600MW 机组凝泵和脱硫增压风机变频改造DCS 逻辑设计与应用

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。
    

2 HARSVERT-A系列高压变频器调速节能原理 
2.1 HARSVERT-A高压变频调速的方法 　　
   高压变频调速是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机转速的目的。根据电机学原理，交流异步电动机转速由下式确定: 　　
    n=60f(1-S)/p (1) 　　
   式中:n—电动机转速； 　　
   f—输入电源频率； 　　
   S—电动机转差率； 　　
   p—电机极对数。 　　
  由公式(1)可知，电动机的输出转速与输入的电源频率、转差率、电机的极对数有关。交流电动机的直接调速方式主要有： 　
　  1) 变极调速(调整p) 　
 　 2) 转子串电阻调速或串级调速或内反馈电机(调整S) 　
 　 3) 变频调速(调整f) 　
 　 其中高压变频调速的优点最多，得到了广泛的应用。 　　
  根据流体力学的基本定律可知：风机(或水泵)类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力(扬程)H以及轴功率P具有如下关系:
　　Q1/ Q2＝n1/n2 (1) 　
  　H1/ H2＝(n1/n2)2 (2) 　　
   P1/ P2＝(n1/n2)3 (3) 　　
   式中：Q1、H1、P1—风机(或水泵)在n1转速时的流量、压力(或扬程)、轴功率； 　　
   Q2、H2、P2—风机(或水泵)在n2转速时的相似工况条件下的流量、压力(或扬程)、轴功率。 　
 　由公式(1)、(2)、(3)可知，风机(或水泵)的流量与其转速成正比，压力(或扬程)与其转速的平方成正比，轴功率与其转速的立方成正比。当风机转速降低后，其轴功率随转速的三次方降低，驱动风机的电机所需的电功率亦可相应降低。 　　
    从上述分析可见，调速是风机节能的重要途径。

3 控制逻辑设计及整定
3.1 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 控制逻辑设计关键主要在于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：
   1）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。
      2）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。
     3）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”。
    4）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。
    5）“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）。
     6）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5S钟内将给水调门强迫置位为随机组负荷变动的固定值并切手动，实际如下：

7）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下：

   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，由运行人员手动关小除氧器给水调门，维持变频自动。
       8）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。
3.2 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 控制逻辑设计关键主要在于1）变频、工频在同一个电气主开关下；2）危急状况的联锁功能；3）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：
       1）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。
        2）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：
            
      3）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。
     4）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。
       5）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。
    6）“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。
       7）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。
      8）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。
4 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。