國(guó)產(chǎn)NT6000系統(tǒng)在超超臨界汽輪機(jī)控制中的應(yīng)用

婁 琦，張 雷，潘正偉，黃 河

(1.大唐南京發(fā)電廠，南京 210001；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

超超臨界參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組效率超過41%，經(jīng)濟(jì)性明顯，國(guó)內(nèi)外多年商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，其技術(shù)已經(jīng)成熟可靠。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造及安全運(yùn)行中不可缺少的部分，是汽輪機(jī)的大腦[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)超超火電機(jī)組數(shù)字電液(Digital Electro-Hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)軟硬件大多依賴進(jìn)口。

大唐南京發(fā)電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)為國(guó)內(nèi)某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的660 MW超超臨界汽輪機(jī)，汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)軟硬件原采用西門子T3000系統(tǒng)。大唐南京發(fā)電有限公司與原設(shè)備制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)廠家深度合作，采用南京科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DEH國(guó)產(chǎn)化改造，合力完成了DEH系統(tǒng)硬件開發(fā)、軟件組態(tài)設(shè)計(jì)開發(fā)、仿真及調(diào)試工作。

本文對(duì)超超臨界汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造進(jìn)行了說(shuō)明，比較了原西門子T3000控制系統(tǒng)和科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)的系統(tǒng)配置，列舉了該項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，簡(jiǎn)述了該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，旨在說(shuō)明科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和穩(wěn)定性。

1 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 西門子T3000控制系統(tǒng)

該機(jī)組原DEH系統(tǒng)采用西門子T3000，共5個(gè)機(jī)柜(3個(gè)DEH控制柜，2個(gè)輔控柜)，前后開門，示意圖如圖1所示?？刂品秶ㄆ啓C(jī)基本控制、汽輪機(jī)機(jī)組自啟停、汽輪機(jī)保護(hù)ETS系統(tǒng)、汽輪機(jī)輔助控制系統(tǒng)。

圖1 西門子T3000系統(tǒng)DEH機(jī)柜示意圖

CJJ11柜內(nèi)配置416H+FM458控制器，配ADDFUM模塊、ET200模塊和FDI/FDO模塊，以及2套超速保護(hù)裝置。由FM458控制器及ADDFUM完成汽輪機(jī)基本控制，其主要通過控制調(diào)門開度控制機(jī)組轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及主蒸汽壓力；由417H完成汽輪機(jī)保護(hù)及應(yīng)力計(jì)算，到快關(guān)電磁閥的動(dòng)作信號(hào)由FDO模件發(fā)出，重要保護(hù)的開關(guān)量信號(hào)通過FDI模件進(jìn)入控制器進(jìn)行處理。CJJ12/13柜內(nèi)配置1對(duì)冗余416H控制器，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)溫度裕度計(jì)算和溫度準(zhǔn)則計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自啟停功能，完成保護(hù)信號(hào)及模擬量信號(hào)的處理。CJJ14/15柜內(nèi)配置1對(duì)冗余416H控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油、EH油、頂軸油、軸封、疏水等系統(tǒng)的控制。

1.2 科遠(yuǎn)NT6000控制系統(tǒng)

1.2.1 機(jī)柜布局

隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各控制系統(tǒng)廠家在系統(tǒng)方面的差距正在縮小[2]。大唐南電2號(hào)機(jī)組分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)選用國(guó)產(chǎn)科遠(yuǎn)NT6000控制系統(tǒng)。

原機(jī)柜利用舊設(shè)備，柜內(nèi)所有硬件采用國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)科遠(yuǎn)NT6000重新設(shè)計(jì)，分別為ETS(CJJ11)、基本控制(CJJ12)、自啟停(CJJ13)、輔控A(CJJ14)、輔控B(CJJ15)，機(jī)柜示意如圖2所示。原西門子T3000系統(tǒng)CJJ11、CJJ12、CJJ13機(jī)柜內(nèi)控制和保護(hù)信號(hào)混在一起，現(xiàn)在根據(jù)不同功能重新設(shè)計(jì)CJJ11、CJJ12、CJJ13柜內(nèi)測(cè)點(diǎn)布局及相應(yīng)硬件。對(duì)于需要調(diào)整的測(cè)點(diǎn)而言，原則上電纜長(zhǎng)度能直接接到模件的就直接到模件，到模件長(zhǎng)度不夠的通過轉(zhuǎn)接端子轉(zhuǎn)接。

圖2 科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)機(jī)柜示意圖

1.2.2 控制器

DEH系統(tǒng)配置4對(duì)國(guó)產(chǎn)化快速控制器。DROP41控制器(控制柜CJJ11)冗余配置，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng) (Emergency Trip System，ETS)的控制功能，包括所有保護(hù)信號(hào)的處理及快關(guān)電磁閥的控制。2套超速保護(hù)裝置自帶3取2功能，取消原繼電器3取2功能。DROP42控制器(控制柜CJJ12)冗余配置，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)基本控制功能，即原西門子FM458控制器功能。DROP43控制器(控制柜CJJ13)冗余配置，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)溫度裕度計(jì)算、溫度準(zhǔn)則計(jì)算、汽輪機(jī)機(jī)組自啟停功能。DROP44控制器(控制柜CJJ14/CJJ15)冗余配置，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等的控制功能。

1.2.3 閥位伺服模塊

家長(zhǎng)們你一言我一語(yǔ)，討論變得熱烈起來(lái)，等最后一個(gè)家長(zhǎng)發(fā)言完畢，我點(diǎn)開了錄制好的視頻，說(shuō)：“親愛的家長(zhǎng)朋友們，在你們給孩子打分之前，孩子也給你們打了分，你們想不想看一看？”

閥位伺服模塊采用定制的專用于OEM廠家超超臨界機(jī)組控制的數(shù)字式閥位伺服模塊。高壓調(diào)門和中壓調(diào)門采用冗余的伺服模塊，DEH將閥位指令分別發(fā)送到2個(gè)伺服模塊，每塊模塊控制伺服閥的一個(gè)線圈。位移傳感器反饋來(lái)的4～20 mA信號(hào)通過信號(hào)分配器，分別送到2個(gè)伺服卡，閥位伺服模塊原理如圖3所示。正常運(yùn)行時(shí)2個(gè)伺服卡同時(shí)工作，當(dāng)一個(gè)伺服卡發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警，同時(shí)另一個(gè)伺服卡輸出電流增加。一個(gè)伺服卡發(fā)生故障瞬間，閥門會(huì)有輕微抖動(dòng)，不影響正?？刂?。伺服卡支持熱插拔，可在線更換。

圖3 閥位伺服模塊原理

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 調(diào)門快關(guān)回路優(yōu)化

超速控制功能在DROP42主控制器中按照特定邏輯判斷可能引起機(jī)組超速的因素，發(fā)出快關(guān)信號(hào)，使調(diào)門油動(dòng)機(jī)的快關(guān)電磁閥動(dòng)作，使調(diào)門迅速關(guān)閉，防止超速。在原設(shè)計(jì)中，快關(guān)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)通信從DROP42送至DROP41，在保護(hù)控制器中進(jìn)行邏輯處理，最終合成一個(gè)快關(guān)信號(hào)通過DO模件，經(jīng)過繼電器控制電磁閥動(dòng)作。快關(guān)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)通信以及控制器的處理，會(huì)有近100 ms左右的延遲。在本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，調(diào)門快關(guān)信號(hào)增加了硬接線測(cè)點(diǎn)，串進(jìn)ETS系統(tǒng)硬回路，直接使繼電器動(dòng)作，使調(diào)門迅速關(guān)閉。

2.2 快關(guān)電磁閥控制優(yōu)化

原T3000保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)采用FDI/FDO故障安全性模件，通過FDO直接驅(qū)動(dòng)快關(guān)電磁閥。在本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，其改為雙通道形式，即不同DO卡的2個(gè)點(diǎn)控制1個(gè)快關(guān)電磁閥繼電器，2個(gè)通道都動(dòng)作，電磁閥失電，閥門快關(guān)。同時(shí)繼電器動(dòng)作信號(hào)通過DI送至控制器，由其監(jiān)視狀態(tài)。超速保護(hù)裝置驅(qū)動(dòng)安全繼電器線圈，控制快關(guān)電磁閥的24V直流供電電源，再通過ETS輸出觸點(diǎn)，控制電磁閥的動(dòng)作。

2.3 一次調(diào)頻參數(shù)優(yōu)化

DEH的一次調(diào)頻功能根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化，自動(dòng)調(diào)整汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)門的開度，改變機(jī)組負(fù)荷。原有的控制邏輯中，一次調(diào)頻指令的控制參數(shù)為固定參數(shù)，無(wú)法適應(yīng)機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行下對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度的需求，并且同時(shí)用作轉(zhuǎn)速控制與調(diào)頻控制。在本文的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，控制參數(shù)得到了調(diào)整，轉(zhuǎn)速控制與調(diào)頻控制對(duì)應(yīng)使用不同的控制參數(shù)，并增加一次調(diào)頻負(fù)荷變量來(lái)增加主蒸汽壓力補(bǔ)償，提高低參數(shù)下的調(diào)頻響應(yīng)速度和調(diào)頻響應(yīng)量。

2.4控制邏輯、運(yùn)行畫面優(yōu)化

DEH系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)了全面國(guó)產(chǎn)化，100%自主可控。大唐南電相關(guān)專業(yè)結(jié)合機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將確定的改進(jìn)優(yōu)化方案落實(shí)到科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)。汽輪機(jī)控制畫面增加核心順控畫面，所有邏輯頁(yè)描述漢化，汽輪機(jī)運(yùn)行畫面漢化，方便運(yùn)行維護(hù)，汽輪機(jī)控制畫面如圖4所示。

圖4 汽輪機(jī)控制畫面

3 項(xiàng)目執(zhí)行

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行梳理，設(shè)計(jì)、出具IO清單。結(jié)合技術(shù)協(xié)議要求，設(shè)計(jì)、出具機(jī)柜設(shè)計(jì)圖。然后機(jī)柜設(shè)計(jì)圖定稿，配合科遠(yuǎn)進(jìn)行NT6000系統(tǒng)硬件成套。設(shè)計(jì)汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)邏輯、畫面。汽輪機(jī)控制系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，畫面設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)人員在掌握超超臨界汽輪機(jī)核心控制原理的基礎(chǔ)上，在科遠(yuǎn)NT6000全新國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)工作。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

1)汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)5面機(jī)柜上電后，檢查確認(rèn)處理器、電源、通信網(wǎng)絡(luò)、IO卡件、服務(wù)器、操作員站、工程師站等工作正常[3]。進(jìn)行電源切換試驗(yàn)、DPU切換試驗(yàn)，檢查所有IO點(diǎn)信號(hào)，確保信號(hào)正確可靠。

2)下裝汽輪機(jī)每個(gè)機(jī)柜內(nèi)的所有IO測(cè)點(diǎn)，配合機(jī)柜接線工作，進(jìn)行汽輪機(jī)控制系統(tǒng)所有測(cè)點(diǎn)的對(duì)點(diǎn)工作。核對(duì)開關(guān)量點(diǎn)狀態(tài)，檢查、設(shè)置模擬量測(cè)點(diǎn)量程，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)調(diào)整的部分測(cè)點(diǎn)進(jìn)行通道調(diào)整，確保對(duì)點(diǎn)工作的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

3)技術(shù)人員與電科院一起會(huì)審汽輪機(jī)側(cè)核心邏輯，對(duì)汽輪機(jī)主保護(hù)、主要閥門、輔控核心設(shè)備邏輯進(jìn)行檢查，出具連鎖保護(hù)單。

4)對(duì)汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對(duì)ETS系統(tǒng)、輔控單體設(shè)備進(jìn)行邏輯傳動(dòng)，驗(yàn)證連鎖保護(hù)邏輯。技術(shù)人員結(jié)合業(yè)主專業(yè)運(yùn)行要求，對(duì)邏輯、畫面進(jìn)行必要的微調(diào)、優(yōu)化，并完善連鎖保護(hù)卡。

5)建立EH油系統(tǒng)油壓，為汽輪機(jī)高、中壓調(diào)門、補(bǔ)汽閥國(guó)產(chǎn)定制伺服卡設(shè)置合理參數(shù)，進(jìn)行調(diào)門整定工作，確保國(guó)產(chǎn)定制伺服卡具有良好的速度和穩(wěn)定性。保存調(diào)門國(guó)產(chǎn)伺服閥整定過程的歷史趨勢(shì)圖。修正汽輪機(jī)高、中壓主汽門系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行高、中壓主汽門的整定工作。

6)設(shè)置汽輪機(jī)超速保護(hù)裝置參數(shù)，建立系統(tǒng)油壓，進(jìn)行汽輪機(jī)混仿試驗(yàn)。對(duì)汽輪機(jī)主保護(hù)、核心控制、主要試驗(yàn)進(jìn)行帶設(shè)備仿真，驗(yàn)證邏輯，檢查科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

7)配合電科院進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組整套啟動(dòng)工作，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)，指導(dǎo)汽輪機(jī)超速試驗(yàn)、嚴(yán)密性試驗(yàn)、初壓/限壓模式切換、甩負(fù)荷試驗(yàn)、閥門活動(dòng)性試驗(yàn)、閥門半行程活動(dòng)試驗(yàn)、一次調(diào)頻試驗(yàn)等。

4 實(shí)踐驗(yàn)證

2021年5月6日22：23，大唐南京發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組成功并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著科遠(yuǎn)100%自主可控智能控制系統(tǒng)NT6000正式在超超汽輪發(fā)電機(jī)組上投運(yùn)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)超超臨界機(jī)組DCS、DEH、ETS、小機(jī)電液(Micro Electro-Hydraulic, MEH)控制系統(tǒng)、小機(jī)危急遮斷系統(tǒng) (Micro Emergency Trip System, METS)一次性全國(guó)產(chǎn)化改造，在“十四五”開局之年，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電領(lǐng)域核心控制系統(tǒng)“卡脖子”問題的完美破局。

在該項(xiàng)目中，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)由進(jìn)口西門子T3000系統(tǒng)改造為國(guó)產(chǎn)科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)，具有里程碑意義。改造后，大唐南電2號(hào)發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異[4]。

5 結(jié) 論

本文介紹了國(guó)產(chǎn)NT6000系統(tǒng)在大唐南京發(fā)電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造中的成功應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了NT6000系統(tǒng)和西門子T3000系統(tǒng)的差異對(duì)比，其具有100%自主可控的優(yōu)勢(shì)，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了科遠(yuǎn)NT6000系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠?？七h(yuǎn)NT6000系統(tǒng)能夠滿足超超臨界汽輪機(jī)的控制要求，且性能優(yōu)異，可以在660 MW機(jī)組及其他容量機(jī)組上推廣應(yīng)用。