EDPF-NT分散控制系統(tǒng)在某1 000 MW機(jī)組中的應(yīng)用

柳 倩，裴玉良，任志平，劉桂生

(國電諫壁發(fā)電廠,江蘇鎮(zhèn)江 212006)

國電諫壁發(fā)電廠首臺1 000 MW超超臨界機(jī)組于2011年5月21日順利通過了168 h考核運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。這是我國首臺采用自主化成套控制系統(tǒng)（北京國電智深控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EDPF-NT控制系統(tǒng)）的1 000 MW超超臨界機(jī)組。該項目是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重要課題，該控制系統(tǒng)的投入運(yùn)行打破了進(jìn)口控制系統(tǒng)獨占我國百萬機(jī)組控制系統(tǒng)的局面。

1 系統(tǒng)概述

國電諫壁發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組采用二機(jī)一控方式及2臺機(jī)組合用一個集中控制室，單元機(jī)組以分散控制系統(tǒng)（DCS）為核心，分3個域進(jìn)行控制，分別為13號域、14號域及公用系統(tǒng)34號域。該系統(tǒng)基于最新計算機(jī)嵌入系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)的分布式控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對單元機(jī)組主輔機(jī)及系統(tǒng)的檢測、控制、報警、聯(lián)鎖保護(hù)、診斷、機(jī)組啟/停、正常運(yùn)行操作、事故處理和操作指導(dǎo)等功能。顯示器和鍵盤作為機(jī)組的主要監(jiān)視和控制手段，設(shè)置少量必要的緊急事故停止和啟動按鈕，以便在DCS出現(xiàn)故障時，確保機(jī)組安全停運(yùn)。DCS主要完成主廠房內(nèi)單元機(jī)組和公用部分的系統(tǒng)及其設(shè)備的報警、調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖保護(hù)等監(jiān)視功能，包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、空冷系統(tǒng)及相關(guān)的輔助系統(tǒng)與設(shè)備。

控制系統(tǒng)有操作員站、工程師站、歷史站、輸出設(shè)備、分布式處理單元（DPU）及IO模塊、電源、機(jī)柜等組成。通過高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的局域網(wǎng)將這些設(shè)備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備中的傳遞、交換和共享。

分布式處理單元（DPU）是系統(tǒng)最基本的控制元。其中主控制器采用嵌入式設(shè)計的低功耗高性能計算機(jī)，內(nèi)置實時多任務(wù)軟件操作系統(tǒng)和嵌入式組態(tài)控制軟件，將網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、連續(xù)控制、離散控制、順序控制和批量處理等結(jié)合起來，形成了較為穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)。軟件采用Microsoft windows XP操作系統(tǒng)，DPU站使用Linux，應(yīng)用軟件為國電智深自主開發(fā)的EDPF-NT PLUS應(yīng)用軟件，還包括Microsoft Excel,Visio等工具以及第三方支撐工具，軟件擁有開放的結(jié)構(gòu)，可以和其他的控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)冗余配置 （如圖1所示），可快速構(gòu)建星型或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)，基于TCP/IP與實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通信速率10/100 Mbps自適應(yīng)，傳輸介質(zhì)為帶有RJ45連接器的5類非屏蔽雙絞線或單?；蚨嗄９饫w。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，一個系統(tǒng)包含多個既相互獨立又可以集中監(jiān)控的域，一個域一般是一個相對獨立的子系統(tǒng)，域間信息可以按要求進(jìn)行有選擇的隔離和交互，域間信息交互可以實現(xiàn)局部集中監(jiān)控或全廠集中監(jiān)控。圖示模塊為每個獨立的工作域。

圖1 冗余全網(wǎng)狀互聯(lián)

控制網(wǎng)（CNET）是現(xiàn)場控制站的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)控制機(jī)柜內(nèi)的各個I/O模塊和主控單元之間的相互連接和信息傳輸，通信速率1.5 Mbps，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纖，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)分別完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等功能，有效隔離工業(yè)自動化系統(tǒng)和IT系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

1 000 MW機(jī)組DCS控制系統(tǒng)實現(xiàn)了單元機(jī)組爐、機(jī)、電集中控制，完成單元機(jī)組主輔機(jī)及系統(tǒng)的檢測、控制、報警、聯(lián)鎖保護(hù)、診斷、機(jī)組啟/停、正常運(yùn)行操作、事故處理和操作指導(dǎo)等功能。機(jī)組自動控制系統(tǒng)功能完善，滿足機(jī)組在電網(wǎng)中主要承擔(dān)基本負(fù)荷，同時也能夠滿足電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻運(yùn)行的控制要求，其成套控制系統(tǒng)實際配置情況如下：

（1）接入的全部測點14 139個，其中單元機(jī)組硬接線點11 693個、公用系統(tǒng)硬接線點1 649個、通信接口接入測點797個。

（2）控制的設(shè)備總數(shù)量1 176臺，其中單元機(jī)組控制1 084臺、公用系統(tǒng)控制92臺。

“老頭媳婦去世后，一般比老太太還可憐，很多自己不會做飯、洗衣，干不了家務(wù)，也不受兒子、媳婦歡迎”。 （C4,女，62歲）

（3）上位機(jī)站總共12臺，其中操作員站5臺、程師站3臺、歷史站1臺、多功能接口站1臺、SIS接口站1臺、大屏幕站1臺。

（4）控制站總共51對，其中單元機(jī)組冗余控制器站45對、公用系統(tǒng)冗余控制器站。

（5）主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)總共14臺，為星形、冗余結(jié)構(gòu)，其中單元機(jī)組12臺、公用系統(tǒng)2臺。

DCS系統(tǒng)主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷<10%，單個節(jié)點最大網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷小于3%，畫面操作相應(yīng)周期≤1 s，畫面數(shù)據(jù)刷新周期<1 s，SOE數(shù)據(jù)采集周期<1 ms，實時數(shù)據(jù)控制周期≤50 ms，冗余控制器可實現(xiàn)正常無擾切換，控制器滿足無擾在線下裝要求，當(dāng)控制器掉電或控制器停運(yùn)時模擬量輸出和開關(guān)量輸出保位功能正常，控制器電源適應(yīng)能力正常。

3 控制策略

1 000 MW機(jī)組配套鍋爐是上海鍋爐廠引進(jìn)德國ALSTOM公司超超臨界塔式鍋爐技術(shù)生產(chǎn)的3 040 t/h超超臨界螺旋管圈直流爐，型式為單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、采用機(jī)械刮板撈渣機(jī)固態(tài)排渣的鍋爐。鍋爐制粉系統(tǒng)采用直吹式系統(tǒng)，每臺鍋爐配置6臺中速磨煤機(jī)。汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回?zé)岢槠?。發(fā)電機(jī)是上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司引進(jìn)德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的THDF 125/67型三相同步汽輪發(fā)電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計包含了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、鍋爐燃燒管理系統(tǒng)（BMS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制（SCS）系統(tǒng)。汽機(jī)控制系統(tǒng)采用上海汽輪機(jī)有限公司和西門子聯(lián)合設(shè)計的DEH控制系統(tǒng) （數(shù)字控制部分也采用西門子T3000分散控制系統(tǒng)）。其中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）和機(jī)組快速減負(fù)荷（RB）是該控制系統(tǒng)的特點。

3.1 單元機(jī)組CCS策略

該控制策略基于國電諫壁發(fā)電廠13號機(jī)組選用的主設(shè)備，采用以下先進(jìn)控制策略：以燃料量控制鍋爐負(fù)荷、以給水量控制微過熱汽溫（焓值），解除給水量調(diào)整時對燃料量的耦合作用，且負(fù)荷調(diào)整時兼顧對汽溫的控制。CCS策略如圖2所示。

圖2 CCS策略

控制微過熱蒸汽焓值。由于微過熱汽溫直觀，微過熱蒸汽焓值線性度好、靈敏度高。

超超臨界機(jī)組蓄熱能力小、參數(shù)間相互影響嚴(yán)重，因此機(jī)組在運(yùn)行工況變化時，主要參數(shù)穩(wěn)定性差，難于控制。但是另一方面，機(jī)組蓄熱能力小，鍋爐燃燒率變化時主汽壓或機(jī)組功率動態(tài)響應(yīng)的慣性大大減小，只要系統(tǒng)的控制策略設(shè)計得當(dāng)、機(jī)組主要控制量間靜態(tài)和動態(tài)匹配恰當(dāng)，在快速的燃燒率控制作用下，主汽壓和機(jī)組功率動態(tài)響應(yīng)性會更好，主要參數(shù)的動、靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)會明顯改善，能滿足連續(xù)滑壓運(yùn)行的要求[1]。超超臨界機(jī)組直流爐由于沒有汽包的工質(zhì)緩沖和蓄熱緩沖，燃燒率與給水量間的平衡實際上直接代表了鍋爐吸熱量與汽機(jī)耗汽量之間的熱量平衡[2]。在變負(fù)荷過程中，只要通過給水量和燃燒率的靜態(tài)和動態(tài)匹配保證熱量平衡關(guān)系，中間點的過熱度或比焓將始終保持平穩(wěn)，機(jī)爐將會處于協(xié)調(diào)平穩(wěn)的受控狀態(tài)。因此，為了保持動靜態(tài)過程中各控制量間的基本匹配和平衡，加快變負(fù)荷過程中相應(yīng)回路的響應(yīng)，該設(shè)計采用了變增益和非線性環(huán)節(jié)改善控制特性。

考慮鍋爐實際運(yùn)行中燃用煤種變化多樣，多數(shù)不能達(dá)到設(shè)計煤種的運(yùn)行要求，目前摻燒褐煤的比例已超過50%，因此，該系統(tǒng)設(shè)計中采用了煤量校正（BTU）修正，其控制方案如下：采用當(dāng)前運(yùn)行的功煤比，即機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行（實際負(fù)荷和主蒸汽壓力波動很小，且持續(xù)20 min）時的總?cè)剂狭亢蛯嶋H負(fù)荷之比值，代表了當(dāng)前煤質(zhì)的作功能力，經(jīng)F（x）和慣性環(huán)節(jié)處理，乘以負(fù)荷指令，作為燃料量指令前饋。再根據(jù)燃料實際情況，估計當(dāng)前負(fù)荷指令下所需要的燃料量指令。

根據(jù)功煤比的比值自動適應(yīng)調(diào)整鍋爐主控制器調(diào)節(jié)器比例增益，以增強(qiáng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)抗煤質(zhì)擾動能力。自動適應(yīng)調(diào)整鍋爐主控制器調(diào)節(jié)器比例增益只施加在鍋爐主控制器上。

該工程中，對于再熱汽溫的控制方案采用了新設(shè)計的控制方案，滿足了控制系統(tǒng)的要求，其控制方案如圖3所示。圖中：M/A為手/自動切換；PV為過程變量；SP為給定值；TR為溫度返饋信號?；饳z失去2個時，燃燒器擺角調(diào)節(jié)投手動，小風(fēng)門投手動。當(dāng)擺動燃燒器處于手動控制狀態(tài)時，上述邏輯關(guān)系解除，當(dāng)鍋爐出現(xiàn)MET、汽輪機(jī)跳閘時，噴水調(diào)節(jié)閥自動聯(lián)鎖關(guān)閉。

3.2 RB控制方案

RB邏輯共設(shè)計7種異常工況，即單臺磨煤機(jī)跳閘、2臺磨煤機(jī)跳閘、單臺送風(fēng)機(jī)跳閘、單臺引風(fēng)機(jī)跳閘、單臺一次風(fēng)機(jī)跳閘、單臺空預(yù)器跳閘、單臺汽動給水泵跳閘情況下的機(jī)組出力限制及處理。當(dāng)多臺輔機(jī)跳閘時，以鍋爐出力下降最大的RB工況為機(jī)組RB實施工況。當(dāng)RB發(fā)生時，機(jī)組從自動發(fā)電控制（AGC）或CCS控制方式切換到汽輪機(jī)跟隨（TF）方式運(yùn)行，數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）切為初壓方式進(jìn)行機(jī)調(diào)壓控制，機(jī)前壓力定值回路根據(jù)不同RB工況，確定主汽壓力控制的目標(biāo)值和壓力衰減率（壓力定值基本參照目標(biāo)負(fù)荷對應(yīng)的滑壓值）。

RB發(fā)生時，鍋爐煤量調(diào)節(jié)器指令以不同RB工況降至機(jī)組最大限制負(fù)荷所對應(yīng)的目標(biāo)煤量。由于機(jī)組鍋爐通常存在較大的熱慣性，按常規(guī)設(shè)計自動控制減煤，鍋爐熱負(fù)荷短時間內(nèi)下降不足，因此改原有自動調(diào)節(jié)為動靜結(jié)合控制，動態(tài)時快速跳磨，靜態(tài)后轉(zhuǎn)為自動控制，穩(wěn)定煤量至目標(biāo)負(fù)荷所對應(yīng)的燃料量。跳磨按照A→F→E的順序進(jìn)行，間隔時間通常為10 s，保留3臺磨煤機(jī)，其中一次風(fēng)機(jī)RB時考慮到風(fēng)壓瞬間下降過快，適當(dāng)縮短跳磨間隔 （為7 s）。整個RB過程中分離器出口溫度、爐膛負(fù)壓、風(fēng)壓等子系統(tǒng)維持自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，以控制機(jī)組主要參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動。如果僅僅根據(jù)動態(tài)偏差控制，由于受調(diào)節(jié)器速度的限制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)來不及動作，直接引發(fā)運(yùn)行工況的惡化乃至機(jī)組跳閘，所以送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等采用了必要的超馳控制和前饋控制。RB發(fā)生時壓力定值首先跟蹤實際壓力，然后壓力定值再按要求變化，以防止RB發(fā)生時實際壓力偏高于設(shè)定值導(dǎo)致調(diào)門反而打開，引起汽溫下降過大。快速投運(yùn)油槍為緊急投油，隨跳磨間隔投入底層相應(yīng)兩層運(yùn)行磨的油槍（不考慮A層油槍），先進(jìn)油槍，再開油閥，以加強(qiáng)燃燒的穩(wěn)定。同時考慮到一次風(fēng)壓可能瞬間跌至很低，導(dǎo)致一次風(fēng)量低跳閘磨煤機(jī)，因此將每臺磨煤機(jī)在一次風(fēng)機(jī)RB工況下，一次風(fēng)量低跳磨延時由10 s自動調(diào)整為60 s。RB發(fā)生時，所有減溫水調(diào)門先超弛關(guān)閉30 s，再釋放為正常調(diào)節(jié)。

圖3 聯(lián)動邏輯圖

AGC、一次調(diào)頻以及一次調(diào)頻在線監(jiān)測功能于機(jī)組168 h試運(yùn)行期間進(jìn)行了測試，調(diào)節(jié)品質(zhì)均達(dá)到國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)調(diào)控制范圍下限達(dá)到60 MW，上限達(dá)到了1 023 MW，調(diào)節(jié)速率為20 MW/min，一次調(diào)頻頻率的偏差控制死區(qū)為：±2 r/min，轉(zhuǎn)速的不等率滿足5%，一次調(diào)頻控制的限幅±3%額定經(jīng)濟(jì)出力。

4 結(jié)束語

EDPF-NT在國電諫壁發(fā)電廠1 000 MW機(jī)組中成功應(yīng)用至今，未發(fā)生任何由于設(shè)備原因造成的機(jī)組停運(yùn)，其硬件設(shè)備的安全性較好，系統(tǒng)操作系統(tǒng)為Microsoft windows XP操作系統(tǒng)，具有兼用性和通用性，修改簡單、方便，但是就其軟件應(yīng)用還有較多需要改進(jìn)的地方，特別是在真正實現(xiàn)在線修改、下載等方面需要進(jìn)一步研發(fā)。

[1]劉維.超（超）臨界機(jī)組控制方法與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院編.熱工自動化[M].北京：中國電力出版社，2010.