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    杨凯翔（1973-）男，江苏盐城人，高级工程师，现就职于江苏国信扬州发电有限责任公司设备部，主要研究方向为生产过程自动化。

    摘要：辅机变频改造是大型电站节能降耗的主要手段之一，本文以某4×600MW火力发电厂为应用对象，依据电气特性和运行方式的需求，介绍了凝泵、脱硫增压风机变频改造的DCS控制逻辑设计方案，突出说明了凝泵事故响应和脱硫增压风机一键启停的实现方式。因每台机组改造方案雷同，文中仅以#3机组作详细介绍。

    关键词：凝泵；脱硫增压风机；变频改造；DCS逻辑；一键启停

    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变频改造电气需求

    凝结水热力系统为火电厂典型配置，改造前凝泵3A或3B任一台以工频（50Hz）方式运行均可匹配100%的机组负荷，当凝泵出口母管压力低时备泵联启，除氧器水位通过凝泵后主/辅调门控制，在变频改造前系统有较大的节流损失；变频改造后主/辅调门维持全开，通过控制凝泵转速来调节除氧器水位，实际节约能耗可达30%（400MW时）。

    因凝泵为一用一备运行结构，变频改造仅针对主力泵3B。电气一次系统改造前后如图1，其中改造前的电气主开关QF改造后变更为工频电气开关QF3，QF1、QF2、变频器(U3B)为本次改造新增设备。

    改造后DCS实现对凝泵3B的工频电气开关(QF3）、变频器入口电气开关(QF1)和变频器（U3B）的远方合/断及启/停控制；变频器出口开关（QF2）由电气侧联锁控制，DCS侧仅作画面监视。
               
                 图1 凝泵3B变频改造前后电气一次系统对比及DCS新增控制对象说明
    1.2 脱硫增压风机变频改造电气需求

    脱硫增压风机热力系统为火电厂典型配置，增压风机3A/3B并列运行，任一台风机异常（电流大或跳闸）则联开脱硫旁路挡板，风机入口负压通过调节风机入口导叶来控制，有较大的节流损失；变频改造后风机入口导叶维持全开，通过控制风机转速来调节风机入口负压，实际节约能耗可达40%（400MW时）。

    增压风机3A、3B一次系统结构相似并相互独立，改造后结构如图2。其中图中QF开关为改造前的电气主开关，QF1、QF2、QF3及U3A/U3B（变频器）为本次改造新增设备。

    改造后DCS实现对每台增压风机的电气主开关（QF）、工频旁路开关（QF3）和变频器（U3A/U3B）的远方合/断及启/停控制；变频器进出口开关（QF1、QF2）由电气侧联锁控制，DCS侧仅作画面监视。
               
            图2  脱硫增压机3A/3B变频改造后电气一次系统及DCS新增控制对象说明
    1.3 凝泵与增压风机变频改造控制需求比较（见表1）

表1 凝泵与增压风机变频改造控制需求比较
类 别凝泵3B变频改造增压风机3A/3B变频改造
运行系统一用一备两台并列运行
电气一次系统变频、工频分别独立的
两路
变频、工频在同一个电气
主开关下
DCS控制对象变频电气开关、变频
器、工频旁路电气开关
电气主开关、变频器、工
频旁路电气开关
变频运行本质变凝泵出力不可调为可调
变增压风机导叶调节为频率调节
启停方式操作员手动操作员顺控“一键启停”
自动调节除氧器水位自动增压风机进口负压自动
危急联锁凝泵3B联启，除氧器给
水调门置位超弛
联开脱硫烟气旁路挡板

    2 控制逻辑设计及整定

    2.1 凝泵3B变频改造DCS控制逻辑

    据以上分析，凝泵3B变频改造的DCS控制逻辑设计关键在于：1）变频、工频为独立的电气一次回路；2）危急状况的联锁功能；3）除氧器水位自动。实际DCS设计见图3。

    设计及调试整定细节如下：

    凝泵3B的外部允许和跳闸条件（如热井水位低、轴承温度高等）对工频电气开关QF3、变频电气开关QF1同时有效。

    凝泵3B工频启动（QF3合闸）允许条件需补充“QF1且QF2分闸”；将“QF1分闸”作为投用工频备用的必要条件；将“QF1合闸”作为撤出工频备用的充分条件。因变频器启动升至50Hz系统需要较长时间，为避免出现“闷泵”，系统不具备以变频方式自动联启的功能。

    变频高压合闸允许条件需补充“QF3分闸”、“变频器允许高压合闸”；变频高压跳闸条件需补充“QF1或QF2保护跳闸”及“变频器重故障”。

    变频器启动允许条件为“QF1分闸”、“QF3分闸”、“无变频器相关故障”；为避免电气设备状态不一致，“QF1分闸”将联锁（脉冲）变频器停运。

    “QF3合闸”为工频运行状态；“QF1合闸、QF2合闸、变频器运行”为变频运行状态。由此两信号触发相关控制联锁（如凝泵B出口门联开、凝泵3A联启等）。

    当凝泵3B投变频自动时，除氧器给水调门强制手动，反之亦然；当凝泵3A联启后，在5秒钟内将给水调门强迫置位为随机组负荷变动的固定值并且手动，实际如表2所示。

表2 当凝泵3A联启后的数据变化
负荷（MW） 主调开度（％） 辅调开度（％）
<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

    当凝泵3B投变频自动时，不仅要保证除氧器水位，又要保证凝泵出口母管压力不致过低。经试验，在除氧器给水调门全开条件下，各主要负荷点凝泵稳态出力如表3所示。

    依据以上试验数据，最终整定：凝泵3B变频运行时，泵出口母管压力低于1.1MPa时联启备泵（工频运行时定值为1.5MPa不变）；凝泵3B变频自动调节范围为360MW～630MW，33Hz～50Hz，当负荷低于360MW时，维持凝泵3B在最低频率运行，除氧水位通过补水调门自动控制。

    凝泵3B变频自动是典型的串级三冲量控制系统（如图4），三冲量分别为除氧器水位（主回路被调量），高加出口流量（副回路前馈），除氧器补水量（副回路被调量）。

    副回路的作用是在变负荷过程中，除氧器补水量迅速跟踪高加给水量的变化，控制调节的动态偏差，主回路的作用是缓慢平稳地调节最终水位，控制调节的稳态偏差。经试验整定，最终主回路参数为（比例增益P—0.6；积分时间I—480）， 副回路参数为（比例增益P—0.18；积分时间I—160），除氧器水位动态偏差为±60mm，稳态偏差为±20mm。

    2.2 增压风机3A/3B变频改造DCS控制逻辑

    据1.3节的分析，增压风机变频改造的DCS控制逻辑设计关键在于：

    变频、工频在同一个电气主开关下。

    危急状况的联锁功能。

    操作员顺控“一键启停”功能。增压风机3A和3B的DCS控制逻辑相互独立并雷同，以增压风机3A为例DCS设计见图5。

    设计及调试整定细节如下：

    每台增压风机有4套相互独立并行的顺控逻辑，即为“工频顺控启”、“工频顺控停”、“变频顺控启”、“变频顺控停”。任一套顺控实现“一键启动”，程序启动后闭锁其余顺控的执行；设备所处状态也闭锁部分顺控功能，如“已处于变频运行状态”将只能执行 “变频顺控停”，其余顺控将闭锁。

    每套顺控有类似的结构形式，以变频顺控启动为例，顺控程控软件结构见图6。

    无论是工频运行还是变频运行，只要电气主开关QF分闸，均将导致增压风机停运。因此在保护逻辑设计上，因工况异常需要增压风机跳闸的在DCS内部只需采取一个动作，即QF分闸。为保证系统初始位置的正确性，当DCS检测到QF分闸信号后，（脉冲）联锁变频器停运、旁路开关QF3分闸。当变频支线或工频支线电气故障时，需要判断实际运行工况，才能触发QF分闸。如变频器重故障或QF1综保动作或QF2综保动作时，必须同时不在工频运行模式，才能触发QF分闸。

    电气主开关QF合闸允许条件同改造前；“QF已合闸”为变频器启动允许和QF3合闸允许的必备条件，变频和工频相互闭锁，即只有QF1、QF2分闸才允许QF3合闸，反之亦然，同时如存在变频器和QF3自身的电气故障也不允许启动。

    顺控指令和操作员手动指令受允许条件的限制，保护跳闸指令无条件执行。

    “QF且QF3合闸”为工频运行状态；“QF、QF1、QF2合闸、且变频器运行”为变频运行状态。这两个状态信号任一个为“1”则表示增压风机运行，全为“0”则表示增压风机停运。由于这样的组合信号过于繁琐，实际仅用于状态显示和允许限制。

    为保障机组安全，增加事故工况联开脱硫烟气旁路挡板条件如下：

    ① 电气主开关QF已分闸（脉冲）；

    ② 电气主开关QF或变频器输出电流大于190A；

    ③ 电气主开关QF合闸且QF电流小于5A（脉冲）。

    虽然逻辑设置上所有保护都集中于QF，为了防止下线开关的偷跳设置了第③条，而增压风机启动阶段旁路挡板须处于开位，与此并不矛盾。另外为防止运行人员误操作将变频器和QF3的单操功能取消，正常时只能通过顺控启停系统，异常时运行人员可将QF紧急分闸。
   
    增压风机的变频自动相对简单，变频和导叶只是风机出力调节的不同方法。因此频率调节自动回路设计与导叶调节几乎是雷同的，都是单PI调节器加上风机平衡回路（图略）。因主机炉膛负压自动系统的存在，频率调整范围不受过程工况的限制，因电气设备特性需要将频率自动调整范围确定为20Hz～48Hz。在实际调试中，因频率调节的灵敏度高于导叶，将PI中的增益和积分作用都适当减缓，最终整定PI调节器参数为（P—0.3；I—45）；对应导叶调节参数为（P—0.5；积分时间I—30），增压风机入口负压动态偏差为±40Pa，稳态偏差为±15 Pa。

    3 结束语

    控制逻辑的结构随对象特性和控制需求而定。凝泵是一用一备的系统，变频系统自身较为简单，关键在于自动调节和备泵联启；脱硫增压风机是两台并列运行，变频系统较为复杂，采用顺序控制变“被动联锁”为“主动联锁”，可有效避免信号失效带来的拒动。

    参考文献：

    [1] 黄晋营. 高压凝结水泵变频改造的应用[J]. 广西电力, 2008, 31(2).

     摘自《自动化博览》2010年第九期