LN2000DCS在600MW超臨界直接空冷機組的應用

朱志軍，尹 娜 ，孫遠忠

（1.山東魯能控制工程有限公司，山東 濟南 250002；2.國網(wǎng)能源內(nèi)蒙古蒙東能源公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引言

DCS系統(tǒng)負責鍋爐、汽機、發(fā)電機和空冷島各個系統(tǒng)的控制，完成機組主、輔機的參數(shù)監(jiān)視、協(xié)調(diào)控制及模擬量回路調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖保護、順序控制、數(shù)據(jù)顯示、異常報警、性能計算、趨勢記錄、事故追憶和報表輸出等功能，成為機組運行必不可少的組成部分。同時為保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率的控制水平，系統(tǒng)設(shè)計了一次調(diào)頻和RB等功能，在機組安全運行中擔負著重要作用。

1 工程項目概況

蒙東能源公司鄂溫克電廠一期工程2×600 MW超臨界直接空冷機組鍋爐選用哈爾濱鍋爐廠自主開發(fā)研制的單爐膛、一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風、緊身封閉、干排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П型布置、帶啟動循環(huán)泵的變壓運行600 MW超臨界HG1950/25.4—HM15型褐煤直流鍋爐。點火系統(tǒng)采用等離子體點火助燃系統(tǒng)，在B、C磨煤機的一次風噴口處布置有兩層等離子點火器。機組采用中速直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配置6臺磨煤機，正常運行時5臺運行1臺備用。

汽輪機選用哈爾濱汽輪機有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、單軸兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式CLNZK660—24.2/566/566型汽輪機，給水系統(tǒng)設(shè)計為3臺35%容量的電動調(diào)速給水泵，空冷島為SPX公司生產(chǎn)，布置7排（每排5順 2 逆）7 列冷卻單元，風機為變頻（15 Hz～55 Hz）控制。

發(fā)電機選用哈爾濱電機廠制造的QFSN-600-2YHG型三相交流隱極式同步發(fā)電機，冷卻方式為水-氫-氫，發(fā)電機出口接入500 kV系統(tǒng)，GIS采用3/2開關(guān)接線。同期設(shè)有鍋爐補給水系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理系統(tǒng)，采用氣力輸灰技術(shù)和石灰石—石膏濕法、一爐一塔脫硫裝置。

2 DCS系統(tǒng)總體設(shè)計

工程DCS系統(tǒng)采用山東魯能控制工程有限公司自主研發(fā)制造的LN2000系列產(chǎn)品，控制系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)成套以及系統(tǒng)軟件組態(tài)均由山東魯能控制工程有限公司負責及完成。 兩臺單元機組的控制分別由兩套DCS實現(xiàn)，另設(shè)一套公用DCS系統(tǒng)對燃油泵房、輔機循環(huán)水、電氣公用系統(tǒng)、廠區(qū)換熱等公用系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)視和控制。爐頂過熱器、再熱器壁溫及發(fā)電機定子冷卻水溫度監(jiān)視采用遠程I/O連接。整個DCS共分為網(wǎng)絡(luò)級、PU過程控制級、現(xiàn)場I/O驅(qū)動級3級。 由PU控制及現(xiàn)場驅(qū)動級組成每套子系統(tǒng)的過程控制，其中PU為核心，實現(xiàn)I/O驅(qū)動、實時數(shù)據(jù)處理、計算控制和網(wǎng)絡(luò)管理4大功能；各I/O模塊完成對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)（模擬量、開關(guān)量、脈沖量等）采集和控制，通過通信總線實現(xiàn)與PU之間的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)對控制過程的分布式控制和管理功能。過程控制PU與操作員站、工程師站及歷史站通過交換機相連，構(gòu)成單元機組獨立數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)。 在兩臺機組之間設(shè)置公用數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)，通過設(shè)置可選擇其中一臺機組取得公用系統(tǒng)操作權(quán)限。

2.1 單元機組的配置

單元機組配置35對控制器，分散在各個獨立控制柜內(nèi)，5臺操作員站，1臺工程師站，1臺歷史站，1臺SIS接口通信站及一臺網(wǎng)絡(luò)彩色打印機?？刂品秶w了單元機組控制的各項內(nèi)容，整套控制系統(tǒng)包括鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、空冷島自動控制系統(tǒng)（ACC）、旁路控制系統(tǒng)（BPS）及各公用系統(tǒng)等子系統(tǒng)的控制。

單元機組DCS的過程I/O及控制功能按不同的工藝流程和控制回路的獨立完整原則分配控制器［1］，共設(shè)4個電子間，電子間之間通過冗余光纖匯合在鍋爐電子間的DCS網(wǎng)絡(luò)柜內(nèi)，根據(jù)機組的工藝流程劃分為多個主要的工藝子系統(tǒng)并與控制器對應完成控制該工藝子系統(tǒng)所需相應的DAS，SCS，MCS和保護聯(lián)鎖等功能。其他輔機設(shè)備和簡單回路、簡單控制分別并入相關(guān)控制器中。

鍋爐電子間共32面機柜，1CWD01－1CWD29機柜為1號機組機柜，其中19面控制柜，配置20對（冗余）PU控制器，1面DCS系統(tǒng)電源柜，1面MFT柜，1面網(wǎng)絡(luò)柜，7面繼電器柜。鍋爐電子間還控制著爐頂過熱器、再熱器壁溫IDAS系統(tǒng)，IDAS系統(tǒng)配置一個控制柜1CWD25（2對PU控制器），布置在鍋爐電子間，爐頂分配22個測量單元機柜通過雙絞線連接至控制器。 鍋爐電子間完成鍋爐所有設(shè)備、電氣發(fā)變組、廠用電系統(tǒng)的監(jiān)視操作、聯(lián)鎖保護、自動控制等功能，具體配置見表1。

表1 鍋爐電子間控制器功能配置

汽機1號電子間共9面機柜（1CWD30－1CWD38），其中6面控制柜，配置6對PU控制器，1面電源柜，2面繼電器柜，交換機分布在1CWD32和1CWD34柜內(nèi)，控制汽機油系統(tǒng)、B/C給水系統(tǒng)、除氧和高加系統(tǒng)、開閉式水系統(tǒng)等的DAS，SCS，MCS和保護聯(lián)鎖功能。具體配置見表2。

表2 汽機1號電子間控制器功能配置

汽機 2號電子間共 6面機柜 （1CWD39－1CWD44），其中5面控制器柜，配置5對PU控制器，1面電源柜，1面繼電器柜，交換機分布在1CWD40和1CWD42柜內(nèi)。發(fā)電機定子冷卻水遠程控制器布置在該電子間1CWD39柜內(nèi)，1CWD39柜同時作為電源柜。 完成發(fā)電機氫油水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、汽機本體疏水系統(tǒng)等的DAS，SCS，MCS和保護聯(lián)鎖功能。具體配置見表3。

表3 汽機2號電子間控制器功能配置

空冷島電子間共6面機柜（1CAB46－1CAB51），其中4面控制器柜，配置4對PU控制器，1面電源柜，1面繼電器柜，交換機分布在1CAB48和1CAB49柜內(nèi)。完成空冷島的防凍保護、ACC自動控制，具體配置見表4。

表4 空冷島電子間控制器功能配置

2.2 公用系統(tǒng)配置

兩臺機組的公用系統(tǒng)共4對控制器，其中0CWD01－0CWD03柜布置在鍋爐電子間，配置2對控制器，分別控制著電氣公用系統(tǒng)和廠區(qū)，礦區(qū)換熱公用系統(tǒng)；ACXM01柜為燃油泵房遠程控制柜，通過光纖連接；ACXF01柜為輔機循環(huán)水遠程控制柜，通過光纖連接。具體配置見表5。

表5 公用系統(tǒng)控制器功能配置

2.3 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)包括單元機組DCS系統(tǒng)配置1對（212、213網(wǎng)冗余）核心交換機，鍋爐電子間3對（冗余）擴展交換機，汽機1號電子間1對擴展交換機，汽機2號電子間1對擴展交換機，空冷島電子間1對擴展交換機，35對PU控制器，5臺操作員站，1臺工程師站，1臺歷史站，1臺SIS接口機；公用系統(tǒng)配置1對（212、213網(wǎng)冗余）核心交換機，4對PU控制器。鍋爐電子間交換機、公用系統(tǒng)交換機、工程師站和操作員站通過網(wǎng)線連接至單元機組核心交換機，其他電子間交換機通過光纖連接至核心交換機，結(jié)構(gòu)見圖1。

3 鍋爐啟動系統(tǒng)控制

鍋爐啟動系統(tǒng)的主要功能是建立冷態(tài)、熱態(tài)循環(huán)清洗，建立啟動壓力和啟動流量，以確保水冷壁安全運行，最大可能地回收啟動過程中的工質(zhì)和熱量，提高機組的運行經(jīng)濟性。鄂溫克電廠的啟動系統(tǒng)為內(nèi)置式帶再循環(huán)泵系統(tǒng)，由汽水分離器、分離器貯水箱、爐水循環(huán)泵及其輔助系統(tǒng)組成；爐水循環(huán)泵的輔助系統(tǒng)包括暖管系統(tǒng)、過冷水系統(tǒng)、最小

圖1 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

流量再循環(huán)管路、冷卻水系統(tǒng)等，見圖2。

圖2 鍋爐內(nèi)置式啟動系統(tǒng)

啟動系統(tǒng)在機組運行過程中具有濕態(tài)和干態(tài)兩種運行方式［3］。在鍋爐點火啟動初期階段，鍋爐負荷小于35%BMCR時，分離器起汽水分離作用，分離出的蒸汽進入過熱器系統(tǒng)，水則通過連接管進入貯水箱，根據(jù)貯水箱中的水位由爐水循環(huán)泵排到省煤器前的給水管道中或經(jīng)溢流管排到疏水擴容器中。通過給水旁路調(diào)閥控制給水流量，建立最小工作流量，此時蒸汽流量小于最小給水流量，省煤器入口給水流量等于給水旁路調(diào)閥給水流量和爐水循環(huán)泵出口調(diào)閥循環(huán)流量之和，鍋爐運行在濕態(tài)方式，爐水循環(huán)泵出口調(diào)閥控制貯水箱水位，電泵液偶控制給水旁路調(diào)閥前后差壓，隨著機組負荷的增加機組開始導入主給水管道，給水旁路調(diào)閥慢慢關(guān)閉，電泵液偶控制省煤器入口給水流量，啟動分離器出口溫度處于飽和溫度，此時鍋爐的運行方式與汽包鍋爐基本相同。 控制策略基本是鍋爐燃燒系統(tǒng)定燃料控制、給水系統(tǒng)定流量控制、啟動分離器控制水位、溫度采用噴水減溫控制。當鍋爐蒸汽流量大于最小流量，啟動分離器內(nèi)飽和水全部轉(zhuǎn)為飽和蒸汽，分離器只作為蒸汽的流通元件，鍋爐運行在干態(tài)方式，即直流控制方式，給水控制與汽溫調(diào)節(jié)和前一階段控制方式有明顯的不同，給水不再控制分離器水位，通常選取汽水分離器出口汽溫作為中間點溫度，該點溫度的變化將對鍋爐的燃料輸入量和給水量進行微調(diào)，此時鍋爐以煤水比控制溫度、燃燒控制壓力。在直流爐干態(tài)方式下給水變成過熱蒸汽是一次完成，鍋爐的蒸發(fā)量不僅決定于燃料量，同時也取決于給水流量。因此超臨界機組的負荷控制與給水控制、燃料控制密切相關(guān);而維持煤水比又是保證過熱汽溫的基本手段。水煤比因燃料（褐煤）、燃燒狀況、受熱面臟污程度不同而變化，大致范圍是4.8～5.6。

4 直接空冷控制

鄂溫克電廠地處中國北方極寒地區(qū)，冬季正常溫度在-30℃以下，最低溫度能到-52℃，空冷島空凝器由SPX公司設(shè)計生產(chǎn)制造，7排 （每排5順2逆）7列共49個冷卻單元，風機采用全變頻技術(shù)，空冷島所有控制和檢測都納入機組DCS，控制系統(tǒng)設(shè)立單獨電子設(shè)備間，位于空冷島零米平臺，采用與機組DCS相同的硬件并通過光纖接入DCS系統(tǒng)實現(xiàn)集中監(jiān)控，由DCS的操作員站完成對其工藝系統(tǒng)的程序啟停、中斷控制及單個設(shè)備的操作。根據(jù)SPX公司提供控制邏輯說明，由DCS廠家完成空冷控制系統(tǒng)的設(shè)計組態(tài)。

4.1 風機啟動控制

在DCS系統(tǒng)里，通過控制啟停風機臺數(shù)和改變風機轉(zhuǎn)速來改變通過冷凝器換熱片的空氣流量，從而實現(xiàn)ACC控制等功能。在ACC模式下控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度和機組負荷自動設(shè)定最佳經(jīng)濟背壓，調(diào)節(jié)風機運行數(shù)量、風機速度和相應隔離閥。在自動模式下隨著蒸汽流量的增加，測量值高于設(shè)定值后，風機自動啟動，機組實際背壓接近設(shè)定值并保持風機的運行速度，隨著蒸汽流量增加，實際背壓增高，PID輸出增大，風機轉(zhuǎn)速提高；風機轉(zhuǎn)速達到最大值后，冷卻風量無法增加，背壓繼續(xù)升高，當實測背壓達到設(shè)定值的1.06倍時，下一臺風機自動啟動。

非冰凍工況下的啟動 （環(huán)境溫度高于-3℃），風機啟動序列。在每一列中先啟動逆流管束風機（關(guān)閉時應最后關(guān)閉）；當逆流管束所有風機啟動后，順流管束風機允許啟動，一列一列地平衡啟動；當2臺或更多風機解除聯(lián)鎖啟動時，每臺風機間隔15 s啟動。

冰凍工況下的啟動 （環(huán)境溫度低于-3℃），風機啟動序列。對于非隔離列，啟動順序與非冰凍工況啟動相同。對于隔離列，首先關(guān)閉蒸汽隔離閥，2 min后關(guān)閉相應冷凝水、空氣抽氣隔離閥，利用冷凝水隔離閥的旁路將水排空，而抽真空隔離閥上的旁路將保持隔離列在真空狀態(tài)。當控制系統(tǒng)需要更大冷凝能力時，先完全打開冷凝水和真空隔離閥，然后打開相應的蒸汽隔離閥，并且本列中的所有風機從逆流管束風機開始啟動。

風機電機轉(zhuǎn)速通過變頻器控制，要求所有運轉(zhuǎn)風機以同樣轉(zhuǎn)速運行，除非在某些非冷凍工況下，風機在次級管束抽入空氣會引起倒轉(zhuǎn)模式。通過DCS設(shè)定背壓值，控制器通過PID調(diào)節(jié)變頻器，調(diào)整所有運轉(zhuǎn)風機轉(zhuǎn)速。 一臺風機轉(zhuǎn)速增加將會使背壓減少，反之亦然。 當一列中某些風機沒有運行，控制系統(tǒng)通過調(diào)整順流單元風機頻率在15～42.5 Hz；逆流單元風機頻率在25～42.5 Hz來調(diào)整運行風機的速度。當一列中所有的風機運行時，控制系統(tǒng)控制風機的頻率在15～50 Hz，以調(diào)節(jié)所有風機的運行速度；如果環(huán)境溫度在 10℃以上時，超速運轉(zhuǎn)模式啟動，由操作員手動設(shè)定背壓值，使風機超頻最大可達55 Hz。

4.2 空冷系統(tǒng)防凍控制

空冷島露天布置在主廠房外面，防凍是機組冬季運行的重點工作，防凍保護的目的是在設(shè)備運行期間防止管道凍結(jié)。當環(huán)境溫度持續(xù)低于-3℃達5 min時，防凍保護功能啟動，當環(huán)境溫度持續(xù)高于3℃達5 min時，防凍保護功能自動解除。

1）當運行列的凝結(jié)水管道溫度超過半數(shù)低于25℃時，汽機背壓設(shè)定值自動增加3 kPa，并在LED顯示報警，禁止運行人員改變設(shè)定值，若30 min后凝結(jié)水管道溫度仍低于25℃，那么汽機背壓設(shè)定值再自動增加3 kPa，當運行列所有凝結(jié)水管道溫度都高于30℃，延時60 min汽機背壓設(shè)定值自動減少3 kPa。

2）增加背壓的同時輪降反轉(zhuǎn)風機轉(zhuǎn)速15 Hz，若降后轉(zhuǎn)速指令小于15 Hz則停風機。

3）在環(huán)境溫度低于-10℃或風機步級處于零級時，投運列任一抽真空管道溫度低于5℃，啟動對應列回暖程控（以20 Hz反轉(zhuǎn)直到抽真空管道溫度均大于30℃延時20 min）。這一功能是在ACC自動控制投入時進行的，ACC進行中將優(yōu)先進行步級切換。

4.3 空冷系統(tǒng)防凍措施

機組在試運期間啟停過程中空冷凝汽器會發(fā)生凍結(jié)、損壞等事故，通過分析發(fā)現(xiàn)空冷凝汽器凍結(jié)的主要原因有：氣象條件；空冷凝汽器的進汽量、進汽參數(shù)、時間；空冷風機運行方式的控制；排汽參數(shù)的控制；旁路系統(tǒng)的配合。通過試運期間啟停過程中采取相關(guān)防凍措施能有效控制空冷島防凍。

1）制定和完善防凍措施。根據(jù)SPX公司設(shè)計要求說明和機組安全運行，制定安全技術(shù)措施，加強就地檢查和運行參數(shù)監(jiān)測，充分利用DCS程序中防凍保護的自動控制和人工輔助加熱等方式。

2）空冷風機的運行控制?？漳飨到y(tǒng)配置的風機在轉(zhuǎn)速控制上設(shè)計了完整的控制程序，在冬季設(shè)計有逆流風機加熱保護、啟用較少的散熱面積及反轉(zhuǎn)風機等專用的保護程序。

3）鍋爐、汽輪機的聯(lián)合啟動。在冬季利用機組的旁路系統(tǒng)進行鍋爐、汽輪機的聯(lián)合啟動，鍋爐點火后盡早投入旁路系統(tǒng)，充分利用鍋爐再熱器的干燒能力，盡快提高蒸汽參數(shù)，旁路投運后，要盡快增加旁路的通流量，保證空凝器系統(tǒng)需要的最小防凍流量。

4）機組運行控制。機組啟動盡量安排在白天，啟動前退出部分空凝器，在機組真空嚴密性較差時，加強對凝結(jié)水溫度、抽氣溫度的控制，使機組在空凝器系統(tǒng)不發(fā)生凍結(jié)的情況下盡量降低背壓。

5 結(jié)語

隨著直接空冷技術(shù)的發(fā)展，電廠直接空冷技術(shù)在我國北方地區(qū)的應用越來越多，LN2000分散控制系統(tǒng)通過我國北方極寒地區(qū)惡劣氣候的考驗，在鄂溫克電廠空冷機組運行期間，進行大量優(yōu)化控制邏輯，特別是機組協(xié)調(diào)大幅度變負荷運行各種控制回路良好，自動和保護投入率均達到優(yōu)良，分散控制系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性都非常好，極大地方便運行人員的操作，保證機組的經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定的運行。

［1］ 張傳勝.1 000 MW超超臨界機組自動控制系統(tǒng)研究與分析［J］.華電技術(shù)，2008，30（7）：58-63.

［2］ 胡百韜，李旭東，高雪梅.600 MW超臨界直流鍋爐啟動系統(tǒng)運行特性探討［J］.山東電力技術(shù)，2010（9）：49-51.