火力发电机组轴流风机并列运行自动控制研究.pdf

第 2 9卷第 5期 2 0 1 5年 9月 发 电 没 务 P OWER EQUI P MENT Vo 1 ． 2 9。NO ． 5 Se p t ． 2 01 5 火力发 电机组轴流风机并列运行 自动控制研 究 马天 霆 ，胡轶群 神 华 国华 北京 电力研 究院有 限公 司 ，北京 1 0 0 0 3 3 摘要 分析 了风机并列运行 中的扰动 、 失速、 喘振和抢风等异常的原因 ， 提 出了速率 自适应 动 静 叶平 衡 回路 、 增益 自动调整 回路 、 负载平衡回路和超驰 闭锁 控制 回路 等 自动控制策 略。实 践表 明 通过对 风机常 规控制系统 的完善 ， 实现 了风机 的并 人 、 退 出和正 常并 列运 行等 各过 程的 自动控 制 ， 提高 了风机 运行 的安 全 性 。 关键词 轴流风机 ； 并 列运行 ；自动控制 中图分类号 T K2 2 3 ． 2 6 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 - 0 8 6 X 2 0 1 5 0 5 0 3 4 0 0 5 S t u d y o n Au t o m a t i c Co nt r o l f o r Pa r a l l e l Op e r a t i o n o f Ax i a l Fl o w Fa n s i n Th e r m a l Po we r Uni t s M a Ti a n t i n g，H u Yi q u n S h e n h u a Gu o h u a Be i j i n g E l e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e Co ． ，Lt d ． ，Be i j i n g 1 0 0 0 3 3，C h i n a Abs t r ac t An a nal y s i s wa s c ond uc t e d t o f ol l owi ng unu s ua l c on di t i on s oc c u r r i ng i n pa r a l l e l o pe r a t i o n o f ax i a l f l ow f a ns ，s u c h a s d i s t ur ba nc e，s t al l ，s ur g e a n d bl owe r pi nc h，e t c．，ba s e d o n whi c h a ut oma t i c c ont r o l s t r a t e g i e s we r e p u t f o r wa r d f o r t h e a d a p t i v e r a t e r o t o r s t a t o r b l a d e b a l a n c e c i r c u i t ， a u t o ma t i c g a i n a d j u s t me n t c i r c u i t ， l o a d b a l a n c e c i r c u i t a n d o v e r r i d e l o c k u p c i r c u i t ．Re s u l t s s h o w t h a t b y o p t i mi z i n g t h e c on ve nt i ona l c on t r ol s ys t e m of ab ov e a xi a l f a ns ，a ut oma t i c c ont r ol s c an b e a c hi e v e d i n t h e pr oc e s s of f an j o i n i n g ， q u i t t i n g a n d p a r a l l e l o p e r a t i o n ， t h u s o b t a i n i n g e n h a n c e d s a f e t y o f f a n o p e r a t i o n ． Ke y wo r dsa x i a l f l o w f a n；pa r al l e l ope r at i on；a ut oma t i c c ont r o l 大 型火 力 发 电机 组 风 机 ， 包 括 送 风 机 、 引 风 机和 一次 风机 ， 通 常采 用 双列 布 置 的 动 静 叶 可 调式 轴 流 风 机 ， 并 在 风 机 出 人 口设 置 联 络 风 道 ， 在正 常工 况 下 两 台 风机 处 于 并 列 运 行 方 式 。 在单台风机并人或退 出运行时必须进行适 当的 控 制 ， 尽可 能地减 小 并 、 退 过程 中对 控 制参 数 风 量 、 炉膛 负压 或一 次 风 压 的扰动 ， 避 免 对 锅 炉 燃 烧 的影 响 ， 同时 要 防止 风 机 进 入 不 稳 定 工 况 出 现 失速 、 喘振 等异 常 。 目前火 电机组 常 规 自动 控 制 系 统 ， 一般 都 没 有 设计 风机 自动 并入 、 退 出 的控 制 逻辑 。并 入 风 机 时 ， 待第 二 台 风 机启 动后 ， 需 要 由运 行 人 员 手 动调 整该 风机 的动 静 叶 ， 使得 两 台风机 负 载 平 衡后 再 将 该 风 机 控 制 投 入 自动 模 式 ； 退 出 风 机 时 ， 先 将待 退 出风 机 的 自动模 式 解 除 ， 逐 渐 关 闭 动 静 叶后 将 风机 停 运 。随 着机 组 容 量 增 大 ， 对 自动化 程度 的要求 也 随 之提 高 ， 风 机 和锅 炉 运 行 密 切相关 ， 有必 要将 风 机 的并 人 和 退 出操 作 采 取 自动控制 ， 并对 正 常并 列 运行 时 的 异 常工 况 采 取 一 些安全控制策略， 这对机组 的安全经济运行大 为有 利 。 1 轴流风机的特性 一 般轴 流 风 机 的性 能 曲线 见 图 1 ， 全压 和 流 量 p - q 。 性 能 曲线 呈 马 鞍形 ， 随 风机 流 量 的减 少 ， 风机全压先逐渐增 加， 当达 到性能 曲线 的 A点 后 ， 全压开始下 降， 但 是当流量继续减 小到 B点 后 ， 全 压 又 开 始 上 升 。 风 机 的 工 作 点 就 是 风 机 p - q 曲线 和管路 阻力 曲线 的交 点 ， 当交 点 位 于 在 A 点右 侧 的 区 域 时 ， 风 机 可 稳 定 工 作 ， 流 体 在 风 机 动叶 中流 动平稳 、 均匀 。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 2 0 9 作者简介 马天霆 1 9 8 2 一 ， 男 ， 工程师 ， 主要从事火力发电厂热工控制技术 。 E ma i l p o n y mt t 1 6 3 ． t o m 第 5 期 马天霆等 火力发 电机组轴流风机并列运行 自动控制研 究 出 沉 量 q 图 1 轴流风机性能曲线 对 于 动 叶 可 调 的轴 流 风 机 ， 在 运 行 中改 变 动 叶 角 度 ， p - q 也 发 生 相 应 变 化 。图 2为 某 风 机 动 叶 角 度从 一 2 5 。 变 化 到 2 5 。 相 应 的风 机 全 压 、 流量 和效 率 的 变 化 情 况 ， 其 中 失 速 线 以 上 区 域 未 给 出 即对 应 图 1中 A 点 左 侧 区 域 ， 右 下 区域 是 风 机 稳 定 运 转 的 工 况 区 ， 椭 圆形 曲线 是 风机的等效率线 。风机 的实际运行点就是 动叶 角度对应 的各簇 p - q 线和管路阻力 曲线的一系 列 交 点 。 - B M C R 3 2 7 ， 3 1 7 0 管路 阻力 曲线 0 80 1 6 o 2 40 3 2 U 4 00 48 0 6 U 6 40 7 2 0 流量／ m3 图 2 某动叶可调轴 流风机性能 曲线 两 台性 能 基 本 相 同的 风 机并 联 运 行 时 具 有 相同的全压 ， 管 路 的流 量为 两 台风机 的流量 之 和 ， 但 总流 量 小 于 两 台风 机 单 独 运 行 时 的流 量 。 在某 一 特定 动 叶角 度下 ， 并 列 运 行 风 机 的性 能 见 图 3 ， i ／ i i 为单 台 风机性 能 曲线 ， I I I 为 风机并 列 运行 性 能 曲线 ， E为管 路 阻力 曲线 。 图 3 并列运行 风机工作点 当两台风机并列运行时， 系统 的稳定工作点 为 A， 总 流 量 为 q ， 相 应 风 机 的 工 作 点 为 A1 ， q 一2 q ； 当 单 台 风机 运 行 时 ， 风机 工 作 点 为 B， 流量 为 q e ， q A大 于 q e但小 于 2 倍 的 q B 。 2 风机并列运行可能发生的 问题 根据 对风 机运 行 特性 的分 析 ， 风 机 并列 运 行 可能 发生 以下 问题 1 风机 启动 时堵 转 。风机启 动 时为 防止 电 机启 动 电流 过 大 ， 需 要 将 动 叶 全 关 ， 同 时 为 防 止 风机倒 转需 要关 闭 出 口挡 板 。一 旦 电机 启 动 、 出 口挡板 打 开 后 ， 如 果 动 叶 未 开 启 ， 由 于 风 机 负 载 很 小 ， 在 已经有 风机 运 行 的情 况 下 会 发 生空 气 倒 流 ， 可 能使 待并 人风 机 出现堵转 。 2 并 入 ／ 退 出 时风 量 风 压 发 生 扰 动 。在 风机并 入 时 ， 通 常在 第 一 台风 机 动 叶 角度 关 小 的 同时 ， 等幅增 大第二 台风机 的动 叶角度。由图 2 可 知 风机 动 叶角 度 和风 量 之 间 并 非 完 全 线 性 ， 假 如第 一 台风机 动 叶角度 从 1 O 。 关 至 q - 5 。 ， 第 二 台风机 动 叶角 度 从 一 2 5 。 开 至 一 2 0 。 ， 则 第 一 台 风 机 的风 量 减 小 值 明 显 大 于 第 二 台风 机 的风 量 增 大值 。另外 在 并 入 过 程 中风 机 特 性 曲线 进 行 合 成 发 生变 化 ， 导 致 平 衡 工 作 点 移 动 ， 对 系统 也 会 产 生扰 动 。所 以 风 机 的并 入 过 程 对 于控 制 回路 而言是 一个 较大 的扰 动 ， 需 要 通 过 P I D 回路 对 风 量 进行 校正 。 3 旋 转 脱 流 。 当流 体 和 叶 片 的 冲 角 达 到 临界 值 ， 流 体 经过 叶 片 时边 界 层 发 生 严 重 分 离 ， 阻力 增 加 ， 升 力 急 剧 减 小 ， 这 种 现 象 称 为 脱 流 _ 1 ] ， 也 就是 失 速 。一 旦 某 一 个 叶 片产 生脱 流 ， 会 在 整个 叶栅 上 传 播 ， 形 成 旋 转 脱 流 ， 使 叶 片承 受 交 变 应 力 ， 产 生 疲 劳 等 问 题 。旋 转 脱 流 发 生 在 图 1中性 能 曲 线 A 点 左 侧 整 个 不 稳 定 区 ， 也 就是 图 2中失 速线 的左 上方 区域 。文献 [ 2 ] 介 绍 了某 机 组 一 次 风 机 在 并 列 过 程 中发 生 失 速 的 案例 ， 其失速的原 因为风机启动后压力增加 ， 待 并 人 风 机 动 叶 开 度 又 较 小 ， 导 致 风 机 易 于 进 入 失 速 区 。 4 喘振 。风机 工作 点在 图 1中性 能 曲线 A 点 至 B点 的 不 稳 定 区域 上 升 段 时 ， 可 能 发 生 流 量 、 全压的脉动或大 幅度波 动， 同时风机 和管道 系统产 生强 烈振 动 ， 这 种 现 象 叫做 喘 振 。从 喘 振 和失 速的 发 生 区域 可 知 ， 喘振 必 然 失 速 ， 反 之 则 未 必 。文献 E 3 3 和 [ 4 ] 中对 引 风 机 喘 振 案 例 及 原 因进行 了研 究 ， 结论 为 当第 一 台引 风 机 动 叶角 度 伽咖抛锄 枷啪抛鲫o 5 4 4 3 3 2 1 l ． f ， 丑 发电淡备 第2 9 卷 达 到某一 定值 ， 并且 两 台风 机 动 叶角 度 差 大 于一 定值 就必 然 发 生 喘振 。另 外 喘 振 也 常 因管 路 阻 力上 升或 风 机 出 口压 力 突 增 引 起 工 作 点 进 入 不 稳定 区域 后发生 。 5 两 台风机 发生“ 抢 风” 现象 。两 台风 机正 常运行 时 的工作 点应位 于 图 3中 I I I曲线 的右 侧下 降 区域 ， 此 时风 机 可 以维 持 稳定 运 行 。如 管 道阻力增加 ， 会 引起管路阻力曲线 E上升， 同时 动叶开度增大会使得风机性能 曲线 I I I 向右侧 偏移 ， 最终可能会导致工作点落在 I I I曲线的 “ 。 。 ” 位 置 见 图 4中 的 C点 ， 这 时一 台 风机 的工 作 点处 于 C 2 ， 仍 可 正 常 工 作 ， 另 一 台处 于 C 1 ， 处 于不稳 定 工 作 状 态 。在 此 状 态 下 一 台 风 机 流 量 特别 大 ， 另一 台特别 小 ， 稍 加 调节 则 可 能 相反 ， 并 不断反复， 出现 “ 抢 风” 现象 。文献[ 5 ] 中介绍 了 一 起 轴 流式 引风 机 在 运 行 中发 生 抢 风 现 象 的案 例 ， 原 因就 是 低 温 高 密 度 烟 气 导 致 管 路 阻力 匕升 。 图 4并 列 运 行 风 机 抢 风 时 的 工作 点 综 上 所 述 ， 对 于 风 机 并 列 运 行 的 控 制 主 要 作用是 1 减小控制量 的扰动 ， 使其有 良好 的 动 态 性 能 ； 2 避 免 风 机 的 工 作 点 进 入 性 能 曲 线 的 不 稳 定 区 域 ， 平 衡 两 台 风 机 的 动 叶 角 度 及 负 载 ； 3 一 旦 因 管 路 阻 力 上 升 等 原 因 进 入 不 稳 定 区域 ， 应 具 有 相 应 的控 制 策 略 将 系 统 恢 复 正 常 。 3 风机并 列运行的 自动控 制策略 3 ． 1速 率 自适应 的动 静 叶 平衡 回路 在 风 机 的并 人 中 ， 需 要 控 制 回 路 自动 将 两 台风机 的动 静 叶 角 度 调 整 至 相 近 ； 在 风 机 的 退出过程 中， 则是 在待退 出风机动 静 叶逐渐 关 闭的过程 中， 自动将剩余 的风机动 静 叶角 度增 大 以 维 持 控 制 量 。另 外 ， 在 正 常 运 行 中手 动 调 整某 一 台风 机 动 静 叶 时 ， 也 需 要 自动 控 制 回路 对 另 一 台 风 机 动 静 叶 进 行 相 应 调 整 。 在 正 常运 行 中 的手 动 调 整 一 般 幅 度 不 会 过 大 ， 所 以可 通过 P I D 回路 的 闭环 控 制 保 证 控 制 量 的 稳 定 ， 而 对 于并 入 ／ 退 出 过 程 ， 可 能 存 在 较 大 的 扰 动 ， 需 要额 外 的 控制 策 略对 扰 动进 行 抑制 。 图 5 a 虚线 框 内为 动 静 叶平 衡 回路 。 当 风机 启动 后 ， 动 静 叶 由 0 向 P I 控 制器 ② 的输 出过渡 或 者 在 风 机 退 出 过程 中 由 P I 控 制 器 ② 的输 出向 0 过渡 ， 其过渡 的速率 由图 5 b 中 的速率调整 回路确定 ， 通过该 P I回路可以实现 两 台风机 的动 静 叶指令 1逐步 一致 。 A B 风 机 并 人 或 退 出 由 A动叶指令 1 B 动叶指令1 a 动 静 叶平衡 回路 A 风机风量 B 风机风量 风量设定值 A 速率设定 B 速率设定 b 速率调整 回路 图 5 速率 自适应 的动 静 叶平衡 回路 第 5 期 马天 霆等 火力发 电机组轴流风机并列运行 自动控制研 究 两 台风机 并 人／ 退 出过 程 中风 机 动 静 叶 过 渡速 率 的大小 取决 于 各 自风量 增 减 的偏 差 函 数 F ， 风 量 的偏 差 剔 除 了因 控 制 设 定值 变 化 而 引起 的风 量正 常变 化 ， 即假 设风 量 设 定 值 未 有 变 化 ， 当一 台风机 减小 的风 量 和另 一 台风 机增 加 的 风量 平衡 时 ， 取 较 大 的 过 渡 速 率 ， 否 则 就 取 较 小 的速 率 以减小 扰动 。当风 机 刚启 动 ， 动 静 叶在 小开 度时 ， 为 防止 风机 堵 转 ， 适 当采 取较 大 速 率 ； 对于 正常 运行 中 的风 机 ， 基 本不 对 其 动 静 叶控 制进行 速 率 限制 。 3 ． 2 控制 器增 益 自动调 整 回路 根 据 风 机 并 列 运 行 特 性 的 分 析 ， 两 台 风 机 并 列 运 行 后 流 量 特 性 发 生 变 化 ， 动 叶 角 度 变 化 引 起 流 量 的增 益 和 单 台风 机 不 同 ， 为 提 高 控 制 品 质 ， 可 采 取 自 动 调 整 P I控 制 器 ① 增 益 的 策 略 [ 。 增益 的 自动调 整 回路见 图 6 。 当风机 正 常并 列 时 条 件 为 两 台风 机 同 时运 行 ， 并 且 动 叶 指 令 偏差 小于 预设 值 后 ， 增 益 系数 取 0 ． 7 ， 单 台 风机 运行 时增 益 系数 为 1 ． 0 。在 并 入或 退 出过 程 中根 据动 叶 过 渡 速 率 调 整 增 益 系 数 ， 速 率 越 快 增 益 越小 。 图 6 控制器增益 自动调整 回路 3 ． 3风 机 负载 平衡 回路 根 据 有关参 考 文 献 ， 平衡 两 台风 机 的 负 载可 以降低 风 机 进 入 不稳 定 工 作 区域 的概 率 。在 运 行 中即使 两 台风机 在 相 同 动 静 叶 开度 下 ， 实 际 负载也 可 能存 在不 一 致 ， 所 以需 要 在 风 机 动 叶平 衡后再对风机的实际负载进行调平控制 。 风机 负载平衡 可采 用 电动机 电流平衡 自动调 节 ] ， 即当两台风机 的电流偏差大于某一较大值 时开始 调节 ， 小于 某一较 小值后 调节 停 止 ， 保 证 两 台风机 的 电流偏差 在一定 区间 内。电流 平衡 调节 的机理 实质 是假定 风机 性能完 全一 致 时的功 率平 衡， 如果风机效率偏差较大时， 电流平衡反而不能 使得 两 台风机实 际负 载达到平 衡 。因此 直接 采 用 热力参 数表 征 负 载状 况 ， 如 通过 风机 出 人 口流 速或 风量对 负载进 行平 衡 见 图 7 。 负 载平 衡 回路 通 过 对 图 5 a 中各 风 机 动 叶 指令 l叠加一个反 向的偏置值来 实现。当风机 未在 正 常并 列运 行状 态 同 图 4中 条件 时 ， 偏 置 值为 0 ， 否则偏置值是 P I 控制器③的输 出值 ； 当 偏 置值 由 P I 控 制 输 出切 换 到 0时 ， 应 设 置 速 率 限 制进 行过 渡 ， 以减 小 扰动 。P I 控 制器 ③ 的输 入 是风机各 自风量 ， 输出偏置应设置高低限制 ， 如 增益系数 0 7 A 风机风量 B 风机风量 常 行 A动 叶指令 2 B 动 叶 指令 2 图 7 风机负载平衡 回路 1 0 内 。为避免 回路频 繁 动 作 ， 当风 量 偏 差 在 预设 死 区 内时 ， P I 控 制 器 ③ 为 跟 踪 状态 ， 跟 踪 值 是 当前输 出值 。 3 ． 4 超 驰控 制及 闭锁 限制 回路 电站 双列 布置 的 动 静 叶 可 调 式 轴 流 风 机 的启 动 流 程 一 般 有 两 种 方 式 第 一 种 方 式 为 在 锅 炉 点 火 前 两 台 风 机 全 部 启 动 ， 并 将 风 机 动 静 叶 都 处 于 预 定 开 度 ， 锅 炉 点 火 后 将 风 机 同 发 也 淡 参 第2 9 卷 时 投入 闭 环 自动 控 制 模 式 ； 第 二 种 方 式 是 在 锅 炉 点火 前 启 动 一 台 风 机 ， 并 将 风 机 动 静 叶 处 于预 定 开 度 ， 点 火 后 将 该 风 机 投 入 闭 环 自动 控 制 ， 待一定负荷后再启动另一 台风机并人运行 。 前 一种 方 式 控 制 相 对 简 单 ， 但 后 一 种 方 式 更 有 经济 性 。无 论 哪 种 方 式 ， 对 于 点 火 前 启 动 的 风 机 都 需 要 通 过 和 程 控 系 统 的 接 口设 置 一 个 预 定 开 度 。 为应 对 风机并 人 ／ 退 出过 程 中和 正 常并 列 运 行 时可 能发 生 的 喘振 、 失 速 等 异 常 ， 须 在 自动 并 列控 制 的逻 辑 中加 入 相 关 的超 驰 控 制 及 闭 锁 限 制 回路 ， 以维持 风 机 的正 常 运行 。闭锁 包 括 两 种 情况 1 当首 台风 机 动 叶角 度 超过 一 定 角度 ， 禁 止第 二 台风 机 并 入 ； 2 根 据 风机 的 出 口压 力 和 风量 曲线 ， 当两 者不 匹 配 时闭 锁 动 叶控 制 设 定值 上升 。超驰 控 制 包 括 风 机 失 速 测 量 装 置 发 出报 警 1 或者风机电流出现脉动时， 对异常的风机动 叶进行 迫减 。 另外 当控制量 ， 如炉膛 负压 、 二次风量 ， 超过 或 低于锅 炉 的安全 值 时 ， 也 应进 行 相 应 的超 驰 控 制 ， 保证 机组 的安 全运行 。 各控制优 先级从 高到低依 次为超驰 闭锁 控制、 手动控制、 程控接 口控制、 P I 闭环控制 ， 所 以控 制 回路 见 图 8 ， 在 具 体 控 制 组 态 时 还 需要 注 意 P I 控 制 器的跟 踪值 ， 防止 切换 时 的扰 动 。 A 风机风量 图 8 动叶超驰及 闭锁控制 回路 4 结 语 轴流风机 由于存在不稳定工作 区域， 在运行 中可能会 发生 失速 、 喘振 、 抢 风 等工 况 ， 不 仅 影 响 风机本 身 的 运行 ， 对 机 组 也 带 来 较 大 的风 险 ； 同 时风机 的并 入 和退 出过 程 会 对 被 控 量 产 生 较 大 的扰动 ， 使得 锅炉 燃烧 不 稳定 。基 于风 机 的常规 P I D控 制 回路 ， 笔 者提 出 的一 系列 控 制 策 略 ， 对 自动控制 回路进 行 了补充 和 完善 ， 解 决 了 风机 的 自动并列运行中的各种问题， 提高了机组的 自动 化程 度及 安全性 。 参 考文献 E l i杨诗成， 王喜魁．泵与风机[ M] ．4版．北京 中国电力出版 社 ， 2 0 1 2 ． E z 3徐鹏 ， 吴信龙．7 0 0 Mw 机组一次风机并 列时失速分 析及预 防E J 3 ．江西 电力 ， 2 0 1 2 ， 3 6 4 8 7 8 8 ． E 3 ]马少栋 ， 李春曦 ， 王欢 ， 等．动叶可调轴 流风机失速与 喘振现 象及其预 防措施E J ] ．电力科学与工程 ， 2 O l O ， 2 6 7 3 3 3 7 ． [ 4 ]王兴 田， 林文孚 ， 廖 自强．并列运 行的轴 流风机 的喘振研 究 E J 3 ．发 电设备 ， 2 0 0 1 ， 1 5 6 3 1 3 3 ． [ 5 ]支 国庆 ，张 喜来 ，杨 邺．轴 流式 引风机 抢风 的原 因及处 理 E J ] ．水利电力机械， 2 0 0 7 ， 2 9 1 1 8 - 9 ． [ 6 ]朱北恒．火 电厂热工 自动化 系统试验[ M] ．北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ]潘凤萍 ， 陈世和 ，陈锐 民，等．火 力发电机组 自启 停控制技 术及应用[ M] ．北京 科学出版社 ， 2 0 1 1 ．