1000MW機(jī)組DEH系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造的研究及應(yīng)用

鐘旭波，楊成銀

（國(guó)能浙江北侖第三發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

北侖電廠三期6號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)選用由上海汽輪機(jī)廠和德國(guó)SIEMENS公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的1000MW超超臨界、一次中間再熱式、單軸、四缸四排汽、單背壓、八級(jí)回?zé)岢槠?、反?dòng)凝汽式汽輪機(jī)，DEH和ETS采用西門子的T3000系統(tǒng)。2008年投產(chǎn)以來(lái)，至今已運(yùn)行12年。硬件設(shè)施老化，潛在的安全隱患增加，備品采購(gòu)難度加大，維護(hù)成本快速上升，急需進(jìn)行改造。

鑒于上述原因，同時(shí)為積極響應(yīng)國(guó)家和能源集團(tuán)“重大裝備國(guó)產(chǎn)化”要求，大力推進(jìn)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，在2020年6號(hào)機(jī)組A修期間對(duì)6號(hào)機(jī)DEH系統(tǒng)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化改造，將原來(lái)的西門子T3000控制系統(tǒng)改造為國(guó)電智深EDPF_NT+控制系統(tǒng)。

1 原T3000控制系統(tǒng)介紹及存在問(wèn)題

1.1 原T3000控制系統(tǒng)介紹

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷調(diào)節(jié)，是DEH系統(tǒng)的最主要部分，由電子控制裝置和液壓系統(tǒng)兩部分組成。其中，電子控制裝置包括工程師站、操作員站、控制柜（控制器、I/O卡等）；液壓系統(tǒng)包括EH供油系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（就地油動(dòng)機(jī)），控制系統(tǒng)概貌如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)概貌圖Fig.1 Overview of the control system

其硬件部分主要由控制柜、工程師站、操作員站組成。控制柜中安裝AS417-4H自動(dòng)化系統(tǒng)、AS417-4H FM458超高性能處理器、ADD FEM高速采樣模件、IM 153冗余包、ET200M I/O、通訊網(wǎng)絡(luò)SIMATIC NET、CP341接口模件、電源等。

控制系統(tǒng)軟件組態(tài)，從邏輯上分401、501、601 3個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)。

401邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一對(duì)CPU 417-4H＋一對(duì)冗余FM458，其主要作用是：完成汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷閉環(huán)調(diào)節(jié)控制以及部分保護(hù)和試驗(yàn)功能。

501邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一對(duì)CPU 417-4H，其主要作用是：執(zhí)行汽機(jī)子組順序控制SGC/子回路步進(jìn)SLC，缸溫測(cè)量、應(yīng)力監(jiān)視、軸瓦溫度測(cè)量，轉(zhuǎn)子、軸瓦振動(dòng)檢測(cè)等。

601邏輯節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一對(duì)CPU 417-4H，其主要作用是：西門子DEH對(duì)主機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要包括潤(rùn)滑油系統(tǒng)控制、控制油系統(tǒng)控制、汽機(jī)本體疏水系統(tǒng)控制、軸封系統(tǒng)控制、抽汽逆止門控制、盤(pán)車控制。

保護(hù)系統(tǒng)（ETS）由汽輪機(jī)超速保護(hù)（OPS）、電子保護(hù)系統(tǒng)（EPS）、汽輪機(jī)遮斷系統(tǒng)（TTS）3部分組成。保護(hù)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 保護(hù)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the protection system

1.2 原控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1）系統(tǒng)設(shè)備已明顯老化。改造前，西門子T3000控制系統(tǒng)已使用將近12年，元器件已進(jìn)入老化甚至惡化期，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性大為降低，如突發(fā)故障將給整個(gè)機(jī)組控制帶來(lái)嚴(yán)重后果，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

2）DEH控制系統(tǒng)備品備件采購(gòu)已成難題，容錯(cuò)服務(wù)器FT4300已不再生產(chǎn)，其他控制卡件供貨周期長(zhǎng)，而且價(jià)錢昂貴。

3）設(shè)備維護(hù)工作量增加，系統(tǒng)安全性降低。DCS控制系統(tǒng)和DEH控制系統(tǒng)不一致，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和故障點(diǎn)，也大大增加了日常控制系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

4）高中壓調(diào)門反饋裝置無(wú)冗余設(shè)計(jì)，單只LVDT故障會(huì)引起調(diào)門誤動(dòng)作，存在較大安全隱患。

2 智深EDPF_NT+控制系統(tǒng)介紹

2.1 硬件部分介紹

本次改造重新設(shè)計(jì)全新的硬件系統(tǒng)，就地控制柜由5個(gè)擴(kuò)展到7個(gè)，新增一對(duì)DPU。

2.1.1 供電系統(tǒng)

控制柜常規(guī)220VAC電源由DCS電源柜統(tǒng)一配供。24VDC電源供電采用2路電源冗余配置，電源進(jìn)線接入#41DPU擴(kuò)展柜2，每路220VAC進(jìn)線電源經(jīng)過(guò)6A空開(kāi)后，分別接入最大輸出為40A的24V電源模塊中，兩個(gè)電源模塊的24V輸出通過(guò)二極管隔離裝置后合并成一路，作為#41DPU24V供電的總電源。

總電源回路將供電輸出到#41DPU擴(kuò)展柜1中，會(huì)分配給各個(gè)回路。

兩組BRAUN模塊分別使用3路24V供電（F01-F03，F(xiàn)05-F07，1A），由于BRAUN模塊某些輸入需要接入有源信號(hào)，所以每組BRAUN模塊的前2路電源還附帶一些子回路，將DO卡件輸出或柜內(nèi)按鈕輸出的干接點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛性葱盘?hào)。

圖3 24VDC電源用戶Fig.3 24VDC Power users

圖4 跳閘按鈕圖Fig.4 Trip button diagram

主跳閘回路使用2路24V供電（F04，F(xiàn)08），主要用于驅(qū)動(dòng)跳閘繼電器K1-K4。

快關(guān)電磁閥回路使用10路24V供電（F11-F15，F(xiàn)21-F25，6A），主要用于驅(qū)動(dòng)24個(gè)快關(guān)電磁閥以及電磁閥監(jiān)視繼電器，快關(guān)電磁閥分為5組，每組4～6個(gè)，分別接入2路供電。

主汽門方向閥使用2路24V供電（F31，F(xiàn)32），每路供電驅(qū)動(dòng)2個(gè)主汽門方向閥（同側(cè)）。

2.1.2 跳閘回路

1）跳閘按鈕

機(jī)組共設(shè)有3個(gè)跳閘按鈕，2個(gè)布置在集控室，1個(gè)布置在機(jī)頭。集控室按鈕為1常開(kāi)4常閉，機(jī)頭按鈕為1常開(kāi)3常閉。每個(gè)按鈕的常開(kāi)點(diǎn)接入DI卡件中，作為SOE監(jiān)視。

集控室按鈕前3個(gè)常閉節(jié)點(diǎn)和機(jī)頭按鈕的3個(gè)常閉節(jié)點(diǎn)通過(guò)組合，輸出3路信號(hào)接入DI卡件中，作為跳閘條件使用，邏輯關(guān)系為機(jī)頭按鈕按下直接動(dòng)作或者集控室兩個(gè)按鈕同時(shí)按下動(dòng)作。

集控室按鈕最后一副常閉節(jié)點(diǎn)串入跳閘回路中，直接動(dòng)作電磁閥。

2）硬跳閘回路

設(shè)置K1～K4共4個(gè)跳閘繼電器，K1、K2為1組，K3、K4為1組，兩組繼電器采用不同的兩路供電，回路為失電動(dòng)作，正常情況下4個(gè)跳閘繼電器常帶電。

當(dāng)集控室按鈕1常閉點(diǎn)4動(dòng)作，Braun1動(dòng)作或Braun2動(dòng)作時(shí)，K1、K2繼電器失電。

圖5 硬跳閘回路圖Fig.5 Hard trip circuit diagram

當(dāng)集控室按鈕2常閉點(diǎn)4動(dòng)作，Braun1動(dòng)作或Braun2動(dòng)作時(shí)，K3、K4繼電器失電。

跳閘繼電器的觸點(diǎn)會(huì)串入閥門快關(guān)電磁閥回路中，直接使電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)跳閘。

同時(shí)，跳閘繼電器動(dòng)作也會(huì)送入SOE測(cè)點(diǎn)中。

2.1.3 電磁閥回路

1）跳閘電磁閥

當(dāng)機(jī)組跳閘時(shí)，會(huì)觸發(fā)24個(gè)電磁閥直接動(dòng)作，這些電磁閥均為失電動(dòng)作，重要設(shè)備設(shè)置2只電磁閥，如主門和調(diào)門，任一電磁閥失電閥門均會(huì)快速關(guān)閉。每個(gè)電磁閥都會(huì)并聯(lián)監(jiān)視繼電器，并接入DI卡件中，擁有SOE功能，隨時(shí)反映電磁閥的供電狀況。

電磁閥失電的觸發(fā)條件有兩個(gè)，第一個(gè)是跳閘繼電器動(dòng)作，第二個(gè)是DO卡驅(qū)動(dòng)。

由于跳閘電磁閥的重要性，采用冗余DO點(diǎn)控制單個(gè)安全繼電器的設(shè)計(jì)，即使1路DO卡失電或繼電器單個(gè)觸點(diǎn)斷開(kāi)，仍然保證電磁閥持續(xù)帶電。涉及到的DO卡配置與其他DO卡不同，采用電壓輸出的方式，選用64底座，后32個(gè)通道直接輸出有源信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器，對(duì)于跳閘繼電器以外的其他輸出信號(hào)或備用測(cè)點(diǎn)，也都配置了普通繼電器。

圖6 跳閘電磁閥回路圖Fig.6 Circuit diagram of trip solenoid valve

為了保證單個(gè)電磁閥故障或短路不影響到其他電磁閥，每個(gè)電磁閥正負(fù)兩端各裝有一個(gè)保險(xiǎn)。

由于跳閘繼電器電流較大，為了防止電磁閥失電后的反向電流，電磁閥輸出端子選用浪涌保護(hù)器。

2）C20繼電器

C20繼電器的作用為調(diào)門快關(guān)，它不僅會(huì)在跳閘發(fā)生時(shí)迅速動(dòng)作，也在甩負(fù)荷發(fā)生時(shí)迅速動(dòng)作。由于甩負(fù)荷邏輯在#42DPU中，跳閘回路在#41DPU中，如果通過(guò)邏輯傳遞并不穩(wěn)定，所以采用硬回路驅(qū)動(dòng)，以確保跳閘電磁閥動(dòng)作的穩(wěn)定性與快速性。

3）主汽門方向閥

主汽門方向閥共4個(gè)，分為兩組，分別供電，通過(guò)單個(gè)DO信號(hào)控制電磁閥帶電，同時(shí)每個(gè)主汽門方向閥也配備正負(fù)兩個(gè)保險(xiǎn)以及浪涌保護(hù)器。

2.2 軟件部分介紹

DEH系統(tǒng)共配置4對(duì)控制器，分別為DROP41、DROP42、DROP43、DROP44?？刂乒δ馨啓C(jī)保護(hù)（ETS）、汽輪機(jī)自動(dòng)控制（OA）、汽輪機(jī)一鍵啟動(dòng)（ATC）、汽輪機(jī)輔助設(shè)備（AUX）4部分。整套控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的IO硬點(diǎn)數(shù)量838個(gè)，邏輯圖數(shù)量770張，全面實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽輪機(jī)及相關(guān)設(shè)備的保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)，并與DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化。

軟件畫(huà)面與原DEH系統(tǒng)保持較高的相似度，方便操作人員快速掌握新系統(tǒng)，避免不必要的誤操作。

系統(tǒng)邏輯基本沿用老的邏輯思路，但是相比較原系統(tǒng)，可讀性更強(qiáng)，便于熱工人員制圖繪圖。

3 改造優(yōu)化及經(jīng)驗(yàn)

3.1 改造優(yōu)化

1）原主機(jī)DEH控制系統(tǒng)使用西門子的T3000控制系統(tǒng)，將原西門子控制邏輯轉(zhuǎn)換為國(guó)電智深的邏輯并進(jìn)行優(yōu)化，有利于后續(xù)機(jī)組運(yùn)行中對(duì)DEH系統(tǒng)的正常維護(hù)。

2）原DEH系統(tǒng)中高調(diào)門、中調(diào)門、補(bǔ)汽閥為單支LVDT，改造后均改為了冗余化的雙支LVDT，配置了冗余的閥門伺服卡，提高了DEH系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3）調(diào)試過(guò)程中，對(duì)原保護(hù)跳閘邏輯進(jìn)行了梳理，把原邏輯中多個(gè)模擬量測(cè)點(diǎn)先進(jìn)行選擇，選擇后的單個(gè)測(cè)點(diǎn)參與保護(hù)跳閘判斷的邏輯，修改為模擬量測(cè)點(diǎn)各自進(jìn)行定值判斷后，再進(jìn)行三取二處理，優(yōu)化了保護(hù)跳閘邏輯的可靠性、安全性。

4）原有DEH、ETS等獨(dú)立控制系統(tǒng)整合到DCS，提高備品備件通用。

5）增加了機(jī)組啟動(dòng)SGC步序畫(huà)面，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程一目了然。

3.2 改造經(jīng)驗(yàn)

DEH改造不同于新機(jī)組的安裝調(diào)試，其施工和調(diào)試時(shí)間往往非常有限，因此一定要把施工前的準(zhǔn)備工作做好做細(xì)：

1）一定要嚴(yán)把出廠驗(yàn)收（FAT）關(guān)，在出廠前完成所有I/O通道的測(cè)試校驗(yàn)和邏輯回路的仿真測(cè)試工作，這樣能大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的安裝調(diào)試時(shí)間。

2）對(duì)原來(lái)系統(tǒng)的接線圖要及時(shí)清理核對(duì)，盡量弄清所有信號(hào)的來(lái)龍去脈，保證接線圖的準(zhǔn)確性。

3）在原DEH端子柜拆線之前，一定要對(duì)每根電纜做好明顯而且牢固的標(biāo)簽。

4）由于運(yùn)行人員已經(jīng)習(xí)慣了原來(lái)的操作畫(huà)面，因而在新畫(huà)面的設(shè)計(jì)中要盡量考慮運(yùn)行人員原來(lái)的操作習(xí)慣，避免由于對(duì)新畫(huà)面的不習(xí)慣而引起的誤操作。

5）原來(lái)的控制回路在以往幾年的不斷完善后，對(duì)該機(jī)組的控制是比較成熟和有效的，在新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量利用這些寶貴的資源。

6）在改造實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)盡量壓縮系統(tǒng)的安裝時(shí)間，增加新系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。

4 改造效果

本項(xiàng)目于2020年10月進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工，在國(guó)電智深控制有限公司、上海汽輪機(jī)廠、浙江火電公司等單位的共同努力下，2020年12月4日機(jī)組整套啟動(dòng)，2020年12月6日汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)至3000r/min，2020年12月7日凌晨一次并網(wǎng)成功。改造后新DEH控制系統(tǒng)在原功能的基礎(chǔ)上，滿足機(jī)組在各種運(yùn)行工況下安全和功能方面的要求。與原先的TSI、TDM等系統(tǒng)設(shè)備軟、硬接口匹配，通信順暢。閥門控制卡性能穩(wěn)定，閥門調(diào)試、標(biāo)定功能數(shù)字化，具有斷線報(bào)警功能。

機(jī)組運(yùn)行期間，DEH控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)異，期間完成了汽輪機(jī)主汽門調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)、超速試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、閥門全行程活動(dòng)試驗(yàn)、壓力回路投入、功率回路投入、一次調(diào)頻等一系列試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集精度符合驗(yàn)標(biāo)要求，操作響應(yīng)迅速，控制精度達(dá)到或超過(guò)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，50%甩負(fù)荷試驗(yàn)汽輪機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3077r/min，與國(guó)外主流控制系統(tǒng)持平，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

5 結(jié)論

6號(hào)機(jī)組DEH控制系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)首次應(yīng)用1000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)控制，打破了國(guó)外系統(tǒng)在此領(lǐng)域內(nèi)的壟斷地位，為全國(guó)火電行業(yè)提供借鑒，同時(shí)對(duì)提升中國(guó)制造的品牌影響力，保障電力基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全具有重要意義。此次改造工作為類似機(jī)組的DEH國(guó)產(chǎn)化改造，提供了切實(shí)可行的經(jīng)驗(yàn)。