【摘 要】輔機變頻改造是大型電站節能降耗的主要手段之一，本文以某電廠4×600MW 火電機組為應用對象，依據電氣特性和運行方式的需求，介紹了利德華福HARSVERT-A高壓變頻調速系統在凝泵、脫硫增壓風機變頻改造的DCS 控制邏輯設計方案，突出說明了凝泵事故響應和增壓風機一鍵啟停的實現方式。因每臺機組改造方案雷同，文中僅以#3 機組作詳細介紹。
【關鍵詞】凝泵 增壓風機 變頻改造 控制邏輯 一鍵啟停
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。
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。
1.3 凝泵與增壓風機變頻改造控制需求比較
2 HARSVERT-A系列高壓變頻器調速節能原理
2.1 HARSVERT-A高壓變頻調速的方法
高壓變頻調速是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機轉速的目的。根據電機學原理，交流異步電動機轉速由下式確定:
n=60f(1-S)/p (1)
式中:n—電動機轉速；
f—輸入電源頻率；
S—電動機轉差率；
p—電機極對數。
由公式(1)可知，電動機的輸出轉速與輸入的電源頻率、轉差率、電機的極對數有關。交流電動機的直接調速方式主要有：
1) 變極調速(調整p)
2) 轉子串電阻調速或串級調速或內反饋電機(調整S)
3) 變頻調速(調整f)
其中高壓變頻調速的優點最多，得到了廣泛的應用。
根據流體力學的基本定律可知：風機(或水泵)類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q、壓力(揚程)H以及軸功率P具有如下關系:
Q1/ Q2＝n1/n2 (1)
H1/ H2＝(n1/n2)2 (2)
P1/ P2＝(n1/n2)3 (3)
式中：Q1、H1、P1—風機(或水泵)在n1轉速時的流量、壓力(或揚程)、軸功率；
Q2、H2、P2—風機(或水泵)在n2轉速時的相似工況條件下的流量、壓力(或揚程)、軸功率。
由公式(1)、(2)、(3)可知，風機(或水泵)的流量與其轉速成正比，壓力(或揚程)與其轉速的平方成正比，軸功率與其轉速的立方成正比。當風機轉速降低后，其軸功率隨轉速的三次方降低，驅動風機的電機所需的電功率亦可相應降低。
從上述分析可見，調速是風機節能的重要途徑。
3 控制邏輯設計及整定
3.1 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 控制邏輯設計關鍵主要在于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：
1）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。
2）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。
3）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”。
4）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。
5）“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）。
6）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5S鐘內將給水調門強迫置位為隨機組負荷變動的固定值并切手動，實際如下：
7）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下：
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，由運行人員手動關小除氧器給水調門，維持變頻自動。
8）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）。
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。
3.2 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 控制邏輯設計關鍵主要在于1）變頻、工頻在同一個電氣主開關下；2）危急狀況的聯鎖功能；3）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。
設計及調試整定細節如下：
1）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。
2）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：
3）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。
4）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。
5）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。
6）“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。
7）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。
8）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。
4 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。
參考文獻：
[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).
[2] 北京利德華福電氣技術有限責任公司,高壓變頻調速系統HARSVERT-A 系列技術手冊[Z].2003.
作者簡介：
楊凱翔，高級工程師，從事熱控專業技術管理工作，江蘇國信揚州發電有限責任公司，