内蒙古某火电厂采用330MW燃煤机组，脱硝装置采用SCR，氨气作为其中重要的还原剂，在化学反应中起着至关重要的作用[1]。由于高浓度的氨气遇氧气易爆炸，所以需要对其进行充分稀释之后才能输送到反应器中。目前的稀释风机大都将空气流量调整稳定后，稀释风机维持恒定速度运转，空气流量就不需要再随氨气流量值调整。但由于此方式下风机长时间高速运转，易造成风机叶片磨损，缩短风机使用寿命。而且当锅炉负荷减小时，风机不能够及时对风速进行调整，造成电力资源的浪费。鉴于此，本文设计了一种变频-工频启动的稀释风机系统。
1技术方案
1.1稀释风机方案
脱硝系统中氨气在和烟气反应之前，要先在混合器中进行稀释。稀释风机大多采用高压离心式风机，不间断地向混合器中提供空气，将浓度稀释到5%以下。根据稀释比例稀释风机要提供3000N·m3/h以上的风量。
1.2变频调速控制方案
随着科学技术的迅猛发展，变频技术由于其便利性强和可适应性高逐渐被工业生产领域大量应用。首先，电厂通过采用变频技术，电机启动方式改为软启动，启动电流较小，无形中对电机形成了一种保护。其次，变频调速技术具有较宽的调速范围，能够满足稀释风量随着氨气流量值增大或减小的条件，大大地提高了风机的使用性能。最后，应用变频调速技术后，可以根据不同的情况进行电机频率调整，电能损耗显著减小，大大节约电力成本。1.2.1变频调速原理(1)式中：n为电机转速，单位为r/min;f为电源输入频率，单位为Hz;s为电机转差率;p为电机磁极对数。从式(1)中不难看出以下结论，电机的转速和输出功率成正比，在P、S不变化的情况下，只需要改变电源频率就可以改变电机转速，也就是转速低，耗能低。1.2.2风机运行的特点1.2.3变频风机耗能变频风机近似耗能公式：(3)式中：W为电能，单位为kW·h;Ne为风机额定转速;Nt为风机实际转速，单位为r/min;p(t)为风机功率，单位为kW;Qe为风机额定风量值，Qt为风机实际风量值，单位为m3/s。对于脱硝稀释风机，当氨气流量值减小时，需要的风量也随着减小，就可以通过变频器调低稀释风机转速。从上述近似公式中可以看出，风机实际转速与额定转速之比的3次方与风机轴功率成正比[2]，所以当风机的转速降低时，电机的功率会急剧下降，节能效果非常显著。
2系统设计方案
内蒙古某电厂稀释风机以往都是直接启动、设定好风量值、不间断全速运行，无特殊情况基本不对其进行调整[3]。此种方式长时间运行下存在风机叶片严重磨损，电机持续过热，电能大量浪费的不利因素。本文提出一种基于S7-300PLC变频PID控制系统，实现风机的变频运转，有较高的安全经济性[3]。
2.1稀释风机供电方案
本系统以两台稀释风机为例进行设计，一备一用，由变频器进行启动和直接启动组成。设置稀释风机采用离心式鼓风机，能够满足单台锅炉稀释风量要求，并能够适应锅炉正常工作的要求。现场工作情况正常时，由变频器控制单台风机运转，当变频器发生故障时，立即切换到工频运转，在这种运行方式下，运行可靠，可应对现场出现的大多数故障情况。图1为系统主电路图。
2.2系统硬件方案
控制器选型：CPU采用CPU314C-2DP，它属于紧凑型的PLC，含有96kb工作存储器，0.1ms/1000条指令，DI24/DO16，集成AI5/AO2，MPI+DP接口等。变频器选型：采用西门子公司的MM430变频器，它主要应用于工厂风机控制。输入频率47～63Hz，输出频率0～650Hz，通信接口采用RS485，具有工作安全可靠和欠压、过压、过流、过载保护等优势。传感器选型：根据现场需求，选用涡街流量计，它可以在300～400℃的高温下工作，采用RS485通信方式，具有显示调校一体化优势[3]。触摸屏选型：使用博途V16自带的精智面板进行画面绘制。
3控制策略
3.1变频器控制策略
系统开机时，首先在触摸屏上设置参数，然后PLC在线接收传感器传来的数值。之后系统检查无误后，启动变频器。当变频器正常工作时，风机根据氨气流量变频运行;当变频器发出故障信号时，风机工频启动[4]。风机变频运行时，PLC控制器通过涡街流量计实时检测氨管道中的氨气流量值，当锅炉负荷减小，氨气流量值降低时，变频器调低频率，风机减速运行;当氨气流量值增大时，变频器调高频率，风机满负荷运行。当PLC控制器检测到风机1出现过热、过载等故障时，报警并停机，启动风机2。变频稀释风机控制流程如图2所示。
3.2PID控制规律
在本控制系统中，稀释风机作为执行机构，出风量作为控制量，这种情况下采用数字PID位置式控制算法来控制系统。下式是数字形式的PID控制规律：如果T达到最小值，上式就可以精确模拟PID控制规律。
3.3PID在控制系统中的作用
采用PID算法对风机的出风量进行实时控制，可以使气体稀释浓度稳定在5%以下，实现精确的控制效果，使风机发挥最佳的使用效果。当实际氨气流量值高于设定的流量值时，PID模块输出100%满功率的信号，送给变频器，提高频率，增大风机出风量，保证氨空气的稀释比;当实际流量值低于设定的流量值时，PID模块输出的信号慢慢变化，将最小的信号送给变频器，减慢风机转速，减小出风量。图3是稀释风机的PID闭环控制系统。图3稀释风机PID闭环控
4上位机平台设计
上位机平台采用博途自带的触摸屏进行编写，采用MPI协议和CPU连接。上位机平台安装在现场调度室，通过上位机平台，可以对风机进行一键启动、停机等集中控制，可实时监测现场设备设施的运行情况及周围环境的安全情况。上位机画面如图4所示。
5设计方案现场验证
5.1工程概况
内蒙古某电厂装备330MW机组，SCR还原剂采用氨气。烟气流量为9800000N·m3/h，入口、出口NOX浓度各为400mg/N·m3和50mg/N·m3。将氨气稀释到5%以下的浓度需要设置稀释风机风量裕度不低于10%，风压裕度不低于20%，需要稀释风流量3000N·m3/h，系统具体参数指标如表1所示。能费用，约节能50%，按照两台风机全年利用小时数4100h，电价约0.6元/kW·h，计算出两台风机节约的电能。(5)通过计算两台风机每年可节约54.7万元，达到了节约能耗的目的。
5.2应用效果
该系统自投入运行两年来，从未发生过一起停风事故，达到了预期的目的，通过变频，实现风机的调风操作，提高了风机的工作性能，延长了使用寿命，节约了大量的能耗。同时，在调度室实现了风机的集中控制，达到了“无人值守”的要求，提升了脱硝的综合自动化水平[5]。
6结论
本文通过分析内蒙古某发电厂330MW燃煤机组SCR脱硝系统稀释风机系统存在的问题，提出了优化稀释风稀释的设计方案，并成功在该电厂实施改造。本次采用变频技术进行改造，经运行发现，改造后的单台锅炉每年可节约电费近54.7万元，从根本上解决了问题。
参考文献
[1]尹成凯，许怀鹏.锅炉烟气脱硝中稀释风系统故障分析及处理[J].冶金动力，2019(11)：55-57.
[2]白全林.变频—旁路工频控制技术在主通风机上的应用[J].煤炭工程，2020，52(11)：144-148.
[3]王丽娟.浅谈尿素水解制氨工艺中稀释风系统配置[J].化工管理，2020(6)：185-186.
[4]梁大镁，安城，杨小刚.某330MW燃煤机组脱硝稀释风改造优化[J].低碳世界，2017(36)：92-93.
[5]于春苗.基于PLC与变频器的调速自动化在节能工程中的应用分析[J].电子世界，2020(20)：202-203
《变频技术在稀释风机上的应用》来源：《自动化应用》，作者：李洁 范卓
