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    楊凱翔（1973-）男，江蘇鹽城人，高級工程師，現(xiàn)就職于江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司設(shè)備部，主要研究方向?yàn)樯a(chǎn)過程自動化。

    摘要：輔機(jī)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4×600MW火力發(fā)電廠為應(yīng)用對象，依據(jù)電氣特性和運(yùn)行方式的需求，介紹了凝泵、脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻改造的DCS控制邏輯設(shè)計(jì)方案，突出說明了凝泵事故響應(yīng)和脫硫增壓風(fēng)機(jī)一鍵啟停的實(shí)現(xiàn)方式。因每臺機(jī)組改造方案雷同，文中僅以#3機(jī)組作詳細(xì)介紹。

    關(guān)鍵詞：凝泵；脫硫增壓風(fēng)機(jī)；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(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(yùn)行均可匹配100%的機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)凝泵出口母管壓力低時(shí)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(shí)際節(jié)約能耗可達(dá)30%（400MW時(shí)）。

    因凝泵為一用一備運(yùn)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。

    改造后DCS實(shí)現(xiàn)對凝泵3B的工頻電氣開關(guān)(QF3）、變頻器入口電氣開關(guān)(QF1)和變頻器（U3B）的遠(yuǎn)方合/斷及啟/停控制；變頻器出口開關(guān)（QF2）由電氣側(cè)聯(lián)鎖控制，DCS側(cè)僅作畫面監(jiān)視。
               
                 圖1 凝泵3B變頻改造前后電氣一次系統(tǒng)對比及DCS新增控制對象說明
    1.2 脫硫增壓風(fēng)機(jī)變頻改造電氣需求

    脫硫增壓風(fēng)機(jī)熱力系統(tǒng)為火電廠典型配置，增壓風(fēng)機(jī)3A/3B并列運(yùn)行，任一臺風(fēng)機(jī)異常（電流大或跳閘）則聯(lián)開脫硫旁路擋板，風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)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(jī)入口導(dǎo)葉維持全開，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓，實(shí)際節(jié)約能耗可達(dá)40%（400MW時(shí)）。

    增壓風(fēng)機(jī)3A、3B一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似并相互獨(dú)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。

    改造后DCS實(shí)現(xiàn)對每臺增壓風(fēng)機(jī)的電氣主開關(guān)（QF）、工頻旁路開關(guān)（QF3）和變頻器（U3A/U3B）的遠(yuǎn)方合/斷及啟/停控制；變頻器進(jìn)出口開關(guān)（QF1、QF2）由電氣側(cè)聯(lián)鎖控制，DCS側(cè)僅作畫面監(jiān)視。
               
            圖2  脫硫增壓機(jī)3A/3B變頻改造后電氣一次系統(tǒng)及DCS新增控制對象說明
    1.3 凝泵與增壓風(fēng)機(jī)變頻改造控制需求比較（見表1）

表1 凝泵與增壓風(fēng)機(jī)變頻改造控制需求比較
類 別凝泵3B變頻改造增壓風(fēng)機(jī)3A/3B變頻改造
運(yùn)行系統(tǒng)一用一備兩臺并列運(yùn)行
電氣一次系統(tǒng)變頻、工頻分別獨(dú)立的
兩路
變頻、工頻在同一個電氣
主開關(guān)下
DCS控制對象變頻電氣開關(guān)、變頻
器、工頻旁路電氣開關(guān)
電氣主開關(guān)、變頻器、工
頻旁路電氣開關(guān)
變頻運(yùn)行本質(zhì)變凝泵出力不可調(diào)為可調(diào)
變增壓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)為頻率調(diào)節(jié)
啟停方式操作員手動操作員順控“一鍵啟停”
自動調(diào)節(jié)除氧器水位自動增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)口負(fù)壓自動
危急聯(lián)鎖凝泵3B聯(lián)啟，除氧器給
水調(diào)門置位超弛
聯(lián)開脫硫煙氣旁路擋板

    2 控制邏輯設(shè)計(jì)及整定

    2.1 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(jì)關(guān)鍵在于：1）變頻、工頻為獨(dú)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(shí)際DCS設(shè)計(jì)見圖3。

    設(shè)計(jì)及調(diào)試整定細(xì)節(jié)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）對工頻電氣開關(guān)QF3、變頻電氣開關(guān)QF1同時(shí)有效。

    凝泵3B工頻啟動（QF3合閘）允許條件需補(bǔ)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(shí)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。

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

    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(yùn)。

    “QF3合閘”為工頻運(yùn)行狀態(tài)；“QF1合閘、QF2合閘、變頻器運(yùn)行”為變頻運(yùn)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）。

    當(dāng)凝泵3B投變頻自動時(shí)，除氧器給水調(diào)門強(qiáng)制手動，反之亦然；當(dāng)凝泵3A聯(lián)啟后，在5秒鐘內(nèi)將給水調(diào)門強(qiáng)迫置位為隨機(jī)組負(fù)荷變動的固定值并且手動，實(shí)際如表2所示。

表2 當(dāng)凝泵3A聯(lián)啟后的數(shù)據(jù)變化
負(fù)荷（MW） 主調(diào)開度（％） 輔調(diào)開度（％）
<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(dāng)凝泵3B投變頻自動時(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低。經(jīng)試驗(yàn)，在除氧器給水調(diào)門全開條件下，各主要負(fù)荷點(diǎn)凝泵穩(wěn)態(tài)出力如表3所示。

    依據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終整定：凝泵3B變頻運(yùn)行時(shí)，泵出口母管壓力低于1.1MPa時(shí)聯(lián)啟備泵（工頻運(yùn)行時(shí)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(shí)，維持凝泵3B在最低頻率運(yùn)行，除氧水位通過補(bǔ)水調(diào)門自動控制。

    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(bǔ)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(bǔ)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(yàn)整定，最終主回路參數(shù)為（比例增益P—0.6；積分時(shí)間I—480）， 副回路參數(shù)為（比例增益P—0.18；積分時(shí)間I—160），除氧器水位動態(tài)偏差為±60mm，穩(wěn)態(tài)偏差為±20mm。

    2.2 增壓風(fēng)機(jī)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(jī)變頻改造的DCS控制邏輯設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于：

    變頻、工頻在同一個電氣主開關(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(jī)3A和3B的DCS控制邏輯相互獨(dú)立并雷同，以增壓風(fēng)機(jī)3A為例DCS設(shè)計(jì)見圖5。

    設(shè)計(jì)及調(diào)試整定細(xì)節(jié)如下：

    每臺增壓風(fēng)機(jī)有4套相互獨(dú)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(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(yùn)行狀態(tài)”將只能執(zhí)行 “變頻順控停”，其余順控將閉鎖。

    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。

    無論是工頻運(yùn)行還是變頻運(yùn)行，只要電氣主開關(guān)QF分閘，均將導(dǎo)致增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)。因此在保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)上，因工況異常需要增壓風(fēng)機(jī)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(yùn)、旁路開關(guān)QF3分閘。當(dāng)變頻支線或工頻支線電氣故障時(shí)，需要判斷實(shí)際運(yùn)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(shí)，必須同時(shí)不在工頻運(yùn)行模式，才能觸發(fā)QF分閘。

    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(shí)如存在變頻器和QF3自身的電氣故障也不允許啟動。

    順控指令和操作員手動指令受允許條件的限制，保護(hù)跳閘指令無條件執(zhí)行。

    “QF且QF3合閘”為工頻運(yùn)行狀態(tài)；“QF、QF1、QF2合閘、且變頻器運(yùn)行”為變頻運(yùn)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(jī)運(yùn)行，全為“0”則表示增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)。由于這樣的組合信號過于繁瑣，實(shí)際僅用于狀態(tài)顯示和允許限制。

    為保障機(jī)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(hù)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(jī)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(yùn)行人員誤操作將變頻器和QF3的單操功能取消，正常時(shí)只能通過順控啟停系統(tǒng)，異常時(shí)運(yùn)行人員可將QF緊急分閘。
   
    增壓風(fēng)機(jī)的變頻自動相對簡單，變頻和導(dǎo)葉只是風(fēng)機(jī)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(jì)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(jī)平衡回路（圖略）。因主機(jī)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(shí)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(shí)間I—30），增壓風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓動態(tài)偏差為±40Pa，穩(wěn)態(tài)偏差為±15 Pa。

    3 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(jī)是兩臺并列運(yùn)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(xiàn)：

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

     摘自《自動化博覽》2010年第九期