大型火电机组凝泵和脱硫增压风机变频改造DCS逻辑设计与应用

（江苏国信扬州发电有限责任公司） 杨凯翔

1 控制需求分析

1.1 凝泵3B变频改造电气需求

凝结水热力系统为火电厂典型配置，改造前凝泵3A或3B任一台以工频（50Hz）方式运行均可匹配100%的机组负荷，当凝泵出口母管压力低时备泵联启，除氧器水位通过凝泵后主/辅调门控制，在变频改造前系统有较大的节流损失；变频改造后主/辅调门维持全开，通过控制凝泵转速来调节除氧器水位，实际节约能耗可达30%（400MW时）。

因凝泵为一用一备运行结构，变频改造仅针对主力泵3B。电气一次系统改造前后如图1，其中改造前的电气主开关QF改造后变更为工频电气开关QF3，QF1、QF2、变频器(U3B)为本次改造新增设备。

改造后DCS实现对凝泵3B的工频电气开关(QF3）、变频器入口电气开关(QF1)和变频器（U3B）的远方合/断及启/停控制；变频器出口开关（QF2）由电气侧联锁控制，DCS侧仅作画面监视。

图1 凝泵3B变频改造前后电气一次系统对比及DCS新增控制对象说明

1.2 脱硫增压风机变频改造电气需求

脱硫增压风机热力系统为火电厂典型配置，增压风机3A/3B并列运行，任一台风机异常（电流大或跳闸）则联开脱硫旁路挡板，风机入口负压通过调节风机入口导叶来控制，有较大的节流损失；变频改造后风机入口导叶维持全开，通过控制风机转速来调节风机入口负压，实际节约能耗可达40%（400MW时）。

增压风机3A、3B一次系统结构相似并相互独立，改造后结构如图2。其中图中QF开关为改造前的电气主开关，QF1、QF2、QF3及U3A/U3B（变频器）为本次改造新增设备。

改造后DCS实现对每台增压风机的电气主开关（QF）、工频旁路开关（QF3）和变频器（U3A/U3B）的远方合/断及启/停控制；变频器进出口开关（QF1、QF2）由电气侧联锁控制，DCS侧仅作画面监视。

图2 脱硫增压风机3A/3B变频改造后电气一次系统及DCS新增控制对象说明

1.3 凝泵与增压风机变频改造控制需求比较（见表1）

表1 凝泵与增压风机变频改造控制需求比较

2 控制逻辑设计及整定

2.1 凝泵3B变频改造DCS控制逻辑

据以上分析，凝泵3B变频改造的DCS控制逻辑设计关键在于：1）变频、工频为独立的电气一次回路；2）危急状况的联锁功能；3）除氧器水位自动。实际DCS设计见图3。

设计及调试整定细节如下：

• 凝泵3B的外部允许和跳闸条件（如热井水位低、轴承温度高等）对工频电气开关QF3、变频电气开关QF1同时有效。

• 凝泵3B工频启动（QF3合闸）允许条件需补充“QF1且QF2分闸”；将“QF1分闸”作为投用工频备用的必要条件；将“QF1合闸”作为撤出工频备用的充分条件。因变频器启动升至50Hz系统需要较长时间，为避免出现“闷泵”，系统不具备以变频方式自动联启的功能。

• 变频高压合闸允许条件需补充“QF3分闸”、“变频器允许高压合闸”；变频高压跳闸条件需补充“QF1或QF2保护跳闸”及“变频器重故障”。

• 变频器启动允许条件为“QF1分闸”、“QF3分闸”、“无变频器相关故障”；为避免电气设备状态不一致，“QF1分闸”将联锁（脉冲）变频器停运。

• “QF3合闸”为工频运行状态；“QF1合闸、QF2合闸、变频器运行”为变频运行状态。由此两信号触发相关控制联锁（如凝泵B出口门联开、凝泵3A联启等）。

• 当凝泵3B投变频自动时，除氧器给水调门强制手动，反之亦然；当凝泵3A联启后，在5秒钟内将给水调门强迫置位为随机组负荷变动的固定值并且手动，实际如表2所示。

表2 当凝泵3A联启后的数据变化

• 当凝泵3B投变频自动时，不仅要保证除氧器水位，又要保证凝泵出口母管压力不致过低。经试验，在除氧器给水调门全开条件下，各主要负荷点凝泵稳态出力如表3所示。

表3 各主要负荷点凝泵稳态出力

依据以上试验数据，最终整定：凝泵3B变频运行时，泵出口母管压力低于1.1MPa时联启备泵（工频运行时定值为1.5MPa不变）；凝泵3B变频自动调节范围为360MW～630MW，33Hz～50Hz，当负荷低于360MW时，维持凝泵3B在最低频率运行，除氧水位通过补水调门自动控制。

• 凝泵3B变频自动是典型的串级三冲量控制系统（如图4），三冲量分别为除氧器水位（主回路被调量），高加出口流量（副回路前馈），除氧器补水量（副回路被调量）。

图4 凝泵3B变频自动控制逻辑图

副回路的作用是在变负荷过程中，除氧器补水量迅速跟踪高加给水量的变化，控制调节的动态偏差，主回路的作用是缓慢平稳地调节最终水位，控制调节的稳态偏差。经试验整定，最终主回路参数为（比例增益P—0.6；积分时间I—480）， 副回路参数为（比例增益P—0.18；积分时间I—160），除氧器水位动态偏差为±60mm，稳态偏差为±20mm。

2.2 增压风机3A/3B变频改造DCS控制逻辑

据1.3节的分析，增压风机变频改造的DCS控制逻辑设计关键在于：

• 变频、工频在同一个电气主开关下。

• 危急状况的联锁功能。

• 操作员顺控“一键启停”功能。增压风机3A和3B的DCS控制逻辑相互独立并雷同，以增压风机3A为例DCS设计见图5。

图5 增压风机3A变频改造控制逻辑设计总图

设计及调试整定细节如下：

• 每台增压风机有4套相互独立并行的顺控逻辑，即为“工频顺控启”、“工频顺控停”、“变频顺控启”、“变频顺控停”。任一套顺控实现“一键启动”，程序启动后闭锁其余顺控的执行；设备所处状态也闭锁部分顺控功能，如“已处于变频运行状态”将只能执行 “变频顺控停”，其余顺控将闭锁。

• 每套顺控有类似的结构形式，以变频顺控启动为例，顺控程控软件结构见图6。

图6 IP3A变频顺控启动控制结构图

• 无论是工频运行还是变频运行，只要电气主开关QF分闸，均将导致增压风机停运。因此在保护逻辑设计上，因工况异常需要增压风机跳闸的在DCS内部只需采取一个动作，即QF分闸。为保证系统初始位置的正确性，当DCS检测到QF分闸信号后，（脉冲）联锁变频器停运、旁路开关QF3分闸。当变频支线或工频支线电气故障时，需要判断实际运行工况，才能触发QF分闸。如变频器重故障或QF1综保动作或QF2综保动作时，必须同时不在工频运行模式，才能触发QF分闸。

• 电气主开关QF合闸允许条件同改造前；“QF已合闸”为变频器启动允许和QF3合闸允许的必备条件，变频和工频相互闭锁，即只有QF1、QF2分闸才允许QF3合闸，反之亦然，同时如存在变频器和QF3自身的电气故障也不允许启动。

• 顺控指令和操作员手动指令受允许条件的限制，保护跳闸指令无条件执行。

• “QF且QF3合闸”为工频运行状态；“QF、QF1、QF2合闸、且变频器运行”为变频运行状态。这两个状态信号任一个为“1”则表示增压风机运行，全为“0”则表示增压风机停运。由于这样的组合信号过于繁琐，实际仅用于状态显示和允许限制。

• 为保障机组安全，增加事故工况联开脱硫烟气旁路挡板条件如下：

① 电气主开关QF已分闸（脉冲）；

② 电气主开关QF或变频器输出电流大于190A；

③ 电气主开关QF合闸且QF电流小于5A（脉冲）。

虽然逻辑设置上所有保护都集中于QF，为了防止下线开关的偷跳设置了第③条，而增压风机启动阶段旁路挡板须处于开位，与此并不矛盾。另外为防止运行人员误操作将变频器和QF3的单操功能取消，正常时只能通过顺控启停系统，异常时运行人员可将QF紧急分闸。

• 增压风机的变频自动相对简单，变频和导叶只是风机出力调节的不同方法。因此频率调节自动回路设计与导叶调节几乎是雷同的，都是单PI调节器加上风机平衡回路（图略）。因主机炉膛负压自动系统的存在，频率调整范围不受过程工况的限制，因电气设备特性需要将频率自动调整范围确定为20Hz～48Hz。在实际调试中，因频率调节的灵敏度高于导叶，将PI中的增益和积分作用都适当减缓，最终整定PI调节器参数为（P—0.3；I—45）；对应导叶调节参数为（P—0.5；积分时间I—30），增压风机入口负压动态偏差为±40Pa，稳态偏差为±15 Pa。

3 结束语

控制逻辑的结构随对象特性和控制需求而定。凝泵是一用一备的系统，变频系统自身较为简单，关键在于自动调节和备泵联启；脱硫增压风机是两台并列运行，变频系统较为复杂，采用顺序控制变“被动联锁”为“主动联锁”，可有效避免信号失效带来的拒动。

[1] 黄晋营. 高压凝结水泵变频改造的应用[J]. 广西电力, 2008, 31(2).