变频调速系统在电站控制中的应用方案

在火电厂中的风机、水泵、给粉机和给煤机等拖动设备，由于过去交流电动机不能调速，不得不用控制挡板、控制阀和转差电动机来控制风量、水量和给粉（煤）量。造成大量节流损失和转差功率消耗，能源浪费严重，因此尽快推广使用变频调速技术对节电和提高热工自动投入率都具有十分重要的意义。图8-3-16是变频器用于过程控制中的典型结构，由此可以变化构成各种完成简单或复杂任务的调速控制系统。

图8-3-16 变频器用于过程控制中的典型结构

1.电站锅炉给粉变频调速控制系统

（1）系统概述

发电厂的燃料量随着负荷和工况变化而改变。中储式燃煤机组改变燃料量的手段是通过改变给粉机转速来实现的。目前常见的控制方式是采用转差电动机进行变速控制，这种方式的缺点是调速非线性、运行不稳定、不节能、转差电动机的电磁场线圈易被煤粉堵塞而烧坏，运行可靠性差。给粉变频控制系统具有节能、调速线性、运行可靠、报警保护完善、经济性好等优点，是电厂给粉机转速调节系统设计与改造中的首选方案。

（2）系统特点

1）变频调速系统可与各种模拟仪表、单回路数字调节器、计算机控制系统（IPCS）、DCS配套使用，实现过程自动控制。

2）交流电动机安装在现场，而控制柜安装在电气控制室，使设备运行条件得到了改善，减少了现场维护量。

3）如果更换控制装置或变更控制方式，操作器可通过跳线方式实现电流/电压开关量的输入/输出，不需更换电缆。

图8-3-17 锅炉给粉机变频调速控制系统构成

（3）系统构成

锅炉给粉机变频调速控制系统主要由操作器、带双电源的变频控制柜、电动机以及给粉机组成。如果机组采用DCS控制，则主汽压力调节装置、操作器功能可以由DCS实现。其组成示意图如图8-3-17所示。

（4）主汽压控制装置及主汽压控制策略

主汽压调节装置可以采用模拟仪表、单回路数字调节器、计算机控制系统（IPCS）、DCS等，主汽压力控制品质都可以控制在±0.05MPa以内。

如图8-3-18所示，采用能量平衡法控制主汽压力，控制锅炉发热量与汽机调门开度信号平衡，即调节器指令为汽机调门开度K_d

K_d=P₀P₁/P_t （8-3-2）

式中 P₀——主汽压力设定值；

P₁——汽机调整级压力；

P_t——主汽压力测量值。

测量值为锅炉发热量Q。

Q=P₁+d（P_d）/dt （8-3-3）

式中 P_d——锅筒压力。

系统稳定时，调节器输入偏差为0，即下式成立：

P₀P₁/P_t=P₁+d（P_d）/dt （8-3-4）(www.xing528.com)

由于系统稳定时，锅筒压力的微分为0，式（8-3-4）变为：

P_t=P₀ （8-3-5）

由此可见，采用能量平衡法控制主汽压力，虽然没有主汽压力调节器，但也能保证主汽压力等于设定值。

图8-3-18中，n为所有给粉机转速的平均值，在热量调节器后加上煤量调节器，它的作用是当给粉机切投或某只给粉机手动操作时，保证主汽压力无扰动。

在控制系统PID参数优化基础上投入运行，按上述控制方案可保证在稳态负荷时的主汽压偏差在±0.05MPa以内，配合控制系统跟踪功能，当给粉机切投或某只给粉机手动操作时，可以保证主汽压力无扰动。

图8-3-18 主汽压控制策略

2.锅炉给水泵变频调速控制系统

（1）传统给水泵非变频工作方式

控制系统负责向锅炉不间断供水，保证锅炉正常运行。某厂现有锅炉5台，总蒸发量126t/h，供给本厂及相邻各厂的生产和生活用汽。实际运行中炉前蒸汽压力较低，夏季一般为0.4～0.6MPa，冬季一般为0.5～0.7MPa，蒸发量变化较大，夏季20～35t/h，冬季90～110t/h。与锅炉相配套的给水泵为4GC—8X5型，共6台，分为2组，每组3台，通过母管向各台锅炉供水。每台泵的额定流量55m³/h，扬程19m，驱动电动机功率55kW。运行方式是夏季开1～2台，冬季开2～3台，其余备用。运行时，由于锅炉给水泵的供水能力大于锅炉的蒸发量，尤其是当锅炉负载愈轻时，二者的差值愈大，因此必须实行流量调节。传统的给水泵是连续恒速运行的，流量调节通过调节阀和回流支路来实现（如图8-3-19所示）。

图8-3-19 传统给水泵工作方式

（2）改用变频控制的必要性分析

两种传统控制方法都存在明显的缺陷：采用调节阀时，随着阀门开度的减小，水泵出口压力上升，达到2MPa以上，阀门两侧的压差将增大，达到1.3MPa以上，远远大于原设计的水泵出口压力高于锅炉锅筒压力0.5MPa（包括给水垂直落差及管路压降）的要求，不但造成能量的浪费，而且使得水泵的振动和磨损加大，寿命缩短。采用回流支路调节时，大量水的回流同样造成能量的无谓消耗。因此，对给水系统实施技术改造，降低水泵的出口压力，消除回流，减少能源消耗和设备磨损，已成大势所趋。

众所周知，水泵运行遵循如下规律：流量q与转速n成正比，扬程（压力）h与转速n的平方成正比，轴功率p与转速n的三次方成正比，电动机的转速n与电源的频率f成正比，因此改变电源频率就可改变电动机即给水泵的转速。

水泵采用变频调速后，给水流量的调节就可通过改变转速的方法来实现，此时调节阀可开到最大开度，回流支路可切除。既能够方便地调节流量，又可降低能量消耗，使这一问题获得圆满的解决。

（3）给水泵变频控制系统设计方案

可以实施以下两种控制方案：

1）恒压供水，通过变频调速，使水泵的出口压力略高于锅炉锅筒压力，且为一恒定值，可使水泵出口压力得以降低。但其出口压力必须大于锅筒的最大压力，否则当锅炉锅筒压力大于水泵出口压力时，将无法保证锅炉正常上水。当锅筒压力较低时，与水泵出口压力的差值仍然较大，上述现象仍不能有效改善。

2）差压供水，分别取锅炉锅筒及水泵出口的压力，送入差压变送器，其压差信号经PID调节器与设定值（给定）进行比较后，送到变频器，控制电动机（水泵）的转速，构成闭环控制系统。如图8-3-20所示。

运行中随着锅炉锅筒压力的变化，变频器的输出频率将自动改变，水泵的转速也相应改变，始终使水泵的出口压力跟踪且大于锅炉锅筒压力，其差值保持在设定值。这样在绝大部分时间里，水泵的运行速度将低于额定转速，因此不但水泵的功率消耗将大幅度降低，而且水泵的磨损也大为减轻。显然，第二种方案在节能效果、安全性、频繁操作程度等各个方面皆优于第一种方案。

图8-3-20 给水泵变频调速工作方式

目前，变频调速在火电厂锅炉给水、送、引风、给粉机等系统的应用已经开始推广，高压大功率变频调速器在火电厂的应用与推广将是必然趋势，所带来的节能和经济效益将是相当可观的，对于缓解能源紧张状况具有十分积极的意义。