CN104329281A - 一种动叶可调式引风机变频节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了动叶可调式引风机变频节能系统，是一种通过对现有新建和在役火力发电厂锅炉动叶可调式引风机的运行、调节方式进行优化，利用专用动叶可调式引风机高压大功率变频器驱动动叶可调式引风机，使其既能达到节能降耗的目的，同时也能提高系统整体运行可靠性 ；本发明的目的是在传统动叶可调式引风机连接方式不变的基础上，在电源断路器与电动机之间配置动叶可调式引风机变频节能系统，通过工频、变频回路的切换可以实现动叶可调式引风机的四种运行方式，即是在利用该节能系统既可以实现动叶可调式引风机处于高效经济工作点的变频调速运行，同时也保留了原有动叶可调式引风机系统在改造之前的工频定速的调节方式。

Description

一种动叶可调式引风机变频节能系统

技术领域

本发明涉及机电结合节能调速领域，特别是涉及一种动叶可调式引风机变频器节能系统。

背景技术

在役或者新建火力发电机组的锅炉引风机系统大多数采用的是动叶可调式轴流风机（如FAF系列、SAF系列等），其主要通过改变动叶可调式引风机叶片的开度来实现对风机输出风量、风压的控制及改变，以适应火电厂发电负荷调整、变化的需要。动叶可调式引风机相比于传统的离心风机、静叶可调式引风机，其在一定的叶片开度调节范围内能够保证较高的工作效率，所以通常人们认为对于在役或者新建火力发电机组锅炉动叶可调式引风机进行变频改造无法达到其节能降耗的目的，所以行业内一直都存在一个误区：动叶可调式引风机不适合进行变频改造。

但是，从目前国内在役火力发电厂锅炉动叶可调式引风机的实际运行情况，及火力发电厂设计技术规范两个层面来看，一般在对锅炉配套风机容量进行设计时，从发电机组运行的安全性考虑出发，单侧风机运行时，需具备带75%负荷运行的能力，这样一来，当双侧风机同时运行，即便机组带到额定负荷时实现满发时，引风机的设计余量一般在20%—30%左右（若当地煤质情况较差或其他原因将会导致风机的设计余量更大），风机叶片的整体开度一般处于在30%—100%这个区间内，但是主要以集中在50%-60%范围内居多，由此可见风机并未处于其风机设计之初的最佳经济运行工作点运行。在役火力发电机组运行中，由于电网负荷的需要，火力发电机组往往是需要根据电网公司的要求实现调峰运行，机组负荷率经常处于50%—75%之间，动叶可调式引风机的叶片开度大多处于30%—80%，往往处于40%—50%范围内居多，使得绝大多数引风机更加偏离其设计的最佳经济运行工作点运行。基于以上两种情况，可以得出目前在大多数火力发电厂中，其配套的动叶可调式引风机的运行方式是不经济的，而且对其实施变频改造实现节能降耗是可行的，其潜在的节电空间一般在20%甚至更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动叶可调式引风机变频节能系统，使动叶可调式引风机在整个运行区间内始终处于最高或者较高效率点工作，同时既可以实现变频调速运行，又可以切换至原有工频定速运行，还能实现多种调节方式相结合，即是通过变频器对电动机调速，又通过调节风机的叶片同时对风机风量进行调整。为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种动叶可调式引风机变频节能系统，所述系统包括电源断路器、变频器、工频旁路、电动机以及动叶可调式引风机；变频器与工频旁路并联，并联后的两端分别与电源断路器、电动机相连；电动机与动叶可调式引风机相连。

进一步的，所述变频器采用高压大功率变频器，电压范围介于3kV~11kV，功率不小于500kW。

进一步的，当通过工频旁路系统对电动机进行定速驱动时，所述动叶可调式引风机通过调整引风机叶片开度调节、控制引风机的输出风量、输出风压。

进一步的，所述动叶可调式引风机叶片开度范围为30%~100%。根据电厂现场实际配置和运行情况，所述叶片开度范围在此范围内达到较佳的运行效果。

进一步的，通过变频器对电动机进行可变速驱动时，将变频器作为电动机输入的可调变频电源，并将变频器输出电压的输出频率固定在20Hz~60Hz之间的固定频率点，通过调整引风机叶片开度来调节、控制引风机的输出风量、输出风压。

进一步的，所述系统变频驱动引风机时，同时通过调节引风机转速和叶片开度来调节风机的输出风量、输出风压。

进一步的，还包括上位DCS控制系统，变频器通过与上位DCS控制系统配合自动获取引风机在不同转速下、不同叶片开度下所对应的引风机的实际电流、电压、功率因数、功耗等多组运行数据；然后根据系统的控制算法对获取的多组数据进行计算，并逐一进行分析，确定出机组在不同发电负荷下，引风机的最佳转速及叶片开度值。

进一步的，所述变频器具备引风机轴系扭振的抑制功能。

进一步的，所述变频器的引风机轴系扭振的抑制功能实现方法如下：

a、启动阶段：电动机的额定电压是，额定频率是                                               ，系统空载启动，计算变频器的电压给定值：变频器控制系统采用恒压频比的方式，电压给定信号的频率经时间从0线性增加到，期间电压给定信号的幅值从0线性增加到，其中，和的选取由现场需求决定；

b、根据步骤a中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到变频器输出电压；

c、启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

d、在带载运行过程中，变频器检测到风机或水泵出力不足或过剩时，向变频器发出控制指令，增加或降低电压给定信号的频率和幅值，其中电压给定信号的频率和幅值应保持的弱磁关系，其中；

e、根据步骤（4）中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到输出电压；

f、增加或降低电压给定信号的频率和幅值过程，持续到变频器控制系统检测到风机或水泵出力满足实际需求。

进一步的，步骤a中k的取值为1.1~1.9；步骤d中k的取值为1.1~1.9；采用该数值既能满足引风机的转矩与转速的平方关系，又能降低扭振的幅度。

进一步的，所述系统采用变频调速输入，即通过调节变频器的输出频率对电动机进行可变速驱动时，固定动叶可调式引风机叶片在一对应效率较高的位置，调整引风机运行转速控制风机的输出风量、输出风压。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

该系统具备四种运行方式，其一为原有工频定速运行方式；其二为变频器固定频率输出，通过调整叶片开度调整引风机输出风量及风压的运行方式；其三是固定动叶可调式引风机的叶片开度，通过调整引风机转速调节其输出风量及风压的运行方式；其四为两者同时作用即是既通过变频器改变风机运行转速同时，又通过叶片开度调整风机风量及风压相结合的运行方式。四种运行方式可以实现相互切换，互为备用提高引风机系统运行的安全性和可靠性。

通过动叶可调式引风机变频节能系统，可以改变现有风机输出风量的调节方式，风机可以根据机组负荷的变化，通过变频调速方式及变频调速与叶片调整相结合的方式实现对风量的控制，并且在整个调速范围内，风机始终保持在一个最高效率点或者较高效率点运行，以达到引风机节能降耗的目的。

所述变频器采用了的轴系扭振的抑制方法，控制方法通用性强，不涉及电机内部参数；控制方法实施简便，可直接用于现有的风机系统，不需要改变机械结构或在电机轴上加装速度传感器以构成速度反馈；该系统能够有效地降低电动机与风机之间的轴上产生的特定频率的振动分量保证风机稳定运行。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种动叶可调式引风机变频节能系统进行进一步描述。

由图1所示，本发明在电源断路器与电动机之间，安装动叶可调式引风机变频节能系统，通过工频、变频切换使风机具备四种运行方式，第一种运行方式是工频定速输入时，通过该节能系统的工频旁路系统，利用调整动叶可调式引风机的叶片开度实现引风机输出风量的控制以达到系统运行要求；第二种方式是将变频器以固定频率输出，通过调节动叶可调式引风机的叶片开度实现引风机输出风量的控制已达到系统运行要求；第三种运行方式是变频调速输入时，固定动叶可调式引风机的叶片开度，通过动叶可调式引风机专用高压大功率变频器驱动动叶可调式引风机，利用调整其运行转速实现对引风机输出风量、输出风压的控制达到系统运行要求；第四种运行方式是为两者同时工作，即是通过变频器调节动叶可调式引风机转速的同时，再通过对风机的叶片开度的调整一并实现对风机输出风量及输出风压调节的运行方式，这四种运行方式可实现相互切换，互为备用。

当应用动叶可调式引风机变频节能系统对动叶可调式引风机实现变频调速驱动时，既可以使动叶可调式引风机的叶片开度固定在通过计算及流体模型仿真确定的开度值，使得动叶可调式引风机处于最高效率或者较高效率工作点，通过变频器改变风机运行转速来控制风机的输出风量、输出风压；也可以通过该系统利用变频器改变引风机转速和改变引风机叶片开度同时作用控制风机的输出风量、输出风压。其对应的引风机效率值处于风机高效率区，远远高于工频定速输入时，单独通过调整叶片开度改变引风机输出风量时的对应引风机效率值。

针对现有火力发电厂的动叶可调式引风机系统实际运行遇到的以上问题，本发明将会对现有动叶可调式引风机的运行方式进行优化及调整。

第一种方式及是当动叶可调式引风机退出变频调速运行时，利用该系统的工频旁路系统可以切换到原有传统动叶可调式风机单独通过调节其动叶开度来实现对风量、风压的控制的工频定速运行。

第二种方式是将变频器作为电动机的变频电源使用，根据引风机实际运行的工况，根据动叶可调式引风机在不同机组负荷下的数据（如不同负荷下，风机运行时叶片开度调整范围，对应的风量、风压数值等），描绘出动叶可调式引风机在工频定速实际运行中的实际负荷曲线，找出引风机实际运行工作点，再对比风机厂家所提供的该动叶可调式引风机的性能曲线，在保证风机出力足够，满足实际工况的情况下计算出变频器输出的固定频率，并设置变频器输出这一频率的电压驱动引风机运行，根据引风机变频改造现场实际运行数据，其改造后的变频器通常在20Hz~60Hz的频率值运行节能效果较佳，通过调节动叶可调式引风机叶片的开度来调节风机输出风量、输出风压，并确保动叶可调式引风机在整个叶片开度调整范围始终处于一个较高的工作效率区间。

第三种方式是基于现有动叶可调式引风机的实际运行工况数据，引风机系统管网特性，分析风机在实际运行的工况，根动叶可调式引风机在不同机组负荷下的数据（如不同负荷下，风机运行时叶片开度调整范围，对应的风量、风压数值等），描绘出动叶可调式引风机在工频定速实际运行中的实际负荷曲线，找出引风机实际运行工作点，再对比风机厂家所提供的该动叶可调式引风机的性能曲线，确定在系统配置动叶可调式引风机变频节能系统后，变频器调速运行时的风机叶片的固定开度，使引风机在变频调速下稳定运行，且对应能够满足在不同机组负荷情况下，原有风机工频定速运行时系统需求的风量、风压等要求，并且引风机的工作效率一直处于高效率点，在实际运行过程中有可能会根据现场实际运行情况再对叶片的固定开度进行修正及调整。

第四种方式利用该系统变频驱动动叶可调式引风机运行时，在机组不同发电负荷下，变频器通过与上位DCS控制系统配合自动获取引风机在不同转速下、不同叶片开度下所对应的引风机的实际电流、电压、功率因数、功耗等多组运行数据，然后根据系统的控制算法对获取的多组数据进行计算，然后逐一进行分析，确定出机组在不同发电负荷下，引风机的最佳运行转速及叶片开度值即是在此发电负荷下，引风机工作频率和叶片开度值同时调整到此组数值时，引风机处于最佳工作点运行，即在满足工况所需风量、风压的同时，使得风机处于最高效率变频运行。

动叶可调式引风机在以上三种方式进行变频调速运行，将会保证动叶可调式风机一直处于高效率区运行，并通过变频器调节风机转速来改变风机的输出风量及压力以适应火电厂发电负荷的变化，达到动叶可调式引风机的节能降耗的目的。

本发明设计简单合理、实用经济性、可靠性高，具有四种运行方式，即工频定速输入时可以实现动叶可调式引风机的通过调整风机叶片开度来控制、调整风机风量；变频调速输入时，将引风机叶片的开度固定，通过变频器调整风机转速来控制风机风量；两种调节方式的相结合即通过调节风机转速和叶片调整两者相结合来控制风机风量。动叶可调式引风机变频节能系统，由于其综合效率高，并且具备输出电流振动抑制功能、工变频切换功能及配套的灵敏电机保护功能，安全性、可靠性高，方便灵活，可用于200MW、300MW、600MW和1000MW在役、在建火力发电机组锅炉配套动叶可调式引风机系统的变频节能综合改造项目，改造后动叶可调式引风机平均一般可以节电20%左右，甚至更高。

本动叶可调式引风机变频节能系统所配置的专用高压大功率变频器具备输出电流振动抑制功能，当由专用动叶可调式引风机高压大功率变频器对电动机进行变速驱动经由机械连接装置使风机运转时，该系统可以通过控制有效地降低电动机与风机之间的轴上产生的特定频率的振动分量保证风机稳定运行。

此外，本动叶可调式引风机变频节能系统所配置的专用高压大功率变频器具备风机轴系振动抑制功能，当由专用动叶可调式引风机高压大功率变频器对电动机进行可变速驱动时，经由机械连接装置使风机运转时，该功能可以通过控制有效地降低电动机与风机之间的轴上产生的特定频率的振动分量保证风机稳定运行。为了实现风机扭振抑制功能，变频器采用了一种轴系扭振的抑制方法，该方法包括如下步骤：

a、启动阶段：电动机的额定电压是，额定频率是，系统空载启动，计算变频器的电压给定值：变频器控制系统采用恒压频比的方式，电压给定信号的频率经时间从0线性增加到，期间电压给定信号的幅值从0线性增加到，其中，和的选取由现场需求决定；

b、根据步骤a中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到变频器输出电压；

c、启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

d、在带载运行过程中，变频器检测到风机或水泵出力不足或过剩时，向变频器发出控制指令，增加或降低电压给定信号的频率和幅值，其中电压给定信号的频率和幅值应保持的弱磁关系，其中；

e、根据步骤（4）中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到输出电压；

f、增加或降低电压给定信号的频率和幅值过程，持续到变频器控制系统检测到风机或水泵出力满足实际需求。

本控制方法通用性强，不涉及电机内部参数；控制方法实施简便，可直接用于现有的风机系统，不需要改变机械结构或在电机轴上加装速度传感器以构成速度反馈。

本发明适用于在役、在建火力发电厂锅炉动叶可调式引风机变频节能综合升级改造。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。 

Claims (11)

1.一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：所述系统包括电源断路器、变频器、工频旁路、电动机以及动叶可调式引风机；变频器与工频旁路并联，并联后的两端分别与电源断路器、电动机相连；电动机与动叶可调式引风机相连。

2.根据权利要求1所述的一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：所述变频器采用高压大功率变频器，电压范围介于3kV~11kV，功率不小于500kW。

3.根据权利要求1或2所述的任一一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：当通过工频旁路系统对电动机进行定速驱动时，所述动叶可调式引风机通过调整引风机叶片开度调节、控制引风机的输出风量、输出风压。

4.根据权利要求3所述的一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：所述动叶可调式风机叶片开度范围为30%~100%。

5.根据权利要求1或2所述的任一一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：通过变频器对电动机进行可变速驱动时，将变频器作为电动机输入的可调变频电源，并将变频器输出电压的输出频率固定在20Hz~60Hz之间的固定频率点，通过调整引风机叶片开度来调节、控制引风机的输出风量、输出风压。

6.根据权利要求1或2所述的任一一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：所述系统变频驱动引风机时，同时通过调节引风机转速和叶片开度来调节风机的输出风量、输出风压。

7.根据权利要求6所述的一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：还包括上位DCS控制系统，变频器通过与上位DCS控制系统配合自动获取引风机在不同转速下、不同叶片开度下所对应的引风机的实际电流、电压、功率因数、功耗等多组运行数据；然后根据系统的控制算法对获取的多组数据进行计算，并逐一进行分析，确定出机组在不同发电负荷下，引风机的最佳转速及叶片开度值。

8.根据权利要求1、2、4或7所述的任一一种动叶可调式风机变频节能系统，其特征在于：所述变频器具备引风机轴系扭振的抑制功能。

9.根据权利要求8所述的一种动叶可调式风机变频节能系统，其特征在于：所述变频器的引风机轴系扭振的抑制功能实现方法如下：

a、启动阶段：电动机的额定电压是，额定频率是，系统空载启动，计算变频器的电压给定值：变频器控制系统采用恒压频比的方式，电压给定信号的频率经时间从0线性增加到，期间电压给定信号的幅值从0线性增加到，其中，和                                               的选取由现场需求决定；

b、根据步骤a中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到变频器输出电压；

c、启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

d、在带载运行过程中，变频器检测到风机或水泵出力不足或过剩时，向变频器发出控制指令，增加或降低电压给定信号的频率和幅值，其中电压给定信号的频率和幅值应保持的弱磁关系，其中；

e、根据步骤（4）中计算得到的电压给定值，变频器控制系统进行随机PWM调制，得到输出电压；

f、增加或降低电压给定信号的频率和幅值过程，持续到变频器控制系统检测到风机或水泵出力满足实际需求。

10.根据权利要求9所述的一种动叶可调式风机变频节能系统，其特征在于：

步骤a中k的取值为1.1~1.9；步骤d中k的取值为1.1~1.9。

11.根据权利要求1或2所述的任一一种动叶可调式引风机变频节能系统，其特征在于：所述系统采用变频调速输入，即通过调节变频器的输出频率对电动机进行可变速驱动时，固定动叶可调式引风机叶片在一对应效率较高的位置，调整引风机运行转速控制风机的输出风量、输出风压。