防止火电机组一次风机失速抢风引起熄火的系统和方法

  完成单位：贵州金元茶园发电有限责任公司

  主要完成人：瞿进、王康、李乐、胡腾、李治霖、汪宁、易纯林、颜志昇、曹泽亮、王健超

一、研发背景

电厂中一次风机为煤粉输送提供动力，由于其管道阻力大、风压高、流量变化大，更容易出现失速和引起抢风。一次风机抢风，是指并联运行的两台一次风机，突然一台风机电流（流量）上升，另一台风机电流（流量）下降。此时，若关小大流量风机的调节风门试图平衡风量时，则会使另一台小流量风机跳至最大流量运行。在风量调整投自动时，风机的动叶或静叶频繁地开大、关小，严重时可能导致风机电机超电流而烧坏。同时一次风机抢风时炉膛负压向负的方向摆动，火检变差，一次风压降低、机组负荷下降，失速风机电流大幅度减少且摆动，风机振动增大，运转噪音变大。出、入口风道、机壳温度升高，轴承振动加剧。失速抢风将使一次风机发生喘振将引起燃烧恶化、炉膛负压大幅波动，甚至锅炉灭火；剧烈的喘振极可能损坏风机与管道系统。目前各电厂对一次风机失速和抢风无较好的预警和自动处理手段，通常都是发现后靠人工进行手动调节干预，如果发现的时间较晚，则会引起锅炉熄火跳机，给电厂带来较大的经济损失（熄火一次损失在50万元左右）。

现国内各电厂对一次风机失速和抢风无有效的预警和自动处理手段，通常都是发现后靠人工进行手动调节干预，靠人工都不能在第一时间发现，常常因此引起锅炉熄火跳机，给电厂带来较大的经济损失。同时锅炉熄火后锅炉受热面急剧冷却导致较大和的热应力可能引起锅炉水冷壁管拉裂造成更大的损失，同时影响汽轮机和锅炉的寿命，影响设备的安全运行。

二、发明团队介绍

茶园电厂热工专业创新团队，是一支年轻，奋发向上，勇于挑战的团队，团队牵头负责了多个茶园电厂多个重大科技项目实施，其中《基于大数据分析建模和多前馈PID算法的化学凝结水和给水加氨自动控制研究》项目，解决了常规凝结水和给水加氨自动大迟延无法投运的难题，实现两台机组加氨自动控制，化学精处理晚上无人值班，节约人工成本约25万/年；《防止火电机组功率振荡扩散的自动感知和处理程序》创新项目，有效预防机组发生功率波动和振荡时不可控危及机组及电网的安全稳定运行。该项目得到了中国电机工程学会的录用，个人论文在中国自动化学会征文中获三等奖并在全国热工技术研讨会上作交流推广发言。该项目同时荣获“2018年度贵州电力行业热工监督单项奖”，在贵州金元青年创新创效优秀项目发布中获一等奖，获贵州省电机工程学会电力科技职工技术创新成果一等奖。

胡腾作为技术专业的负责人和团队带头人，还十分注重技术创新解决现场难题，先后编写了《高低加水位基准调整方案》《防一次风机抢风逻辑优化方案》等20多个技术方案，保证了机组安全稳定的运行，并形成了一套规范、标准、科学的处理体系。牵头编写了《茶园电厂科技管理标准》《质量管理手册》《热工自动、保护管理标准》《计量管理标准》等多个管理标准，为火电规范化管理作出了积极的贡献。

三、成果(专利)简介

茶园电厂#1、#2锅炉一次风机采用沈阳鼓风机厂有限公司生产AST-1736/1120型双级动叶可调轴流式风机。在机组运行过程中，一次风母管压力一般维持在6-7.5kPa，在磨机进行负荷风门调整或粉管吹扫风门开关过程中，都会引发一次风机抢风或失速发出，引起一次风母管压力大幅度波动，就地风道出现明显异音。从机组投产至今，因一次风机频繁发生抢风导致了多次锅炉熄火，给公司造成了较大的经济损失。为此团队多次召集机务，运行和热工开会讨论对策和方案，极力减少因抢风引起的锅炉熄火事件。同时多方咨询其它相同火电厂，最后形成了一个初步的方案，并经过大家讨论觉得可行在两台锅炉上进行实施。实施过程中也遇到了一些难题，如优先级执行、互相闭锁等方面都遇到过问题，后面逐步进行逻辑优化后形成了成熟的一套方案。后面机务方面也通过努力增加防失速装置改善了风机的运行工况，但在当时热机未采取任何措施前热工专业的防抢风逻辑发挥了很大的作用，极大的避免了因风机失速抢风造成的熄火，在后面发生的几次抢风都发挥了正确的作用，减少了因熄火带来的经济损失。团队负责人胡腾将该方法写成了论文，并在全国热工技术论坛进行发表，在贵州电机工程学会评比中获得奖项。因该方法具有推广性和创新性，将其编写成专利申报材料，后面经过很多次的修改和答辩，终于完成了申报工作，于2020年4月顺利拿到专利证书。以下为发明的实施原理介绍：

  （一）风机失速机理

茶园电厂#1、#2锅炉一次风机为动叶可调轴流式风机，轴流风机叶片通常是机翼型的。轴流式风机叶片气流方向，当空气顺着机翼叶片进口端（冲角α=0°，冲角指气流方向与叶片叶面的夹角），它分成上、下两股气流贴着翼面流过，叶片背部和腹部平滑“边界层”的气流呈流线型。作用于叶片上有两种力，一种是垂直于叶片的升力，另一种是平行于叶片的阻力，升力≥阻力。当空气流入叶片的方向偏离了叶片的进口角，它与叶片形成正冲角（α＞0°），当其接近于某一临界值时（临界值随叶型不同而异），叶背的气流工况开始恶化，当冲角增大至临界值时，叶背的边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区，即所谓“失速”现象。随着冲角α的增大，气流的分离点向前移动，叶背的涡流区从尾端扩大到叶背部，失速现象更为严重，甚至出现部分流道阻塞的现象，此时作用于叶片的升力大幅度降低，阻力大幅度增加，压头下降。

  （二）风机失速抢风的现象和危害

茶园电厂#1、#2锅炉一次风机采用沈阳鼓风机厂有限公司生产AST-1736/1120型双级动叶可调轴流式风机。在机组运行过程中，一次风母管压力一般维持在6.0-7.5kPa，在磨机进行容量风门调整或磨机启停操作过程中，都容易引发一次风机抢风或失速发出，引起一次风母管压力大幅度波动，就地风道出现明显异音。一次风机失速后炉膛负压变化剧烈，引起燃烧波动，投产后在2016年频繁发生一次风机抢风熄火，给厂里带来了较大的损失。发生一次风机失速抢风时一般有如下一些现象：

1.DCS上发出“一次风机失速”报警信号。

2.一次风压快速下降并大幅波动。

3.失速的一台风机电流下降并且大幅度摆动，就地检查异响严重。

4.炉膛负压大幅波动，火焰电视显示燃烧不稳定，炉内明暗变化明显。

5.锅炉汽压、汽温快速下降。

  （三）解决思路

通过总结分析多次发生的一次风机失速抢风事件，一次风机发生失速抢风比较频繁，且必须在很短的时间进行干预处理，否则都会导致熄火。在失速现象未得到彻底解决前，应增加自动报警和处理逻辑，防止运行人员在监盘时未及时发现和干预处理或处理不当引发锅炉熄火。根据处理过程积累的经验和事后分析，自动报警和处理逻辑需要具备如下功能：

1.将一次风机失速检测元件由压力开关改成压力变送器，实时对风机失速工况进行监视，对发生失速的发展动态过程有直观的反应，方便运行人员及时采取措施。

2.增加一次风机抢风预警：当两台一次风机电流发生偏差大时（电流偏差大于5A），触发报警提醒运行人员注意，风机可能工作不正常，有可能发生失速抢风。

3.增加一次风机失速自动判断程序：当两台一次风机电流偏差大于8A或一次风机失速压力变送器检测到差压达500Pa，且热一次风母管压力低于5.5kPa 时触发一次风机失速信号，进行报警和启动自动处理程序。

（四）自动纠正逻辑回路设计

根据确定好的设计思路，结合目前DCS的控制逻辑，经过多次的讨论分析后完成了控制回路的设计。整个原理框图如图1所示：

图1 原理框图

1.风机电流偏差检测回路

该回路由两个减法器和两个高值比较器和输出回路组成，分别成组运算，一组减法器检测A风机比B风机电流大的差值，然后送后面的高值比较器进行比较，当差值大于8A时，高值比较器输出信号到后级进行判断。同理另一组检测B风机比A风机电流大的工况，通过电流偏差检测回路可以判断是哪台风机被抢风，被抢风一台的风机电流会下降得比较多。

2.风机失速抢风判断回路

该回路由两个与门判断器和脉冲发生器组成，当系统检测到两台一次风机电流偏差大于8A，且一次风母管压力低于5kPa时，两个条件送到与门判断器中进行判断，触发风机抢风条件，通过脉冲发生器发5S脉冲送后级自动处理回路。

3.风机失速自动处理回路

该回路由两个三态切换器，常数给定器组成。当前级风机抢风条件送出后，系统自动进行干预，通过信号输出切除两台一次风机动叶自动控制回路。通过两个三态切换器自动将已经失速的一次风机动叶指令置20%，以快速降低故障风机的出力，同时将另一台正常的一次风机动叶指令置80%，增加出力以稳定一次风母管压力，防止锅炉熄火。常数给定器用来设置发生抢风时风机动叶动作的目标值。

4.风机失速抢风报警提醒回路

该回路检测到一次风机抢风失速信号发出后，在后台逻辑自动纠正动作的同时操作员画面上报警信息变红，同时触发声音报警，引起操作员注意并及时调整，避免锅炉熄火。

增加一次风机失速自动处理程序：当触发一次风机失速信号后，切除两台一次风机动叶自动控制回路，自动将已经失速的一次风机动叶指令置20%，以快速降低故障风机的出力，同时将另一台正常的一次风机动叶指令置80%，增加出力以稳定一次风母管压力，防止锅炉熄火。

5.本发明针对原常规设计进行了优化和控制程序的创新，主要有：

（1）将一次风机失速检测元件由压力开关改为了压力变送器，实时对风机失速工况进行监视，对发生失速的发展动态过程有直观的反应，方便运行人员及时采取措施。

（2）增加一次风机抢风预警功能：当两台一次风机电流发生偏差大时（电流偏差大于5A），触发报警提醒运行人员注意，风机可能工作不正常，有可能发生失速抢风。

（3）增加一次风机失速自动判断程序：当两台一次风机电流偏差大于8A或一次风机失速压力变送器检测到差压达500Pa，且热一次风母管压力低于5.5kPa 时触发一次风机失速信号，进行报警和启动自动处理程序。

（4）增加一次风机失速自动处理程序：当触发一次风机失速信号后，切除两台一次风机动叶自动控制回路，自动将已经失速的一次风机动叶指令置20%，以快速降低故障风机的出力，同时将另一台正常的一次风机动叶指令置80%，增加出力以稳定一次风母管压力，防止锅炉熄火。

四、成果（专利）转化情况介绍

现国内各电厂对一次风机失速和抢风无有效的预警和自动处理手段，靠人工都不能在第一时间发现和干预，常常因此引起锅炉熄火跳机，给电厂带来较大的经济损失。同时锅炉熄火后锅炉受热面急剧冷却导致较大和的热应力可能引起锅炉水冷壁管拉裂造成更大的损失，影响汽轮机和锅炉的寿命，影响设备的安全运行。本创新能实时直观的观察风机失速的情况，设置了失速判断程序。当判断一次风机失速后，自动进行处理，将失速风机的出力自动降到最低，另一台正常风机的出力自动增加到最大以维持一次风母管压力稳定，防止锅炉发生熄火。本发明简单易行，投入成本低，可靠性高，实用性强具有较好的推广应用前景，可在行业内广泛推广。

本发明多次参加集团内开展的创新方法推荐会和创新展，均获得较好的评价和认同，黔北电厂，黔西电厂，纳雍电厂，鸭溪电厂等均与我厂签订了专利技术应用协议。国内也有多家电厂电话咨询现场应用情况，该发明在我厂投用后，多次发现一次风机的失速抢风，并自动进行纠正处理，避免了因一次风机失速抢风引起的熄火事故，现场应用效果良好。

五、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益：

现国内各电厂对一次风机失速和抢风无有效的预警和自动处理手段，通常都是发现后靠人工进行手动调节干预，靠人工都不能在第一时间发现，常常因此引起锅炉熄火跳机，给电厂带来较大的经济损失。以600MW等级机组为例，发生一次熄火损失大约在50万元左右，自动判断和干预逻辑正确动作后即可避免熄火，1年按发生4次至少减少200万元损失。本创新在本公司投用后，多次正确干预避免了锅炉因一次风机抢风发生的熄火，极大地避免了由此造成的经济损失，同时保证了风机和锅炉设备的安全稳定运行。本发明因简单易行，投入成本低，可靠性高，实用性强具有较好的推广应用前景。

  2.社会效益：

若因风机抢风造成熄火，一方面产生较大的经济损失，同时锅炉熄火后锅炉受热面急剧冷却导致较大和的热应力可能引起锅炉水冷壁管拉裂造成更大的损失，同时影响汽轮机和锅炉的寿命，影响设备的安全运行。通过自主创新后，该发明为同类型机组解决此类问题开创了先河，通过鼓励厂内人员通过技术手段避免和自动干预调节控制，在避免了抢风熄火的同时提升了专业人员动手能力和思维创新能力，提高了全厂自动化控制水平。