计林佑
中海油珠海天然气发电有限公司 广东·珠海519000
摘要：工业过程控制中经常会用到变频器，特别是最近几年，随着节能降耗的呼声越来越高，变频器在各类风机和水泵的控制系统中也应用的越来越多。当今主流的工业控制设计都会配备两台泵/风机，互为备用，并配备一台变频器的一拖二运行方式，即一台变频器即可满足生产需要。该一拖二运行方式使电机不需要运行在工频模式下，节约大量的厂用电。本文就变频器一拖二运行方式的应用与控制问题进行了相关探讨。
关键词：变频器；一拖二；控制
0.引言
在广泛使用变频器之前，一般采用液力耦合器或定速泵配合出口调整门的方式来调节工质压力，但这种方式只是以结果为导向，电机本身的功率并没有减少。而电机的功率都是按照最大出力并预留一定裕度进行配置，也就是说，正常生产工程中，电机一直处于“大马拉小车”的状态。这造成了大量的电能损耗，以及因为节流损失，出口调整门的阀芯磨损、压力过高DCS过程控制较为困难等。
直到后来变频器的广泛使用才改变了这一现状。变频器主要用于工业控制系统中的电机变频调节，使用非常广泛。通过改变电机输入频率，减小运行电流和功率，达到节能的目的。而且电机通过变频启动，启动电流小，避免了较大的电机启动电流，延长电机使用寿命，以及对系统管道的冲击。工业过程控制中，为提高系统安全性，一般针对水泵都是采用双冗余设置，即一用一备。在新的工厂设计时，考虑投资成本问题，一般都只设置一台变频器与两台水泵配对，采用一拖二的运行方式。
1．变频器在工业控制中的应用
（1）变频器原理
变频器应用了最新的变频技术和微电子技术，它通过改变变频器输出的工作电源频率的方式来控制电动机。变频器安装在电源和电机之间，电源中的电力进入变频器，经变频器调节后的电源供应给电机适合当前出力需要的电力。在变频器中，输入的50HZ交流电通过整流器，整流器能够将输入的交流电转化为直流电，然后输入变频器内部的电容平滑电压波形。经过电容后的直流电经过逆变器后将直流电转化为交流电输出，供应电机需求。因此，变频器可以调节输出交流电的电压和频率，适应系统不同的工况需要。由此可以看出，这在根本上减少了电能的消耗：生产现场需要多少出力，就提供相应的电能去转化，较之以前的运行方式，节能能力大大提高。
（2）变频器的基本应用
电力驱动在工业控制领域发展到使用变频器主要有三种方式：
a、电机－液力耦合器方式；
b、电机－出口调节门方式；
c、变频器－电机变频方式。
（3）变频器一拖二运行方式的应用
经过工业化的长时间发展，控制水平的不断提高，变频器的应用方式越来越广泛，可以与电机一对一配对连接，也可以一对多。现在一般采用一对二居多，也就是常说的“一拖二”运行方式。一拖二的意思是两路电源都可以进入变频器，变频器的输出可以接到两个电机，一般情况为变频器和与之相连的电机变频运行，另一台电机工频备用。以某电厂凝结水泵一拖二运行方式为例，如图1所示：
变频器一拖二运行方式主要有以下两种方式：
a、工频运行：QF1、KM43合闸，A泵工频运行；QF2分闸、KM43合闸，B泵为工频备用状态。一旦A泵故障跳闸，控制系统接收备用联启信号后，QF2合闸，B泵工频启动。
b、变频运行：QF1、KM41、KM42合闸，KM43分闸，A泵变频运行；QF2分闸、KM43合闸，B泵为工频备用状态。一旦A泵故障跳闸或变频器重故障，控制系统接收备用联启信号后，QF2合闸，B泵工频启动。
3．DCS对变频器一拖二运行方式的控制
（1）变频器一拖二运行方式的切换
由上图可以看出，一拖二的运行方式既可以工频运行，也可以变频运行，相互之间可以进行切换运行。
一拖二运行方式的切换步骤为（假定A泵变频运行，B泵工频备用）：
a、A泵变频运行，QF1、KM41、KM42合闸，变频器接收控制系统调节信号，按一定的频率输出电能，当控制系统接收到操作人员的“A泵切B泵请求”后，控制逻辑自动按一定速率提高变频器输出频率直至50HZ，同时由于汽包水位三冲量逻辑的作用，管道压力虽然升高但汽包水位依然稳定；
b、当A泵变频50HZ运行后，B泵的QF2合闸，由于B泵处于备用状态时KM53已合闸，此时B泵工频运行；
c、停运A泵，并将A泵投备用，此时QF1分闸、KM53合闸；
d、锁频锁相后，KM51 、KM52合闸，KM53分闸，由于之前变频器控制信号已经是50HZ，因此此时B泵为变频50HZ运行；
e、根据系统需要，逐渐减少变频器频率，维持系统压力稳定，切换结束。
（2）DCS对变频器的控制
发电厂的系统工况随时都会发生变化，而要维持足够的介质压力，以及对汽包水位的精准控制，就需要一套成熟的控制策略。传统方式是通过调节凝结水泵变频器来调整管道压力，而汽包水位则是通过串级三冲量逻辑调整低压汽包给水调阀实现。现在既然可以利用变频器参与调节，则完全可以将给水调阀开大以减小节流损失。
a、压力控制模式
压力控制模式顾名思义，DCS内的变频器控制逻辑以管道压力作为被调量，当工况变化，控制系统通过改变变频器控制信号维持压力等于设定值。运行人员可根据需要调整设定值偏置进行微调，使压力更符合系统需要。但此时，仍需使用原水位串级三冲量控制逻辑调整汽包水位等于设定值，也就是通过给水调阀进行调节，压力控制和水位控制是分开的，还是存在节流损失。
b、变频调节水位模式
既然变频器可以进行凝结水泵出力的调整，那么我们完全可以通过变频器直接调整汽包水位。通过优化后的控制逻辑被命名为“凝结水泵变频调节汽包水位”。变频调节汽包水位方式较上一种压力调节模式更为先进，变频器控制逻辑直接以汽包水位作为调节对象，全开给水调阀，基本消除了节流损失。
具体为参照低压汽包串级三冲量逻辑，使用给水流量、汽包水位、蒸汽流量编辑新的串级三冲量逻辑，新逻辑的PID输出与原低压汽包串级三冲量逻辑输出使用选择器进行选择。当投入变频调节水位模式后选择器选择新的串级三冲量逻辑输出信号给变频器。在DCS逻辑内增加压力控制模式和变频调节汽包水位模式的切换，使用PID函数控制阀门的阀位开度、管道压力以及汽包水位。比如当投入变频调节水位模式后，将给水调阀阀位按一定速率自动置85％，减小节流损失。
使用变频器控制汽包水位后，凝结水泵的启动和切换必然与原来不同。目前采用的方式为：
a、变频启动
水泵需要足够的力矩方能转动，因此每台泵都有一个启动力矩。工频泵启动时不用考虑启动力矩，只需要考虑启动电流即可。但变频泵则需要考虑一个最低启动频率，即要获得一个最低的启动力矩。根据电机、水泵的参数以及系统工况的不同，每台变频泵的最低启动频率各不相同，需要进行试验方可得到。得到最低启动频率后，设置到控制逻辑中，进行变频启动时，控制系统直接按最低启动频率变频启动水泵。
b、启动初始阶段的压力控制
凝结水泵变频启动后，由运行人员选择母管压力控制，进入压力控制模式，控制逻辑将按照压力设定值，缓慢提高变频器频率，使凝结水泵出口压力升高。
c、正常运行中的变频调节水位模式
待机组运行稳定之后，即可由运行人员投入变频调节汽包水位模式。一旦投入变频调节汽包水位模式后，DCS逻辑将控制变频器频率缓慢下降，给水调阀缓慢打开至85％。对于变频器频率和阀门开度的切换速率函数，需要根据经验进行整定和配合，宜慢不宜快，应优先保证管道压力和汽包水位的稳定。待阀门全开之后，即进入变频调节水位模式。
（3）DCS保护与联锁
变频器调节汽包水位的模式在运行中还应经常收集数据并进行函数修正，以适应多种工况的需求，特别是当变频器重故障退出运行后的处理，更要谨慎。
为保证系统安全，必须全部满足以下条件后方能投入变频器调节汽包水位模式：
a、燃机功率大于50％；
b、低压汽包给水调阀在自动状态；
c、低压汽包给水调阀开度大于60％；
d、低压给水旁路电动阀开度大于20％。
当变频器发生重故障时，将触发运行泵6KV开关跳闸，联启备用泵。但备用泵启动后是工频运行，而原来处于变频调节汽包水位模式时阀门是全开的，因此必须快速将给水调阀快速关至50％左右并保持3秒，避免工频泵启动时引起汽包水位的突变。3秒后，凝结水泵变频器切换至压力控制模式，汽包水位切换至串级三冲量逻辑进行控制。
凝结水泵的基本保护不变，在保持原跳闸保护条件的基础上，增加变频器重故障等条件，有任何一条跳闸条件满足则运行泵跳闸。
a、凝汽器水位低低（小于200mm），延时5S；
b、凝结水泵运行后，出口电动阀5秒未开；
c、凝结水泵运行后，入口电动阀5秒未开；
d、凝结水泵轴承温度大于95度；
e、凝结水泵电机任一相两个绕组温度大于115度，且其中之一大于120度；
f、凝结水泵变频器故障。
4．结束语
凝结水泵在采用了变频器一拖二的控制方式后，可以节约初期投资，降低后期运行能耗，延长设备寿命，节能效果非常明显。在使用变频调节水位模式后，能够进一步减少节流损失，降低设备运行电流，节约厂用电，值得推广。