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摘要：通過對一種新型的高壓變頻應(yīng)用技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)說明，著重闡述高壓變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)在高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)中的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面的保障作用。為高壓變頻提供一種全新的應(yīng)用方式及系統(tǒng)改造手段和模式。
關(guān)鍵詞：高壓變頻 協(xié)調(diào)控制 應(yīng)用系統(tǒng)
一、引言
高壓變頻協(xié)調(diào)控制技術(shù)簡稱HCU技術(shù)，是指在高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)工頻與變頻運行方式之間，轉(zhuǎn)速控制與開度或閥門控制之間，以及同系統(tǒng)設(shè)備之間的一種綜合協(xié)調(diào)控制技術(shù)。該項技術(shù)的應(yīng)用研究成功從根本上解決了高壓變頻器在生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用過程中對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的影響，進一步優(yōu)化系統(tǒng)工藝，提高節(jié)能效果。
同時，該項技術(shù)的應(yīng)用，能夠在現(xiàn)場無需對DCS等控制系統(tǒng)硬件端口和控制邏輯進行更多變更和改造的情況下，輕松完成高壓變頻器的工程應(yīng)用，實現(xiàn)高壓設(shè)備的變頻節(jié)能，與生產(chǎn)工藝完美結(jié)合。真正實現(xiàn)變頻應(yīng)用系統(tǒng)的高可靠、安全、穩(wěn)定運行，同時節(jié)約大量的項目投資和施工成本，實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)控制性能和節(jié)能收益。
二、HCU技術(shù)闡述
HCU技術(shù)，從高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)的角度出發(fā)，著重研究和針對各種行業(yè)領(lǐng)域的特殊運行工藝和控制結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)設(shè)計的整體上解決了高壓變頻節(jié)能系統(tǒng)在項目實施和運行中出現(xiàn)高壓變頻器故障情況下的系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性以及生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)性。從根本上解決了高壓變頻器應(yīng)用中出現(xiàn)故障時危及系統(tǒng)安全性及自處理穩(wěn)定能力。
HCU技術(shù)在高壓變頻應(yīng)用方面突出體現(xiàn)在以下幾個方面：
1．安全穩(wěn)定
由于HCU技術(shù)著眼于高壓變頻器在應(yīng)用中出現(xiàn)故障時的系統(tǒng)安全處理機制，因此，變頻器旁路裝置一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效解決諸如：在電力行業(yè)的引風(fēng)、一次風(fēng)、凝結(jié)水系統(tǒng)中變頻故障情況下的系統(tǒng)如何實現(xiàn)變頻向工頻的平穩(wěn)切換、擋板或閥門協(xié)調(diào)動作保證機組運行過程控制指標(biāo)不超標(biāo)、不保護、不停爐、不停機等，危及系統(tǒng)安全方面的問題。
采用HCU與變頻應(yīng)用系統(tǒng)的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，在控制邏輯處理速度、閉鎖、聯(lián)鎖、誤動、誤操作等保護性能上更加嚴(yán)密。系統(tǒng)的設(shè)計更加專業(yè)化，更具針對性，更加安全可靠。
該項技術(shù)采用獨立的CPU和控制端口，與變頻器本身的控制部分獨立運行。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，獨立的CPU能夠持續(xù)工作，處理變頻事故情況下的工頻運行方式以及擋板或閥門開度調(diào)節(jié)的自動協(xié)調(diào)，滿足DCS等工業(yè)控制系統(tǒng)對過程控制的需求。即便是運行中出現(xiàn)CPU或完全失電的嚴(yán)重故障，該項協(xié)調(diào)控制技術(shù)仍能夠在最終故障瞬間將設(shè)備控制權(quán)轉(zhuǎn)接至遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)原有高壓開關(guān)、擋板或閥門等工頻情況下的使用設(shè)備監(jiān)控及調(diào)節(jié)。同時實現(xiàn)無擾切換，確保生產(chǎn)運行的高安全可靠性。
該項技術(shù)基于DCS后臺框架下設(shè)計開發(fā)，可配備雙CPU熱冗余備份、I/O卡件熱插拔，實現(xiàn)系統(tǒng)在運行過程中完全的故障處理及維修，最大限度的滿足了現(xiàn)場對高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)安全結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：系統(tǒng)安全結(jié)構(gòu)圖
同時，HCU技術(shù)將設(shè)備的運行方式轉(zhuǎn)換、控制對象改變、安全保護、特性平衡以及設(shè)備間協(xié)調(diào)的問題整合進行針對性的高速運算，其處理能力、反應(yīng)速度、變頻系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備、故障邏輯協(xié)調(diào)嚴(yán)密性都要高于系統(tǒng)對變頻設(shè)備的處理能力。
另外，協(xié)調(diào)控制技術(shù)還具備故障位置的判斷和自處理機制。譬如：當(dāng)變頻運行情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)失靈時，系統(tǒng)自動將提升至50Hz工頻運行，交由執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)過程量的控制。當(dāng)對擋板調(diào)節(jié)出現(xiàn)卡死、異常等情況時，系統(tǒng)能夠及時將報警信息遠(yuǎn)傳至控制室報告運行人員及時處理。同時，提供完整的故障時間、位置、原因、關(guān)聯(lián)狀態(tài)等信息，便于維修和處理；而此時，可以在設(shè)備級進行問題排查，不需要上升至DCS系統(tǒng)級進行處理，大大降低了故障處理的危險程度。
針對高壓變頻器的技術(shù)特點以及應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行一體化的設(shè)計，HCU控制技術(shù)可以實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的資源共享和高效處理及應(yīng)用，使得系統(tǒng)在信息處理、安全防御、控制實現(xiàn)等方面具有更高的性能。HCU作為高壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用的核心控制技術(shù)，采用獨立于變頻控制系統(tǒng)的CPU處理器，基于成熟的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件基礎(chǔ)、軟件平臺而開發(fā)的系統(tǒng)級產(chǎn)品設(shè)備級應(yīng)用。因此，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性能。
HCU與變頻器有機結(jié)合，卻又實現(xiàn)完全的物理隔離，確保系統(tǒng)能夠獨立運行，獨立控制。在硬件上可選用雙CPU冗余結(jié)構(gòu)，I/O模件熱插拔，平均無故障運行時間200000小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓變頻器本體平均無故障運行時間20000小時的安全指標(biāo)。
2．簡便易用
采用HCU技術(shù)設(shè)計的高壓變頻控制系統(tǒng)將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開關(guān)等有關(guān)的設(shè)備整合為一種驅(qū)動設(shè)備。也就是說對于現(xiàn)場DCS等控制系統(tǒng)而言，不存在工頻、變頻運行方式的切換，以及控制轉(zhuǎn)速還是控制開度的切換問題，而成為一個控制設(shè)備啟停、實現(xiàn)其負(fù)荷率隨生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整的過程控制量穩(wěn)定的問題。
在現(xiàn)場的實際工程應(yīng)用中只需要將高壓變頻系統(tǒng)作為一種設(shè)備使用即可。不再需要對DCS等控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯進行任何改造或者增加I/O控制端口，原有的控制邏輯和調(diào)節(jié)方式不變，大大簡化了項目執(zhí)行的現(xiàn)場改造工程量、降低項目投資成本及人工費用等。
系統(tǒng)進行變頻改造前后與現(xiàn)場控制系統(tǒng)的接口結(jié)構(gòu)如圖2。以DCS為例：改造前，DCS針對高壓主輔機設(shè)備的控制調(diào)節(jié)端口，連接高壓開關(guān)、執(zhí)行機構(gòu)等執(zhí)行設(shè)備。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。至于在何種情況下啟動哪些設(shè)備、進行何種方式的調(diào)節(jié)等邏輯判斷和指令下達(dá)，則無需由DCS來實現(xiàn)。
圖2：系統(tǒng)進行變頻改造前后與現(xiàn)場控制系統(tǒng)的接口結(jié)構(gòu)圖
DCS只需要對現(xiàn)有的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)進行再整定即可實現(xiàn)系統(tǒng)運行。如果采用常規(guī)的高壓變頻系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的端口及連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。需要在DCS側(cè)保留已有控制設(shè)備端口的基礎(chǔ)上，進行I/O端口的增容或占用原有的備用I/O點，進行大量的電氣改造施工。另外，生產(chǎn)系統(tǒng)的主輔機設(shè)備的變頻改造項目不是一臺或兩臺設(shè)備而是需要大量的外圍支持和專業(yè)化的個性系統(tǒng)化設(shè)計。
圖3：系統(tǒng)的端口及連接結(jié)構(gòu)圖
基于上述原因和現(xiàn)狀，在高壓變頻應(yīng)用中采用HCU技術(shù)能夠有效解決各種問題，使得高壓變頻應(yīng)用系統(tǒng)變得更加簡捷，易于實現(xiàn)。對于運行操作人員而言，操作控制方式不變，設(shè)備增加控制復(fù)雜程度不增加，系統(tǒng)簡單易用。
3．高效節(jié)能
采用HCU技術(shù)實現(xiàn)的變頻系統(tǒng)整合，同時有效實現(xiàn)了系統(tǒng)的資源優(yōu)化。可提高系統(tǒng)的設(shè)備利用率和工藝優(yōu)化節(jié)能運行，實現(xiàn)不僅是設(shè)備的節(jié)能而是應(yīng)用系統(tǒng)的節(jié)能，降低廠用電率，提高設(shè)備利用率等指標(biāo)。
安裝有HCU技術(shù)的高壓變頻控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)高壓變頻產(chǎn)品的系統(tǒng)化節(jié)能的同時，綜合考慮節(jié)約項目投資成本，降低投資和施工等費用，從而大大降低設(shè)備回收投資。
三、結(jié)束語
目前，隨著高壓變頻技術(shù)的日益發(fā)展，有關(guān)高壓變頻在應(yīng)用領(lǐng)域的安全穩(wěn)定性以及進一步實現(xiàn)高效節(jié)能等方面有更為專業(yè)深入的研究。高壓變頻協(xié)調(diào)技術(shù)的研究和推廣勢必為生產(chǎn)節(jié)能降耗起到積極有效的推動作用。
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