一次風(fēng)機(jī)變頻改造的DCS控制策略

         隨著節(jié)能減排工作的逐步深入，落實(shí)國(guó)家發(fā)改委的《千家企業(yè)節(jié)能行動(dòng)實(shí)施方案》，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。實(shí)現(xiàn)高壓變頻設(shè)備的DCS控制，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。從2003年開(kāi)始，華能上安電廠分別對(duì) 300MW機(jī)組的凝結(jié)水泵、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等實(shí)施了變頻改造，以下對(duì)一次風(fēng)機(jī)變頻改造的熱工 DCS 控制策略進(jìn)行分析。
一、變頻改造方案
      火電廠一次風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著鍋爐穩(wěn)定燃燒的重任，當(dāng)一臺(tái)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行中跳閘時(shí)，即使RB動(dòng)作良好，通常也會(huì)對(duì)鍋爐然燒產(chǎn)生影響，造成機(jī)組解列的可能性較大。所以一次風(fēng)機(jī)變頻器改造采用了“自動(dòng)一拖一”的改造方案，每臺(tái)一次風(fēng)機(jī)的工頻／變頻之間要實(shí)現(xiàn)雙向自動(dòng)切換，且不能對(duì)鍋爐燃燒造成影響。變頻設(shè)備廠家通常根據(jù)系統(tǒng)情況和用戶要求進(jìn)行設(shè)備配置。一次風(fēng)機(jī)變頻控制方案示意見(jiàn)圖1（以4A一次風(fēng)機(jī)為例）。
               
       該方案通過(guò)增加2臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)機(jī)工頻／變頻切換功能。QF12和QF13之間存在電氣閉鎖和邏輯閉鎖關(guān)系，防止變頻器輸出側(cè)和6kV變壓器側(cè)短路。變頻方式啟動(dòng)時(shí)，操作變頻器下口斷路器QF12、變頻器上口斷路器QF12合閘，然后啟動(dòng)變頻器，一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行。切到工頻方式時(shí)，首先停止變頻器，斷開(kāi)變頻器下口斷路器QF12和變頻器上口斷路器QFll，停運(yùn)變頻器，然后閉合一次風(fēng)機(jī)工頻旁路斷路器QF13。
2 OCS控制策略
2.1 DCS控制策略實(shí)施要求
    a．通過(guò)變頻與工頻運(yùn)行方式之間的協(xié)調(diào)、切換，保證一次風(fēng)機(jī)不間斷運(yùn)行。
    b．在一次風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)切換至工頻過(guò)程中，對(duì)切換點(diǎn)的位置判斷準(zhǔn)確、動(dòng)作及時(shí)有效。
    c．通過(guò)變頻轉(zhuǎn)速與一次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板的開(kāi)度配合，保證一次風(fēng)不失壓，風(fēng)機(jī)不搶風(fēng)、不返風(fēng)，使得鍋爐在一次風(fēng)機(jī)切換時(shí)，燃燒穩(wěn)定、不發(fā)生跳磨或滅火現(xiàn)象。
2.2 順控部分的控制策略
       風(fēng)機(jī)啟停順控部分在原有的一次風(fēng)機(jī)工頻方式程控啟、停基礎(chǔ)上，加入了變頻方式程控啟、停按鈕和工頻／變頻切換按鈕，實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)完成各種工況流程。同時(shí)還保留了基礎(chǔ)的設(shè)備單操功能，以滿足運(yùn)行人員在各種復(fù)雜工況下的操作需要。
2.2.1 變頻模擬工頻啟動(dòng)
    為防止在第1臺(tái)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，變頻啟動(dòng)第2臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，產(chǎn)生母管返風(fēng)、一次風(fēng)壓失穩(wěn)甚至風(fēng)機(jī)跳閘的現(xiàn)象，一次風(fēng)機(jī)變頻方式啟動(dòng)時(shí)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)均采用“變頻模擬工頻”的啟動(dòng)策略，即一次風(fēng)機(jī)變頻方式啟動(dòng)后自動(dòng)升速到全速運(yùn)行狀態(tài)，出口擋板全開(kāi)，入口擋板關(guān)閉。采用該啟動(dòng)策略后，運(yùn)行人員可在一次風(fēng)機(jī)啟動(dòng)成功后，將一次風(fēng)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)投入（變頻器控制），再手動(dòng)緩慢開(kāi)展風(fēng)機(jī)入口擋板。這樣風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)滿足調(diào)節(jié)要求，一次風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到真正變頻控制方式。
2.2.2 “轉(zhuǎn)換函數(shù)”設(shè)置
       當(dāng)運(yùn)行中的變頻器系統(tǒng)產(chǎn)生故障但沒(méi)有跳閘，要進(jìn)行停運(yùn)消缺時(shí)，需要將風(fēng)機(jī)由變頻轉(zhuǎn)為工頻方式運(yùn)行。在風(fēng)機(jī)停變頻啟工頻的過(guò)程中，將該側(cè)風(fēng)機(jī)人口調(diào)節(jié)擋板關(guān)至適當(dāng)位置，同時(shí)將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行。在切換過(guò)程中產(chǎn)生的一次風(fēng)壓擾動(dòng)由非切換側(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，風(fēng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)入口擋板所在位置，應(yīng)保證風(fēng)機(jī)出力和變頻方式出力相當(dāng)。一次風(fēng)機(jī)變頻方式運(yùn)行的轉(zhuǎn)速要成功轉(zhuǎn)換為一次風(fēng)工頻調(diào)節(jié)擋板的開(kāi)度（簡(jiǎn)稱“按‘轉(zhuǎn)換函數(shù)’動(dòng)作”）。此“轉(zhuǎn)換函數(shù)”采用工程實(shí)驗(yàn)的方法求得，方法如下：在機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，將A側(cè)一次風(fēng)機(jī)切手動(dòng)保證出力不再改變，將B側(cè)變頻方式一次風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)切手動(dòng)并記錄此時(shí)的轉(zhuǎn)速值，將 B 側(cè)入口擋板調(diào)節(jié)器投入自動(dòng)；由運(yùn)行人員緩緩將B側(cè)變頻器輸出指令給至最大（相當(dāng)工頻轉(zhuǎn)速），此時(shí)風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，入口擋板自動(dòng)關(guān)至一定開(kāi)度，記下此時(shí)開(kāi)度值。這樣所得到的2點(diǎn)數(shù)值即是“轉(zhuǎn)換函數(shù)”的一組對(duì)應(yīng)值，通過(guò)不同負(fù)荷下多次實(shí)驗(yàn)即可得到轉(zhuǎn)換函數(shù)的近似描點(diǎn)曲線。兩側(cè)風(fēng)機(jī)求取轉(zhuǎn)換函數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法相同。
       一次風(fēng)機(jī)入口擋板要采用快速動(dòng)作調(diào)節(jié)擋板(全行程動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)20s)，以保證切換過(guò)程中入口攔板迅速動(dòng)作到位，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)工頻前不會(huì)失壓過(guò)多。邏輯中同時(shí)設(shè)置了最長(zhǎng)關(guān)閉擋板時(shí)間限制，到達(dá)此時(shí)限后立即閉合工頻開(kāi)關(guān)，擋板則繼續(xù)關(guān)閉至轉(zhuǎn)換函數(shù)要求位置。當(dāng)風(fēng)機(jī)在變頻方式運(yùn)行中跳閘時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)切換到工頻方式。觸發(fā)條件（邏輯或）：變頻器重復(fù)故障； QFll異常分?jǐn)啵籕F12異常分?jǐn)?；變頻器運(yùn)行信號(hào)消失延時(shí)1s。允許條件（邏輯與）:QF13 斷開(kāi)；本一次風(fēng)機(jī)變頻啟動(dòng)記憶。步序：同時(shí)發(fā)QFll、QF12斷開(kāi)命令并停變頻器，在運(yùn)行故障向工頻方式切換狀態(tài)且QF12斷開(kāi)后，入口擋板按照轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行動(dòng)作。擋板動(dòng)作到要求開(kāi)度偏差在5 ％以內(nèi)，或擋板執(zhí)行此動(dòng)作時(shí)間已達(dá)到5S，閉合QF13，風(fēng)機(jī)切換成功。
2.2.3 “飛車啟動(dòng)”操作
    “飛車啟動(dòng)”即在電機(jī)轉(zhuǎn)子處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的變頻器同期啟動(dòng)，其同期啟動(dòng)效果越好，風(fēng)機(jī)慣性惰走時(shí)間越短，損失出力越少，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)就越小。
       切換后的一次風(fēng)機(jī)“變頻模擬工頻”運(yùn)行，即切換側(cè)風(fēng)機(jī)變頻方式運(yùn)行后，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升到最大且入口擋板保持切換前工頻運(yùn)行時(shí)的位置，盡量保持風(fēng)機(jī)出力不變。在切換過(guò)程中產(chǎn)生的一次風(fēng)壓擾動(dòng)由非切換側(cè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。切換結(jié)束后再將切換側(cè)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)投自動(dòng)，非切換側(cè)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)切手動(dòng)，緩緩將切換側(cè)風(fēng)機(jī)入口擋板安全打開(kāi)，切換側(cè)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻方式運(yùn)行。
2.2.4 RB聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)
       變頻狀態(tài)下原一次風(fēng)機(jī)保護(hù)跳閘條件不變；一次風(fēng)機(jī)工作方式切換時(shí)，自動(dòng)閉鎖該切換風(fēng)機(jī)RB連鎖功能一段時(shí)間，若切換失敗再觸發(fā)RB保護(hù)動(dòng)作；一次風(fēng)機(jī)工作方式切換時(shí)，可考慮適當(dāng)選取幾支油槍自動(dòng)投人對(duì)鍋爐進(jìn)行穩(wěn)燃；工頻風(fēng)機(jī)跳閘直接產(chǎn)生機(jī)組RB，不做自動(dòng)向變頻切換，因?yàn)楣ゎl跳閘自動(dòng)切變頻成功概率小，實(shí)際意義不大。
2.3 模擬量部分控制策略
    為使變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路和入口擋板調(diào)節(jié)回路完全分開(kāi)，各自的調(diào)節(jié)器和A、B側(cè)平衡回路之間不做折算，互不干擾。參照原一次風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)邏輯，重新設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立的變頻調(diào)節(jié)邏輯。包括變頻回路專用的調(diào)節(jié)器，變頻調(diào)節(jié)主站，A、B一次風(fēng)機(jī)變頻操作分站。
2.3.1 設(shè)計(jì)投自動(dòng)限制
    考慮到變頻器的調(diào)節(jié)特性與入口擋板的調(diào)節(jié)特性相差較大，并且同一側(cè)風(fēng)機(jī)有擋板和變頻器2種執(zhí)行器，為了防止同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)造成系統(tǒng)震蕩，或者調(diào)節(jié)過(guò)程中擋板回關(guān)造成不節(jié)能現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中加入了變頻器和入口擋板站不能同時(shí)投自動(dòng)的限制。
2.3.2 設(shè)計(jì)應(yīng)用“偏置鎖”
       平衡回路的作用就是要在兩側(cè)設(shè)備共同調(diào)節(jié)同一被調(diào)量時(shí)，如果一側(cè)出力下降則另一側(cè)出力等量上升，迅速達(dá)到總出力不變的效果。兩側(cè)設(shè)備與出力平衡點(diǎn)的差值即為偏置。偏置只在至少有一側(cè)設(shè)備投自動(dòng)后才會(huì)起作用。
        為了解決風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中，平衡回路誤動(dòng)，造成切換失敗的問(wèn)題，在工頻切變頻時(shí)，變頻控制回路偏置鎖定；變頻切工頻時(shí)，工頻和變頻控制回路偏置均鎖定；變頻啟動(dòng)時(shí)，變頻控制回路偏置鎖定3種情況下設(shè)計(jì)了加“偏置鎖”的方法，將平衡回路的偏置進(jìn)行鎖定。這樣處于自動(dòng)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，會(huì)在原來(lái)的工作點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)，不受另一側(cè)風(fēng)機(jī)動(dòng)作直接干擾。將兩側(cè)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)站（擋板控制站或變頻控制站）同時(shí)切手動(dòng)，再次投入自動(dòng)后平衡回路恢復(fù)正常，“偏置鎖”解除。這一解鎖過(guò)程可以設(shè)計(jì)為自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，也可由運(yùn)行人員操作實(shí)現(xiàn)。為成功解決，采用編制操作指導(dǎo)，由運(yùn)行人員自行切手動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏置解鎖的方式。
3  控制效果
       在機(jī)組第一次并網(wǎng)后汽輪機(jī)超速試驗(yàn)之前，2臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，做一次風(fēng)機(jī)工頻／變頻切換試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：工頻切變頻時(shí)，失風(fēng)較多，主要是由于一次風(fēng)機(jī)變頻器“飛車啟動(dòng)”找同期時(shí)，延時(shí)惰走丟轉(zhuǎn)造成的；變頻切工頻時(shí)，一次風(fēng)壓“冒正”較大，主要由“轉(zhuǎn)換函數(shù)”和等待時(shí)間決定。目前這些值經(jīng)多次試驗(yàn)已調(diào)整到合理范圍。一次風(fēng)機(jī)工頻／變頻切換造成的系統(tǒng)擾動(dòng)可控制在±1.5kPa的較好范圍內(nèi)，切換效果良好。
4  結(jié)束語(yǔ)
       一次風(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)“變頻模擬工頻”啟動(dòng)、合理設(shè)置“轉(zhuǎn)換函數(shù)”、設(shè)計(jì)應(yīng)用“偏置鎖”，充分利用變頻器“飛車啟動(dòng)”的特性等開(kāi)拓性思維，對(duì)DCS控制邏輯進(jìn)行改造和優(yōu)化，為風(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。