北侖發(fā)電廠控制系統(tǒng)一體化改造

林光銳，趙萬榮，李康良，陸 政

（1.浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800；2.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波 315800；3.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

北侖發(fā)電廠3號機(jī)組已運行15年，DCS（分散控制系統(tǒng)）選用ABB公司的INFI-90系統(tǒng)；DEH（汽機(jī)數(shù)字化電液控制系統(tǒng)）由東芝公司制造；MEH（給水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)）為WOODWARD 505；BPC（旁路控制系統(tǒng)）采用瑞士蘇爾壽的AV6；吹灰器控制系統(tǒng)為美國FORRY公司的SBC2000。控制系統(tǒng)種類繁多，集控室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備凌亂，給運行和檢修帶來了極大的不便。

隨著DCS系統(tǒng)功能的不斷增強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)通信速度的提高、數(shù)據(jù)交換能力的增強(qiáng)，控制系統(tǒng)自動化和一體化的程度也越來越高，用一套DCS系統(tǒng)就能夠集中地對鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)備及其相關(guān)輔助系統(tǒng)進(jìn)行控制、保護(hù)和監(jiān)控，從而大大減少DCS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，減少接口設(shè)備，保證數(shù)據(jù)指令的傳遞執(zhí)行速度。如DHE，MEH，BPC和鍋爐吹灰控制系統(tǒng)等以往采用專用控制設(shè)備的系統(tǒng)，在一些主流的DCS系統(tǒng)中已實現(xiàn)了一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡潔，系統(tǒng)的可靠性也能得到提高。

因此，在2012年機(jī)組大修期間對控制系統(tǒng)進(jìn)行了一體化改造，把原來獨立控制的旁路、吹灰、DEH和MEH等系統(tǒng)納入到DCS中，并在集控室操作臺改造的同時，對電氣后備屏、硬報警系統(tǒng)等進(jìn)行同步改造，并統(tǒng)一納入DCS控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的一體化。

1 改造前的控制系統(tǒng)

1.1 DCS系統(tǒng)

北侖發(fā)電廠3號機(jī)組控制系統(tǒng)選用ABB公司的INFI-90系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組態(tài)如圖1所示。

子系統(tǒng)都直接掛在冗余的INFI-NET高速通信環(huán)形網(wǎng)上。循環(huán)水泵控制系統(tǒng)的1個遠(yuǎn)方I/O柜布置在循泵房，通過冗余的遠(yuǎn)方I/O子總線與SCS過程控制單元相連。

1.2 DEH系統(tǒng)

DEH系統(tǒng)主要設(shè)備包括4個機(jī)柜，設(shè)在電子室；1個控制盤和1個后備盤作為插入盤放置在控制室后備盤上?，F(xiàn)場設(shè)備包括電磁閥、位置開關(guān)、閥位變送器、電液轉(zhuǎn)換器、壓力開關(guān)、溫度開關(guān)和汽機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)送器?？刂葡到y(tǒng)由管理控制器、系統(tǒng)控制器、主控制器、閥門控制器、系統(tǒng)總線和輸入/輸出組件組成。

控制盤、備用盤設(shè)置在主控室的后備操作盤上，控制人員對汽機(jī)運行的監(jiān)視、操作都通過軌跡球在CRT上完成。電子室的機(jī)柜門上另設(shè)1個監(jiān)視盤，用于監(jiān)視機(jī)組的運行狀態(tài)和故障報警，能夠顯示導(dǎo)致汽機(jī)跳閘的重大故障。

1.3 MEH系統(tǒng)

MEH控制系統(tǒng)由WOODWARD 505調(diào)速系統(tǒng)和給水泵汽輪機(jī)保護(hù)聯(lián)鎖部分組成，具有啟動、給水控制、跳閘保護(hù)、在線試驗等功能。給水泵汽輪機(jī)的保護(hù)采用硬接線反邏輯結(jié)構(gòu)，即正常工作時各串聯(lián)的保護(hù)接點是閉合的，各閉合接點最終驅(qū)動2個跳閘電磁閥，跳閘電磁閥正常運行時帶電，任意一個跳閘電磁閥失電時給水泵汽輪機(jī)即跳閘。

1.4 旁路系統(tǒng)

旁路控制系統(tǒng)采用瑞士蘇爾壽的AV6，由1個控制柜中的29塊模件及安裝在操作臺上的控制面板組成，其中包括信號采集、程序控制、供電及報警等功能模件，共同處理和實現(xiàn)旁路系統(tǒng)的各項控制策略?？刂乒裰校溆?路冗余的電源回路，提供機(jī)柜中各模件的信號和控制電源。旁路控制系統(tǒng)的操作臺與DCS系統(tǒng)M/A硬手操站一同布置在主控制室的操作臺上，采用桌面插入型配置。

1.5 吹灰系統(tǒng)

吹灰器控制系統(tǒng)采用美國FORRY公司的SBC2000，主要由1個上位機(jī)、1個I/O柜、每個吹灰器的就地操作箱、母管減壓站的電動隔離閥和氣動基地式壓力控制箱等組成，I/O控制柜位于電子室。

1.6 PPI系統(tǒng)

PPI（繼電器保護(hù)）系統(tǒng)是獨立于DCS系統(tǒng)的全廠保護(hù)系統(tǒng)，其內(nèi)部邏輯控制回路全部由固態(tài)繼電器搭設(shè)而成（俗稱為硬邏輯）。

系統(tǒng)的主要控制邏輯是MFT（主燃料跳閘）邏輯、OFT（低負(fù)荷油跳閘）邏輯、IFT（點火油跳閘）邏輯和各臺磨煤機(jī)的跳閘邏輯，其中以MFT判斷邏輯最為主要。盡管PPI是獨立的保護(hù)系統(tǒng)，但由于其純粹由固態(tài)繼電器搭設(shè)而成，部份信號的取樣仍然依賴DCS，如總風(fēng)量低于30%、主蒸汽溫度高于566℃等跳閘信號，均由模擬量信號先送至DCS內(nèi)經(jīng)過邏輯比較判斷后，再輸出至PPI系統(tǒng)。

1.7 電氣系統(tǒng)

圖1 北侖發(fā)電廠3號機(jī)組INFI-90控制系統(tǒng)

集控室內(nèi)的電氣系統(tǒng)配置：發(fā)電機(jī)開關(guān)、中壓進(jìn)線開關(guān)和備用進(jìn)線開關(guān)的控制為硬手操，狀態(tài)監(jiān)視為傳統(tǒng)的紅綠燈指示，表計為指針式儀表。發(fā)電機(jī)電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、勵磁變壓器功率等采用交流信號直接接入。勵磁系統(tǒng)控制為帶燈按鈕。同期指示為2路100 V交流量直接接入雙電壓表、雙頻率表、同步表及指示燈。電機(jī)調(diào)速采用按鈕方式。發(fā)電機(jī)出口有一個同期選擇開關(guān)，四段中壓母線工作進(jìn)線、備用進(jìn)線各有同期選擇開關(guān)。啟備變有載調(diào)壓手/自動切換在GCB屏（發(fā)電機(jī)控制屏）上為硬手操，手動調(diào)節(jié)采用旋鈕方式，采用1－19檔指示燈指示方式。

2 一體化改造方案及實施

在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行了可行性分析，確定采用艾默生公司的OVATION系統(tǒng)為一體化改造后的控制系統(tǒng)，并利用大修實施了3號機(jī)組控制系統(tǒng)的一體化改造。

2.1 DCS系統(tǒng)

MCS，SCS，DAS系統(tǒng)邏輯與原ABB邏輯完全對應(yīng)，保證聯(lián)鎖動作正確，模擬量回路調(diào)節(jié)方向正確，調(diào)節(jié)品質(zhì)不低于改造前。原系統(tǒng)流程圖操作畫面有120幅之多，畫面信息含量低，操作員操作量大。改造后，流程圖減少至約70幅，單幅信息含量大，界面友好，更加符合操作員的操作習(xí)慣。原有BMS控制為PPI柜+BCS控制，即：PPI柜（保護(hù)繼電器柜）實現(xiàn)爐膛安全保護(hù)功能，控制器BCS系統(tǒng)實現(xiàn)油槍及磨煤機(jī)系統(tǒng)的管理。改造后方案為：MFT繼電器柜+FSS+BCS控制，即：爐膛安全保護(hù)功能由MFT繼電器柜及FSS控制器共同實現(xiàn)。軟件與硬件同時動作的方式增強(qiáng)了可靠性，滿足了故障安全型系統(tǒng)的需求。保證保護(hù)動作正確、及時的同時，使控制邏輯更具可讀性，維護(hù)更簡單。

一體化改造的主要工作內(nèi)容如下：

（1）取消原0 m層過渡柜，就地來的電纜直接進(jìn)入電子室。新系統(tǒng)的I/O分配盡量按照原位置布置，并對其進(jìn)行優(yōu)化，如信號冗余、信號分卡、按工藝流程分類等。

（2）控制設(shè)備的邏輯基本不變，對現(xiàn)有的控制邏輯進(jìn)行必要的整理與簡化；對自動控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，如協(xié)調(diào)控制、主汽溫度控制、RB功能、AGC功能、一次調(diào)頻等。

（3）原有DCS系統(tǒng)畫面是按照控制器的控制對象進(jìn)行分類的，不符合運行人員的操作習(xí)慣，改造后的DCS系統(tǒng)畫面按工藝流程進(jìn)行分類，更便于操作。

（4）原有DCS系統(tǒng)的凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、閉式泵、前置泵、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的A/B泵（風(fēng)機(jī)）控制同屬一個控制器，若控制器故障，將對機(jī)組安全運行帶來極大的威脅。改造后的DCS系統(tǒng)將上述重要輔機(jī)的A/B泵（風(fēng)機(jī)）控制配置在不同的控制器中，以分散風(fēng)險。

（5）由于硬報警盤取消，DCS系統(tǒng)送至硬報警的數(shù)字量輸出通道也隨之取消，報警信號改為直接送大屏幕顯示。

（6）原TSI信號通過通信方式在DCS系統(tǒng)上顯示。由于通信軟件不夠完善，導(dǎo)致對應(yīng)的DCS控制器負(fù)荷率達(dá)到100%，數(shù)據(jù)刷新時間長達(dá)5 s。本次改造后將TSI的模擬量信號直接輸入DCS系統(tǒng)輸入通道。

（7）原系統(tǒng)未包含吹灰控制系統(tǒng)，其功能由PLC實現(xiàn)，操作及監(jiān)控均極為不便，且PLC系統(tǒng)程序為黑箱，維護(hù)難度大。改造后，吹灰功能由DCS系統(tǒng)一體實現(xiàn)，操作、監(jiān)控、報警功能齊全，控制邏輯透明，故障診斷方便。

2.2 DEH/MEH系統(tǒng)

改造范圍限于DEH控制部分（上位監(jiān)控系統(tǒng)+啟停順控+調(diào)門控制+閥門定期試驗+超速保護(hù)/PLU/IPR等功能+ETS）。原MEH操作只能到電子間控制柜盤面上進(jìn)行，非常不方便，改造后可以直接在控制室操作員站上直接調(diào)用MEH畫面完成操作。

主要改造工作內(nèi)容如下：

（1）PLU功能的實現(xiàn)。機(jī)組原PLU功能通過東芝卡件實現(xiàn)，一路來自檢測發(fā)電機(jī)電流的TA信號，另一路來自主機(jī)首級壓力信號。改造后的系統(tǒng)采用OPC保護(hù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)3 090 r/min時，OPC保護(hù)動作，快速關(guān)閉高、中壓調(diào)門。另外增加2個功率信號和2個首級壓力信號，使該保護(hù)構(gòu)成三重冗余。

（2）發(fā)電機(jī)并網(wǎng)、主汽壓力、首級壓力等重要信號配置成三重冗余。

（3）完善主機(jī)振動保護(hù)，通過“水平振動高高”和“垂直振動高”相與，或“垂直振動高高”和“水平振動高”相與后實現(xiàn)振動保護(hù)。

（4）原主機(jī)共安裝3個磁阻式探頭供DEH使用。原來進(jìn)DEH的3個轉(zhuǎn)速信號，改造后進(jìn)入DEH基本調(diào)節(jié)柜（以下稱BTC柜）的超速保護(hù)卡件（以下稱SDP卡），構(gòu)成三重冗余，具有硬件和軟件的103%OPC功能和110%超速跳閘功能，以及轉(zhuǎn)速模擬量調(diào)節(jié)和顯示。保留原電渦流式探頭，用于主機(jī)零轉(zhuǎn)速測量和盤車投停聯(lián)鎖。

（5）原來現(xiàn)場伺服閥接線為2個線圈并接后用1根控制電纜與控制系統(tǒng)連接，使得阻抗減半，當(dāng)一個線圈短路故障時將影響另一線圈，不利于調(diào)門安全可靠運行。此次改造中為伺服閥各增加1根電纜，將每個伺服閥線圈分別連接到閥位控制卡上。

（6）除了主機(jī)車頭機(jī)械超速保護(hù)外，增加硬跳閘回路，通過2路電磁閥動作來跳閘主機(jī)：一路是主跳電磁閥MTSVA和MTSVB失電，泄去安全油后跳閘主機(jī)；另一路是機(jī)械電磁閥MTS得電，機(jī)械傳動連桿與主機(jī)車頭手動打閘以及超速飛環(huán)等裝置連接（任一動作跳機(jī)），泄去安全油后跳閘主機(jī)。

2.3 旁路控制系統(tǒng)

原旁路系統(tǒng)只能在操作盤面上操作，改造后可以在控制室操作員站上直接調(diào)用旁路系統(tǒng)操作畫面操作。將壓力/溫度控制功能及快開/快關(guān)保護(hù)邏輯移植至DCS系統(tǒng)，閥門定位卡改成PVR10-EP，就地部分均保持不變。

2.4 ECS系統(tǒng)

電氣部分主要是將原GCB盤上的控制、顯示、報警等功能改由DCS的ECS系統(tǒng)實現(xiàn)。

2.4.1 模擬量信號的改造

原GCB屏上的信號為直接接入，沒有經(jīng)過變送器?，F(xiàn)在接入ECS系統(tǒng)，通過變送器轉(zhuǎn)化成4～20 mA接入。中壓系統(tǒng)模擬量直接為4～20 mA量，原來已經(jīng)送給DAS系統(tǒng)，改造時從DAS系統(tǒng)取點即可。同期顯示回路增加變送器，變換為4～20 mA送入ECS。這些同期變送器可以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在同期并網(wǎng)過程中發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓角差變換的顯示，并無同期功能。勵磁系統(tǒng)方面，將原GCB屏上的按鈕操作全部改為ECS系統(tǒng)，實現(xiàn)畫面操作，不改變原任何功能。

2.4.2 開關(guān)量信號的改造

開關(guān)量信號主要有：中壓系統(tǒng)控制，啟備變有載調(diào)壓，發(fā)電機(jī)同期操作、顯示，DEH操作臺裝設(shè)的發(fā)變組緊急跳閘按鈕，滅磁開關(guān)緊急跳閘按鈕，緊急起動柴油發(fā)電機(jī)按鈕，直接在ECS中新增相關(guān)I/O點。新增硬報警部分，完全保留原GCB光字牌的報警，將硬報警接入SOE，并由SOE轉(zhuǎn)發(fā)至ECS系統(tǒng)。

3 改造效果

通過對DCS/DEH/MEH等控制系統(tǒng)的一體化改造，達(dá)到了以下效果：

（1）解決DCS/DEH控制系統(tǒng)老化及部分備品備件缺乏的問題，提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少故障率。

（2）解決原系統(tǒng)存在且無法消除的一些缺陷，如溫度信號漂移、信號不能強(qiáng)制等。

（3）大大提高系統(tǒng)控制的精確性和靈活性，機(jī)組的控制水平得到很大提高。

圖2 控制系統(tǒng)一體化改造后系統(tǒng)

（4）新DCS系統(tǒng)由于大量采用新技術(shù)和新設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。

（5）由于把吹灰系統(tǒng)、電氣后備盤等系統(tǒng)集成到了新的DCS系統(tǒng)，同時采用大屏幕等新的監(jiān)視設(shè)備，大大方便了運行人員對系統(tǒng)的監(jiān)視和對相應(yīng)設(shè)備的操作。

（6）控制系統(tǒng)一體化改造后，各系統(tǒng)的備品備件統(tǒng)一，明顯減少備品備件的費用。

改造完成后，新的控制系統(tǒng)能保持10年以上的穩(wěn)定運行，將為機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地連續(xù)運行提供可靠的保障。改造后的DCS系統(tǒng)圖見圖2。

4 結(jié)語

北侖電廠3號機(jī)組控制系統(tǒng)改造后，將原INFI-90、旁路、吹灰、DEH和MEH等系統(tǒng)均作為DCS的功能站連接在系統(tǒng)主干通信網(wǎng)上，在盡可能節(jié)約資金和效益最大化的前提下完善系統(tǒng)，最大限度地提高機(jī)組自動化水平，減少維護(hù)工作量，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度、安全性、穩(wěn)定性、可靠性，保證了設(shè)備的安全、穩(wěn)定、長周期運行。

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[3]楊傳斌.火電機(jī)組控制系統(tǒng)一體化技術(shù)應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（11）：136-137.