【摘 要】輔機變頻改造是大型電站節(jié)能降耗的主要手段之一，本文以某電廠4×600MW 火電機組為應(yīng)用對象，依據(jù)電氣特性和運行方式的需求，介紹了利德華福HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在凝泵、脫硫增壓風(fēng)機變頻改造的DCS 控制邏輯設(shè)計方案，突出說明了凝泵事故響應(yīng)和增壓風(fēng)機一鍵啟停的實現(xiàn)方式。因每臺機組改造方案雷同，文中僅以#3 機組作詳細(xì)介紹。
【關(guān)鍵詞】凝泵 增壓風(fēng)機 變頻改造 控制邏輯 一鍵啟停
1 控制需求分析
1.1 凝泵3B 變頻改造電氣需求
凝結(jié)水熱力系統(tǒng)為火電廠典型配置，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(fù)荷，當(dāng)凝泵出口母管壓力低時備泵聯(lián)啟，除氧器水位通過凝泵后主/輔調(diào)門控制，在變頻改造前系統(tǒng)有較大的節(jié)流損失；變頻改造后主/輔調(diào)門維持全開，通過控制凝泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)除氧器水位，實際節(jié)約能耗可達30%（400MW 時）。因凝泵為一用一備運行結(jié)構(gòu)，變頻改造僅針對主力泵3B。電氣一次系統(tǒng)改造前后如圖1，其中改造前的電氣主開關(guān)QF 改造后變更為工頻電氣開關(guān)QF3，QF1、QF2、變頻器(U3B)為本次改造新增設(shè)備。
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(tǒng)為火電廠典型配置，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)開脫硫旁路擋板，風(fēng)機入口負(fù)壓通過調(diào)節(jié)風(fēng)機入口導(dǎo)葉來控制，有較大的節(jié)流損失；變頻改造后風(fēng)機入口導(dǎo)葉維持全開，通過控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機入口負(fù)壓，實際節(jié)約能耗可達40%（400MW 時）。增壓風(fēng)機3A、3B 一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似并相互獨立，改造后結(jié)構(gòu)如圖2。其中圖中QF 開關(guān)為改造前的電氣主開關(guān)，QF1、QF2、QF3 及U3A/U3B（變頻器）為本次改造新增設(shè)備。
1.3 凝泵與增壓風(fēng)機變頻改造控制需求比較
2 HARSVERT-A系列高壓變頻器調(diào)速節(jié)能原理
2.1 HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速的方法
高壓變頻調(diào)速是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調(diào)節(jié)交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。根據(jù)電機學(xué)原理，交流異步電動機轉(zhuǎn)速由下式確定:
n=60f(1-S)/p (1)
式中:n—電動機轉(zhuǎn)速；
f—輸入電源頻率；
S—電動機轉(zhuǎn)差率；
p—電機極對數(shù)。
由公式(1)可知，電動機的輸出轉(zhuǎn)速與輸入的電源頻率、轉(zhuǎn)差率、電機的極對數(shù)有關(guān)。交流電動機的直接調(diào)速方式主要有：
1) 變極調(diào)速(調(diào)整p)
2) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速或串級調(diào)速或內(nèi)反饋電機(調(diào)整S)
3) 變頻調(diào)速(調(diào)整f)
其中高壓變頻調(diào)速的優(yōu)點最多，得到了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(或水泵)類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關(guān)系:
Q1/ Q2＝n1/n2 (1)
H1/ H2＝(n1/n2)2 (2)
P1/ P2＝(n1/n2)3 (3)
式中：Q1、H1、P1—風(fēng)機(或水泵)在n1轉(zhuǎn)速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率；
Q2、H2、P2—風(fēng)機(或水泵)在n2轉(zhuǎn)速時的相似工況條件下的流量、壓力(或揚程)、軸功率。
由公式(1)、(2)、(3)可知，風(fēng)機(或水泵)的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，壓力(或揚程)與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方降低，驅(qū)動風(fēng)機的電機所需的電功率亦可相應(yīng)降低。
從上述分析可見，調(diào)速是風(fēng)機節(jié)能的重要途徑。
3 控制邏輯設(shè)計及整定
3.1 凝泵3B 變頻改造DCS 控制邏輯
據(jù)以上分析，凝泵3B 變頻改造的DCS 控制邏輯設(shè)計關(guān)鍵主要在于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。實際DCS 設(shè)計見圖3。
設(shè)計及調(diào)試整定細(xì)節(jié)如下：
1）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）對工頻電氣開關(guān)QF3、變頻電氣開關(guān)QF1 同時有效。
2）凝泵3B 工頻啟動（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。因變頻器啟動升至50Hz 系統(tǒng)需要較長時間，為避免出現(xiàn)“悶泵”，系統(tǒng)不具備以變頻方式自動聯(lián)啟的功能。
3）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”。
4）變頻器啟動允許條件為“QF1 分閘”、“QF3 分閘”、“無變頻器相關(guān)故障”；為避免電氣設(shè)備狀態(tài)不一致，“QF1 分閘”將聯(lián)鎖（脈沖）變頻器停運。
5）“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 出口門聯(lián)開、凝泵3A 聯(lián)啟等）。
6）當(dāng)凝泵3B 投變頻自動時，除氧器給水調(diào)門強制手動，反之亦然；當(dāng)凝泵3A 聯(lián)啟后，在5S鐘內(nèi)將給水調(diào)門強迫置位為隨機組負(fù)荷變動的固定值并切手動，實際如下：
7）當(dāng)凝泵3B 投變頻自動時，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低。經(jīng)試驗，在除氧器給水調(diào)門全開條件下，各主要負(fù)荷點凝泵穩(wěn)態(tài)出力如下：
依據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，最終整定：凝泵3B 變頻運行時，泵出口母管壓力低于1.1MPa 時聯(lián)啟備泵（工頻運行時定值為1.5MPa 不變）；凝泵3B 變頻自動調(diào)節(jié)范圍為360MW~630MW，33Hz~50Hz，當(dāng)負(fù)荷低于360MW 時，由運行人員手動關(guān)小除氧器給水調(diào)門，維持變頻自動。
8）凝泵3B 變頻自動是典型的串級三沖量控制系統(tǒng)（如圖4），三沖量分別為除氧器水位（主回路被調(diào)量），高加出口流量（副回路前饋），除氧器補水量（副回路被調(diào)量）。
副回路的作用是在變負(fù)荷過程中，除氧器補水量迅速跟蹤高加給水量的變化，控制調(diào)節(jié)的動態(tài)偏差，主回路的作用是緩慢平穩(wěn)地調(diào)節(jié)最終水位，控制調(diào)節(jié)的穩(wěn)態(tài)偏差。經(jīng)試驗整定，最終主回路參數(shù)為（比例增益P-0.6；積分時間I-480）， 副回路參數(shù)為（比例增益P-0.18；積分時間I-160），除氧器水位動態(tài)偏差為±60mm，穩(wěn)態(tài)偏差為±20mm。
3.2 增壓風(fēng)機3A/3B 變頻改造DCS 控制邏輯
據(jù)1.3 節(jié)的分析，增壓風(fēng)機變頻改造的DCS 控制邏輯設(shè)計關(guān)鍵主要在于1）變頻、工頻在同一個電氣主開關(guān)下；2）危急狀況的聯(lián)鎖功能；3）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(shè)計見圖5。
設(shè)計及調(diào)試整定細(xì)節(jié)如下：
1）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”。任一套順控實現(xiàn)“一鍵啟動”，程序啟動后閉鎖其余順控的執(zhí)行；設(shè)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(zhí)行 “變頻順控停”，其余順控將閉鎖。
2）每套順控有類似的結(jié)構(gòu)形式，以變頻順控啟動為例，順控程控軟件結(jié)構(gòu)見圖6：
3）無論是工頻運行還是變頻運行，只要電氣主開關(guān)QF 分閘，均將導(dǎo)致增壓風(fēng)機停運。因此在保護邏輯設(shè)計上，因工況異常需要增壓風(fēng)機跳閘的在DCS 內(nèi)部只需采取一個動作，即QF 分閘。為保證系統(tǒng)初始位置的正確性，當(dāng)DCS 檢測到QF 分閘信號后，（脈沖）聯(lián)鎖變頻器停運、旁路開關(guān)QF3分閘。當(dāng)變頻支線或工頻支線電氣故障時，需要判斷實際運行工況，才能觸發(fā)QF 分閘。如變頻器重故障或QF1 綜保動作或QF2 綜保動作時，必須同時不在工頻運行模式，才能觸發(fā)QF 分閘。
4）電氣主開關(guān)QF 合閘允許條件同改造前；“QF 已合閘”為變頻器啟動允許和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，同時如存在變頻器和QF3 自身的電氣故障也不允許啟動。
5）順控指令和操作員手動指令受允許條件的限制，保護跳閘指令無條件執(zhí)行。
6）“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)。這兩個狀態(tài)信號任一個為“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于繁瑣，實際僅用于狀態(tài)顯示和允許限制。
7）為保障機組安全，增加事故工況聯(lián)開脫硫煙氣旁路擋板條件如下：
① 電氣主開關(guān)QF 已分閘（脈沖）；
② 電氣主開關(guān)QF 或變頻器輸出電流大于190A；
③ 電氣主開關(guān)QF 合閘且QF 電流小于5A（脈沖）。
雖然邏輯設(shè)置上所有保護都集中于QF，為了防止下線開關(guān)的偷跳設(shè)置了第③條，而增壓風(fēng)機啟動階段旁路擋板須處于開位，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，正常時只能通過順控啟停系統(tǒng)，異常時運行人員可將QF 緊急分閘。
8）增壓風(fēng)機的變頻自動相對簡單，變頻和導(dǎo)葉只是風(fēng)機出力調(diào)節(jié)的不同方法。因此頻率調(diào)節(jié)自動回路設(shè)計與導(dǎo)葉調(diào)節(jié)幾乎是雷同的，都是單PI 調(diào)節(jié)器加上風(fēng)機平衡回路（圖略）。因主機爐膛負(fù)壓自動系統(tǒng)的存在，頻率調(diào)整范圍不受過程工況的限制，因電氣設(shè)備特性需要將頻率自動調(diào)整范圍確定為20Hz～48Hz。在實際調(diào)試中，因頻率調(diào)節(jié)的靈敏度高于導(dǎo)葉，將PI 中的增益和積分作用都適當(dāng)減緩，最終整定PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)為（P-0.3； I-45）；對應(yīng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)參數(shù)為（P-0.5；積分時間I-30），增壓風(fēng)機入口負(fù)壓動態(tài)偏差為±40Pa，穩(wěn)態(tài)偏差為±15 Pa。
4 結(jié)束語
控制邏輯的結(jié)構(gòu)隨對象特性和控制需求而定。凝泵是一用一備的系統(tǒng)，變頻系統(tǒng)自身較為簡單，關(guān)鍵在于自動調(diào)節(jié)和備泵聯(lián)啟；脫硫增壓風(fēng)機是兩臺并列運行，變頻系統(tǒng)較為復(fù)雜，采用順序控制變“被動聯(lián)鎖”為“主動聯(lián)鎖”，可有效避免信號失效帶來的拒動。
參考文獻：
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作者簡介：
楊凱翔，高級工程師，從事熱控專業(yè)技術(shù)管理工作，江蘇國信揚州發(fā)電有限責(zé)任公司，