楊凱翔（1973-）男，江蘇鹽城人，高級工程師，現就職于江蘇國信揚州發(fā)電有限責任公司設備部，主要研究方向為生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

    摘要：輔機變頻改造是大型電站節能降耗的主要手段之一，本文以某4×600MW火力發(fā)電廠(chǎng)為應用對象，依據電氣特性和運行方式的需求，介紹了凝泵、脫硫增壓風(fēng)機變頻改造的DCS控制邏輯設計方案，突出說(shuō)明了凝泵事故響應和脫硫增壓風(fēng)機一鍵啟停的實(shí)現方式。因每臺機組改造方案雷同，文中僅以#3機組作詳細介紹。

    關(guān)鍵詞：凝泵；脫硫增壓風(fēng)機；變頻改造；DCS邏輯；一鍵啟停

    Abstract: Frequency conversion innovation on auxiliary equipment is one of the main means that the large-scale power plant takes to save energy and reduce consumption. Taking a thermal power plant with 4×600MW units as an application object and based on the electrical characteristics and the requirement of operation modes, this paper introduces DCS logic design for frequency conversion innovation on condensate pump and desulfuration booster fan and mainly explains the realization of emergency response to condensate pump accident and starting or shutting down desulfuration booster fan through onekey.As the logic design for each unit is more or less the same, this paper only takes #3 unit to introduce in detail.

    Key words: Condensate pump; Desulfuration booster fan; Frequency conversion Innovation; DCS logic; Start & shutdown through one key

    1 控制需求分析

    1.1 凝泵3B變頻改造電氣需求

    凝結水熱力系統為火電廠(chǎng)典型配置，改造前凝泵3A或3B任一臺以工頻（50Hz）方式運行均可匹配100%的機組負荷，當凝泵出口母管壓力低時(shí)備泵聯(lián)啟，除氧器水位通過(guò)凝泵后主/輔調門(mén)控制，在變頻改造前系統有較大的節流損失；變頻改造后主/輔調門(mén)維持全開(kāi)，通過(guò)控制凝泵轉速來(lái)調節除氧器水位，實(shí)際節約能耗可達30%（400MW時(shí)）。

    因凝泵為一用一備運行結構，變頻改造僅針對主力泵3B。電氣一次系統改造前后如圖1，其中改造前的電氣主開(kāi)關(guān)QF改造后變更為工頻電氣開(kāi)關(guān)QF3，QF1、QF2、變頻器(U3B)為本次改造新增設備。

    改造后DCS實(shí)現對凝泵3B的工頻電氣開(kāi)關(guān)(QF3）、變頻器入口電氣開(kāi)關(guān)(QF1)和變頻器（U3B）的遠方合/斷及啟/?？刂?；變頻器出口開(kāi)關(guān)（QF2）由電氣側聯(lián)鎖控制，DCS側僅作畫(huà)面監視。
               
                 圖1 凝泵3B變頻改造前后電氣一次系統對比及DCS新增控制對象說(shuō)明
    1.2 脫硫增壓風(fēng)機變頻改造電氣需求

    脫硫增壓風(fēng)機熱力系統為火電廠(chǎng)典型配置，增壓風(fēng)機3A/3B并列運行，任一臺風(fēng)機異常（電流大或跳閘）則聯(lián)開(kāi)脫硫旁路擋板，風(fēng)機入口負壓通過(guò)調節風(fēng)機入口導葉來(lái)控制，有較大的節流損失；變頻改造后風(fēng)機入口導葉維持全開(kāi)，通過(guò)控制風(fēng)機轉速來(lái)調節風(fēng)機入口負壓，實(shí)際節約能耗可達40%（400MW時(shí)）。

    增壓風(fēng)機3A、3B一次系統結構相似并相互獨立，改造后結構如圖2。其中圖中QF開(kāi)關(guān)為改造前的電氣主開(kāi)關(guān)，QF1、QF2、QF3及U3A/U3B（變頻器）為本次改造新增設備。

    改造后DCS實(shí)現對每臺增壓風(fēng)機的電氣主開(kāi)關(guān)（QF）、工頻旁路開(kāi)關(guān)（QF3）和變頻器（U3A/U3B）的遠方合/斷及啟/?？刂?；變頻器進(jìn)出口開(kāi)關(guān)（QF1、QF2）由電氣側聯(lián)鎖控制，DCS側僅作畫(huà)面監視。
               
            圖2  脫硫增壓機3A/3B變頻改造后電氣一次系統及DCS新增控制對象說(shuō)明
    1.3 凝泵與增壓風(fēng)機變頻改造控制需求比較（見(jiàn)表1）

表1 凝泵與增壓風(fēng)機變頻改造控制需求比較
類(lèi) 別凝泵3B變頻改造增壓風(fēng)機3A/3B變頻改造
運行系統一用一備兩臺并列運行
電氣一次系統變頻、工頻分別獨立的
兩路
變頻、工頻在同一個(gè)電氣
主開(kāi)關(guān)下
DCS控制對象變頻電氣開(kāi)關(guān)、變頻
器、工頻旁路電氣開(kāi)關(guān)
電氣主開(kāi)關(guān)、變頻器、工
頻旁路電氣開(kāi)關(guān)
變頻運行本質(zhì)變凝泵出力不可調為可調
變增壓風(fēng)機導葉調節為頻率調節
啟停方式操作員手動(dòng)操作員順控“一鍵啟停”
自動(dòng)調節除氧器水位自動(dòng)增壓風(fēng)機進(jìn)口負壓自動(dòng)
危急聯(lián)鎖凝泵3B聯(lián)啟，除氧器給
水調門(mén)置位超弛
聯(lián)開(kāi)脫硫煙氣旁路擋板

    2 控制邏輯設計及整定

    2.1 凝泵3B變頻改造DCS控制邏輯

    據以上分析，凝泵3B變頻改造的DCS控制邏輯設計關(guān)鍵在于：1）變頻、工頻為獨立的電氣一次回路；2）危急狀況的聯(lián)鎖功能；3）除氧器水位自動(dòng)。實(shí)際DCS設計見(jiàn)圖3。

    設計及調試整定細節如下：

    凝泵3B的外部允許和跳閘條件（如熱井水位低、軸承溫度高等）對工頻電氣開(kāi)關(guān)QF3、變頻電氣開(kāi)關(guān)QF1同時(shí)有效。

    凝泵3B工頻啟動(dòng)（QF3合閘）允許條件需補充“QF1且QF2分閘”；將“QF1分閘”作為投用工頻備用的必要條件；將“QF1合閘”作為撤出工頻備用的充分條件。因變頻器啟動(dòng)升至50Hz系統需要較長(cháng)時(shí)間，為避免出現“悶泵”，系統不具備以變頻方式自動(dòng)聯(lián)啟的功能。

    變頻高壓合閘允許條件需補充“QF3分閘”、“變頻器允許高壓合閘”；變頻高壓跳閘條件需補充“QF1或QF2保護跳閘”及“變頻器重故障”。

    變頻器啟動(dòng)允許條件為“QF1分閘”、“QF3分閘”、“無(wú)變頻器相關(guān)故障”；為避免電氣設備狀態(tài)不一致，“QF1分閘”將聯(lián)鎖（脈沖）變頻器停運。

    “QF3合閘”為工頻運行狀態(tài)；“QF1合閘、QF2合閘、變頻器運行”為變頻運行狀態(tài)。由此兩信號觸發(fā)相關(guān)控制聯(lián)鎖（如凝泵B出口門(mén)聯(lián)開(kāi)、凝泵3A聯(lián)啟等）。

    當凝泵3B投變頻自動(dòng)時(shí)，除氧器給水調門(mén)強制手動(dòng)，反之亦然；當凝泵3A聯(lián)啟后，在5秒鐘內將給水調門(mén)強迫置位為隨機組負荷變動(dòng)的固定值并且手動(dòng)，實(shí)際如表2所示。

表2 當凝泵3A聯(lián)啟后的數據變化
負荷（MW） 主調開(kāi)度（％） 輔調開(kāi)度（％）
<300 0 60
300 22.9 35.5
360 44 21
400 48.4 18.3
454 48.1 45.5
500 54 30
548 55.7 77.2
600 47.1 77.7
630 77.3 21

    當凝泵3B投變頻自動(dòng)時(shí)，不僅要保證除氧器水位，又要保證凝泵出口母管壓力不致過(guò)低。經(jīng)試驗，在除氧器給水調門(mén)全開(kāi)條件下，各主要負荷點(diǎn)凝泵穩態(tài)出力如表3所示。

    依據以上試驗數據，最終整定：凝泵3B變頻運行時(shí)，泵出口母管壓力低于1.1MPa時(shí)聯(lián)啟備泵（工頻運行時(shí)定值為1.5MPa不變）；凝泵3B變頻自動(dòng)調節范圍為360MW～630MW，33Hz～50Hz，當負荷低于360MW時(shí)，維持凝泵3B在最低頻率運行，除氧水位通過(guò)補水調門(mén)自動(dòng)控制。

    凝泵3B變頻自動(dòng)是典型的串級三沖量控制系統（如圖4），三沖量分別為除氧器水位（主回路被調量），高加出口流量（副回路前饋），除氧器補水量（副回路被調量）。

    副回路的作用是在變負荷過(guò)程中，除氧器補水量迅速跟蹤高加給水量的變化，控制調節的動(dòng)態(tài)偏差，主回路的作用是緩慢平穩地調節最終水位，控制調節的穩態(tài)偏差。經(jīng)試驗整定，最終主回路參數為（比例增益P—0.6；積分時(shí)間I—480）， 副回路參數為（比例增益P—0.18；積分時(shí)間I—160），除氧器水位動(dòng)態(tài)偏差為±60mm，穩態(tài)偏差為±20mm。

    2.2 增壓風(fēng)機3A/3B變頻改造DCS控制邏輯

    據1.3節的分析，增壓風(fēng)機變頻改造的DCS控制邏輯設計關(guān)鍵在于：

    變頻、工頻在同一個(gè)電氣主開(kāi)關(guān)下。

    危急狀況的聯(lián)鎖功能。

    操作員順控“一鍵啟停”功能。增壓風(fēng)機3A和3B的DCS控制邏輯相互獨立并雷同，以增壓風(fēng)機3A為例DCS設計見(jiàn)圖5。

    設計及調試整定細節如下：

    每臺增壓風(fēng)機有4套相互獨立并行的順控邏輯，即為“工頻順控啟”、“工頻順控停”、“變頻順控啟”、“變頻順控停”。任一套順控實(shí)現“一鍵啟動(dòng)”，程序啟動(dòng)后閉鎖其余順控的執行；設備所處狀態(tài)也閉鎖部分順控功能，如“已處于變頻運行狀態(tài)”將只能執行 “變頻順控停”，其余順控將閉鎖。

    每套順控有類(lèi)似的結構形式，以變頻順控啟動(dòng)為例，順控程控軟件結構見(jiàn)圖6。

    無(wú)論是工頻運行還是變頻運行，只要電氣主開(kāi)關(guān)QF分閘，均將導致增壓風(fēng)機停運。因此在保護邏輯設計上，因工況異常需要增壓風(fēng)機跳閘的在DCS內部只需采取一個(gè)動(dòng)作，即QF分閘。為保證系統初始位置的正確性，當DCS檢測到QF分閘信號后，（脈沖）聯(lián)鎖變頻器停運、旁路開(kāi)關(guān)QF3分閘。當變頻支線(xiàn)或工頻支線(xiàn)電氣故障時(shí)，需要判斷實(shí)際運行工況，才能觸發(fā)QF分閘。如變頻器重故障或QF1綜保動(dòng)作或QF2綜保動(dòng)作時(shí)，必須同時(shí)不在工頻運行模式，才能觸發(fā)QF分閘。

    電氣主開(kāi)關(guān)QF合閘允許條件同改造前；“QF已合閘”為變頻器啟動(dòng)允許和QF3合閘允許的必備條件，變頻和工頻相互閉鎖，即只有QF1、QF2分閘才允許QF3合閘，反之亦然，同時(shí)如存在變頻器和QF3自身的電氣故障也不允許啟動(dòng)。

    順控指令和操作員手動(dòng)指令受允許條件的限制，保護跳閘指令無(wú)條件執行。

    “QF且QF3合閘”為工頻運行狀態(tài)；“QF、QF1、QF2合閘、且變頻器運行”為變頻運行狀態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)信號任一個(gè)為“1”則表示增壓風(fēng)機運行，全為“0”則表示增壓風(fēng)機停運。由于這樣的組合信號過(guò)于繁瑣，實(shí)際僅用于狀態(tài)顯示和允許限制。

    為保障機組安全，增加事故工況聯(lián)開(kāi)脫硫煙氣旁路擋板條件如下：

    ① 電氣主開(kāi)關(guān)QF已分閘（脈沖）；

    ② 電氣主開(kāi)關(guān)QF或變頻器輸出電流大于190A；

    ③ 電氣主開(kāi)關(guān)QF合閘且QF電流小于5A（脈沖）。

    雖然邏輯設置上所有保護都集中于QF，為了防止下線(xiàn)開(kāi)關(guān)的偷跳設置了第③條，而增壓風(fēng)機啟動(dòng)階段旁路擋板須處于開(kāi)位，與此并不矛盾。另外為防止運行人員誤操作將變頻器和QF3的單操功能取消，正常時(shí)只能通過(guò)順控啟停系統，異常時(shí)運行人員可將QF緊急分閘。
   
    增壓風(fēng)機的變頻自動(dòng)相對簡(jiǎn)單，變頻和導葉只是風(fēng)機出力調節的不同方法。因此頻率調節自動(dòng)回路設計與導葉調節幾乎是雷同的，都是單PI調節器加上風(fēng)機平衡回路（圖略）。因主機爐膛負壓自動(dòng)系統的存在，頻率調整范圍不受過(guò)程工況的限制，因電氣設備特性需要將頻率自動(dòng)調整范圍確定為20Hz～48Hz。在實(shí)際調試中，因頻率調節的靈敏度高于導葉，將PI中的增益和積分作用都適當減緩，最終整定PI調節器參數為（P—0.3；I—45）；對應導葉調節參數為（P—0.5；積分時(shí)間I—30），增壓風(fēng)機入口負壓動(dòng)態(tài)偏差為±40Pa，穩態(tài)偏差為±15 Pa。

    3 結束語(yǔ)

    控制邏輯的結構隨對象特性和控制需求而定。凝泵是一用一備的系統，變頻系統自身較為簡(jiǎn)單，關(guān)鍵在于自動(dòng)調節和備泵聯(lián)啟；脫硫增壓風(fēng)機是兩臺并列運行，變頻系統較為復雜，采用順序控制變“被動(dòng)聯(lián)鎖”為“主動(dòng)聯(lián)鎖”，可有效避免信號失效帶來(lái)的拒動(dòng)。

    參考文獻：

    [1] 黃晉營(yíng). 高壓凝結水泵變頻改造的應用[J]. 廣西電力, 2008, 31(2).

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期