尹旭佳， 周 策， 閆 俊

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)從前蘇聯(lián)、美國(guó)、日本等國(guó)引進(jìn)了大批300 MW 以上等級(jí)的亞臨界和超臨界機(jī)組，這些機(jī)組的投運(yùn)對(duì)促進(jìn)我國(guó)的社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到了巨大的作用。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及電網(wǎng)對(duì)機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制、一次調(diào)頻等自動(dòng)化運(yùn)行水平要求的不斷提高，這些機(jī)組分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 出現(xiàn)了硬件性能落后、可靠性下降等問(wèn)題，已很難滿(mǎn)足機(jī)組對(duì)安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)調(diào)度的需求。只有對(duì)現(xiàn)有DCS 進(jìn)行替換或者升級(jí)改造才能解決問(wèn)題，這已成為目前我國(guó)火力發(fā)電廠(chǎng)控制系統(tǒng)升級(jí)和改造的主要方式[1-3]。本文以某電廠(chǎng)350 MW 進(jìn)口三菱機(jī)組DCS 改造為例，詳細(xì)介紹了改造的具體實(shí)施過(guò)程和實(shí)際改造結(jié)果。

1 改造前概況

某電廠(chǎng)2 臺(tái)機(jī)組系引進(jìn)全套日本三菱設(shè)備，配備MB-FRR 單汽包、輻射、再熱控制循環(huán)露天鍋爐，TC2F-35.4 亞臨界、一次中間再熱、反動(dòng)式、單軸雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)以及MB-J 臥式全氫內(nèi)冷、隱極、全靜態(tài)可控硅整流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

機(jī)組原主控系統(tǒng)采用三菱公司的DIASYS-UP/V 分散控制系統(tǒng)，包括協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS（coordination control system）、汽輪機(jī)電調(diào)控制系統(tǒng)DEH（digital electric hydraulic）、給水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)MEH（micro electro hydraulic）、順序控制系統(tǒng)SCS（sequence control system）、計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)DAS （data acquisition system）、燃燒管理系統(tǒng)BMS（burner management system） 等。高低壓加熱器水位控制、輔汽壓力等采用基地式調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制，凝汽器膠球清洗、磨煤機(jī)潤(rùn)滑油站、空預(yù)吹灰等采用PLC 控制，汽機(jī)、鍋爐主保護(hù)采用繼電器控制方式實(shí)現(xiàn)，1、2 號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵由遠(yuǎn)程I/O 柜和SCS-COM 控制柜共同控制[4]。

機(jī)組DCS 自2000 年投運(yùn)以來(lái)，早已運(yùn)行超過(guò)了8～12 年的有效壽命。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，硬件設(shè)備逐漸老化，系統(tǒng)容量趨近飽和，可靠性越來(lái)越低，機(jī)組運(yùn)行中的安全隱患也越來(lái)越大。由于控制系統(tǒng)設(shè)備陳舊、備品備件采購(gòu)困難，失去廠(chǎng)家技術(shù)支持，維護(hù)難度大。

2 改造方案

在保持原DCS 所有設(shè)計(jì)功能的基礎(chǔ)上，采用艾默生OVATION 分散控制系統(tǒng)取代三菱DIASYS-UP/V 系統(tǒng)，系統(tǒng)軟硬件全部更換。通過(guò)增加硬件設(shè)備以及軟件優(yōu)化，將鍋爐主保護(hù)系統(tǒng)、汽機(jī)主保護(hù)系統(tǒng)、鍋爐火檢系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等進(jìn)行整合，對(duì)公用系統(tǒng)的功能進(jìn)行分離，并對(duì)原設(shè)計(jì)的控制策略和組態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。新的DCS將 DEH、 MEH、 BMS、 旁 路 控 制 系 統(tǒng) BPC（bypass control system）、事件順序記錄系統(tǒng)SOE（sequence of event）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS（furnace safeguard supervisory system）、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)ETS（emergency trip system）、給水泵汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)METS（micro emergency trip system） 全部納入一體化平臺(tái)。系統(tǒng)控制器功能分配見(jiàn)表1，改造后單臺(tái)機(jī)組控制規(guī)模大約為6 700點(diǎn)。

表1 DCS 控制器功能分配

3 改造內(nèi)容

3.1 硬件改造

調(diào)整原控制柜的位置來(lái)優(yōu)化電子間空間的設(shè)計(jì)，對(duì)電子間機(jī)柜、操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等硬件進(jìn)行更新，拆除35 面舊機(jī)柜，安裝36面新控制柜和5 臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。為控制改造成本，從現(xiàn)場(chǎng)就地設(shè)備至DCS 機(jī)柜盡量使用原有的電纜，同時(shí)優(yōu)化機(jī)柜及接線(xiàn)端子排布置方案。控制站工作電源盡量保持原配電方式，新系統(tǒng)內(nèi)部電源滿(mǎn)足就地設(shè)備的供電方式。

對(duì)立盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取消常規(guī)儀表，增加大屏幕電視墻設(shè)計(jì)。保留火焰、汽包水位、煙囪電視監(jiān)視系統(tǒng)，增加工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)和機(jī)組主要參數(shù)顯示窗口。機(jī)組操作臺(tái)上除設(shè)操作員站外，設(shè)計(jì)安全停機(jī)、停爐、解列發(fā)電機(jī)等所必需的操作按鈕，取消全部后備手操。

對(duì)鍋爐火檢柜卡件和火檢探頭進(jìn)行升級(jí)改造，拆除機(jī)爐主保護(hù)系統(tǒng)繼電器控制柜，控制功能在DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

3.2 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由原來(lái)低油壓系統(tǒng)改為高油壓控制系統(tǒng)，并納入機(jī)組DCS 一體化平臺(tái)。拆除主機(jī)前軸承箱兩側(cè)的透平油控制柜，在前軸承箱連接孔安裝堵板，監(jiān)測(cè)主油泵入口及出口壓力、軸承潤(rùn)滑油壓力，重新設(shè)計(jì)安裝高壓油壓力表、保安油壓力表、潤(rùn)滑油壓力表。

主機(jī)保留機(jī)械超速與手動(dòng)停機(jī)及啟動(dòng)掛閘部分，加裝隔膜閥和高壓遮斷模塊，對(duì)安全油進(jìn)行遮斷控制。其中EH 安全油跳閘裝置AST 電磁閥設(shè)計(jì)采用“失電跳”和“并+串”的方式，防止跳閘裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)概率，提高汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性；OPC 電磁閥采用帶電遮斷的冗余設(shè)計(jì)，旁路經(jīng)過(guò)高壓遮斷模塊，防止拒動(dòng)。

所有油動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，高主、高調(diào)、中調(diào)閥門(mén)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，中主閥門(mén)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)型控制，每個(gè)油動(dòng)機(jī)可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)快速卸掉安全油，充分保證閥門(mén)快關(guān)時(shí)間。為保證排油順暢，油站安裝在0 米層。

3.3 軟件升級(jí)

機(jī)組控制策略在原基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和完善，并對(duì)改造過(guò)程中原控制邏輯中存在的漏洞和不足之處采取針對(duì)性調(diào)整措施。

a） 為照顧運(yùn)行人員操作習(xí)慣，改造后的機(jī)組控制方式和現(xiàn)有方式保持一致，人機(jī)界面的移植盡量保持原設(shè)計(jì)。新舊DCS 間組態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于不同DCS 的特點(diǎn)不同，需注意存在邏輯模塊算法、功能設(shè)置、跟蹤方式等不同的問(wèn)題[5]。

b） 擴(kuò)大DCS 的規(guī)模，將定排系統(tǒng)、基地式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)溫度參數(shù)等原獨(dú)立監(jiān)視和控制的系統(tǒng)參數(shù)納入DCS 管理。將現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制系統(tǒng)控制功能在DCS 中實(shí)現(xiàn)，如凝汽器膠球清洗控制系統(tǒng)、磨煤機(jī)潤(rùn)滑油站控制系統(tǒng)、密封油溫度控制系統(tǒng)、送風(fēng)機(jī)油溫控制系統(tǒng)、空壓機(jī)閉式水控制系統(tǒng)等。將基地式控制系統(tǒng)控制功能由DCS 實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)更換氣動(dòng)閥門(mén)定位器及附件，增加過(guò)程量測(cè)量裝置如變送器、溫度元件等，敷設(shè)所需控制電纜。對(duì)于輔機(jī)溫度參數(shù)采用遠(yuǎn)程I/O 以通信的方式進(jìn)入DCS，降低施工難度和費(fèi)用。通過(guò)增加硬件設(shè)備以及優(yōu)化，對(duì)鍋爐、汽機(jī)主保護(hù)等系統(tǒng)進(jìn)行整合。將主機(jī)4 臺(tái)循環(huán)水泵原控制功能分離，進(jìn)入單元機(jī)組DCS 控制系統(tǒng)，確保1、2 號(hào)機(jī)組檢修時(shí)互不影響，解決原公用順控控制柜難以隨機(jī)組檢修的弊端。

c） 由于機(jī)組需參與電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)AGC（automatic generation control） 運(yùn)行，為滿(mǎn)足機(jī)組對(duì)負(fù)荷快速響應(yīng)的需求，根據(jù)三菱機(jī)組的特點(diǎn)對(duì)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化（如圖1 所示）。機(jī)組原協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是基于以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的間接能量平衡系統(tǒng)IEB（indirect energy balance），通過(guò)鍋爐主控和汽機(jī)主控對(duì)主汽壓力和機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行控制，以間接平衡機(jī)爐之間的能量。由于鍋爐側(cè)的動(dòng)態(tài)特性隨負(fù)荷變化較大，且主蒸汽壓力和機(jī)組負(fù)荷具有非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，因此單純采用間接能量平衡控制策略，在機(jī)組變動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)難以取得較好的控制品質(zhì)[6-7]。

圖1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略

在協(xié)調(diào)方式下，鍋爐主控接受主汽壓力設(shè)定值和實(shí)際壓力的偏差ΔP作為66 例積分微分控制器PID（proportional-integral-derivative control） 的輸入，為補(bǔ)償汽包鍋爐出力調(diào)整時(shí)較大的滯后，在爐主控指令生成回路上疊加限速后的負(fù)荷指令信號(hào)MWD，實(shí)現(xiàn)提前調(diào)整鍋爐出力。同時(shí)加入負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)燃料量和主汽壓力偏差的微分作為爐主控前饋，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷和燃料量的基本平衡，在變負(fù)荷過(guò)程中提前補(bǔ)償燃料量以快速提高或降低主汽壓力。

在機(jī)側(cè)采用多階慣性環(huán)節(jié)來(lái)平衡機(jī)爐兩側(cè)一快一慢的動(dòng)態(tài)特性。汽機(jī)主控器接受MWD 信號(hào)作為給定值，并引入了主汽壓力偏差功率補(bǔ)償信號(hào)以及主汽壓偏差超馳控制。負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，若機(jī)前壓力出現(xiàn)大的偏差而鍋爐主控?zé)o法將其控制在安全范圍內(nèi)時(shí)，在汽機(jī)主控上疊加汽壓偏差功率補(bǔ)償信號(hào)，防止汽機(jī)進(jìn)汽量變化太快，減少主汽壓力的波動(dòng)。超馳控制的作用是限制加到汽機(jī)主控器PI 調(diào)節(jié)器上的偏差值的幅度，防止調(diào)整幅度過(guò)大，作用相當(dāng)于一個(gè)移動(dòng)的窗口，根據(jù)ΔP值來(lái)限制進(jìn)入PI 調(diào)節(jié)器的偏差幅度。為滿(mǎn)足不同負(fù)荷工況下對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的要求，協(xié)調(diào)控制方式下根據(jù)負(fù)荷指令MWD 對(duì)汽機(jī)主控調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行修正，汽機(jī)跟隨方式下根據(jù)主汽壓力偏差對(duì)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)用鍋爐主控輸出信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行修正，改善回路調(diào)節(jié)品質(zhì)。

根據(jù)鍋爐主控指令BID 變化率對(duì)送風(fēng)量、燃料量、過(guò)熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)回路疊加鍋爐動(dòng)態(tài)加速信號(hào)BIR，使?fàn)t側(cè)慣性、遲延較大的調(diào)節(jié)回路能夠盡快地對(duì)鍋爐主控指令變化做出響應(yīng)，而不是等到各自回路被調(diào)量發(fā)生變化后才開(kāi)始調(diào)節(jié)。為加快燃料量對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行方式，計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)修正值，分別對(duì)比例帶、積分和微分時(shí)間常數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)變參數(shù)調(diào)節(jié)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，改造后機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)變化情況見(jiàn)表2。

表2 機(jī)組改造后負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)

4 存在的問(wèn)題

由于原系統(tǒng)一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、制粉系統(tǒng)、凝結(jié)水泵、真空泵等重要輔機(jī)的控制功能設(shè)計(jì)在同一控制器中，更改設(shè)計(jì)需要重新布置電纜，施工周期和成本都增加較多，更改難度較大，目前維持原設(shè)計(jì)進(jìn)行改造。這種系統(tǒng)配置風(fēng)險(xiǎn)較高，控制器在高負(fù)荷率下運(yùn)行容易導(dǎo)致機(jī)組非停，運(yùn)行過(guò)程中必須經(jīng)常監(jiān)視控制器負(fù)荷率，保持設(shè)備間溫度和清潔度，保障設(shè)備良好運(yùn)行，投產(chǎn)后需加大系統(tǒng)維護(hù)力度，定期進(jìn)行系統(tǒng)清理，避免CPU 超負(fù)荷運(yùn)行。另外，在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)期間盡量減少這些控制器的組態(tài)操作，包括下載邏輯、修改邏輯，避免控制器死機(jī)造成機(jī)組非正常停機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

改造后DCS 各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，自動(dòng)控制系統(tǒng)全部投入正常運(yùn)行，且控制品質(zhì)良好，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況良好的工況下可滿(mǎn)足機(jī)組區(qū)域控制誤差A(yù)CE (area control error) 方式運(yùn)行的要求。該進(jìn)口三菱機(jī)組DCS 改造完成后，徹底解決了原系統(tǒng)備件匱乏、維護(hù)困難等頑疾，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可以為同類(lèi)型機(jī)組的DCS 改造工作提供一定的借鑒意義。