300 MW 機(jī)組數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH 仿真機(jī)研發(fā)

李 浩，孫海蓉

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

隨著火電機(jī)組向大容量、高參數(shù)、分散控制方向發(fā)展，技術(shù)日益復(fù)雜，對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求很高?？刂葡到y(tǒng)制造廠家已不可能像配備一臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備一樣配備一套大容量發(fā)電設(shè)備用來調(diào)試控制系統(tǒng);也不可能等控制系統(tǒng)到了電廠，再利用電廠的發(fā)電設(shè)備來整定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)［1］。同樣對(duì)運(yùn)行人員也提出了高要求，沿用舊的培訓(xùn)方法已無法滿足大機(jī)組運(yùn)行人員的培訓(xùn)要求，更不能將正在發(fā)電的設(shè)備用來培訓(xùn)。因此，開發(fā)和研制運(yùn)行性能高、系統(tǒng)配置靈活、制造成本低的仿真機(jī)，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

仿真作為一門利用模型進(jìn)行試驗(yàn)、研究和培訓(xùn)的技術(shù)，具有可控、安全、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約時(shí)間、允許多次重復(fù)等特點(diǎn)，被廣泛用于各領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)研究、分析、設(shè)計(jì)和培訓(xùn)。在電廠仿真機(jī)中，目前應(yīng)用最普遍的是電廠運(yùn)行值班員培訓(xùn)仿真機(jī)。仿真機(jī)要完成所仿電廠運(yùn)行人員、運(yùn)行管理人員的培訓(xùn)和考核，同時(shí)也可對(duì)其他類型機(jī)組運(yùn)行及管理人員進(jìn)行培訓(xùn)和考核;滿足工程技術(shù)人員對(duì)該類型設(shè)備及其系統(tǒng)改進(jìn)的研究分析任務(wù)。電廠仿真機(jī)也可用來進(jìn)行電廠運(yùn)行分析和控制系統(tǒng)研究，對(duì)實(shí)際發(fā)電機(jī)組發(fā)生的故障進(jìn)行驗(yàn)證，并可提出反事故措施等。

本仿真機(jī)是以國(guó)電達(dá)州電廠300 MW 機(jī)組為參考機(jī)組的機(jī)、爐、電全范圍激勵(lì)式仿真［2］裝置。本文利用EDPF-NT PLUS 仿真軟件［3］搭建控制模型，使其實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、升負(fù)荷、超速保護(hù)和閥門管理［4］等功能，將DEH 控制系統(tǒng)［5］與鍋爐、汽輪機(jī)以及電氣模型連接，進(jìn)行整體運(yùn)行調(diào)試后，所得仿真結(jié)果與運(yùn)行規(guī)程中機(jī)組啟動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該仿真模型設(shè)計(jì)合理、功能完整，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各項(xiàng)指標(biāo)。本文建立的DEH 控制系統(tǒng)仿真模型與在STS 仿真支撐環(huán)境建立的機(jī)、爐、電仿真模型組成了國(guó)電達(dá)州電廠300 MW 機(jī)組仿真模型，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的全范圍仿真。

1 DEH 仿真機(jī)系統(tǒng)

1.1 仿真機(jī)特點(diǎn)簡(jiǎn)介

達(dá)州電廠仿真機(jī)的硬件構(gòu)成如圖1 所示。該硬件系統(tǒng)主要包括模型服務(wù)器(裝載及運(yùn)行機(jī)、爐、電模型及通訊軟件的仿真支撐平臺(tái)，是仿真機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部分)、工程師站(EDPF-NT PLUS 中組態(tài)、管理和維護(hù)工程的計(jì)算機(jī)，是虛擬DCS 的核心)、歷史站(采集、儲(chǔ)存以及檢索點(diǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警和SOE 事件，顯示歷史趨勢(shì)曲線、報(bào)警信息列表)、操作員站(即MMI 站，具有人機(jī)交互功能，操作員可通過操作員站對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，一套系統(tǒng)可以有多臺(tái)操作員站，各站相互獨(dú)立、互不干擾)、就地站 (仿真就地設(shè)備)、虛擬DPU (用于安裝虛擬DPU 軟件，虛擬DPU 技術(shù)將實(shí)際DCS 系統(tǒng)中DPU 的處理功能移植到虛擬DPU 軟件上，脫離硬件設(shè)備，采用軟件仿真在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)DPU 工作過程的模擬)、交換機(jī)(仿真系統(tǒng)有兩個(gè)不同的通訊域，交換機(jī)的存在能滿足不同通訊域的通訊)等部分。此外，該仿真機(jī)還配備了UPS 電源，以應(yīng)對(duì)突然的失電，來確保培訓(xùn)等工作的正常進(jìn)行。

圖1 達(dá)州電廠仿真機(jī)基本配置Fig．1 Simulator hardware structure of Dazhou Power Plant

激勵(lì)式仿真機(jī)是基于虛擬DCS 的全范圍仿真系統(tǒng)［2］，在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)原DCS 系統(tǒng)的控制畫面和邏輯組態(tài)的基礎(chǔ)上，利用虛擬DPU 技術(shù)和仿真支撐系統(tǒng)，高度地仿真了電廠運(yùn)行環(huán)境。一般由分散控制系統(tǒng)軟件、仿真系統(tǒng)支撐平臺(tái)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件等組成。

國(guó)電達(dá)州電廠300 MW 機(jī)組使用EDPF-NT PLUS 分散控制系統(tǒng)。EDPF-NT PLUS 是一個(gè)既可應(yīng)用于電廠實(shí)際各階段的控制系統(tǒng)，又可應(yīng)用于仿真系統(tǒng)，模仿全廠范圍特性的控制系統(tǒng)。以網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信、信息、監(jiān)控、管理技術(shù)為一體，支持Modbus 通訊協(xié)議［6］。以面向功能和對(duì)象而實(shí)現(xiàn)的“站”為基本單元，專門設(shè)計(jì)的分布式動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于管理分布在各站的系統(tǒng)運(yùn)行所需的全部數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和自動(dòng)控制技術(shù)融為一體，完全實(shí)現(xiàn)了控制與信息一體化設(shè)計(jì)，具有開放式結(jié)構(gòu)和良好的硬件兼容性和軟件的可擴(kuò)展性。DPU 控制器采用多重冗余，安全可靠;采用雙機(jī)，雙網(wǎng)，雙電源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

仿真支撐系統(tǒng)使用由華北電力大學(xué)杰德控制系統(tǒng)工程研究中心研發(fā)，運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、基于VC++的STS 仿真支撐系統(tǒng)。既有支撐系統(tǒng)的功能，又有激勵(lì)系統(tǒng)的功能。作為支撐系統(tǒng)，為仿真模型組態(tài)人員提供一個(gè)模型開發(fā)與調(diào)試的環(huán)境，同時(shí)構(gòu)建具有擴(kuò)展性功能的仿真模型算法庫(kù);作為激勵(lì)系統(tǒng)，是仿真模型運(yùn)算的平臺(tái)，為虛擬DPU 提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。仿真算法由Fortran 語(yǔ)言開發(fā)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件是仿真系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行的基礎(chǔ)和平臺(tái)，主要包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言編譯器、圖形軟件等。

1.2 達(dá)州電廠DEH 系統(tǒng)

達(dá)州電廠機(jī)組的汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N300-16.7/537/537-8 型 (高中壓合缸)亞臨界、一次中間再熱、兩缸、兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)。該DEH 系統(tǒng)采集實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)，經(jīng)邏輯和數(shù)值運(yùn)算轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，通過功率放大輸出到電液轉(zhuǎn)換器，經(jīng)中間繼動(dòng)滑閥及調(diào)壓繼動(dòng)滑閥，控制高中壓調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)及蝶閥油動(dòng)機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)控制汽輪機(jī)的啟停和運(yùn)行，監(jiān)視實(shí)時(shí)參數(shù)及狀態(tài)，保證機(jī)組安全運(yùn)行等功能。

(1)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該DEH 控制系統(tǒng)控制機(jī)組主要按高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式進(jìn)行啟動(dòng)，具有轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制以及壓力控制等控制功能，其中以負(fù)荷控制最為重要，有自動(dòng)、手動(dòng)以及電廠計(jì)算機(jī)控制等控制方式;可根據(jù)轉(zhuǎn)速變化及轉(zhuǎn)速死區(qū)范圍來決定是否投入一次調(diào)頻;根據(jù)控制需要進(jìn)行單閥和順序閥的切換;支持手動(dòng)控制、自動(dòng)控制方式的切換;可根據(jù)需要選擇串級(jí)控制回路或單回路。

(2)自啟動(dòng)程序控制系統(tǒng)(ATC)。當(dāng)ATC控制運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)在全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，通過監(jiān)視高、中壓轉(zhuǎn)子，并計(jì)算出熱應(yīng)力及壽命損耗，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行科學(xué)管理，得出最佳升速率和升負(fù)荷率，轉(zhuǎn)速目標(biāo)值也是由每個(gè)階段自動(dòng)給出。同時(shí)，ATC 可以根據(jù)高、中壓轉(zhuǎn)子的溫度判斷出機(jī)組是冷態(tài)啟動(dòng)還是熱態(tài)啟動(dòng)，這樣既可以保證轉(zhuǎn)子的安全，又可以有效啟動(dòng)整個(gè)汽輪機(jī)組。

(3)保護(hù)系統(tǒng)。包括汽輪機(jī)超速保護(hù)、危急遮斷保護(hù)以及手動(dòng)脫扣三種功能。超速保護(hù)功能是當(dāng)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的103 %時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉中調(diào)門，而當(dāng)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的103 %又在110 %范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉高、中調(diào)門，以保護(hù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子;當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的110 %或者軸向位移大、軸承供油油壓低、軸承供油油溫高以及凝汽器真空低等其他參數(shù)超越安全限值時(shí)，危急遮斷保護(hù)控制會(huì)自動(dòng)關(guān)閉所有主汽門和調(diào)門，進(jìn)行停機(jī);手動(dòng)脫扣是一種手動(dòng)停機(jī)方式。

(4)監(jiān)控功能。DEH 系統(tǒng)無論在機(jī)組的啟停還是在正常運(yùn)行的過程中，都要時(shí)刻對(duì)汽輪機(jī)組和DEH 系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，操作畫面、按鈕狀態(tài)、重要參數(shù)以及運(yùn)行曲線等都可被DEH 系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。

2 DEH 的建模仿真

DEH 自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。

由圖可知，該系統(tǒng)具有如下三個(gè)調(diào)節(jié)回路:

(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路。并網(wǎng)前，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門開度，保證蒸汽參數(shù)品質(zhì)，維持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平穩(wěn)恒定。

(2)功率調(diào)節(jié)回路。并網(wǎng)后，通過該回路控制機(jī)組的負(fù)荷。通常采用串級(jí)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分為內(nèi)回路和外回路兩個(gè)部分，內(nèi)回路為壓力回路，外回路為功率回路，參與調(diào)頻時(shí)，還需投入一次調(diào)頻回路。串級(jí)控制系統(tǒng)既可以選擇投入壓力控制，也可以切除壓力控制，按單回路運(yùn)行方式運(yùn)行。

(3)主蒸汽壓力回路。并網(wǎng)后，通過該回路控制機(jī)組的負(fù)荷，是一個(gè)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在負(fù)荷控制期間，如果投入機(jī)爐協(xié)調(diào)控制，DEH 還接收協(xié)調(diào)控制來的CCS 指令。此外，如果沒有投入閉環(huán)控制回路，就處于開環(huán)控制方式，則可由設(shè)定值經(jīng)處理后形成閥位指令。

以上三個(gè)調(diào)節(jié)回路的輸出經(jīng)過選擇切換，形成自動(dòng)指令(PIDOUT)，自動(dòng)指令的形成邏輯組態(tài)如圖3 所示。

圖2 DEH 自動(dòng)控制原理框圖ig．2 Schematic diagram of DEH automatic control

自動(dòng)指令(PIDOUT)與手動(dòng)給定值以及CCS控制指令經(jīng)選擇切換，再經(jīng)閥限限制后形成總的基準(zhǔn)值(REFERENCE)。如圖4 所示，該基準(zhǔn)值即為閥門總給定值，經(jīng)過各閥門特性校正后，形成各個(gè)閥門的閥位指令，送到各閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終使閥門的實(shí)際開度和閥位指令相平衡。閥門開度的變化，使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量改變，從而改變相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、功率、主汽壓等，完成控制功能。

3 仿真結(jié)果

該仿真機(jī)DEH 系統(tǒng)根據(jù)電廠運(yùn)行規(guī)程及相關(guān)規(guī)范要求，高度仿真現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際系統(tǒng)。

操作顯示界面作為人機(jī)接口，供運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行正常操作，仿真機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)一致性極高。所有按鈕、鍵盤輸入正常，包括啟停方式的選擇、掛閘、目標(biāo)轉(zhuǎn)速/功率設(shè)定、升速率、負(fù)荷率的設(shè)定以及控制方式的選擇等。

圖3 自動(dòng)指令(PIDOUT)的形成邏輯Fig．3 Formation of PIDOUT logic

經(jīng)反復(fù)調(diào)試和不斷使用，證明了該系統(tǒng)能正確反映原設(shè)計(jì)思想和運(yùn)行規(guī)程要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟停、運(yùn)行調(diào)節(jié)等功能。將運(yùn)行規(guī)程中實(shí)際機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線中的沖轉(zhuǎn)曲線部分(圖5 (a))，與仿真機(jī)沖轉(zhuǎn)曲線(圖5 (b))對(duì)比。其中，圖5(a)中曲線水平保持部分為實(shí)際暖機(jī)過程，該仿真機(jī)能選擇減少暖機(jī)長(zhǎng)時(shí)間等待，達(dá)到節(jié)約時(shí)間的目的;圖5 (b)中實(shí)線所示為實(shí)際轉(zhuǎn)速;虛線所示為轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

將運(yùn)行規(guī)程中實(shí)際機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)曲線中的升負(fù)荷曲線部分(圖6 (a))，與仿真機(jī)升負(fù)荷曲線(圖6 (b))對(duì)比。其中，圖6 (b)中實(shí)線所示為實(shí)際負(fù)荷;虛線所示為負(fù)荷設(shè)定值。

通過對(duì)比曲線可知，仿真所得曲線基本與運(yùn)行規(guī)程中的實(shí)際機(jī)組曲線相符合，仿真的精度達(dá)到了要求。

圖4 閥門總給定值的形成邏輯Fig．4 Formation of REFERENCE logic

圖5 實(shí)際/仿真機(jī)沖轉(zhuǎn)曲線Fig．5 Actual/simulator speed curve

圖6 實(shí)際/仿真機(jī)升負(fù)荷曲線Fig．6 Actual/simulator load curve

4 結(jié)論

該DEH 仿真機(jī)系統(tǒng)利用了國(guó)電智深EDPF-NT PLUS 控制系統(tǒng)仿真軟件搭建控制模型，并與汽輪機(jī)、鍋爐、電氣系統(tǒng)仿真模型相連，構(gòu)成了一套完整的激勵(lì)式仿真系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的全范圍仿真。與實(shí)際機(jī)組的操作環(huán)境、運(yùn)行方式相同，既可以進(jìn)行運(yùn)行人員的培訓(xùn)，又能對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。目前，該套仿真機(jī)設(shè)備已經(jīng)在達(dá)州電廠投入使用。

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