變頻協調控制技術在引風變頻系統改造中的應用
發布時間：2019-08-02 10:17:32來源：
變頻協調控制技術在引風變頻系統改造中的應用
一、問題的提出
某100MW機組為380t/h煤粉鍋爐，其引風系統主要由兩臺6kV、800kW高壓引風機電機驅動。為實現機組節能降耗，提高引風機設備效率，減少擋板調節損失；經過多方研究、論證，選用了目前技術成熟、穩定性好、可靠性高的高壓變頻器作為引風節能改造項目的實施手段。
由于機組DCS經過多次改造，所預留的I/O端口數量已經不能滿足引風變頻改造乃至今后變頻節能改造項目對系統端口擴展和性能的要求。因此，提出能否采取一種新的方法或手段，可以在不需要對DCS硬件端口和軟件控制邏輯改造的情況下，即可實現引風變頻系統項目改造呢？
針對上述提出的新課題，在深入研究高壓變頻應用技術的特點和機組鍋爐系統的運行工藝、DCS系統結構等技術層面后，提出“系統級產品設備級應用”的設計理念。把高壓變頻應用系統中，用于實現變頻器、切換開關、運行方式、調節特性等設備與系統間協調，DCS不做變更即可實現變頻節能改造的控制技術稱之“變頻協調控制技術”（簡稱：HCU技術）。以下通過變頻協調控制技術在引風變頻系統改造項目中的實際應用，進行全面的技術闡述。
二、一次動力方案
針對現場的實際情況，對機組鍋爐引風系統的全面分析，本著“保證系統安全可靠，結構合理，操作簡單，改動量小”的原則，為現場提供一拖一工/變頻手動切換的旁路方案。其一次動力系統結構原理如下圖一所示：
圖一：一拖一工/變頻手動切換方案原理圖
其中QF表示高壓開關、QS表示隔離開關、TF表示高壓變頻器、M表示引風機電動機。虛框內為新增設備，高壓開關QF、電動機M為現場原有設備。QS12和QS13之間存在機械和電氣雙重閉鎖關系，防止變頻器輸出側和6kV電源側短路。當引風機需要變頻運行時，操作變頻器下口開關QS12、變頻器上口開關QS11合閘，然后啟動引風機運行。需要引風機工頻運行時，停止引風機、斷開變頻器下口開關QS12和變頻器上口開關QS11；然后閉合引風機工頻旁路開關QS13，然后啟動引風機運行。
三、系統結構原理
基于“系統級產品設備級應用”的設計思想，根據此次引風變頻系統改造的整體構成，對機組鍋爐系統采用變頻協調控制技術改造前后進行說明。
鍋爐引風系統在進行變頻改造前，原有系統控制結構原理如圖二所示。DCS通過控制高壓開關分合閘操作實現引風機電動機啟/停，通過對引風機入口擋板開度的調節實現鍋爐爐膛負壓的穩定。
圖二：引風變頻改造前系統控制結構原理圖
引風系統進行變頻改造后，常規的設計方法是增加變頻器、旁路柜、切換裝置等設備，將控制與狀態信號接入DCS。通過對DCS端口和邏輯改造，實現新增設備的控制和變頻運行方式下的風機啟、停、爐膛負壓調節、運行方式切換、安全防護等功能。其系統控制結構原理如圖三所示。
圖三：引風變頻改造后系統控制結構原理圖
采用“系統級產品設備級應用”的設計思想，運用HCU技術設計的引風系統變頻改造在系統結構、控制邏輯關系、DCS端口等方面明顯簡單化。系統通過HCU將高壓開關、變頻器等設備整合為“一種設備”，在功能上與原系統相同，實現引風機的啟/停控制和保護，并滿足鍋爐爐膛負壓調節的控制需要。至于引風系統采用何種運行方式，則有HCU根據動力系統的狀態自動識別，接受DCS啟、停后驅動引風機電動機運行。同時，HCU根據運行方式自動完成轉速、開度信號與爐膛負壓調節信號的自動協調。從而，使得進行變頻節能改造后的引風系統在控制特性上與現有系統相同；DCS的I/O端口、內部控制邏輯、聯鎖保護等功能方面不需作出調整的情況下，簡化了系統的控制結構，并達到了改造預期目標。采用HCU技術的引風變頻系統結構原理如圖四所示。
圖四：采用HCU技術的引風變頻系統結構原理圖
HCU將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開關等相關設備整合為一種驅動設備。即：對DCS而言，不再存在工頻/變頻運行方式切換，控制對象的轉速、開度切換，保護聯鎖邏輯改造等問題。而成為一個控制引風機啟停、實現其負荷率隨機組負荷調整，爐膛負壓過程控制量穩定的問題。由于DCS與引風機控制設備之間的接口未變，因此，DCS內原有的引風機聯鎖、保護等邏輯仍然有效。HCU會自動根據運行方式，設備狀態等信息自動識別故障點情況和安全等級，保證發給DCS的狀態信號正確有效，避免誤動、拒動等情況的發生。
在現場的實際工程應用中，將引風高壓變頻系統作為“一種設備”使用，通過HCU與DCS接口實現控制功能。
四、實施方案
根據上述引風變頻系統的設計原理和實施原則， HCU與DCS的接線原理、端口定義等實施細則如下。
改造前，DCS針對引風機的控制調節端口，連接高壓開關、執行機構等控制設備，其接線原理如下圖五所示。改造后，DCS的這些信號引入HCU通過協調控制技術進行信號處理、指令分配、控制對象協調后驅動執行設備運行，具體接線原理圖如下圖六所示。
圖五：改造前DCS與引風系統接口圖
圖六：改造后DCS與引風系統接口圖
由于變頻協調控制單元是引風系統的控制核心部分，因此，該設備與變頻器一起安裝在就地，獨立于變頻控制系統運行，當變頻器出現故障或控制系統出現問題時，HCU仍然能夠保證引風系統的工頻可靠運行。當HCU自身出現嚴重故障時，高壓開關、開度執行機構的控制權將自動轉接至DCS，恢復原有的DCS控制回路，比較大限度的確保鍋爐引風系統安全運行。
DCS操作畫面不需要變動，仍然是在引風工藝畫面中操作引風機啟停，操作擋板開度控制風量維持爐膛負壓。但是啟動工頻還是變頻回路側有HCU根據就地旁路柜、變頻器等設備的狀態判斷來實現；同時接受開度控制信號后，將其轉變為相同特性的變頻轉速控制信號，實現鍋爐爐膛負壓的穩定。
五、系統特點
通過對引風系統采用HCU前后的設計結構和原理等分析比較可以看出，采用變頻協調控制技術對引風系統進行改造，可以體現以下主要技術特點：
1) 機組DCS系統具體運行模式和端口數量保持不變，不需要增加硬件構成。
2) DCS原有控制邏輯不變，HCU作為中間過程控制對象以一種操作設備的形式而存在。DCS系統邏輯組態程序結構簡單明了。
3) 系統操作方式基本不變，兩臺引風機的具體運行模式由HCU自主實現，同時可接受手動干預，運行方式靈活。
4) 采用DCS過程控制框架結構，硬件性能穩定、軟件運算功能強大、系統可靠性高；具備與DCS同等的安全系數，完全能夠保證引風系統的安全運行。
5) 支持I/O模件在線更換、熱插拔，減少故障停機時間。
6) 變頻器、旁路柜、引風機高壓開關等設備及過程控制有機整合，邏輯處理聯貫；安全防護完備、穩定性好。
7) HCU可在CPU或系統完全失電的情況下，將引風機高壓開關、執行機構等原工頻設備控制權轉至DCS控制，比較大限度的保證了系統安全可靠性。
六、結束語
通過變頻協調控制單元在鍋爐引風系統變頻改造中的成功應用，充分證明：打破常規思維和應用結構，采取新的方法和手段；同樣能夠很好的實現變頻節能改造的目的。在項目的實施過程中，節約DCS改造、調試和電纜敷設等項目投資同樣體現了節能降耗的主旨，而且在實際的使用中操作簡便、運行效果良好。
該項技術在變頻應用系統中的應用，具有良好的廣泛通用性。因此，在電力行業的一次風、凝結水、給水、循環水等變頻節能項目中推廣應用，對提高變頻系統安全可靠性、降低投入成本具有重要
(歡迎來電咨詢 鄭州變頻器 網址：www.gzmonita.cn 電話：0371- 56700815 手機：15515598858 ) 意義。
某100MW機組為380t/h煤粉鍋爐，其引風系統主要由兩臺6kV、800kW高壓引風機電機驅動。為實現機組節能降耗，提高引風機設備效率，減少擋板調節損失；經過多方研究、論證，選用了目前技術成熟、穩定性好、可靠性高的高壓變頻器作為引風節能改造項目的實施手段。
由于機組DCS經過多次改造，所預留的I/O端口數量已經不能滿足引風變頻改造乃至今后變頻節能改造項目對系統端口擴展和性能的要求。因此，提出能否采取一種新的方法或手段，可以在不需要對DCS硬件端口和軟件控制邏輯改造的情況下，即可實現引風變頻系統項目改造呢？
針對上述提出的新課題，在深入研究高壓變頻應用技術的特點和機組鍋爐系統的運行工藝、DCS系統結構等技術層面后，提出“系統級產品設備級應用”的設計理念。把高壓變頻應用系統中，用于實現變頻器、切換開關、運行方式、調節特性等設備與系統間協調，DCS不做變更即可實現變頻節能改造的控制技術稱之“變頻協調控制技術”（簡稱：HCU技術）。以下通過變頻協調控制技術在引風變頻系統改造項目中的實際應用，進行全面的技術闡述。
二、一次動力方案
針對現場的實際情況，對機組鍋爐引風系統的全面分析，本著“保證系統安全可靠，結構合理，操作簡單，改動量小”的原則，為現場提供一拖一工/變頻手動切換的旁路方案。其一次動力系統結構原理如下圖一所示：
圖一：一拖一工/變頻手動切換方案原理圖
其中QF表示高壓開關、QS表示隔離開關、TF表示高壓變頻器、M表示引風機電動機。虛框內為新增設備，高壓開關QF、電動機M為現場原有設備。QS12和QS13之間存在機械和電氣雙重閉鎖關系，防止變頻器輸出側和6kV電源側短路。當引風機需要變頻運行時，操作變頻器下口開關QS12、變頻器上口開關QS11合閘，然后啟動引風機運行。需要引風機工頻運行時，停止引風機、斷開變頻器下口開關QS12和變頻器上口開關QS11；然后閉合引風機工頻旁路開關QS13，然后啟動引風機運行。
三、系統結構原理
基于“系統級產品設備級應用”的設計思想，根據此次引風變頻系統改造的整體構成，對機組鍋爐系統采用變頻協調控制技術改造前后進行說明。
鍋爐引風系統在進行變頻改造前，原有系統控制結構原理如圖二所示。DCS通過控制高壓開關分合閘操作實現引風機電動機啟/停，通過對引風機入口擋板開度的調節實現鍋爐爐膛負壓的穩定。
圖二：引風變頻改造前系統控制結構原理圖
引風系統進行變頻改造后，常規的設計方法是增加變頻器、旁路柜、切換裝置等設備，將控制與狀態信號接入DCS。通過對DCS端口和邏輯改造，實現新增設備的控制和變頻運行方式下的風機啟、停、爐膛負壓調節、運行方式切換、安全防護等功能。其系統控制結構原理如圖三所示。
圖三：引風變頻改造后系統控制結構原理圖
采用“系統級產品設備級應用”的設計思想，運用HCU技術設計的引風系統變頻改造在系統結構、控制邏輯關系、DCS端口等方面明顯簡單化。系統通過HCU將高壓開關、變頻器等設備整合為“一種設備”，在功能上與原系統相同，實現引風機的啟/停控制和保護，并滿足鍋爐爐膛負壓調節的控制需要。至于引風系統采用何種運行方式，則有HCU根據動力系統的狀態自動識別，接受DCS啟、停后驅動引風機電動機運行。同時，HCU根據運行方式自動完成轉速、開度信號與爐膛負壓調節信號的自動協調。從而，使得進行變頻節能改造后的引風系統在控制特性上與現有系統相同；DCS的I/O端口、內部控制邏輯、聯鎖保護等功能方面不需作出調整的情況下，簡化了系統的控制結構，并達到了改造預期目標。采用HCU技術的引風變頻系統結構原理如圖四所示。
圖四：采用HCU技術的引風變頻系統結構原理圖
HCU將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開關等相關設備整合為一種驅動設備。即：對DCS而言，不再存在工頻/變頻運行方式切換，控制對象的轉速、開度切換，保護聯鎖邏輯改造等問題。而成為一個控制引風機啟停、實現其負荷率隨機組負荷調整，爐膛負壓過程控制量穩定的問題。由于DCS與引風機控制設備之間的接口未變，因此，DCS內原有的引風機聯鎖、保護等邏輯仍然有效。HCU會自動根據運行方式，設備狀態等信息自動識別故障點情況和安全等級，保證發給DCS的狀態信號正確有效，避免誤動、拒動等情況的發生。
在現場的實際工程應用中，將引風高壓變頻系統作為“一種設備”使用，通過HCU與DCS接口實現控制功能。
四、實施方案
根據上述引風變頻系統的設計原理和實施原則， HCU與DCS的接線原理、端口定義等實施細則如下。
改造前，DCS針對引風機的控制調節端口，連接高壓開關、執行機構等控制設備，其接線原理如下圖五所示。改造后，DCS的這些信號引入HCU通過協調控制技術進行信號處理、指令分配、控制對象協調后驅動執行設備運行，具體接線原理圖如下圖六所示。
圖五：改造前DCS與引風系統接口圖
圖六：改造后DCS與引風系統接口圖
由于變頻協調控制單元是引風系統的控制核心部分，因此，該設備與變頻器一起安裝在就地，獨立于變頻控制系統運行，當變頻器出現故障或控制系統出現問題時，HCU仍然能夠保證引風系統的工頻可靠運行。當HCU自身出現嚴重故障時，高壓開關、開度執行機構的控制權將自動轉接至DCS，恢復原有的DCS控制回路，比較大限度的確保鍋爐引風系統安全運行。
DCS操作畫面不需要變動，仍然是在引風工藝畫面中操作引風機啟停，操作擋板開度控制風量維持爐膛負壓。但是啟動工頻還是變頻回路側有HCU根據就地旁路柜、變頻器等設備的狀態判斷來實現；同時接受開度控制信號后，將其轉變為相同特性的變頻轉速控制信號，實現鍋爐爐膛負壓的穩定。
五、系統特點
通過對引風系統采用HCU前后的設計結構和原理等分析比較可以看出，采用變頻協調控制技術對引風系統進行改造，可以體現以下主要技術特點：
1) 機組DCS系統具體運行模式和端口數量保持不變，不需要增加硬件構成。
2) DCS原有控制邏輯不變，HCU作為中間過程控制對象以一種操作設備的形式而存在。DCS系統邏輯組態程序結構簡單明了。
3) 系統操作方式基本不變，兩臺引風機的具體運行模式由HCU自主實現，同時可接受手動干預，運行方式靈活。
4) 采用DCS過程控制框架結構，硬件性能穩定、軟件運算功能強大、系統可靠性高；具備與DCS同等的安全系數，完全能夠保證引風系統的安全運行。
5) 支持I/O模件在線更換、熱插拔，減少故障停機時間。
6) 變頻器、旁路柜、引風機高壓開關等設備及過程控制有機整合，邏輯處理聯貫；安全防護完備、穩定性好。
7) HCU可在CPU或系統完全失電的情況下，將引風機高壓開關、執行機構等原工頻設備控制權轉至DCS控制，比較大限度的保證了系統安全可靠性。
六、結束語
通過變頻協調控制單元在鍋爐引風系統變頻改造中的成功應用，充分證明：打破常規思維和應用結構，采取新的方法和手段；同樣能夠很好的實現變頻節能改造的目的。在項目的實施過程中，節約DCS改造、調試和電纜敷設等項目投資同樣體現了節能降耗的主旨，而且在實際的使用中操作簡便、運行效果良好。
該項技術在變頻應用系統中的應用，具有良好的廣泛通用性。因此，在電力行業的一次風、凝結水、給水、循環水等變頻節能項目中推廣應用，對提高變頻系統安全可靠性、降低投入成本具有重要
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