变频协调控制技术在引风变频系统改造中的应用

摘要：本文通过对变频协调控制技术在锅炉引风变频系统改造项目中的实际应用案例，阐述了变频协调控制技术的实现机理、功能及特点。从全新的角度，诠释了高压变频在系统应用中不对DCS和现场控制逻辑改造，即可实现节能应用的一种新方法。
关键词：变频协调控制技术  锅炉引风系统  高压变频  DCS

一、问题的提出
    某100MW机组为380t/h煤粉锅炉，其引风系统主要由两台6kV、800kW高压引风机电机驱动。为实现机组节能降耗，提高引风机设备效率，减少挡板调节损失；经过多方研究、论证，选用了目前技术成熟、稳定性好、可靠性高的高压变频器作为引风节能改造项目的实施手段。
    由于机组DCS经过多次改造，所预留的I/O端口数量已经不能满足引风变频改造乃至今后变频节能改造项目对系统端口扩展和性能的要求。因此，提出能否采取一种新的方法或手段，可以在不需要对DCS硬件端口和软件控制逻辑改造的情况下，即可实现引风变频系统项目改造呢？
    针对上述提出的新课题，在深入研究高压变频应用技术的特点和机组锅炉系统的运行工艺、DCS系统结构等技术层面后，提出“系统级产品设备级应用”的设计理念。把高压变频应用系统中，用于实现变频器、切换开关、运行方式、调节特性等设备与系统间协调，DCS不做变更即可实现变频节能改造的控制技术称之“变频协调控制技术”（简称：HCU技术）。以下通过变频协调控制技术在引风变频系统改造项目中的实际应用，进行全面的技术阐述。
二、一次动力方案
    针对现场的实际情况，对机组锅炉引风系统的全面分析，本着“保证系统安全可靠，结构合理，操作简单，改动量小”的原则，为现场提供一拖一工/变频手动切换的旁路方案。其一次动力系统结构原理如下图一所示：

图一：一拖一工/变频手动切换方案原理图
    其中QF表示高压开关、QS表示隔离开关、TF表示高压变频器、M表示引风机电动机。虚框内为新增设备，高压开关QF、电动机M为现场原有设备。QS12和QS13之间存在机械和电气双重闭锁关系，防止变频器输出侧和6kV电源侧短路。当引风机需要变频运行时，操作变频器下口开关QS12、变频器上口开关QS11合闸，然后启动引风机运行。需要引风机工频运行时，停止引风机、断开变频器下口开关QS12和变频器上口开关QS11；然后闭合引风机工频旁路开关QS13，然后启动引风机运行。
三、系统结构原理
    基于“系统级产品设备级应用”的设计思想，根据此次引风变频系统改造的整体构成，对机组锅炉系统采用变频协调控制技术改造前后进行说明。
    锅炉引风系统在进行变频改造前，原有系统控制结构原理如图二所示。DCS通过控制高压开关分合闸操作实现引风机电动机启/停，通过对引风机入口挡板开度的调节实现锅炉炉膛负压的稳定。

图二：引风变频改造前系统控制结构原理图
    引风系统进行变频改造后，常规的设计方法是增加变频器、旁路柜、切换装置等设备，将控制与状态信号接入DCS。通过对DCS端口和逻辑改造，实现新增设备的控制和变频运行方式下的风机启、停、炉膛负压调节、运行方式切换、安全防护等功能。其系统控制结构原理如图三所示。

图三：引风变频改造后系统控制结构原理图
    采用“系统级产品设备级应用”的设计思想，运用HCU技术设计的引风系统变频改造在系统结构、控制逻辑关系、DCS端口等方面明显简单化。系统通过HCU将高压开关、变频器等设备整合为“一种设备”，在功能上与原系统相同，实现引风机的启/停控制和保护，并满足锅炉炉膛负压调节的控制需要。至于引风系统采用何种运行方式，则有HCU根据动力系统的状态自动识别，接受DCS启、停后驱动引风机电动机运行。同时，HCU根据运行方式自动完成转速、开度信号与炉膛负压调节信号的自动协调。从而，使得进行变频节能改造后的引风系统在控制特性上与现有系统相同；DCS的I/O端口、内部控制逻辑、联锁保护等功能方面不需作出调整的情况下，简化了系统的控制结构，并达到了改造预期目标。采用HCU技术的引风变频系统结构原理如图四所示。

图四：采用HCU技术的引风变频系统结构原理图
    HCU将高压变频器、旁路切换装置、高压开关等相关设备整合为一种驱动设备。即：对DCS而言，不再存在工频/变频运行方式切换，控制对象的转速、开度切换，保护联锁逻辑改造等问题。而成为一个控制引风机启停、实现其负荷率随机组负荷调整，炉膛负压过程控制量稳定的问题。由于DCS与引风机控制设备之间的接口未变，因此，DCS内原有的引风机联锁、保护等逻辑仍然有效。HCU会自动根据运行方式，设备状态等信息自动识别故障点情况和安全等级，保证发给DCS的状态信号正确有效，避免误动、拒动等情况的发生。
    在现场的实际工程应用中，将引风高压变频系统作为“一种设备”使用，通过HCU与DCS接口实现控制功能。
四、实施方案
    根据上述引风变频系统的设计原理和实施原则， HCU与DCS的接线原理、端口定义等实施细则如下。
    改造前，DCS针对引风机的控制调节端口，连接高压开关、执行机构等控制设备，其接线原理如下图五所示。改造后，DCS的这些信号引入HCU通过协调控制技术进行信号处理、指令分配、控制对象协调后驱动执行设备运行，具体接线原理图如下图六所示。

图五：改造前DCS与引风系统接口图

图六：改造后DCS与引风系统接口图
    由于变频协调控制单元是引风系统的控制核心部分，因此，该设备与变频器一起安装在就地，独立于变频控制系统运行，当变频器出现故障或控制系统出现问题时，HCU仍然能够保证引风系统的工频可靠运行。当HCU自身出现严重故障时，高压开关、开度执行机构的控制权将自动转接至DCS，恢复原有的DCS控制回路，最大限度的确保锅炉引风系统安全运行。
    DCS操作画面不需要变动，仍然是在引风工艺画面中操作引风机启停，操作挡板开度控制风量维持炉膛负压。但是启动工频还是变频回路侧有HCU根据就地旁路柜、变频器等设备的状态判断来实现；同时接受开度控制信号后，将其转变为相同特性的变频转速控制信号，实现锅炉炉膛负压的稳定。
五、系统特点
    通过对引风系统采用HCU前后的设计结构和原理等分析比较可以看出，采用变频协调控制技术对引风系统进行改造，可以体现以下主要技术特点：
    1) 机组DCS系统具体运行模式和端口数量保持不变，不需要增加硬件构成。
    2) DCS原有控制逻辑不变，HCU作为中间过程控制对象以一种操作设备的形式而存在。DCS系统逻辑组态程序结构简单明了。
    3) 系统操作方式基本不变，两台引风机的具体运行模式由HCU自主实现，同时可接受手动干预，运行方式灵活。
    4) 采用DCS过程控制框架结构，硬件性能稳定、软件运算功能强大、系统可靠性高；具备与DCS同等的安全系数，完全能够保证引风系统的安全运行。
    5) 支持I/O模件在线更换、热插拔，减少故障停机时间。
    6) 变频器、旁路柜、引风机高压开关等设备及过程控制有机整合，逻辑处理联贯；安全防护完备、稳定性好。
    7) HCU可在CPU或系统完全失电的情况下，将引风机高压开关、执行机构等原工频设备控制权转至DCS控制，最大限度的保证了系统安全可靠性。
六、结束语
    通过变频协调控制单元在锅炉引风系统变频改造中的成功应用，充分证明：打破常规思维和应用结构，采取新的方法和手段；同样能够很好的实现变频节能改造的目的。在项目的实施过程中，节约DCS改造、调试和电缆敷设等项目投资同样体现了节能降耗的主旨，而且在实际的使用中操作简便、运行效果良好。
    该项技术在变频应用系统中的应用，具有良好的广泛通用性。因此，在电力行业的一次风、凝结水、给水、循环水等变频节能项目中推广应用，对提高变频系统安全可靠性、降低投入成本具有重要意义。

作者简介：
王晓洁 现任职于北京京丰热电有限责任公司安全生产技术部，担任电气专业工程师职务。