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摘要：通過對一種新型的高壓變頻應用技術的原理、結構說明，著重闡述高壓變頻協調控制技術在高壓變頻應用系統(tǒng)中的安全性、穩(wěn)定性、經濟性等方面的保障作用。為高壓變頻提供一種全新的應用方式及系統(tǒng)改造手段和模式。
關鍵詞：高壓變頻 協調控制 應用系統(tǒng)
一、引言
高壓變頻協調控制技術簡稱HCU技術，是指在高壓變頻應用系統(tǒng)中實現工頻與變頻運行方式之間，轉速控制與開度或閥門控制之間，以及同系統(tǒng)設備之間的一種綜合協調控制技術。該項技術的應用研究成功從根本上解決了高壓變頻器在生產系統(tǒng)應用過程中對系統(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，該項技術的應用，能夠在現場無需對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用，實現高壓設備的變頻節(jié)能，與生產工藝完美結合。真正實現變頻應用系統(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，實現最佳的系統(tǒng)控制性能和節(jié)能收益。
二、HCU技術闡述
HCU技術，從高壓變頻應用系統(tǒng)的角度出發(fā)，著重研究和針對各種行業(yè)領域的特殊運行工藝和控制結構，從系統(tǒng)設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高壓變頻器故障情況下的系統(tǒng)安全、穩(wěn)定性以及生產系統(tǒng)的連續(xù)性。從根本上解決了高壓變頻器應用中出現故障時危及系統(tǒng)安全性及自處理穩(wěn)定能力。
HCU技術在高壓變頻應用方面突出體現在以下幾個方面：
1．安全穩(wěn)定
由于HCU技術著眼于高壓變頻器在應用中出現故障時的系統(tǒng)安全處理機制，因此，變頻器旁路裝置一體化的結構設計能夠有效解決諸如：在電力行業(yè)的引風、一次風、凝結水系統(tǒng)中變頻故障情況下的系統(tǒng)如何實現變頻向工頻的平穩(wěn)切換、擋板或閥門協調動作保證機組運行過程控制指標不超標、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與變頻應用系統(tǒng)的一體化結構設計，在控制邏輯處理速度、閉鎖、聯鎖、誤動、誤操作等保護性能上更加嚴密。系統(tǒng)的設計更加專業(yè)化，更具針對性，更加安全可靠。
該項技術采用獨立的CPU和控制端口，與變頻器本身的控制部分獨立運行。當變頻器出現故障時，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節(jié)的自動協調，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CPU或完全失電的嚴重故障，該項協調控制技術仍能夠在最終故障瞬間將設備控制權轉接至遠程控制，實現原有高壓開關、擋板或閥門等工頻情況下的使用設備監(jiān)控及調節(jié)。同時實現無擾切換，確保生產運行的高安全可靠性。
該項技術基于DCS后臺框架下設計開發(fā)，可配備雙CPU熱冗余備份、I/O卡件熱插拔，實現系統(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場對高壓變頻應用系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)安全結構如圖1所示。
圖1：系統(tǒng)安全結構圖
同時，HCU技術將設備的運行方式轉換、控制對象改變、安全保護、特性平衡以及設備間協調的問題整合進行針對性的高速運算，其處理能力、反應速度、變頻系統(tǒng)內的設備、故障邏輯協調嚴密性都要高于系統(tǒng)對變頻設備的處理能力。
另外，協調控制技術還具備故障位置的判斷和自處理機制。譬如：當變頻運行情況下，轉速調節(jié)失靈時，系統(tǒng)自動將提升至50Hz工頻運行，交由執(zhí)行機構實現過程量的控制。當對擋板調節(jié)出現卡死、異常等情況時，系統(tǒng)能夠及時將報警信息遠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、關聯狀態(tài)等信息，便于維修和處理；而此時，可以在設備級進行問題排查，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特點以及應用系統(tǒng)的結構進行一體化的設計，HCU控制技術可以實現應用系統(tǒng)的資源共享和高效處理及應用，使得系統(tǒng)在信息處理、安全防御、控制實現等方面具有更高的性能。HCU作為高壓變頻系統(tǒng)應用的核心控制技術，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、硬件基礎、軟件平臺而開發(fā)的系統(tǒng)級產品設備級應用。因此，具有較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性能。
HCU與變頻器有機結合，卻又實現完全的物理隔離，確保系統(tǒng)能夠獨立運行，獨立控制。在硬件上可選用雙CPU冗余結構，I/O模件熱插拔，平均無故障運行時間200000小時，遠遠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。
2．簡便易用
采用HCU技術設計的高壓變頻控制系統(tǒng)將高壓變頻器、旁路切換裝置、高壓開關等有關的設備整合為一種驅動設備。也就是說對于現場DCS等控制系統(tǒng)而言，不存在工頻、變頻運行方式的切換，以及控制轉速還是控制開度的切換問題，而成為一個控制設備啟停、實現其負荷率隨生產負荷調整的過程控制量穩(wěn)定的問題。
在現場的實際工程應用中只需要將高壓變頻系統(tǒng)作為一種設備使用即可。不再需要對DCS等控制系統(tǒng)內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節(jié)方式不變，大大簡化了項目執(zhí)行的現場改造工程量、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場控制系統(tǒng)的接口結構如圖2。以DCS為例：改造前，DCS針對高壓主輔機設備的控制調節(jié)端口，連接高壓開關、執(zhí)行機構等執(zhí)行設備。改造后，DCS的這些信號引入HCU通過協調控制技術進行信號處理、指令分配、控制對象協調后驅動執(zhí)行設備運行。至于在何種情況下啟動哪些設備、進行何種方式的調節(jié)等邏輯判斷和指令下達，則無需由DCS來實現。
圖2：系統(tǒng)進行變頻改造前后與現場控制系統(tǒng)的接口結構圖
DCS只需要對現有的調節(jié)系統(tǒng)的參數進行再整定即可實現系統(tǒng)運行。如果采用常規(guī)的高壓變頻系統(tǒng)改造結構，系統(tǒng)的端口及連接結構如圖3所示。需要在DCS側保留已有控制設備端口的基礎上，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，生產系統(tǒng)的主輔機設備的變頻改造項目不是一臺或兩臺設備而是需要大量的外圍支持和專業(yè)化的個性系統(tǒng)化設計。
圖3：系統(tǒng)的端口及連接結構圖
基于上述原因和現狀，在高壓變頻應用中采用HCU技術能夠有效解決各種問題，使得高壓變頻應用系統(tǒng)變得更加簡捷，易于實現。對于運行操作人員而言，操作控制方式不變，設備增加控制復雜程度不增加，系統(tǒng)簡單易用。
3．高效節(jié)能
采用HCU技術實現的變頻系統(tǒng)整合，同時有效實現了系統(tǒng)的資源優(yōu)化。可提高系統(tǒng)的設備利用率和工藝優(yōu)化節(jié)能運行，實現不僅是設備的節(jié)能而是應用系統(tǒng)的節(jié)能，降低廠用電率，提高設備利用率等指標。
安裝有HCU技術的高壓變頻控制系統(tǒng)，在實現高壓變頻產品的系統(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，從而大大降低設備回收投資。
三、結束語
目前，隨著高壓變頻技術的日益發(fā)展，有關高壓變頻在應用領域的安全穩(wěn)定性以及進一步實現高效節(jié)能等方面有更為專業(yè)深入的研究。高壓變頻協調技術的研究和推廣勢必為生產節(jié)能降耗起到積極有效的推動作用。
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