超超臨界機(jī)組故障安全型控制系統(tǒng)設(shè)計與實施

歸一數(shù) 沈叢奇 夏 杰

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司1，上海 200090；淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠2，安徽 淮南 232098)

超超臨界機(jī)組故障安全型控制系統(tǒng)設(shè)計與實施

歸一數(shù)1沈叢奇1夏 杰2

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司1，上海 200090；淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠2，安徽 淮南 232098)

火電機(jī)組故障安全型控制系統(tǒng)設(shè)計與實施是當(dāng)前基建工程深度調(diào)試的全新項目。在安徽淮南田集電廠二期基建工程期間，通過與電力設(shè)計研究院協(xié)調(diào)現(xiàn)場測點(diǎn)布置、會同控制系統(tǒng)制造廠設(shè)置故障安全型卡件內(nèi)部接線、聯(lián)系設(shè)備制造商完善保護(hù)條件，以及連同電廠運(yùn)行和熱控部門討論定值保護(hù)清單等工作，在機(jī)組基建初期，全面完整設(shè)計故障安全型控制系統(tǒng)。調(diào)試階段以設(shè)備實際運(yùn)行工況優(yōu)化控制策略。從機(jī)組基建調(diào)試到商業(yè)投運(yùn)至今未發(fā)生熱控原因造成的誤動作。

超超臨界機(jī)組 故障安全 設(shè)計 實施 優(yōu)化

0 引言

對于國內(nèi)新建火電機(jī)組，基建工程重大主、輔設(shè)備定購時間不一，電力設(shè)計院缺乏足夠時間完整地理順系統(tǒng)和系統(tǒng)、設(shè)備和設(shè)備間保護(hù)主次關(guān)系。因此，作為火電機(jī)組控制系統(tǒng)邏輯組態(tài)實施單位，需要從各方面統(tǒng)籌考慮機(jī)組各系統(tǒng)協(xié)調(diào)關(guān)系，分清各項保護(hù)主次，統(tǒng)籌設(shè)計故障安全型控制系統(tǒng)，確保機(jī)組投運(yùn)后長周期穩(wěn)定運(yùn)行。在火電機(jī)組基建期間參與的控制系統(tǒng)故障安全型設(shè)計雖然前期工作量很大，但卻能極大地縮短現(xiàn)場調(diào)試工期，且有效保障調(diào)試結(jié)束后機(jī)組商業(yè)運(yùn)行的穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。

安徽淮南田集電廠(以下簡稱田集電廠)二期擴(kuò)建工程2×660 MW超超臨界機(jī)組，是目前國內(nèi)乃至世界首次采用再熱蒸汽溫度達(dá)到620 ℃、供電煤耗280 g/(kW·h)的60萬kW級超超臨界機(jī)組，代表了當(dāng)前世界上60萬kW等級火電機(jī)組的最高參數(shù)技術(shù)水平[1]。對其控制系統(tǒng)的整體設(shè)計，首先需要理順一期工程熱控保護(hù)設(shè)置合理性；其次針對二期新出現(xiàn)的100%大旁路等設(shè)備，結(jié)合田集電廠鍋爐、汽機(jī)設(shè)備實際情況，構(gòu)建新的保護(hù)策略；再次對機(jī)組聯(lián)鎖保護(hù)統(tǒng)一協(xié)商，實現(xiàn)機(jī)組重大保護(hù)分層設(shè)計與實施，最終完成故障安全型控制系統(tǒng)構(gòu)建工作。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計及實施

田集電廠二期工程I/O測點(diǎn)數(shù)量與一期相仿，系統(tǒng)接口構(gòu)成基本一致，差別在于數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)和小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)整體化程度更進(jìn)一步，汽機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(ETS)和給水泵汽機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(METS)也進(jìn)入DCS，機(jī)組一體化程度更高。因此，整個機(jī)組總體設(shè)計可以一期為藍(lán)本，同時參照《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》的要求，即為防止一對控制器故障而導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)事件的發(fā)生，重要的并列或主/備運(yùn)行的輔機(jī)(輔助)設(shè)備控制分開布置[2]，對機(jī)組控制系統(tǒng)總體設(shè)計以故障安全原則為依據(jù)優(yōu)化原有控制分配。

1.1 控制器數(shù)量確定及實施

近幾年來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢不再迅猛發(fā)展，再加上新建機(jī)組審批日漸嚴(yán)格，使DCS制造廠家間相互競爭異常激烈。即便是進(jìn)口DCS制造廠，為了爭奪新建機(jī)組這塊長遠(yuǎn)發(fā)展的“蛋糕”，也不惜血本降低DCS投標(biāo)價格，原本價格不菲的控制器如今近似“白送”，但如何確定機(jī)組實際需要的控制器數(shù)量成為控制器配置的首要任務(wù)。很多新建機(jī)組沒有以設(shè)計院預(yù)估的I/O測點(diǎn)數(shù)量為依據(jù)，只是簡單地以將降低控制器組態(tài)存儲容量作為明確控制器數(shù)量的依據(jù)，忽視控制器之間和廠級環(huán)網(wǎng)間的通信負(fù)荷，在分配控制對象時，反而出現(xiàn)顧此失彼、不能實現(xiàn)總體性能最優(yōu)的境況[3-5]。

田集電廠一期工程采用19對控制器實現(xiàn)單元機(jī)組控制(不含DEH本體控制，二期同)，2對控制器用于公用系統(tǒng)。一期工程控制器分配最大的問題在于，鍋爐側(cè)制粉系統(tǒng)兩臺磨煤機(jī)公用一個控制器，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行，若兩臺磨煤機(jī)公用的控制器出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷瞬間降至穩(wěn)燃負(fù)荷以下，一旦處理不當(dāng)極可能造成主燃料跳閘(main fuel trip,MFT)。為此，在DCS招標(biāo)期間，以設(shè)計院預(yù)估的8 854點(diǎn)為基礎(chǔ)，按照實際工藝流程故障安全原則劃分系統(tǒng)，并結(jié)合一期項目經(jīng)驗，將二期工程增加控制器至21對，鍋爐制粉系統(tǒng)每層使用一對控制器，增加3對控制器，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)減少1對控制器(原因分析見1.2)，以真正達(dá)到重要的并列或主/備運(yùn)行的輔機(jī)(輔助)設(shè)備控制基本分開布置[2]，同時控制器配置數(shù)量又不會過多而導(dǎo)致工藝系統(tǒng)分散，增加故障概率。

1.2 控制器分配方案實施

超超臨界直流爐作為一個多輸入、多輸出被控對象，風(fēng)、煤、水子系統(tǒng)間耦合性很強(qiáng)。機(jī)組風(fēng)煤比或水煤比失調(diào)，會直接影響燃燒，處理不好可能跳機(jī)。運(yùn)行過程中只要送風(fēng)、燃料、給水主控所處控制器出現(xiàn)故障，整個機(jī)組就將面臨失控局面[6-7]。因此，合理布置直流爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是控制器分配方案中的重要內(nèi)容。

田集一期項目燃料、風(fēng)量和給水控制分別由不同控制器實現(xiàn)，任一控制器出現(xiàn)故障，就會對機(jī)組安全型運(yùn)行造成影響，增加了機(jī)組故障發(fā)生概率。田集二期控制器分配時考慮到機(jī)組各子系統(tǒng)故障等級，將風(fēng)、煤、水子系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)全部納入10號控制器。與此同時，考慮到旁路系統(tǒng)接口眾多，涉及信號較廣、獨(dú)立性強(qiáng)的特點(diǎn)，將旁路控制分配至15號控制器；過熱、再熱汽溫按照A/B兩側(cè)劃分兩個不同控制器。機(jī)組模擬量控制負(fù)荷分配均勻，故障等級最高的10號控制器I/O測點(diǎn)163點(diǎn)，最大掃描周期42 ms，組態(tài)內(nèi)容只占存儲器容量的9%，極大地提高了機(jī)組協(xié)調(diào)控制可靠性。田集二期最終控制器分配如表1所示。

表1 田集二期控制器分配方案

由表1可知，二期控制器分配有如下特點(diǎn)：①重要的并列或主/備運(yùn)行的輔機(jī)(輔助)設(shè)備控制基本分開布置；②MFT、協(xié)調(diào)控制柜涉及現(xiàn)場測點(diǎn)較少；③鍋爐、汽機(jī)和電氣控制對象分界清楚；④所有控制器編號以控制對象為界重新命名。

2 重大保護(hù)信號設(shè)計與實施

2．1 重要監(jiān)控測點(diǎn)預(yù)先布置

田集二期與一期的區(qū)別在于再熱器出口溫度為623 ℃，壁溫測點(diǎn)布置須重點(diǎn)考慮末級再熱器(以下簡稱末再)的監(jiān)測保護(hù)。一期末再的橫向屏間測點(diǎn)為每隔4片設(shè)置一點(diǎn)，共67點(diǎn)。為更準(zhǔn)確地監(jiān)測橫向偏差，田集二期末再的橫向屏間測點(diǎn)優(yōu)化為每1片設(shè)置一點(diǎn)。同屏壁溫測點(diǎn)仍設(shè)置在爐寬左右各1/4位置，共100點(diǎn)。調(diào)試期間，為便于更好地觀察溫升情況，末再汽溫測點(diǎn)增加18點(diǎn)，末級過熱器(以下簡稱末過)增加42點(diǎn)；與此同時，一些重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域中的管片上將原先1個溫度測點(diǎn)增加至2個，以提高溫度監(jiān)測可靠性，其中末再8點(diǎn)，末過7點(diǎn)，后屏過熱器5點(diǎn)，調(diào)試期間新增溫度測點(diǎn)共80點(diǎn)。由于積極參與基建初期的鍋爐廠設(shè)計聯(lián)絡(luò)會、鍋爐優(yōu)化方案推介會，上述測點(diǎn)得以均勻布置在控制器DROP13和DROP14中(見表1)，這樣編排既不會因為控制器故障失去監(jiān)控手段，也利于減輕控制器負(fù)荷。田集二期壁溫測點(diǎn)共473點(diǎn)，較一期290點(diǎn)多183點(diǎn)，機(jī)組初次啟動期間，所有測點(diǎn)工作正常，為再熱器出口溫度安全穩(wěn)定達(dá)到623 ℃提供了有效的保障、驗證手段。

2．2 重大輔機(jī)停信號三重化設(shè)計

送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)屬于鍋爐重大輔機(jī)，若其中一臺輔機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，需要緊急停運(yùn)。由于DCS側(cè)停輸出卡件或繼電器故障，將導(dǎo)致停信號不能及時送至6 kV電氣開關(guān)跳閘輔機(jī)。這不但會導(dǎo)致重大輔機(jī)損壞，更可能擴(kuò)大至鍋爐本體破壞，后果非常嚴(yán)重[8]。常規(guī)重大輔機(jī)停信號通常只設(shè)計一路停信號，一次風(fēng)機(jī)因MFT需要停運(yùn)制粉系統(tǒng)，另有MFT硬回路輸出，送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)則只有一路，不管是卡件還是輸出回路故障，均有可能使風(fēng)機(jī)在爐膛壓力超限或設(shè)備故障時發(fā)生拒動事故。因此，田集二期六大風(fēng)機(jī)停信號均由三個不同輸出卡件構(gòu)成硬件三取二表決回路，合成停指令送至電氣開關(guān)。其中，停指令至電氣開關(guān)使用雙線制設(shè)計，避免單線破損影響停指令輸出。通過六大風(fēng)機(jī)停指令各環(huán)節(jié)冗余、三重化設(shè)計，極大地提高了機(jī)組輔機(jī)保護(hù)的可靠性，使設(shè)備動作回路完全達(dá)到了故障安全要求。

2．3 故障安全型邏輯設(shè)計與實施

田集二期故障安全型邏輯設(shè)計重點(diǎn)之一在于設(shè)備狀態(tài)信號的優(yōu)化判斷。除了重大輔機(jī)停狀態(tài)由停、運(yùn)行取非、電流小于5 A(信號正常)三取二表征外，田集二期邏輯組態(tài)也對涉及跳閘重大設(shè)備的閥門狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。如凝泵出口門閥位信號，在凝泵運(yùn)行過程中，凝泵出口門開到位或關(guān)到位限位開關(guān)受現(xiàn)場閥門震動而誤動，導(dǎo)致開到位、關(guān)到位信號均短暫消失或出現(xiàn)。在凝泵跳閘邏輯中，凝泵運(yùn)行證實后，凝泵出口門關(guān)信號出現(xiàn)，至跳閘凝泵，由于現(xiàn)場限位開關(guān)的誤動作，會引起凝泵跳閘，影響機(jī)組正常運(yùn)行。為此，將凝泵出口門閥位信號進(jìn)行優(yōu)化，凝泵運(yùn)行后，凝泵出口門開到位與關(guān)到位都出現(xiàn)，或閥門開到位后，關(guān)指令未發(fā)，開、關(guān)到位信號均消失。這兩種情況下，邏輯判斷出口門閥位故障狀態(tài)，閉鎖凝泵跳閘條件同時發(fā)報警至運(yùn)行畫面，提醒運(yùn)行人員關(guān)注凝泵運(yùn)行狀態(tài)，并通知熱控檢修人員及時消缺。對于機(jī)組重大設(shè)備有聯(lián)鎖關(guān)系的閥門、擋板狀態(tài)位置而言，即便能提供開和關(guān)三路位置反饋，由于現(xiàn)場管道震動等因素的存在，開關(guān)位反同時故障的概率也很大，因此，位反單點(diǎn)設(shè)計已不是先骨干系統(tǒng)誤動的主要起因。通過及時判斷閥門位反故障狀態(tài)，能有效避免現(xiàn)場限位開關(guān)誤動引起的設(shè)備跳閘，從而提高系統(tǒng)故障安全可靠性，有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

3 重大保護(hù)條件優(yōu)化設(shè)計和實施

MFT重大保護(hù)聯(lián)鎖涉及如下修改(部分)。

① 空預(yù)器出口溫度高高M(jìn)FT：鍋爐廠要求空預(yù)器全停機(jī)組MFT，鑒于空預(yù)器全停聯(lián)跳所有送、引風(fēng)機(jī)，且送或引風(fēng)機(jī)全停均觸發(fā)MFT，因此，空預(yù)器全停和送或引風(fēng)機(jī)全停MFT內(nèi)容重復(fù)，該保護(hù)要求不予采納?？紤]到現(xiàn)實工況空預(yù)器主或輔馬達(dá)正常運(yùn)行時，會發(fā)生空預(yù)器聯(lián)軸器斷裂，造成空預(yù)器停運(yùn)的事故。為避免此類事件發(fā)生，通過設(shè)計院與鍋爐制造廠協(xié)商，空預(yù)器單側(cè)出口煙氣溫度測點(diǎn)由兩點(diǎn)增加至三點(diǎn)，在DCS內(nèi)通過模擬量三選處理模塊合成空預(yù)器出口煙氣溫度綜合信號，再經(jīng)設(shè)定值為260 ℃的高選，輸出空預(yù)器單側(cè)煙氣溫度高高M(jìn)FT，兩側(cè)相或形成空預(yù)器出口溫度高高M(jìn)FT條件。

② MFT停給水泵：田集二期取消電動給水泵，給水前置泵與給水泵為同軸泵設(shè)計，鍋爐啟動上水必須給水泵運(yùn)行，冷態(tài)點(diǎn)火初期爐內(nèi)熱負(fù)荷不高，各級汽溫、螺旋管圈水動力變化不大，若機(jī)組MFT跳閘所有給水泵，不利于系統(tǒng)快速恢復(fù)。據(jù)此修改鍋爐廠原有控制要求，機(jī)組MFT時給水流量低于700 t/h,保留給水泵A，反之則跳閘所有給水泵。由于田集二期采用控制系統(tǒng)一體化設(shè)計，在不改變MFT硬回路設(shè)計的前提下，經(jīng)由METS內(nèi)部信號處理邏輯修改，使上述方案得以順利實施。此部分改動有效地縮短了機(jī)組啟動初期鍋爐升溫升壓時間。

4 結(jié)束語

田集二期2×660 MW擴(kuò)建工程3號機(jī)組于2013年12月22日正式并網(wǎng)發(fā)電投入商業(yè)運(yùn)行，從開工到并網(wǎng)的總工期僅僅16個月，提前5個月完成基建任務(wù)。機(jī)組投產(chǎn)后，主汽溫和再熱汽溫均達(dá)到設(shè)計要求，3號機(jī)組成為國內(nèi)首臺實現(xiàn)再熱蒸汽溫度620 ℃連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)組。

在整個機(jī)組調(diào)試過程中，故障安全型控制系統(tǒng)的設(shè)計與實施工作，使機(jī)組最終在如此緊的工期內(nèi)實現(xiàn)機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)投產(chǎn)目標(biāo)，為基建火電電廠深度調(diào)試探索出一條切實可行的高效道路。

[1] 瞿德雙．660MW超超臨界Π型鍋爐再熱汽溫623℃探索[J]．中國電力，2013，46(4)：28-31．

[2] 電力行業(yè)熱工自動化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控[M]．北京：中國電力出版社，2010：26-28．

[3] 鄭毅．百萬千瓦火電機(jī)組DCS項目的進(jìn)度管理研究[D]．上海：華東理工大學(xué)，2015．

[4] 劉一福．火電廠DCS應(yīng)用技術(shù)問題探討[ J]．自動化儀表，

2005，26(5)：57-59．

[5] 張雷．DCS在火力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2006．

[6] 葛威，靖宇翔，葛曉鳴．淺談如何提高火電廠熱控系統(tǒng)可靠性[J]．華北電力技術(shù)，2008，20(4)：48-51．

[7] 劉峰．超臨界直流鍋爐給水控制系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用[D]．北京：華北電力大學(xué)，2013．

[8] 譚志明．大型火電廠輔機(jī)控制全集成系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J]．自動化儀表，2010，31(5)：26-30．

Design and Implementation of the Fail-safe Control System for Ultra Supercritical Power Units

At present, design and implementation of the fail-safe control systems in fossil-fired power generation units is the brand new project of depth commissioning in infrastructure works. During infrastructure works of Anhui Huainan Tianji Power Plant Phase II project, through coordinating the field test point assignment with the design institute; in conjunction with the manufacture of the control system for setting internal wirings of fail-safe modules; contacting with manufacturers of the equipment for integrating protection conditions, and together with the operation and process control departments in power plant for discussing the protection set points list, in initial stage of infrastructure of the unit, the fail-safe control system had already been completed. In commissioning stage, the control strategies are optimized in accordance with practical operation conditions of the equipment. From infrastructure, commissioning up to commercial operation, malfunction never occurs because of the problem in process control area.

Ultra supercritical unit Fail-safe Design Implementation Optimization

歸一數(shù)(1971-)， 男，1994年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)電廠熱工過程自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事火電廠熱工控制專業(yè)方面的研究。

TK323

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510012

修改稿收到日期：2015-05-22。