摘要：本文通過(guò)對(duì)變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在鍋爐引風(fēng)變頻系統(tǒng)改造項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用案例，闡述了變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理、功能及特點(diǎn)。從全新的角度，詮釋了高壓變頻在系統(tǒng)應(yīng)用中不對(duì)DCS和現(xiàn)場(chǎng)控制邏輯改造，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能應(yīng)用的一種新方法。
關(guān)鍵詞：變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù) 鍋爐引風(fēng)系統(tǒng) 高壓變頻 DCS
一、問(wèn)題的提出
某100MW機(jī)組為380t/h煤粉鍋爐，其引風(fēng)系統(tǒng)主要由兩臺(tái)6kV、800kW高壓引風(fēng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組節(jié)能降耗，提高引風(fēng)機(jī)設(shè)備效率，減少擋板調(diào)節(jié)損失；經(jīng)過(guò)多方研究、論證，選用了目前技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、可靠性高的高壓變頻器作為引風(fēng)節(jié)能改造項(xiàng)目的實(shí)施手段。
由于機(jī)組DCS經(jīng)過(guò)多次改造，所預(yù)留的I/O端口數(shù)量已經(jīng)不能滿足引風(fēng)變頻改造乃至今后變頻節(jié)能改造項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)端口擴(kuò)展和性能的要求。因此，提出能否采取一種新的方法或手段，可以在不需要對(duì)DCS硬件端口和軟件控制邏輯改造的情況下，即可實(shí)現(xiàn)引風(fēng)變頻系統(tǒng)項(xiàng)目改造呢？
針對(duì)上述提出的新課題，在深入研究高壓變頻應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)和機(jī)組鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行工藝、DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)層面后，提出“系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品設(shè)備級(jí)應(yīng)用”的設(shè)計(jì)理念。把高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)變頻器、切換開(kāi)關(guān)、運(yùn)行方式、調(diào)節(jié)特性等設(shè)備與系統(tǒng)間協(xié)調(diào)，DCS不做變更即可實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造的控制技術(shù)稱(chēng)之“變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)”（簡(jiǎn)稱(chēng)：HCU技術(shù)）。以下通過(guò)變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在引風(fēng)變頻系統(tǒng)改造項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)行全面的技術(shù)闡述。
二、一次動(dòng)力方案
針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，對(duì)機(jī)組鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)的全面分析，本著“保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，操作簡(jiǎn)單，改動(dòng)量小”的原則，為現(xiàn)場(chǎng)提供一拖一工/變頻手動(dòng)切換的旁路方案。其一次動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如下圖一所示：
圖一：一拖一工/變頻手動(dòng)切換方案原理圖 其中QF表示高壓開(kāi)關(guān)、QS表示隔離開(kāi)關(guān)、TF表示高壓變頻器、M表示引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)。虛框內(nèi)為新增設(shè)備，高壓開(kāi)關(guān)QF、電動(dòng)機(jī)M為現(xiàn)場(chǎng)原有設(shè)備。QS12和QS13之間存在機(jī)械和電氣雙重閉鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)和6kV電源側(cè)短路。當(dāng)引風(fēng)機(jī)需要變頻運(yùn)行時(shí)，操作變頻器下口開(kāi)關(guān)QS12、變頻器上口開(kāi)關(guān)QS11合閘，然后啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行。需要引風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，停止引風(fēng)機(jī)、斷開(kāi)變頻器下口開(kāi)關(guān)QS12和變頻器上口開(kāi)關(guān)QS11；然后閉合引風(fēng)機(jī)工頻旁路開(kāi)關(guān)QS13，然后啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 基于“系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品設(shè)備級(jí)應(yīng)用”的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)此次引風(fēng)變頻系統(tǒng)改造的整體構(gòu)成，對(duì)機(jī)組鍋爐系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)改造前后進(jìn)行說(shuō)明。
鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)在進(jìn)行變頻改造前，原有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理如圖二所示。DCS通過(guò)控制高壓開(kāi)關(guān)分合閘操作實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)啟/停，通過(guò)對(duì)引風(fēng)機(jī)入口擋板開(kāi)度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)鍋爐爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。
圖二：引風(fēng)變頻改造前系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖 引風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造后，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是增加變頻器、旁路柜、切換裝置等設(shè)備，將控制與狀態(tài)信號(hào)接入DCS。通過(guò)對(duì)DCS端口和邏輯改造，實(shí)現(xiàn)新增設(shè)備的控制和變頻運(yùn)行方式下的風(fēng)機(jī)啟、停、爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)、運(yùn)行方式切換、安全防護(hù)等功能。其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理如圖三所示。
圖三：引風(fēng)變頻改造后系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖 采用“系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品設(shè)備級(jí)應(yīng)用”的設(shè)計(jì)思想，運(yùn)用HCU技術(shù)設(shè)計(jì)的引風(fēng)系統(tǒng)變頻改造在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制邏輯關(guān)系、DCS端口等方面明顯簡(jiǎn)單化。系統(tǒng)通過(guò)HCU將高壓開(kāi)關(guān)、變頻器等設(shè)備整合為“一種設(shè)備”，在功能上與原系統(tǒng)相同，實(shí)現(xiàn)引風(fēng)機(jī)的啟/停控制和保護(hù)，并滿足鍋爐爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)的控制需要。至于引風(fēng)系統(tǒng)采用何種運(yùn)行方式，則有HCU根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別，接受DCS啟、停后驅(qū)動(dòng)引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，HCU根據(jù)運(yùn)行方式自動(dòng)完成轉(zhuǎn)速、開(kāi)度信號(hào)與爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)信號(hào)的自動(dòng)協(xié)調(diào)。從而，使得進(jìn)行變頻節(jié)能改造后的引風(fēng)系統(tǒng)在控制特性上與現(xiàn)有系統(tǒng)相同；DCS的I/O端口、內(nèi)部控制邏輯、聯(lián)鎖保護(hù)等功能方面不需作出調(diào)整的情況下，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并達(dá)到了改造預(yù)期目標(biāo)。采用HCU技術(shù)的引風(fēng)變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖四所示。
圖四：采用HCU技術(shù)的引風(fēng)變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 HCU將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開(kāi)關(guān)等相關(guān)設(shè)備整合為一種驅(qū)動(dòng)設(shè)備。即：對(duì)DCS而言，不再存在工頻/變頻運(yùn)行方式切換，控制對(duì)象的轉(zhuǎn)速、開(kāi)度切換，保護(hù)聯(lián)鎖邏輯改造等問(wèn)題。而成為一個(gè)控制引風(fēng)機(jī)啟停、實(shí)現(xiàn)其負(fù)荷率隨機(jī)組負(fù)荷調(diào)整，爐膛負(fù)壓過(guò)程控制量穩(wěn)定的問(wèn)題。由于DCS與引風(fēng)機(jī)控制設(shè)備之間的接口未變，因此，DCS內(nèi)原有的引風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖、保護(hù)等邏輯仍然有效。HCU會(huì)自動(dòng)根據(jù)運(yùn)行方式，設(shè)備狀態(tài)等信息自動(dòng)識(shí)別故障點(diǎn)情況和安全等級(jí)，保證發(fā)給DCS的狀態(tài)信號(hào)正確有效，避免誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況的發(fā)生。
在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工程應(yīng)用中，將引風(fēng)高壓變頻系統(tǒng)作為“一種設(shè)備”使用，通過(guò)HCU與DCS接口實(shí)現(xiàn)控制功能。
四、實(shí)施方案 根據(jù)上述引風(fēng)變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)施原則， HCU與DCS的接線原理、端口定義等實(shí)施細(xì)則如下。
改造前，DCS針對(duì)引風(fēng)機(jī)的控制調(diào)節(jié)端口，連接高壓開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等控制設(shè)備，其接線原理如下圖五所示。改造后，DCS的這些信號(hào)引入HCU通過(guò)協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理、指令分配、控制對(duì)象協(xié)調(diào)后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行，具體接線原理圖如下圖六所示。
圖五：改造前DCS與引風(fēng)系統(tǒng)接口圖
圖六：改造后DCS與引風(fēng)系統(tǒng)接口圖 由于變頻協(xié)調(diào)控制單元是引風(fēng)系統(tǒng)的控制核心部分，因此，該設(shè)備與變頻器一起安裝在就地，獨(dú)立于變頻控制系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，HCU仍然能夠保證引風(fēng)系統(tǒng)的工頻可靠運(yùn)行。當(dāng)HCU自身出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，高壓開(kāi)關(guān)、開(kāi)度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制權(quán)將自動(dòng)轉(zhuǎn)接至DCS，恢復(fù)原有的DCS控制回路，最大限度的確保鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)安全運(yùn)行。
DCS操作畫(huà)面不需要變動(dòng)，仍然是在引風(fēng)工藝畫(huà)面中操作引風(fēng)機(jī)啟停，操作擋板開(kāi)度控制風(fēng)量維持爐膛負(fù)壓。但是啟動(dòng)工頻還是變頻回路側(cè)有HCU根據(jù)就地旁路柜、變頻器等設(shè)備的狀態(tài)判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)；同時(shí)接受開(kāi)度控制信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤匦缘淖冾l轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)鍋爐爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定。
五、系統(tǒng)特點(diǎn) 通過(guò)對(duì)引風(fēng)系統(tǒng)采用HCU前后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理等分析比較可以看出，采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)對(duì)引風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以體現(xiàn)以下主要技術(shù)特點(diǎn)：
1) 機(jī)組DCS系統(tǒng)具體運(yùn)行模式和端口數(shù)量保持不變，不需要增加硬件構(gòu)成。
2) DCS原有控制邏輯不變，HCU作為中間過(guò)程控制對(duì)象以一種操作設(shè)備的形式而存在。DCS系統(tǒng)邏輯組態(tài)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了。
3) 系統(tǒng)操作方式基本不變，兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)的具體運(yùn)行模式由HCU自主實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可接受手動(dòng)干預(yù)，運(yùn)行方式靈活。
4) 采用DCS過(guò)程控制框架結(jié)構(gòu)，硬件性能穩(wěn)定、軟件運(yùn)算功能強(qiáng)大、系統(tǒng)可靠性高；具備與DCS同等的安全系數(shù)，完全能夠保證引風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
5) 支持I/O模件在線更換、熱插拔，減少故障停機(jī)時(shí)間。
6) 變頻器、旁路柜、引風(fēng)機(jī)高壓開(kāi)關(guān)等設(shè)備及過(guò)程控制有機(jī)整合，邏輯處理聯(lián)貫；安全防護(hù)完備、穩(wěn)定性好。
7) HCU可在CPU或系統(tǒng)完全失電的情況下，將引風(fēng)機(jī)高壓開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等原工頻設(shè)備控制權(quán)轉(zhuǎn)至DCS控制，最大限度的保證了系統(tǒng)安全可靠性。
六、結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)變頻協(xié)調(diào)控制單元在鍋爐引風(fēng)系統(tǒng)變頻改造中的成功應(yīng)用，充分證明：打破常規(guī)思維和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，采取新的方法和手段；同樣能夠很好的實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能改造的目的。在項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，節(jié)約DCS改造、調(diào)試和電纜敷設(shè)等項(xiàng)目投資同樣體現(xiàn)了節(jié)能降耗的主旨，而且在實(shí)際的使用中操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行效果良好。
該項(xiàng)技術(shù)在變頻應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有良好的廣泛通用性。因此，在電力行業(yè)的一次風(fēng)、凝結(jié)水、給水、循環(huán)水等變頻節(jié)能項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，對(duì)提高變頻系統(tǒng)安全可靠性、降低投入成本具有重要意義。
作者簡(jiǎn)介：
王曉潔 現(xiàn)任職于北京京豐熱電有限責(zé)任公司安全生產(chǎn)技術(shù)部，擔(dān)任電氣專(zhuān)業(yè)工程師職務(wù)。
