调节变频器出力，使炉膛负压稳定在-100～0 Pa。记录总风量与变频器输出频率。

2）2 台引风机并联运行。逐步提高锅炉总风量，手动调节变频器出力，使炉膛负压稳定在-100～0 Pa。记录总风量与2 台变频器输出频率。记录不同频率及动叶开度下电机风机振动、电机风机轴承及绕组温度。

3.2 风机并列运行

在正常运行中，2 台引风机并列运行。在工频方式下，只需调节风机动叶来匹配2 台风机的出力。在变频方式下，风机出力受动叶开度及电机频率的共同影响，在带载过程中需进行风机并列试验，以找出最佳的并列运行方式。

1）将待并风机动叶开度与运行风机动叶开至一致，然后，逐步增加频率，将风机并入。此方式在运行风机动叶开度较小时容易并列。运行风机动叶开度达到60%～70%时再增加频率，2 台风机出力不一致，会出现抢风现象，造成变频风机过流跳闸。

2）将待并风机频率与运行风机频率调至一致，然后逐步开大动叶，将风机并入。此方式先增加转速使2 台风机的转速一致（如过程中风机出力过大，可关闭运行风机动叶来减小出力），模拟工频并列过程，无论动叶开度多大，均可顺利将风机并列。

3）在运行中风机是变工况的，出力随负荷的变化不断变化，轴流风机的性能曲线呈马鞍型，即风机的效率随动叶开大而升高。当到达某拐点后，随动叶开度增加，效率开始下降。如追求风机效率最高，则应尽量将动叶开度固定在拐点区域，通过调节频率来控制风机出力。只有在满频后风机出力仍达不到需求，才通过开大动叶来增加风机出力。但是，在调整过程中发现，在固定频率开大动叶的过程中，2 台风机经常出现抢风现象，因此，运行中尽量不要调节风机动叶。即使牺牲一定的经济性，也在并列初一次性将动叶开到满足最大工况需求。

3.3 动态扰动

炉膛负压调节系统自动给定不同的风量扰动值，幅度由小变大，来检验变频器的调节性能。

2 台引风机并列运行，变频器投入自动调节，手动停运1 台引风机，验证RB 动作时引风机的自动调节性能。

4 存在的问题及解决方案

在风机变频改造试运及调试过程中遇到的一些问题，有些已经解决或以妥协的方式解决，有些仍未找到问题的原因，在后续的运行过程中，需要重点解决。

4.1 电机冷却问题

风机电机冷却器与电机同轴，变频器改造后，低频下电机转速低，会出现冷却风量不足的情况。试运行时，在低频时段运行2 h 以上检验电机的冷却效果，如不能满足电机冷却需求，就应将冷却风机改造为外置式风机。

4.2 工/变频切换问题

进行工/变频切换试验时发现，在由工频切换变频时，因有变频器介入，跟踪转速可做到无扰切换。但此方式只有变频器故障检修后切换时才可能用到，由于切换过程转速有一定的衰减，切换后，变频器需快速提升频率以跟踪运行风机，此过程中因动叶开度较大，频率调节时对锅炉负压影响较大，还需根据负压调整动叶，切换过程中需要考虑的因素较多，有一定的调整难度，相比工/ 变频切换，工频风机停运后再变频启动并列操作更加可靠。

由变频切工频时，因切换过程中转速衰减出现转速差，对电机、风机均有一定的冲击。2 台风机并列运行时，如1 台故障跳闸切工频，此时，另1 台变频风机需快速由频率调节转换为动叶调节，即快速提升频率至工频，关小动叶。由于变频器开关的切换时间为秒级，而另一台风机的调节速度至少在十几秒内。在调节过程中因参与调节的量过多，会引发锅炉负压保护动作。同时，在切换时还需区分变频器本身故障还是电机或电缆故障，可能出现保护误判断而切换在故障设备上。因此，选择变频器故障时直接跳闸触发RB，舍弃变频切工频功能。

4.3 风机振动喘振问题

风机振动问题在试运过程中各频率段均未出现，在低转速时风机的振动正常，仅在41 Hz 时风机振动偏大，达到3.5 mm/s，但也在合格范围内。在风机低转速时，出口压力会下降。但在全频率下，风机均未出现喘振失速情况。

4.4 风机并列抢风问题

在风机并列运行调整风机动叶时，会出现风机抢风问题，且每次出现的频率与动叶开度都是随机的。在抢风时，另一台风机会完全不出力，导致炉膛负压出现大幅度波动。尤其在高负荷时，一旦抢风，会导致锅炉负压保护动作。目前，抢风的原因尚不完全清楚。因此，并列时尽量将动叶开到最大，只使用频率调节。在后续的运行过程中，需要重点关注风机并列抢风问题，并加以解决。

4.5 调节速度问题

变频器的频率升、降因模块过电压的限制，调至全频率最快为90 s，而风机动叶从全关到全开的行程时间为45 s。动叶调整改为频率调整后，在正常工况下，变频调整的调节特性优于动叶调整。但在事故状态下，由于调节速率的限制，频率调整要比动叶调整差。在故障工况下，需加大其他风机调节力度来共同完成故障工况下的调节。

5 节能效果

由于不同负荷下的节能效果不同，因此，先对比不同工况下的节能效果，再根据各负荷下的节能率及全年各负荷的运行时间，计算各负荷下全年的节能量。然后，计算全年的节能效果。计算2021 年改造后总的节电率以及全年的节电量，对其节能效果和经济效益做出评估。

表1 为21 引风机和22 引风机改造前后，负荷段分别在130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 工况下的耗电量对比。

表1 各负荷段下引风机耗电量对比分析表

如表1 所示，随着机组负荷的上升，机组变频改造的节电率下降。为了更好地对引风机变频改造经济性进行分析评估，将2 号机组2021 年1—12 月机组负荷历史数据生成负荷数据报表，分别划分至130 MW、170 MW、250 MW、300 MW 和330 MW 负荷段，对其进行统计，得出2021 年度各负荷段运行时间，其结果如表2 所示。

表2 各负荷段节电分析表

表2 中，分析了各负荷段节电状况，根据每个负荷段的全年运行时间与总的运行时间比值作为权重比，再分别对每个负荷段节电率进行加权求和，得出2号机组各运行工况下的节电率加权和为32.02%，变频改造后，全年总的节电量为6 622 160 kW·h。根据最新上网电价400.00 元/（MW·h）计算，2021 年全年运行6 989 h，可增加经济收益264.87 万元。

6 结论

6.1 运行可靠性

轴流式风机的变频改造不同于离心式风机，需要综合考虑频率与动叶的配合调节，尤其是双风机并列运行方式，改造后，由动叶单一变量变为动叶频率双变量调节，给热工逻辑及运行调节带来一定的挑战。同时，因轴流式风机压头低、稳定较差，易出现抢风、喘振。在变频模式下转速降低后，并列运行风机对压头变化更加敏感，给运行调节带来较大困难。

6.2 经济性

根据节能计算，变频改造后，在低频段内节能效果明显，在机组40%负荷率下，节电率可达到50%以上。随着负荷率升高，节电率逐渐降低，机组为90%以上负荷、频率为45 Hz 以上时，节电效果变差。满频运行时，能耗甚至高于工频，这一规律也符合变频器节能原理。因此，经济性与机组的运行方式关系较大，如机组50%负荷率以下时间占到全年运行时间的30%以上时，则改造后的效益较明显。如机组负荷率平均为70%，且调峰时间较少，则改造的效益就不太明显了。