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摘要：本文通過對變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在鍋爐引風變頻系統(tǒng)改造項目中的實際應用案例，闡述了變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)的實現(xiàn)機理、功能及特點。從全新的角度，詮釋了高壓變頻在系統(tǒng)應用中不對DCS和現(xiàn)場控制邏輯改造，即可實現(xiàn)節(jié)能應用的一種新方法。
關(guān)鍵詞：變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù) 鍋爐引風系統(tǒng) 高壓變頻 DCS

一、問題的提出
某100MW機組為380t/h煤粉鍋爐，其引風系統(tǒng)主要由兩臺6kV、800kW高壓引風機電機驅(qū)動。為實現(xiàn)機組節(jié)能降耗，提高引風機設(shè)備效率，減少擋板調(diào)節(jié)損失；經(jīng)過多方研究、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節(jié)能改造項目的實施手段。
由于機組DCS經(jīng)過多次改造，所預留的I/O端口數(shù)量已經(jīng)不能滿足引風變頻改造乃至今后變頻節(jié)能改造項目對系統(tǒng)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(xiàn)引風變頻系統(tǒng)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(shù)的特點和機組鍋爐系統(tǒng)的運行工藝、DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等技術(shù)層面后，提出“系統(tǒng)級產(chǎn)品設(shè)備級應用”的設(shè)計理念。把高壓變頻應用系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)變頻器、切換開關(guān)、運行方式、調(diào)節(jié)特性等設(shè)備與系統(tǒng)間協(xié)調(diào)，DCS不做變更即可實現(xiàn)變頻節(jié)能改造的控制技術(shù)稱之“變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)”（簡稱：HCU技術(shù)）。以下通過變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在引風變頻系統(tǒng)改造項目中的實際應用，進行全面的技術(shù)闡述。
二、一次動力方案
針對現(xiàn)場的實際情況，對機組鍋爐引風系統(tǒng)的全面分析，本著“保證系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)合理，操作簡單，改動量小”的原則，為現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guān)、QS表示隔離開關(guān)、TF表示高壓變頻器、M表示引風機電動機。虛框內(nèi)為新增設(shè)備，高壓開關(guān)QF、電動機M為現(xiàn)場原有設(shè)備。QS12和QS13之間存在機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。當引風機需要變頻運行時，操作變頻器下口開關(guān)QS12、變頻器上口開關(guān)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(guān)QS12和變頻器上口開關(guān)QS11；然后閉合引風機工頻旁路開關(guān)QS13，然后啟動引風機運行。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
基于“系統(tǒng)級產(chǎn)品設(shè)備級應用”的設(shè)計思想，根據(jù)此次引風變頻系統(tǒng)改造的整體構(gòu)成，對機組鍋爐系統(tǒng)采用變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)改造前后進行說明。
鍋爐引風系統(tǒng)在進行變頻改造前，原有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理如圖二所示。DCS通過控制高壓開關(guān)分合閘操作實現(xiàn)引風機電動機啟/停，通過對引風機入口擋板開度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)鍋爐爐膛負壓的穩(wěn)定。

圖二：引風變頻改造前系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖
引風系統(tǒng)進行變頻改造后，常規(guī)的設(shè)計方法是增加變頻器、旁路柜、切換裝置等設(shè)備，將控制與狀態(tài)信號接入DCS。通過對DCS端口和邏輯改造，實現(xiàn)新增設(shè)備的控制和變頻運行方式下的風機啟、停、爐膛負壓調(diào)節(jié)、運行方式切換、安全防護等功能。其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理如圖三所示。

圖三：引風變頻改造后系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖
采用“系統(tǒng)級產(chǎn)品設(shè)備級應用”的設(shè)計思想，運用HCU技術(shù)設(shè)計的引風系統(tǒng)變頻改造在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制邏輯關(guān)系、DCS端口等方面明顯簡單化。系統(tǒng)通過HCU將高壓開關(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，實現(xiàn)引風機的啟/?？刂坪捅Ｗo，并滿足鍋爐爐膛負壓調(diào)節(jié)的控制需要。至于引風系統(tǒng)采用何種運行方式，則有HCU根據(jù)動力系統(tǒng)的狀態(tài)自動識別，接受DCS啟、停后驅(qū)動引風機電動機運行。同時，HCU根據(jù)運行方式自動完成轉(zhuǎn)速、開度信號與爐膛負壓調(diào)節(jié)信號的自動協(xié)調(diào)。從而，使得進行變頻節(jié)能改造后的引風系統(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)鎖保護等功能方面不需作出調(diào)整的情況下，簡化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并達到了改造預期目標。采用HCU技術(shù)的引風變頻系統(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、高壓開關(guān)等相關(guān)設(shè)備整合為一種驅(qū)動設(shè)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(zhuǎn)速、開度切換，保護聯(lián)鎖邏輯改造等問題。而成為一個控制引風機啟停、實現(xiàn)其負荷率隨機組負荷調(diào)整，爐膛負壓過程控制量穩(wěn)定的問題。由于DCS與引風機控制設(shè)備之間的接口未變，因此，DCS內(nèi)原有的引風機聯(lián)鎖、保護等邏輯仍然有效。HCU會自動根據(jù)運行方式，設(shè)備狀態(tài)等信息自動識別故障點情況和安全等級，保證發(fā)給DCS的狀態(tài)信號正確有效，避免誤動、拒動等情況的發(fā)生。
在現(xiàn)場的實際工程應用中，將引風高壓變頻系統(tǒng)作為“一種設(shè)備”使用，通過HCU與DCS接口實現(xiàn)控制功能。
四、實施方案
根據(jù)上述引風變頻系統(tǒng)的設(shè)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(diào)節(jié)端口，連接高壓開關(guān)、執(zhí)行機構(gòu)等控制設(shè)備，其接線原理如下圖五所示。改造后，DCS的這些信號引入HCU通過協(xié)調(diào)控制技術(shù)進行信號處理、指令分配、控制對象協(xié)調(diào)后驅(qū)動執(zhí)行設(shè)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(tǒng)接口圖

圖六：改造后DCS與引風系統(tǒng)接口圖
由于變頻協(xié)調(diào)控制單元是引風系統(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，獨立于變頻控制系統(tǒng)運行，當變頻器出現(xiàn)故障或控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，HCU仍然能夠保證引風系統(tǒng)的工頻可靠運行。當HCU自身出現(xiàn)嚴重故障時，高壓開關(guān)、開度執(zhí)行機構(gòu)的控制權(quán)將自動轉(zhuǎn)接至DCS，恢復原有的DCS控制回路，最大限度的確保鍋爐引風系統(tǒng)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(cè)有HCU根據(jù)就地旁路柜、變頻器等設(shè)備的狀態(tài)判斷來實現(xiàn)；同時接受開度控制信號后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤匦缘淖冾l轉(zhuǎn)速控制信號，實現(xiàn)鍋爐爐膛負壓的穩(wěn)定。
五、系統(tǒng)特點
通過對引風系統(tǒng)采用HCU前后的設(shè)計結(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)對引風系統(tǒng)進行改造，可以體現(xiàn)以下主要技術(shù)特點：
1) 機組DCS系統(tǒng)具體運行模式和端口數(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作為中間過程控制對象以一種操作設(shè)備的形式而存在。DCS系統(tǒng)邏輯組態(tài)程序結(jié)構(gòu)簡單明了。
3) 系統(tǒng)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(xiàn)，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(jié)構(gòu)，硬件性能穩(wěn)定、軟件運算功能強大、系統(tǒng)可靠性高；具備與DCS同等的安全系數(shù)，完全能夠保證引風系統(tǒng)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(guān)等設(shè)備及過程控制有機整合，邏輯處理聯(lián)貫；安全防護完備、穩(wěn)定性好。
7) HCU可在CPU或系統(tǒng)完全失電的情況下，將引風機高壓開關(guān)、執(zhí)行機構(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
通過變頻協(xié)調(diào)控制單元在鍋爐引風系統(tǒng)變頻改造中的成功應用，充分證明：打破常規(guī)思維和應用結(jié)構(gòu)，采取新的方法和手段；同樣能夠很好的實現(xiàn)變頻節(jié)能改造的目的。在項目的實施過程中，節(jié)約DCS改造、調(diào)試和電纜敷設(shè)等項目投資同樣體現(xiàn)了節(jié)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(shù)在變頻應用系統(tǒng)中的應用，具有良好的廣泛通用性。因此，在電力行業(yè)的一次風、凝結(jié)水、給水、循環(huán)水等變頻節(jié)能項目中推廣應用，對提高變頻系統(tǒng)安全可靠性、降低投入成本具有重要意義。

作者簡介：
王曉潔 現(xiàn)任職于北京京豐熱電有限責任公司安全生產(chǎn)技術(shù)部，擔任電氣專業(yè)工程師職務。