600 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張興，陳勝利，牛百芳，徐玉明

（1.安徽省電力科學(xué)研究院，合肥230061；2.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽宿州234101）

600 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張興1，陳勝利1，牛百芳2，徐玉明2

（1.安徽省電力科學(xué)研究院，合肥230061；2.安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽宿州234101）

針對(duì)引風(fēng)機(jī)變頻改造方案，提出了變頻改造相應(yīng)的熱工DCS控制策略。該策略實(shí)施后，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)方式下引風(fēng)機(jī)工頻/變頻2種方式等出力、小擾動(dòng)的相互切換，取得了較好的控制效果，為引風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和各工況成功切換提供了有力保證。實(shí)際運(yùn)行表明，該改造方案節(jié)能效果明顯。

引風(fēng)機(jī)；變頻改造；控制策略；自動(dòng)切換

0 引言

隨著節(jié)能減排工作的逐步深入，建設(shè)節(jié)約環(huán)保型企業(yè)正日益成為火力發(fā)電廠的工作重點(diǎn)。在發(fā)電廠的節(jié)能減排項(xiàng)目中，高壓電機(jī)設(shè)備的變頻器改造，因其節(jié)能效果明顯，得到迅速的推廣和應(yīng)用。引風(fēng)機(jī)是火電廠重要的高壓電機(jī)之一，其運(yùn)行調(diào)節(jié)方式通常是通過(guò)調(diào)節(jié)靜葉開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率并不隨機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，大量電能消耗在節(jié)流損失中。由于引風(fēng)機(jī)經(jīng)常在較低的效率工況下運(yùn)行，靜葉開(kāi)度不到40%，因此對(duì)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造，實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨機(jī)組負(fù)荷變化而調(diào)整，提高效率，可以大大降低機(jī)組能耗和廠用電率。與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高壓變頻設(shè)備的DCS控制，也成為高壓電機(jī)設(shè)備變頻器改造項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵因素。

某電廠600 MW超臨界機(jī)組于2011年3月完成2臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻改造，在機(jī)組啟動(dòng)前及啟動(dòng)過(guò)程中，完成了對(duì)該機(jī)組引風(fēng)機(jī)變頻方式下的自動(dòng)控制及單側(cè)引風(fēng)機(jī)變頻/工頻方式自動(dòng)切換等控制策略的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 變頻裝置控制方案

在引風(fēng)機(jī)變頻改造過(guò)程中，變頻裝置所有開(kāi)關(guān)及變頻器的轉(zhuǎn)速完全由DCS控制。

1.1 電氣回路控制方案

引風(fēng)機(jī)單套變頻裝置帶1臺(tái)電機(jī)，如圖1所示，主開(kāi)關(guān)為原有斷路器，QF3，QF4和QF5是3臺(tái)新增的斷路器，其中QF3為進(jìn)線(xiàn)斷路器，QF4為出線(xiàn)斷路器。額定電流1 250 A，額定開(kāi)斷電流40 kA。

該方案通過(guò)增加3臺(tái)斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)工頻/變頻切換功能。QF3，QF4和QF5之間存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關(guān)系。變頻方式啟動(dòng)時(shí)，操作變頻器下口斷路器QF4、變頻器上口斷路器QF3合閘，然后啟動(dòng)變頻器，引風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。切到工頻方式時(shí)，斷開(kāi)QF4和QF3，停運(yùn)變頻器，然后閉合引風(fēng)機(jī)工頻旁路斷路器QF5。

1.2 DCS控制方案

1.2.1 DCS信號(hào)處理

2臺(tái)引風(fēng)機(jī)分別有工頻、變頻2種控制方式，以下信號(hào)為邏輯判斷的合成信號(hào)：

（1）引風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)：引風(fēng)機(jī)6 kV電源開(kāi)關(guān)常開(kāi)接點(diǎn)、常閉接點(diǎn)取非，電機(jī)電流大于5 A三取二。

（2）引風(fēng)機(jī)停止信號(hào)：引風(fēng)機(jī)6 kV電源開(kāi)關(guān)常開(kāi)接點(diǎn)取非，常閉接點(diǎn)、電機(jī)電流小于5 A三取二。

（3）工頻方式：QF3和QF4在分閘狀態(tài)，QF5在合閘狀態(tài)。

（4）變頻方式：QF3和QF4在合閘狀態(tài)，QF5在分閘狀態(tài)。

1.2.2 斷路器QF聯(lián)鎖信號(hào)處理

引風(fēng)機(jī)高壓變頻裝置電氣回路新增3個(gè)QF斷路器后，相關(guān)聯(lián)鎖及閉鎖控制邏輯設(shè)計(jì)如下：

（1）QF3，QF4合閘允許：QF5在分位且引風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)在分位。

（2）QF3，QF4聯(lián)鎖分閘：引風(fēng)機(jī)變頻切工頻觸發(fā)。

（3）QF5合閘允許：QF3在分位且QF5在分位。

（4）QF5聯(lián)鎖合閘：引風(fēng)機(jī)變頻切工頻。

1.2.3 原高壓開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖邏輯修改

原有工頻方式下引風(fēng)機(jī)高壓開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖邏輯因增加了變頻運(yùn)行方式后也要作相應(yīng)調(diào)整，控制邏輯修改如下：

（1）在引風(fēng)機(jī)主開(kāi)關(guān)的合閘允許條件中增加“在工頻方式，或在變頻方式且無(wú)重故障信號(hào)”。

（2）在引風(fēng)機(jī)電機(jī)的跳閘條件中增加“引風(fēng)機(jī)不在變頻方式且不在工頻方式且6 kV電流小于10 A”。

1.2.4 引風(fēng)機(jī)變頻/工頻自動(dòng)切換控制方案

針對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中單側(cè)引風(fēng)機(jī)變頻器跳閘需要自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行的情況，為了避免出現(xiàn)影響安全運(yùn)行的事故，并盡可能減小系統(tǒng)擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的控制方案，增加了1個(gè)中間信號(hào)即“引風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)切工頻功能觸發(fā)”，它是由以下3個(gè)條件相與組成的：“變頻方式”后延時(shí)2 s、“引風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)在合位”和“引風(fēng)機(jī)變頻器重故障”或運(yùn)行人員手動(dòng)切換工頻。

當(dāng)“引風(fēng)機(jī)變頻切工頻觸發(fā)”信號(hào)觸發(fā)后，DCS發(fā)出信號(hào)聯(lián)鎖斷開(kāi)QF3和QF4斷路器，并將對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)靜葉超馳關(guān)至機(jī)組負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度，同時(shí)將爐膛負(fù)壓的變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)器切為手動(dòng)。需要指出的是，風(fēng)機(jī)靜葉超馳關(guān)至的開(kāi)度值是由該機(jī)組以往的運(yùn)行曲線(xiàn)估算得到的，可以根據(jù)系統(tǒng)擾動(dòng)情況或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

“引風(fēng)機(jī)變頻切工頻功能觸發(fā)”延時(shí)2 s且QF3和QF4斷路器已經(jīng)分閘成功后，DCS發(fā)出信號(hào)聯(lián)鎖合閘QF5斷路器。此時(shí)若QF5合閘成功，而引風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)仍在合位，即判斷“變頻切工頻成功”。若“引風(fēng)機(jī)變頻切工頻自動(dòng)合QF5”觸發(fā)后超過(guò)4 s且QF5仍未合閘成功，或引風(fēng)機(jī)6 kV開(kāi)關(guān)已斷開(kāi)，則判斷“變頻切工頻失敗”。

1.3 引風(fēng)機(jī)變頻方式下的自動(dòng)調(diào)節(jié)方案

當(dāng)引風(fēng)機(jī)處于變頻控制時(shí)，爐膛負(fù)壓過(guò)程值與設(shè)定值的偏差經(jīng)過(guò)變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)器的比例積分計(jì)算后形成控制信號(hào)，通過(guò)平衡模塊分配到2臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器的控制回路，變頻器根據(jù)此信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓。

在送風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的聯(lián)鎖切手動(dòng)條件中，應(yīng)將原“引風(fēng)機(jī)靜葉控制在手動(dòng)”改為“引風(fēng)機(jī)靜葉控制和變頻控制均在手動(dòng)”。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 引風(fēng)機(jī)控制方式切換

引風(fēng)機(jī)變頻改造完成后，在機(jī)組大修結(jié)束后的啟動(dòng)過(guò)程中，引風(fēng)機(jī)直接采用了變頻方式，此時(shí)2臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速指令均為手動(dòng)控制方式，轉(zhuǎn)速指令保持最大值600 r/min，試驗(yàn)前爐膛負(fù)壓仍通過(guò)引風(fēng)機(jī)靜葉擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此工況下2臺(tái)變頻器也進(jìn)行了48 h的連續(xù)最大出力試驗(yàn)。

引風(fēng)機(jī)控制方式切換時(shí)，運(yùn)行人員在協(xié)調(diào)方式下將機(jī)組負(fù)荷升至550 MW，負(fù)荷穩(wěn)定后逐步降低2臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器的出力，同時(shí)引風(fēng)機(jī)靜葉在爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)器的作用下逐步開(kāi)大。當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)靜葉均開(kāi)至高限值85%后，運(yùn)行人員將爐膛負(fù)壓控制器（工頻方式）切至手動(dòng)并將靜葉開(kāi)度維持在85%，待爐膛負(fù)壓穩(wěn)定后將引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動(dòng)并完成調(diào)節(jié)參數(shù)的整定。

2.2 引風(fēng)機(jī)變頻/工頻自動(dòng)切換試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)機(jī)組負(fù)荷450 MW，并投入?yún)f(xié)調(diào)控制方式，爐膛負(fù)壓為變頻自動(dòng)控制方式，2臺(tái)引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度維持在85%。

機(jī)組燃燒穩(wěn)定后，運(yùn)行人員手動(dòng)停止B引風(fēng)機(jī)變頻器，此時(shí)爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)器（變頻方式）由自動(dòng)切為手動(dòng)控制，送風(fēng)、一次風(fēng)、燃料、給水、協(xié)調(diào)控制等系統(tǒng)聯(lián)鎖切為手動(dòng)。B引風(fēng)機(jī)靜葉指令自動(dòng)降至當(dāng)前機(jī)組負(fù)荷450 MW所對(duì)應(yīng)靜葉開(kāi)度的函數(shù)值54%，由于B引風(fēng)機(jī)短時(shí)間沒(méi)有出力，爐膛負(fù)壓快速上升至317 Pa。B引風(fēng)機(jī)變頻器停止后發(fā)出“引風(fēng)機(jī)變頻切工頻功能觸發(fā)”信號(hào)，聯(lián)鎖斷開(kāi)QF3和QF4斷路器，2 s后聯(lián)鎖合上QF5斷路器，B引風(fēng)機(jī)工頻方式自動(dòng)投入，發(fā)出“變頻切工頻成功”信號(hào)并將“引風(fēng)機(jī)變頻切工頻功能觸發(fā)”信號(hào)復(fù)位。由于B引風(fēng)機(jī)在工頻方式下重新投入運(yùn)行，爐膛負(fù)壓快速降至約-200 Pa。之后運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)A，B引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度使?fàn)t膛負(fù)壓逐步穩(wěn)定，至此1號(hào)機(jī)組單側(cè)引風(fēng)機(jī)變頻/工頻自動(dòng)切換試驗(yàn)成功。

機(jī)組穩(wěn)定后，運(yùn)行人員手動(dòng)恢復(fù)B引風(fēng)機(jī)為變頻方式并投入爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變頻方式）及協(xié)調(diào)控制，恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。

需要說(shuō)明的是：在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)因某臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器故障跳閘導(dǎo)致的運(yùn)行方式切換，由于變頻器故障處理需要一定時(shí)間，此時(shí)需要將另一臺(tái)引風(fēng)機(jī)也切換為工頻方式并重新投入爐膛負(fù)壓工頻自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以穩(wěn)定燃燒并及時(shí)投入?yún)f(xié)調(diào)控制。在此切換過(guò)程中，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定程度，逐步關(guān)小引風(fēng)機(jī)擋板、提高變頻器出力，直至變頻器指令達(dá)上限。這時(shí)引風(fēng)機(jī)變頻器的出力與工頻方式下電機(jī)的出力基本一致，變頻/工頻方式切換的穩(wěn)定性最高，爐膛負(fù)壓波動(dòng)最小。

3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)及優(yōu)化建議

引風(fēng)機(jī)變頻改造后的相關(guān)試驗(yàn)表明：變頻方式下自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，引風(fēng)機(jī)變頻/工頻自動(dòng)切換過(guò)程穩(wěn)定且對(duì)機(jī)組燃燒擾動(dòng)很小。通過(guò)試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)變頻方式下的控制策略還可進(jìn)一步優(yōu)化：

（1）在變頻/工頻方式切換時(shí)，DCS自動(dòng)將引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度指令由上限切換至機(jī)組負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度函數(shù)。此函數(shù)設(shè)置的目的是確保引風(fēng)機(jī)在由變頻切工頻后與原變頻方式下的出力偏差盡可能小，從而減小系統(tǒng)擾動(dòng)。但由于此函數(shù)只是根據(jù)歷史和經(jīng)驗(yàn)值粗略得到，即使在同一負(fù)荷下，由于煤種的變化也會(huì)使煤量、送風(fēng)量等參數(shù)發(fā)生一定變化，從而導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度在同一負(fù)荷下也不盡相同。因此可以將此函數(shù)修改為在相同出力情況下，變頻器頻率所對(duì)應(yīng)的工頻方式下風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度的函數(shù)，以進(jìn)一步減小引風(fēng)機(jī)切換為工頻后與變頻方式下的出力偏差，更好地消除燃燒工況、煤質(zhì)、送風(fēng)量等對(duì)切換過(guò)程的影響和擾動(dòng)。該函數(shù)需要在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)一步摸索和試驗(yàn)才能得到。

（2）可增加“任意1臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器投運(yùn)即禁投引風(fēng)機(jī)靜葉自動(dòng)調(diào)節(jié)”的邏輯。因?yàn)槿?臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器在運(yùn)行中跳閘時(shí)，都會(huì)在切至工頻運(yùn)行的同時(shí)將對(duì)應(yīng)的引風(fēng)機(jī)靜葉切至負(fù)荷對(duì)應(yīng)的開(kāi)度函數(shù)值，若此時(shí)另1臺(tái)引風(fēng)機(jī)靜葉在自動(dòng)狀態(tài)，在平衡算法的作用下會(huì)迅速向相反方向打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)開(kāi)度。若2臺(tái)引風(fēng)機(jī)靜葉開(kāi)度同時(shí)出現(xiàn)大幅度的變化，對(duì)鍋爐燃燒乃至機(jī)組的安全將造成極大的擾動(dòng)和威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是維持鍋爐穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵系統(tǒng)，采用工頻/變頻自動(dòng)切換的變頻器改造方案是維持機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。通過(guò)對(duì)DCS控制邏輯所做的改造和優(yōu)化，為引風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和各種工況成功切換提供了有力保障。采用變頻控制后，爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯變快，爐膛壓力波動(dòng)幅度明顯減小，整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)維護(hù)量大大減少。與此同時(shí)，使用變頻調(diào)速技術(shù)后，引風(fēng)機(jī)的節(jié)流損失大大減小，在低負(fù)荷運(yùn)行工況下尤為顯著，獲得了很好的節(jié)能效果。

[1]朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2001

[3]劉維.超（超）臨界機(jī)組控制方法與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

（本文編輯：龔皓）

Design and Realization of Frequency Control on Induced Draft Fan in 600 MW Generator Unit

ZHANG Xing1，CHEN Sheng-li1，NIU Bai-fang2，XU Yu-ming2
（1.Anhui Electric Power Research Institute，Hefei 230061，China；2.Anhui Huadian Suzhou Power Generation Co.，Ltd，Suzhou Anhui 234101,China）

This paper introduces the corresponding thermal control DCS control strategy based on the reconstruction scheme of induced draft fan frequency converting.After the implementation，two modes of induced draft fan power frequency and frequency converting are switched under the automation mode with same output and small interference and excellent control effect is achieved to ensure the stable operation of induced draft fan and successful switching during every operation condition.The practical operation proves that this scheme has evident energy saving effect.

induced draft fan；frequency conversion transformation；control strategy；automatic switching

TK39

：B

：1007-1881（2012）10-0048-04

2012-03-21

張興（1983-），男，江蘇銅山人，助理工程師，主要從事火電廠熱工自動(dòng)控制技術(shù)的研究。