1050MW機組ABB-DEH&ETS控制系統(tǒng)可靠性提升研究及應(yīng)用

胡昌盛，董沖烈

（國能（惠州）熱電有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516083）

某電廠2×1050MW燃煤發(fā)電工程項目是印尼國家電力公司（以下簡稱PLN）在全球公開招標(biāo)的獨立發(fā)電商（IPP）BOOT項目，是中國“一帶一路”倡議與印尼“建設(shè)海洋經(jīng)濟支撐點”的旗艦項目，是中國出口海外的首臺百萬機組，也是印尼目前單機容量最大的發(fā)電機組。

某電廠2×1050MW超超臨界汽輪機采用上海汽輪機新一代百萬機組，DEH控制系統(tǒng)硬件部分使用ABB SymphonyPlus新一代SD系列，上位機為SymphonyPlus Operation人機接口，危急遮斷系統(tǒng)（ETS）首次采用SIL3功能安全等級的ABB S+Safety 800xI系統(tǒng)。

1 ABB-DEH&ETS系統(tǒng)功能

上海汽輪機新一代改進型百萬機組控制系統(tǒng)主要包括汽輪監(jiān)視保護系統(tǒng)（TMS）、危急保護系統(tǒng)（ETS）、汽輪機基本控制系統(tǒng)（BTC）、自啟動控制（ATC）、汽輪機輔助系統(tǒng)（AUX）4部分。ABB-DEH&ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 ABB-DEH&ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Structure composition diagram of ABB DEH&ETS system

監(jiān)視保護系統(tǒng)（TMS）：監(jiān)視保護系統(tǒng)（TMS）共兩臺機柜，主要負(fù)責(zé)采集就地軸瓦溫度、軸向位移、軸承振動、油箱液位、潤滑油壓、EH油壓、凝汽器真空及計算值、低壓缸排汽溫度、高壓缸排汽溫度等重要信號進行三選邏輯判斷，輸出汽輪機監(jiān)視保護跳閘信號至ETS系統(tǒng)。

危急保護系統(tǒng)（ETS）：危急保護系統(tǒng)（ETS）為SIL3安全等級獨立控制系統(tǒng)，接收來自TMS保護信號、超速保護、鍋爐MFT保護、電氣GTS保護、手動打閘按鈕等保護信號完成跳機指令的匯集，同時DO模件通過觸發(fā)遮斷指令使就地閥門快關(guān)電磁閥失電，實現(xiàn)機組的保護功能。ETS包括兩套BRAUN硬超速保護裝置，每套裝置接收兩路轉(zhuǎn)速信號，三取二保護在BRAUN內(nèi)部回路實現(xiàn)，每套裝置輸出兩路干接點信號至硬跳閘回路。ETS系統(tǒng)的每個主汽門及調(diào)門油動機均包含兩個冗余失電動作的快關(guān)電磁閥，任一電磁閥失電快關(guān)對應(yīng)閥門。遮斷DO輸出為分別來自不同模件的觸點，并聯(lián)冗余后對應(yīng)輸出一個電磁閥。

汽輪機基本控制系統(tǒng)（BTC）：汽輪機基本控制系統(tǒng)（BTC）共包含兩個模件柜。BTC部分是汽機控制的核心部分，主要完成汽輪機的轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制、壓力控制以及高排溫度及高壓葉片溫度控制，另外包括指令生產(chǎn)器、閥位限制器、TAB限制器等通過綜合判斷調(diào)節(jié)實現(xiàn)機組的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓力調(diào)節(jié)以及試驗功能。

汽輪機自動控制（ATC）：汽輪機自動控制部分由一個模件柜構(gòu)成，主要完成機組的各部套的溫度點測量和判斷、熱應(yīng)力計算以及汽機自啟動部分的順序控制邏輯。設(shè)有應(yīng)力評估器（TSE），計算在汽輪機啟動停機以及正常運行時的允許溫升率，以確定最佳的主蒸汽參數(shù)及汽輪機的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化率，確保運行中主要部件的應(yīng)力不超限，延長機組的壽命。

汽輪機輔助控制（AUX）：汽輪機輔助系統(tǒng)硬件部分由兩個模件柜組成。輔助系統(tǒng)部分（AUX）控制為典型的汽機島控制，輔助系統(tǒng)順序控制主要包括潤滑油、EH油、油系統(tǒng)檢查。機組的啟動停止SGC運行過程中，通過下發(fā)指令給輔助系統(tǒng)的順序控制，實現(xiàn)輔機自動啟停功能。

2 硬件部分可靠性提升研究

2.1 DEH與ETS實現(xiàn)既獨立又“一體化”的配置

存在問題：ETS系統(tǒng)未單獨設(shè)計監(jiān)視畫面，只通過OPC通訊后在DEH進行畫面組態(tài)。無法直接監(jiān)視卡件狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)、首出及重要信號的監(jiān)視，實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)趨勢無法在ETS工程師站查詢。

解決措施：SIL3 ETS控制系統(tǒng)變更增加配置，實現(xiàn)與DEH控制系統(tǒng)按照既獨立又“一體化”的配置，ETS工程師站具備網(wǎng)絡(luò)卡件、首出報警、重要參數(shù)監(jiān)視、歷史實時趨勢查詢（進行中）、SOE等功能，同時SymphonyPlus Operation也可以通過專用OPC進行ETS系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視。

2.2 實現(xiàn)S+Operation與S+Engineering的友好融合

存在問題：ABB系統(tǒng)工程師站無DEH畫面監(jiān)視操作和趨勢查詢等操作員站功能，不能滿足生產(chǎn)需求。ABB SymphonyPlus系統(tǒng)工程師站與操作員站為不同軟件系統(tǒng)，工程配置兩臺操作員站（集控室）、一臺工程師站（工程師站），服務(wù)器配置在操作員站，工程師站無法查看畫面及趨勢。

解決措施：ABB SymphonyPlus系統(tǒng)工程師站增加配置客戶端軟件，通過操作員站服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)畫面監(jiān)視操作和趨勢查詢等操作員站功能。

2.3 改進DEH & ETS網(wǎng)絡(luò)、電源結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)冗余配置

存在的問題：DEH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較于傳統(tǒng)的三層網(wǎng)，每臺操作員站兼具服務(wù)器的作用，同時ETS系統(tǒng)通過OPC通訊至DEH服務(wù)器，服務(wù)器與交換器通過光電轉(zhuǎn)換模塊，但由于光電轉(zhuǎn)換模塊較多，網(wǎng)絡(luò)存在薄弱環(huán)節(jié)，可靠性較低。

解決措施：單臺機組DEH新增加兩個級聯(lián)交換機，用于取代4個光電轉(zhuǎn)換模塊；每個操作員站由原來的單個CNET網(wǎng)線均增加為雙路CNET網(wǎng)線；光纜選用鋼鎧單模4芯光纖；尾纖要加保護軟套；網(wǎng)線是采用帶屏蔽的超六類網(wǎng)線，預(yù)制網(wǎng)線水晶頭。

2.4 測試發(fā)現(xiàn)并整改ETS DI卡件越級熔斷隱患

存在問題：ETS柜內(nèi)DI卡件的上層保險為T3.5A 250V CQMST型保險，當(dāng)任意一個DI信號短接或接地時，即會導(dǎo)致該DI信號所在DI卡的上層保險損壞，使該DI卡失電，存在越級熔斷、ETS保護誤動的風(fēng)險，嚴(yán)重影響機組的安全。

解決措施：經(jīng)測量損壞的保險電阻為17.7KΩ，初步判斷不是普通意義上的熔絲（熔絲熔斷后電阻為+∞），應(yīng)為正溫度型熱敏電阻（PCT），即所謂的萬次保險。最終廠家更換ETS DI880卡件底座，更換為成熟的單通道獨立的DI卡件底座，避免越級熔斷，保護誤動的風(fēng)險。

2.5 ETS跳閘及控制回路電源單獨冗余配置

ETS控制電源、跳閘電源各兩路220VAC電源分別單獨取自電氣UPS裝置，實現(xiàn)控制電源、跳閘電源的完全獨立冗余配置。采取的可靠性措施如下：

1）ETS機柜兩路跳閘繼電器硬接線回路分別增加一路DC24V電源，與已有的一路的DC24V電源可靠冗余，保證接線電氣的連續(xù)性。

2）ETS控制系統(tǒng)跳閘回路電源模塊功率較大（24V×40A=960MW），電源模塊溫度超過40℃。在設(shè)計時采取獨立設(shè)置強制冷卻手段，ETS機柜增加風(fēng)扇（設(shè)置3個風(fēng)扇），同時優(yōu)化電源模塊安裝位置利于散熱。

2.6 改進型甩負(fù)荷策略解決同類型機組共性問題

超超臨界機組DEH甩負(fù)荷回路的快關(guān)信號跨控制器通信，主要通過以太網(wǎng)或硬接線實現(xiàn)?？礻P(guān)信號經(jīng)過控制器處理周期和通訊時間導(dǎo)致調(diào)門關(guān)閉響應(yīng)時間時間變長，曾發(fā)生多次甩負(fù)荷失敗。

本項目結(jié)合同類型機組出現(xiàn)的問題，在一體化普通方案基礎(chǔ)上研究改進，增加C20動作、Rapaid動作硬回路直接斷掉硬回路供電的方案，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后快關(guān)電磁閥甩負(fù)荷動作回路Fig.2 Optimized load rejection action circuit of quick close electromagnetic valve

優(yōu)化后方案的特點在于快關(guān)信號可以不跨控制器通信，可在同一控制器內(nèi)直接使快關(guān)電磁閥供電回路負(fù)端動作。當(dāng)調(diào)門快關(guān)信號觸發(fā)后，通過TP卡的ROM繼電器直接斷掉電磁閥供電負(fù)端，系統(tǒng)相應(yīng)速度更快。

進行甩負(fù)荷及FCB回路模擬試驗，將調(diào)節(jié)閥開啟至全開狀態(tài)，在DEH工程師站模擬甩負(fù)荷及FCB功能，驗證控制邏輯的正確性，以及在線測試調(diào)節(jié)閥動作特性及時間。驗證控制邏輯正確，高壓調(diào)節(jié)閥動作總時間170ms，中壓調(diào)節(jié)閥動作總時間260ms。

DEH現(xiàn)場進行1050MW機組實際的甩負(fù)荷試驗，分別進行50%、75%、100%甩負(fù)荷試驗：①甩50%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3078rpm；②甩75%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3111rpm；③甩100%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3129rpm。汽機轉(zhuǎn)速控制回路在一個周期的波動即控制到3000rpm定速，系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的動態(tài)特性，在同類型機組中調(diào)速性能處于最先進水平。

3 軟件部分可靠性提升研究

3.1 評估優(yōu)化ETS保護邏輯

1）評估優(yōu)化取消主保護項目：跳閘電磁閥斷線保護PASSIVATION XV10、凝汽器水位高ETS保護、油系統(tǒng)緊急停止按鈕保護、EH系統(tǒng)緊急停止按鈕保護、#1低壓缸靜葉環(huán)蒸汽溫度高保護、#2低壓缸靜葉環(huán)蒸汽溫度高保護，IP WET STM PROT TRIP PROT、HP WET STM PROT TRIP PROT、發(fā)電漏液液位高保護、冷氫A/B溫度高保護、勵磁風(fēng)溫高保護。

2）評估優(yōu)化的單點保護項目

SIL3 ETS增加一路“TURBINE SYSTEM ETS N.TRIP”硬接線信號至TMS，實現(xiàn)ETS至SGC和流量指令、閥門指令清零邏輯冗余配置。

TMS、ETS保護條件汽輪機順控54步信號為通信網(wǎng)絡(luò)信號。順控54步信號需從ATC增加一路（只有一個DO卡件）硬接線至TMS，實現(xiàn)二取二邏輯處理，并采取防拒動的措施。

TMS保護條件高壓缸蒸汽溫度高保護，保護定值是轉(zhuǎn)子溫度經(jīng)函數(shù)處理后，為通信網(wǎng)絡(luò)點參與主保護。轉(zhuǎn)子溫度信號需從ATC增加一路（只有一個AO卡件）硬接線至TMS，實現(xiàn)二取均邏輯處理。

TMS保護條件潤滑油箱油位低保護，保護定值是汽機轉(zhuǎn)速經(jīng)函數(shù)處理后為通信網(wǎng)絡(luò)點參與主保護。油位保護定值信號需從BTC增加兩路硬接線至TMS，實現(xiàn)三取中邏輯處理。

TMS的每個保護項目均設(shè)置熱控工程師保護投退防誤操作閉鎖邏輯，實現(xiàn)保護狀態(tài)的可視化，并在畫面上顯示投入/退出狀態(tài)監(jiān)視。

3.2 “電跳機”實現(xiàn)三取二配置滿足SIL3要求

印 尼PPA協(xié) 議“FSS and ETS shall satisfy the safety integrity level（SIL）requirements”的要求，實際是發(fā)電機電氣保護停機項目滿足SIL3 ETS系統(tǒng)三取二保護的要求。本項目“電跳機”大聯(lián)鎖實現(xiàn)方式為：發(fā)電機保護A屏（三取二）、發(fā)電機保護B屏（三取二）、發(fā)變組保護A屏（三取二）、發(fā)變組保護B屏（三取二）、電氣非電量保護屏（三取二）共5個屏各送出3個獨立的干接點信號在ETS（控制周期5ms）進行三取二處理，后進行五取一。滿足二十五項反措、印尼PPA協(xié)議、集團負(fù)面清單以及國華邏輯審查管理等要求，在行業(yè)內(nèi)“電跳機”保護設(shè)置是最先進、最可靠的配置方案。

3.3 印尼“大機小網(wǎng)”背景下DEH控制策略優(yōu)化

1）一次調(diào)頻邏輯控制策略

轉(zhuǎn)速不等率：5%（自適應(yīng)在線調(diào)整）。

調(diào)頻死區(qū)：±12rpm（±0.2Hz）。

調(diào)頻范圍：525MW～1050MW。

限制幅度：±63MW（自適應(yīng)在線調(diào)整）。

一次調(diào)頻（DEH+CCS）設(shè)置投切按鈕。

2）優(yōu)化DEH KU/LAW功能邏輯

通過調(diào)研行業(yè)內(nèi)同類型機組關(guān)于西門子機型DEH系統(tǒng)KU、LAW功能邏輯優(yōu)化，以及后期投運控制系統(tǒng)邏輯配置情況，結(jié)合本項目電氣零功率切機，在甩負(fù)荷試驗成功驗證后，DEH取消長甩LAW功能，保留短甩功能（在甩負(fù)荷識別信號增加0.1s延時，且汽機轉(zhuǎn)速大于3030rpm，短甩功能在2s內(nèi)復(fù)位，防止發(fā)生誤動）。

3.4 電網(wǎng)導(dǎo)致發(fā)電機功率信號波動時DEH邏輯優(yōu)化

1）當(dāng)DEH側(cè)3個發(fā)電機功率信號兩個及以上故障時（包括兩兩偏差大于20MW），功率控制器的給定值與實際值偏差大（50MW）且汽輪機轉(zhuǎn)速在2970rpm～3030rpm之間，DEH自動切初壓控制，聯(lián)鎖CCS控制切TF方式。

2）當(dāng)CCS側(cè)3個發(fā)電機功率信號兩個及以上故障時（包括兩兩偏差大于20MW，已經(jīng)有），功率控制器的給定值與實際值偏差大（50MW），CCS控制切TF方式，聯(lián)鎖DEH自動切初壓控制。

3）電氣功率變送器無法增加濾波環(huán)節(jié)，建議DEH負(fù)荷控制器PID的功率測量值增加一階慣性環(huán)節(jié)（1s～3s），防止功率信號抖動時負(fù)荷PID輸出產(chǎn)生擾動。

3.5 優(yōu)化完善DEH-SGC與DCS-APS接口

輔助系統(tǒng)順序控制主要包括潤滑油、EH油、油系統(tǒng)檢查，以及汽機疏水和抽汽逆止門和軸封系統(tǒng)控制。機組的啟動停止SGC運行過程中，通過下發(fā)指令給輔助系統(tǒng)的順序控制，實現(xiàn)輔機自動啟停功能。為滿足機組APS功能的靈活運行，實現(xiàn)DEH-SGC與DCS-APS接口更好地融合，做了如下優(yōu)化方案：

1）在原有大DEH的設(shè)計基礎(chǔ)上，軸封系統(tǒng)控制部分邏輯及測點變更到DCS控制，可以實現(xiàn)軸封系統(tǒng)與機組APS功能的無縫鏈接。

2）分別增加潤滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)APS啟動、停止指令，系統(tǒng)運行、停止反饋信號，可以在機組DCS-APS時，靈活調(diào)用DEH-SGC順控程序。

4 嚴(yán)格在線試驗指導(dǎo)故障應(yīng)急處理

以問題為導(dǎo)向，重在復(fù)原故障現(xiàn)象，深入分析故障原因，總結(jié)應(yīng)急處理經(jīng)驗，形成故障應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)操作卡。

問題1：轉(zhuǎn)速卡TP800-ROM繼電器誤動作。此問題為重復(fù)出現(xiàn)的問題，若在機組運行時發(fā)生，DEH & ETS邏輯Rapid travel、FAST CLOSE動作，汽輪機油動機跳閘電磁閥動作，閥門關(guān)閉機組跳閘。

問題2：核心卡件CPM810故障率較高（已更換3塊），嚴(yán)重影響機組安全運行。若在機組運行時發(fā)生，DEH閥門卡（伺服卡+通訊卡）故障油動機失控，可能引發(fā)機組甩負(fù)荷動作，機組負(fù)荷壓力大幅波動，EH油系統(tǒng)工作異常，誘發(fā)機組發(fā)生低頻振蕩，甚至導(dǎo)致機組直接跳閘（或需要即刻停機處理）等，嚴(yán)重影響機組安全運行。

問題3：單個模塊底座故障，導(dǎo)致整個控制站失去控制?？刂葡到y(tǒng)底座串聯(lián)設(shè)計，回路中的任何一個卡件或者通訊電纜故障，導(dǎo)致整個控制站故障，整個DEH失去控制，都會給機組安全運行帶來風(fēng)險。一是DEH失去控制，保護系統(tǒng)直接動作機組跳閘，二是若需檢查處理，需要通過排查法進行故障排查，排查故障及更換底座在機組運行時無法處理，需要停機處理。

在控制系統(tǒng)調(diào)試期間，組織進行DEH轉(zhuǎn)速卡件和伺服卡件抗干擾試驗、常規(guī)I/O卡件在線更換試驗、工程師站及操作員站網(wǎng)絡(luò)在線冗余切換試驗、AI模件底座保險及通道保險熔斷驗證試驗、BRAUN卡手動自檢功能驗證試驗、DEH側(cè)甩負(fù)荷及FCB回路模擬試驗。針對冗余伺服模件進行在線冗余切換實驗，實驗過程采用示波器錄波驗證，當(dāng)模件切換時伺服系統(tǒng)控制正常，滿足可靠性及實際運行的要求。

根據(jù)在線試驗情況，按照火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)典型故障應(yīng)急處理預(yù)案，制定相關(guān)措施，明確應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)操作，并結(jié)合日常維護和機組檢修采取預(yù)控措施。

5 結(jié)語

某電廠#1機組于2019年12月12日完成COD試運行，在汽機沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、甩負(fù)荷試驗和168h滿負(fù)荷試運中均一次成功，控制邏輯保護投入率100%，自動投入率100%，保護正確率100%。機組投產(chǎn)即連續(xù)安全運行超400天，創(chuàng)同類型機組新紀(jì)錄，ABB Symphony Plus SD系列控制系統(tǒng)在上汽改進型超超臨界機組DEH控制系統(tǒng)上首次應(yīng)用并安全可靠運行。本項目長周期安全穩(wěn)定運行，源源不斷地為印尼電網(wǎng)提供可靠的電源提供了可靠性保障，為推動電力建設(shè)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及中印尼兩國電力事業(yè)互惠合作起到良好的示范作用。