630 MW機(jī)組DCS與DEH一體化升級(jí)改造

朱又生

(江蘇省國(guó)信集團(tuán)，江蘇南京210005)

江蘇國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)為國(guó)外引進(jìn)亞臨界630 MW機(jī)組，鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組分別由美國(guó)巴威和西屋公司制造，于1998年11月建成投入商業(yè)運(yùn)行。鍋爐和汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)采用Siemens公司的TXP分散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集DAS、協(xié)調(diào)控制CCS、順序控制SCS、燃燒器管理BMS等功能；汽輪機(jī)采用Westinghouse公司的WDPF控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)操作員自動(dòng)OA、緊急跳機(jī)ETS、超速度保護(hù)控制OPC、汽輪機(jī)自動(dòng)控制ATC、熱應(yīng)力監(jiān)測(cè)RSM、旁路與軸封控制BP/GS、給水泵汽輪機(jī)控制MEH/METS等功能。

現(xiàn)有WDPF和TXP系統(tǒng)為上世紀(jì)九十年代中期產(chǎn)品，十多年運(yùn)行已到壽命末期，系統(tǒng)和卡件嚴(yán)重老化，系統(tǒng)故障率大幅上升，維護(hù)費(fèi)用持續(xù)增加的問題日趨突出，已嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；DCS落后的控制軟件，其有限的可擴(kuò)展性，制約了機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，限制了脫硝等新增控制要求的加入。經(jīng)廣泛調(diào)研、全面的改造方案設(shè)計(jì)與論證和優(yōu)化選型，確定對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)作一體化改造，選用EMERSON公司全新的專家控制系統(tǒng)Ovation替換現(xiàn)有的TXP和WDPF。改造工程于2012年4月到6月1號(hào)機(jī)組大修期間進(jìn)行。

1方案設(shè)計(jì)

1.1存在問題

江蘇國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司亞臨界630 MW機(jī)組的現(xiàn)有DCS和DEH均為15年前產(chǎn)品，原制造廠對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件已做全面的技術(shù)升級(jí)，功能和性能有了質(zhì)的上升，但新硬件與老系統(tǒng)不兼容，不能作為老系統(tǒng)的備件。隨著TXP和WDPF退市，備品、備件的供應(yīng)變得困難，制造廠雖然還生產(chǎn)一定備件，但量少成本高，因此老系統(tǒng)的維修面臨成本逐年升高的嚴(yán)峻局面?，F(xiàn)有DCS預(yù)制線纜通道已被基本用完，且無增加新的控制對(duì)象的可能，脫硝控制系統(tǒng)的接入、AGC性能優(yōu)化，DCS已成為機(jī)組改造和控制技術(shù)升級(jí)的瓶頸。WDPF的80486處理器運(yùn)算速度很慢，文本填表式組態(tài)軟件使用極為繁瑣，DEH中增加一次調(diào)頻試驗(yàn)邏輯，就需占用系統(tǒng)20個(gè)點(diǎn)、19個(gè)文本算法。WDPF歷經(jīng)多次異動(dòng)、邏輯修改，DPU基本處于臨界負(fù)荷運(yùn)行。因此迫切需要對(duì)DCS和DEH進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造。機(jī)組DCS和DEH分設(shè)2套不同的控制系統(tǒng)，給集控運(yùn)行帶來不便。機(jī)組13套基地式調(diào)節(jié)儀表、電動(dòng)給水泵就地PLC、勵(lì)磁系統(tǒng)硬手操裝置控制、6個(gè)磨煤機(jī)沖惰就地控制盤等均需要集成到DCS，汽輪機(jī)TSI、鍋爐四管泄漏檢測(cè)、吹灰PLC、膠球清洗等信息均需納入DCS監(jiān)視范圍。為滿足脫硝等新增控制要求和改善集控運(yùn)行環(huán)境，并為機(jī)組控制功能升級(jí)創(chuàng)建擴(kuò)展空間，對(duì)DCS和DEH進(jìn)行一體化改造是必要和迫切的?，F(xiàn)役機(jī)組DCS和DEH的升級(jí)改造，有基于現(xiàn)有系統(tǒng)的局部升級(jí)改造和全新系統(tǒng)整體升級(jí)改造兩種不同的選擇。

1.2局部改造

基于現(xiàn)有系統(tǒng)的局部改造，僅對(duì)控制器、網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)等升級(jí)，可充分利用現(xiàn)有機(jī)柜、接線端子和IO卡件，有基于TXP或基于WDPF的2個(gè)可選方案。Siemens公司的TXP系統(tǒng)已升級(jí)為T3000，Westinghouse公司的WDPF系統(tǒng)已升級(jí)為Ovation，所以，局部升級(jí)即用T3000或Ovation系統(tǒng)改造。選用T3000改造控制系統(tǒng)，可保持DCS的技術(shù)風(fēng)格不變，由于DCS的控制器和運(yùn)行監(jiān)控畫面遠(yuǎn)多于DEH，控制軟件轉(zhuǎn)化和新的HMI升級(jí)開發(fā)相對(duì)容易。DEH改用T3000，因Siemens公司的汽輪機(jī)控制策略與Westinghouse公司有較大不同，特別在汽輪機(jī)自動(dòng)控制ATC和熱應(yīng)力監(jiān)視RSM方面，故DEH的軟件轉(zhuǎn)換有些難度。選用Ovation改造控制系統(tǒng)，可保持DEH的技術(shù)風(fēng)格不變，現(xiàn)有DCS的DUP改為Ovation的控制器。盡管DCS的控制器和監(jiān)控畫面較多，但控制策略主要為通用算法，控制軟件的轉(zhuǎn)換相對(duì)較方便。局部改造解決了監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的技術(shù)升級(jí)，且DCS和DEH集成在同一平臺(tái)上，具有投入最少、工期最短、風(fēng)險(xiǎn)最低的優(yōu)點(diǎn)，但I(xiàn)O卡件故障率高、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差等問題沒得到根本解決，后續(xù)投資成本還會(huì)不斷增大。

1.3整體改造

基于現(xiàn)有過程電纜的DCS和DEH升級(jí)改造，用一套包括IO卡件在內(nèi)的全新分散控制系統(tǒng)替代現(xiàn)有系統(tǒng)，使機(jī)組控制系統(tǒng)整體達(dá)到當(dāng)前先進(jìn)水平。現(xiàn)有DCS和DEH系統(tǒng)的壽命分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯示：現(xiàn)有IO卡件大多已達(dá)到壽期末端，盡管還有一定剩余壽命可以利用，但故障風(fēng)險(xiǎn)很大，由此產(chǎn)生的機(jī)組安全風(fēng)險(xiǎn)，有可能產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失。電子產(chǎn)品的生命周期較短，升級(jí)換代很快，適時(shí)地對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行整體改造，跟上控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的時(shí)代步伐，保持機(jī)組運(yùn)行技術(shù)可持續(xù)進(jìn)步是十分必要的。

江蘇國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司亞臨界630 MW機(jī)組DCS和DEH整體集成改造，考慮技術(shù)的繼承性，可選T3000或Ovation 2個(gè)不同方案。T3000和Ovation均為技術(shù)成熟度很高的產(chǎn)品，都能滿足改造的所有技術(shù)要求，且其技術(shù)風(fēng)格已被熱工專業(yè)和運(yùn)行人員廣為熟知。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和后續(xù)技術(shù)支持與服務(wù)等綜合比較，特別考慮汽輪機(jī)DEH中控制算法的完整繼承性，確定1號(hào)機(jī)組的DCS和DEH一體化升級(jí)改造選用Ovation系統(tǒng)。整體改造不再受原有系統(tǒng)的限制，新增脫硝控制和原有基地式調(diào)節(jié)儀表、就地PLC等全部擴(kuò)展需求納入系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

2硬件改造方案

2.1上位工作站點(diǎn)配置

將現(xiàn)有TXP及WDPF系統(tǒng)的所有工作站點(diǎn)，更換成Ovation基于Windows系統(tǒng)的工作站。Windows平臺(tái)具有維護(hù)方便，操作靈活，軟硬件支持強(qiáng)大，功能豐富，簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，其工作站點(diǎn)配置如表1所示。

表1 Ovation系統(tǒng)上位站點(diǎn)配置表 臺(tái)

2.2網(wǎng)絡(luò)配置

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用Ovation系統(tǒng)的單層快速以太網(wǎng)，本項(xiàng)目共配置3對(duì)冗余Cisco交換機(jī)。改造后DCS與DEH系統(tǒng)控制器均通過以太網(wǎng)口接入交換機(jī)，使其形成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)。Ovation系統(tǒng)為單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式，每個(gè)站點(diǎn)(如工作站、控制器等)在網(wǎng)絡(luò)中均作為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，相互間不存在任何依賴關(guān)系，任何一個(gè)站點(diǎn)的故障均不會(huì)影響其他站點(diǎn)的正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 Ovation專家控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3控制器

本項(xiàng)目將現(xiàn)有的TXP系統(tǒng)控制單元和WDPF系統(tǒng)的DPU全部更換為Ovation系統(tǒng)OCR400控制器。為合理分配控制器的負(fù)荷率，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，便于系統(tǒng)故障時(shí)隔離處理，改造中將原16對(duì)DUP擴(kuò)展為22對(duì)，按熱力對(duì)象將控制功能更加分散。改造后Ovation系統(tǒng)控制器的配置情況如表2所示。

表2 Ovation系統(tǒng)控制器配置表

2.4 I/O卡件配置與機(jī)柜及電纜布置

改造中，將所有I/O卡件更換為Ovation的R 系列模件。為了最大限度地利用現(xiàn)有電纜，減少重新敷設(shè)電纜的工作量，采取如下措施：

（1）原TXP系統(tǒng)的電纜接入機(jī)柜位置保持不變，其中間端子柜變換為Ovation系統(tǒng)的中間端子柜。就地I/O信號(hào)電纜先接入中間端子柜，然后連接至Ovation的I/O卡件。

（2）原WDPF系統(tǒng)采用背靠背的接線方式，前面是卡件，后面是接線端子。新的Ovation系統(tǒng)的機(jī)柜為雙開門結(jié)構(gòu)，采用前后進(jìn)線方式，前后均可安裝卡件。Ovation卡件按原與WDPF卡件對(duì)應(yīng)布置。

2.5繼電器柜

更新原TXP系統(tǒng)的繼電器柜，柜內(nèi)繼電器、接線端子以及繼電器柜至DO控制卡件連接電纜一并更新。原WDPF系統(tǒng)配置自身帶有繼電器輸出的FormC和FormX卡件，無需另外配置繼電器和繼電器柜；MFT柜按照當(dāng)前主流設(shè)計(jì)方法，配置了新的MFT柜。

2.6電源柜和網(wǎng)絡(luò)柜

Ovation系統(tǒng)配置了一面電源柜：為控制器、上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)柜供電。電源柜為2路進(jìn)線（1路UPS，1路保安段）；同時(shí)，配置一面網(wǎng)絡(luò)柜，安裝3對(duì)互為冗余的CISCO 2960交換機(jī)、1臺(tái)IP交換機(jī)、1臺(tái)與對(duì)外通信交換機(jī)、1臺(tái)路由器及1套冗余電源切換裝置。

3軟件改造方案

本項(xiàng)目采用艾默生公司基于Windows開發(fā)的Ovation3.3軟件。Ovation3.3功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活，人機(jī)界面友好，控制邏輯靈活，可讀性強(qiáng)。

（1）監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)以保持現(xiàn)有TXP畫面顯示內(nèi)容不變?yōu)樵瓌t，且風(fēng)格與現(xiàn)有系統(tǒng)盡可能一致，艾默生公司根據(jù)TXP原始圖紙進(jìn)行畫面組態(tài)。對(duì)于WDPF系統(tǒng)，改造后Ovation系統(tǒng)所有操作畫面，包括過程圖，彈出窗口等均與原系統(tǒng)保持一致。

（2）為確保DCS改造后的控制功能與原系統(tǒng)保持一致，在充分消化SIEMENS的控制思想和設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，依據(jù)原TXP系統(tǒng)的控制邏輯圖，進(jìn)行了一對(duì)一的轉(zhuǎn)換；對(duì)于DEH系統(tǒng)，直接升級(jí)成了Ovation系統(tǒng)的控制邏輯。

4實(shí)施與效果

4.1 I/O接線

基于現(xiàn)有系統(tǒng)的DCS與DEH的一體化升級(jí)改造，突出的問題是如何保證數(shù)萬個(gè)過程接線與改造前保持一致。本項(xiàng)目在改造前準(zhǔn)備、停機(jī)后拆線和上電后測(cè)試等三個(gè)環(huán)節(jié)上編制工作程序和校核、檢測(cè)技術(shù)規(guī)范。為充分保證改造中接線正確和優(yōu)化布置新增接線，在改造大修的前半年，從TXP和WDPF中導(dǎo)出完整的I/O清單，并按控制邏輯圖逐點(diǎn)核對(duì)具體用途，確定改造中是保留還是取消，且現(xiàn)場(chǎng)逐點(diǎn)核查、確認(rèn)和歸檔。對(duì)暫時(shí)不確定的點(diǎn)，列為疑問點(diǎn)匯總。依據(jù)改造中新增控制要求，對(duì)新增的6 558個(gè)I/O點(diǎn)按控制功能分配硬件通道和接線位置。根據(jù)停機(jī)后熱力系統(tǒng)停運(yùn)順序，制訂DCS退出運(yùn)行與接線校核、拆線及標(biāo)識(shí)的工作程序。每天分組核對(duì)I/O接線清單，拆線后對(duì)每對(duì)接線套上新系統(tǒng)的I/O號(hào)頭并包裹標(biāo)識(shí)。對(duì)疑問點(diǎn)，在此過程中逐一查清。由于前期準(zhǔn)備工作充分，一次核對(duì)正確率達(dá)到98.5%。

4.2工廠驗(yàn)收與仿真測(cè)試

工廠驗(yàn)收除檢查、確認(rèn)設(shè)備供貨完整性、安裝質(zhì)量和接線的規(guī)范性外，全面檢查控制邏輯及組態(tài)與TXP，WDPF的一致性和完整性，檢測(cè)電源柜、MFT柜、ETS柜的功能和驗(yàn)證控制與保護(hù)邏輯。在工廠仿真中心，對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行上水、鍋爐點(diǎn)火、汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷等動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，完整檢測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，評(píng)估控制品質(zhì)，優(yōu)化控制參數(shù)。

4.3現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與控制優(yōu)化

新系統(tǒng)上電、I/O檢測(cè)完成后，按熱工聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)清單要求逐項(xiàng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同步檢查保護(hù)動(dòng)作結(jié)果和報(bào)警信息；對(duì)于汽機(jī)電液控制（DEH/MEH）系統(tǒng)，通過外部仿真使調(diào)門動(dòng)作，對(duì)閥門特性、保護(hù)功能、調(diào)節(jié)功能進(jìn)行全面的測(cè)試。從機(jī)側(cè)水系統(tǒng)投運(yùn)開始，分項(xiàng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試、參數(shù)整定和試運(yùn)行。機(jī)組點(diǎn)火前，完成大部分單回路自動(dòng)的調(diào)試工作，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前完成除CCS以外的全部自動(dòng)調(diào)試工作。基于機(jī)組多年積累的運(yùn)行數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)CCS和RB等控制參數(shù)，并網(wǎng)后一周內(nèi)進(jìn)行的RB試驗(yàn)，取得了一次性成功，CCS控制性能優(yōu)良?？刂葡到y(tǒng)改造投產(chǎn)一個(gè)月后，進(jìn)行了汽溫控制和AGC性能優(yōu)化試驗(yàn)，在300～630 MW區(qū)間內(nèi)，AGC能以7 MW/min速率連續(xù)運(yùn)行，主蒸汽壓力與溫度控制精度和平穩(wěn)性均較原系統(tǒng)有了顯著提高，達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良水平。

5結(jié)束語

江蘇國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)的DCS和DEH經(jīng)10多年運(yùn)行，系統(tǒng)和卡件嚴(yán)重老化，系統(tǒng)故障率大幅上升，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，適時(shí)地進(jìn)行整體集成升級(jí)改造，對(duì)消除機(jī)組安全隱患、改善集控運(yùn)行環(huán)境、滿足新增控制要求、支持AGC等先進(jìn)控制應(yīng)用是非常必要的。江蘇國(guó)信揚(yáng)州第二發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)采用EMERSON公司專家控制系統(tǒng)Ovation，基于現(xiàn)有過程電纜，實(shí)施了替代原TXP和WDPF的DCS與DEH一體化升級(jí)改造，完整地轉(zhuǎn)換了原系統(tǒng)的控制與保護(hù)邏輯，實(shí)現(xiàn)了與原系統(tǒng)完全一致的聯(lián)鎖保護(hù)和順序控制，改造后機(jī)組于2012年6月底正式并網(wǎng)運(yùn)行，控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，AGC等控制性能大有提高。實(shí)踐表明，改造方案完全可行，提高了全廠自動(dòng)化水平，達(dá)到機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求。本項(xiàng)目成功案例，對(duì)現(xiàn)役控制系統(tǒng)改造有較強(qiáng)的借鑒意義。

[1]靜鐵鹽.熱工控制系統(tǒng)運(yùn)行手冊(cè)（Ovation控制系統(tǒng)）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]孫奎明，時(shí)海剛.熱工自動(dòng)化[M].2版.北京：中國(guó)電力工業(yè)出版社，2009.

[3]李 菁.Ovation控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件及應(yīng)用，2011（11）.

[4]林 剛，鄭 松.TelepermXP電站控制系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)與調(diào)試[J].電力建設(shè)，2001，22（10）：17-19，23.

[5]蔡云達(dá)，張培華.西門子TelepermXP控制系統(tǒng)分析與實(shí)踐[J].電力科學(xué)與工程，2003（3）：71-73.

[6]朱又生.雙抽汽冷凝式汽輪機(jī)的微機(jī)控制[J].測(cè)控技術(shù)，2000，19（10）：21-23.