大型火電機組凝泵和脫硫增壓風機變頻改造DCS邏輯設計與應用

（江蘇國信揚州發電有限責任公司） 楊凱翔

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備泵聯啟，除氧器水位通過凝泵后主/輔調門控制，在變頻改造前系統有較大的節流損失；變頻改造后主/輔調門維持全開，通過控制凝泵轉速來調節除氧器水位，實際節約能耗可達30%（400MW時）。

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關QF改造后變更為工頻電氣開關QF3，QF1、QF2、變頻器(U3B)為本次改造新增設備。

改造后DCS實現對凝泵3B的工頻電氣開關(QF3）、變頻器入口電氣開關(QF1)和變頻器（U3B）的遠方合/斷及啟/停控制；變頻器出口開關（QF2）由電氣側聯鎖控制，DCS側僅作畫面監視。

圖1 凝泵3B變頻改造前后電氣一次系統對比及DCS新增控制對象說明

1.2 脫硫增壓風機變頻改造電氣需求

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

增壓風機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開關為改造前的電氣主開關，QF1、QF2、QF3及U3A/U3B（變頻器）為本次改造新增設備。

改造后DCS實現對每臺增壓風機的電氣主開關（QF）、工頻旁路開關（QF3）和變頻器（U3A/U3B）的遠方合/斷及啟/停控制；變頻器進出口開關（QF1、QF2）由電氣側聯鎖控制，DCS側僅作畫面監視。

圖2 脫硫增壓風機3A/3B變頻改造后電氣一次系統及DCS新增控制對象說明

1.3 凝泵與增壓風機變頻改造控制需求比較（見表1）

表1 凝泵與增壓風機變頻改造控制需求比較

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）危急狀況的聯鎖功能；3）除氧器水位自動。實際DCS設計見圖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）對工頻電氣開關QF3、變頻電氣開關QF1同時有效。

? 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系統需要較長時間，為避免出現“悶泵”，系統不具備以變頻方式自動聯啟的功能。

? 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”。

? 變頻器啟動允許條件為“QF1分閘”、“QF3分閘”、“無變頻器相關故障”；為避免電氣設備狀態不一致，“QF1分閘”將聯鎖（脈沖）變頻器停運。

? “QF3合閘”為工頻運行狀態；“QF1合閘、QF2合閘、變頻器運行”為變頻運行狀態。由此兩信號觸發相關控制聯鎖（如凝泵B出口門聯開、凝泵3A聯啟等）。

? 當凝泵3B投變頻自動時，除氧器給水調門強制手動，反之亦然；當凝泵3A聯啟后，在5秒鐘內將給水調門強迫置位為隨機組負荷變動的固定值并且手動，實際如表2所示。

表2 當凝泵3A聯啟后的數據變化

? 當凝泵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。經試驗，在除氧器給水調門全開條件下，各主要負荷點凝泵穩態出力如表3所示。

表3 各主要負荷點凝泵穩態出力

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

? 凝泵3B變頻自動是典型的串級三沖量控制系統（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）。

圖4 凝泵3B變頻自動控制邏輯圖

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

2.2 增壓風機3A/3B變頻改造DCS控制邏輯

據1.3節的分析，增壓風機變頻改造的DCS控制邏輯設計關鍵在于：

? 變頻、工頻在同一個電氣主開關下。

? 危急狀況的聯鎖功能。

? 操作員順控“一鍵啟停”功能。增壓風機3A和3B的DCS控制邏輯相互獨立并雷同，以增壓風機3A為例DCS設計見圖5。

圖5 增壓風機3A變頻改造控制邏輯設計總圖

設計及調試整定細節如下：

? 每臺增壓風機有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“一鍵啟動”，程序啟動后閉鎖其余順控的執行；設備所處狀態也閉鎖部分順控功能，如“已處于變頻運行狀態”將只能執行 “變頻順控停”，其余順控將閉鎖。

? 每套順控有類似的結構形式，以變頻順控啟動為例，順控程控軟件結構見圖6。

圖6 IP3A變頻順控啟動控制結構圖

? 無論是工頻運行還是變頻運行，只要電氣主開關QF分閘，均將導致增壓風機停運。因此在保護邏輯設計上，因工況異常需要增壓風機跳閘的在DCS內部只需采取一個動作，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）聯鎖變頻器停運、旁路開關QF3分閘。當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QF分閘。

? 電氣主開關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。

? 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行。

? “QF且QF3合閘”為工頻運行狀態；“QF、QF1、QF2合閘、且變頻器運行”為變頻運行狀態。這兩個狀態信號任一個為“1”則表示增壓風機運行，全為“0”則表示增壓風機停運。由于這樣的組合信號過于繁瑣，實際僅用于狀態顯示和允許限制。

? 為保障機組安全，增加事故工況聯開脫硫煙氣旁路擋板條件如下：

① 電氣主開關QF已分閘（脈沖）；

② 電氣主開關QF或變頻器輸出電流大于190A；

③ 電氣主開關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，為了防止下線開關的偷跳設置了第③條，而增壓風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，異常時運行人員可將QF緊急分閘。

? 增壓風機的變頻自動相對簡單，變頻和導葉只是風機出力調節的不同方法。因此頻率調節自動回路設計與導葉調節幾乎是雷同的，都是單PI調節器加上風機平衡回路（圖略）。因主機爐膛負壓自動系統的存在，頻率調整范圍不受過程工況的限制，因電氣設備特性需要將頻率自動調整范圍確定為20Hz～48Hz。在實際調試中，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；積分時間I—30），增壓風機入口負壓動態偏差為±40Pa，穩態偏差為±15 Pa。

3 結束語

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單，關鍵在于自動調節和備泵聯啟；脫硫增壓風機是兩臺并列運行，變頻系統較為復雜，采用順序控制變“被動聯鎖”為“主動聯鎖”，可有效避免信號失效帶來的拒動。

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