吳科,馬振華,朱能飛,陳玉年
(南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司,南京 210032)
國(guó)產(chǎn)maxDNA大型分散控制系統(tǒng)在1000MW機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用
吳科,馬振華,朱能飛,陳玉年
(南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司,南京 210032)
介紹了國(guó)產(chǎn)maxDNA大型分散控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)在某電廠2臺(tái)1 000MW超超臨界火電機(jī)組的鍋爐、汽輪機(jī)和電氣一體化控制方面的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和分析。應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,性能優(yōu)異,滿足1000MW機(jī)組一體化控制要求。
1000MW機(jī)組;分散控制系統(tǒng);汽輪機(jī)數(shù)字電液控制;一體化控制
超超臨界參數(shù)機(jī)組發(fā)電效率超過41%,經(jīng)濟(jì)性明顯[1],國(guó)外多年的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,其技術(shù)已經(jīng)非常成熟[2-3]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)新建了大批1 000 MW超超臨界機(jī)組,這對(duì)分散控制系統(tǒng)(DCS)的容量、速度、精度、穩(wěn)定性、可靠性和易用性等提出了更高的要求,國(guó)產(chǎn)DCS雖然在1000MW機(jī)組中得到了應(yīng)用,但僅限于輔控和鍋爐控制[4],而汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)仍為國(guó)外公司壟斷,更無(wú)法實(shí)施真正的全廠一體化控制。
1000MW機(jī)組大型DCS(特別是汽輪機(jī)控制)技術(shù)難度大,門檻高。為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)在該領(lǐng)域的突破,華電集團(tuán)與南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司進(jìn)行深度合作,引進(jìn)maxDNA大型DCS全套先進(jìn)技術(shù),獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)并進(jìn)行消化吸收和再創(chuàng)新,最終實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。在某電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐汽輪機(jī)電氣一體化控制中的應(yīng)用結(jié)果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)性能優(yōu)異。
本文介紹國(guó)產(chǎn)maxDNA大型DCS的整體架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn),并在1000MW機(jī)組一體化控制項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。
1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
maxDNA大型DCS技術(shù)源于美國(guó)利諾(Leeds&Northrup)公司,該系統(tǒng)經(jīng)過近90年的技術(shù)和工程積累,在全球電力、石化等行業(yè)擁有眾多成功業(yè)績(jī)。
系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循冗余和完全分布式的原則,I/O層通信采用高速并行總線,主干通信采用交換式快速以太網(wǎng),通過獨(dú)有的軟件背板(Software Backplane,SBP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組件的快速、穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互。主要技術(shù)特點(diǎn)有:(1)完全分布式,無(wú)中心服務(wù)器設(shè)計(jì),危險(xiǎn)分散;(2)大容量,通過軟件背板和變量傳輸技術(shù)支持100 000點(diǎn)以上I/O標(biāo)簽;(3)高性能,采用高速并行總線、時(shí)序同步技術(shù)和專用模件實(shí)現(xiàn)控制回路5ms處理周期,可用于汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié);(4)高可靠性,通過特殊硬件設(shè)計(jì)、元器件選型和軟件設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性;(5)高安全性,在控制器和監(jiān)控系統(tǒng)層級(jí)均進(jìn)行信息安全增強(qiáng);(6)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放,擴(kuò)展性強(qiáng),可擴(kuò)展各類用戶功能塊和應(yīng)用程序;(7)支持多種通信協(xié)議,可方便地與第三方系統(tǒng)互連互通。
該系統(tǒng)較傳統(tǒng)DCS在橫向和縱向都進(jìn)行了擴(kuò)展,包含廠級(jí)信息管理、信息管理、性能計(jì)算、監(jiān)控系統(tǒng)、第三方通信、可實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集(支持現(xiàn)場(chǎng)總線接入)等完整的層次,實(shí)現(xiàn)從企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)控制的整個(gè)過程,滿足電廠一體化控制要求。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)硬件及技術(shù)特點(diǎn)
控制器采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和凌動(dòng)處理器,實(shí)現(xiàn)分周期執(zhí)行和最快10ms的回路處理周期,通信處理器采用高速現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn),與運(yùn)算處理器互相獨(dú)立,結(jié)合時(shí)序同步技術(shù)保證運(yùn)算、通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。
I/O模件采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì),具有極高的可靠性,采用高速并行總線實(shí)現(xiàn)高速I/O層級(jí)通信,具備自校驗(yàn)功能,可以保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行信號(hào)測(cè)量和輸出的準(zhǔn)確性而不需要進(jìn)行人工校驗(yàn)。同時(shí),板卡設(shè)計(jì)有自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,可以抵御一定強(qiáng)度的干擾并自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)具有DEH專用模件,閥門控制模件處理周期為5ms,支持一體化的汽輪機(jī)控制。系統(tǒng)具有獨(dú)特的時(shí)間順序記錄機(jī)制,可實(shí)現(xiàn)跨電子間的1ms時(shí)間順序記錄(SOE)精度。除常規(guī)模件外,還包含現(xiàn)場(chǎng)總線接入模件,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的無(wú)縫接入。
系統(tǒng)控制器、I/O模件、電源、網(wǎng)絡(luò)等均可以冗余配置,完全滿足電站分散控制系統(tǒng)要求,也可以應(yīng)用于其他工業(yè)過程。
1.3 系統(tǒng)軟件及技術(shù)特點(diǎn)
系統(tǒng)軟件通信采用獨(dú)有的SBP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn):控制器、監(jiān)控軟件、歷史庫(kù)、第三方通信、報(bào)警、性能計(jì)算等均為SBP的服務(wù)器或/和客戶端,所有數(shù)據(jù)交互均通過SBP實(shí)現(xiàn),SBP完全面向?qū)ο笄抑С秩哂唷BP主要采用函數(shù)調(diào)用/回調(diào)經(jīng)由進(jìn)程間通信實(shí)現(xiàn),提供帶質(zhì)量的各種數(shù)據(jù)類型的讀、連續(xù)讀、快速讀,寫、連續(xù)寫、快速寫,訂閱和取消訂閱等操作,其函數(shù)處理流程如圖2所示。
圖2 軟件背板函數(shù)處理流程
控制器組態(tài)軟件支持填表式和圖形化組態(tài)方式;支持可靠的增量在線下裝和整體離線下裝;支持多種強(qiáng)制功能和凍結(jié)檢查,防止下裝過程對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng);可通過組合基礎(chǔ)功能塊和腳本自定義功能塊。
畫面組態(tài)工具提供豐富的控件以實(shí)現(xiàn)用戶所需的各類功能,且提供強(qiáng)大的腳本支持,可方便開發(fā)各類特殊要求的畫面效果。
系統(tǒng)支持冗余的第三方通信機(jī);支持冗余的歷史站,且可設(shè)置分布式歷史站,歷史數(shù)據(jù)和趨勢(shì)可集中查閱;提供強(qiáng)大的報(bào)表工具和性能計(jì)算軟件;提供SBP開發(fā)接口,用戶可設(shè)計(jì)應(yīng)用程序無(wú)縫接入系統(tǒng)。
系統(tǒng)采用虛擬DCS(虛擬DPU+真實(shí)監(jiān)控系統(tǒng))實(shí)現(xiàn)全工況仿真系統(tǒng),對(duì)控制器和畫面的操作與真實(shí)系統(tǒng)完全一致,具有極高的逼真度,機(jī)爐模型可以采用虛擬DPU,也可以采用第三方仿真支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)還提供豐富的實(shí)用工具,如通信報(bào)文抓取診斷軟件、控制器I/O模件負(fù)荷率評(píng)估軟件、網(wǎng)絡(luò)分析診斷軟件、組態(tài)文件同步軟件等,方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和使用。
2.1 項(xiàng)目概況
某電廠一期建設(shè)2臺(tái)1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,同步建設(shè)脫硫脫硝裝置,鍋爐為東方鍋爐股份有限公司單爐膛、前后墻對(duì)沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣超超臨界變壓運(yùn)行直流爐。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠狡啓C(jī)。發(fā)電機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司和西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的水氫氫冷卻、自并勵(lì)靜止勵(lì)磁汽輪發(fā)電機(jī)。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng),燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí),5臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用。制粉系統(tǒng)配2臺(tái)密封風(fēng)機(jī),1臺(tái)運(yùn)行,1臺(tái)備用。鍋爐點(diǎn)火采用微油點(diǎn)火,起點(diǎn)火及助燃作用,保留點(diǎn)火油系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐配2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)、2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)、3臺(tái)靜葉可調(diào)軸流式吸風(fēng)機(jī)、2臺(tái)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器及2臺(tái)電除塵器。高壓旁路采用帶安全閥功能的100%容量三用閥系統(tǒng),低壓旁路容量為65%容量。給水系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)50%容量汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)電動(dòng)給水泵。汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)有八級(jí)抽汽,一、二、三段抽汽向3個(gè)高壓加熱器供汽,四段抽汽供汽至給水泵小汽輪機(jī)、除氧器、輔助蒸汽聯(lián)箱等,五、六、七、八段抽汽向4個(gè)低壓加熱器供汽。工程由江蘇省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),江蘇省電力科學(xué)試驗(yàn)研究院調(diào)試,#1機(jī)組(除汽輪機(jī)控制外)、#2機(jī)組(鍋爐和汽輪機(jī))均采用國(guó)產(chǎn)maxDNA大型DCS實(shí)現(xiàn)一體化控制。
#1機(jī)組于2013年1月30日倒送電成功,7月5日整套啟動(dòng),8月14日168 h試運(yùn)行結(jié)束;#2機(jī)組于2013年3月16日倒送電成功,8月28日整套啟動(dòng),10月31日168 h試運(yùn)行結(jié)束。一體化分散控制系統(tǒng)功能完善,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異,得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和監(jiān)理單位的一致認(rèn)可。
2.2 鍋爐控制系統(tǒng)
從熱控自動(dòng)套數(shù)上看,典型600MW超臨界機(jī)組熱控自動(dòng)套數(shù)約110套,而1 000MW機(jī)組約180套,因數(shù)量過多而無(wú)法手動(dòng)調(diào)節(jié)[5],這就對(duì)熱控自動(dòng)化水平提出了更高的要求。
在某電廠1000MW超超臨界機(jī)組分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,根據(jù)工藝過程特點(diǎn)和控制器處理能力,合理劃分不同的控制域,采用總線評(píng)估軟件進(jìn)行控制器及I/O測(cè)點(diǎn)劃分。
系統(tǒng)劃分為單元機(jī)組及公用系統(tǒng),單元機(jī)組分為鍋爐、汽機(jī)、電氣、脫硫等部分,共3個(gè)電子設(shè)備間。單元機(jī)組鍋爐系統(tǒng)I/O測(cè)點(diǎn)為6467點(diǎn)、汽機(jī)系統(tǒng)3034點(diǎn)、電氣系統(tǒng)710點(diǎn)、脫硫系統(tǒng)842點(diǎn)。鍋爐系統(tǒng)含1面電源柜、1面link柜、1面主燃料跳閘(MFT)繼電器柜、33面控制柜、20對(duì)DPU,汽機(jī)系統(tǒng)含1面電源柜、17面控制柜、10對(duì)DPU,電氣系統(tǒng)含3面控制柜、1面繼電器柜、3對(duì)DPU,脫硫系統(tǒng)含1面電源柜、5面控制柜、2對(duì)DPU,共使用4對(duì)Cisco交換機(jī),分別布置1對(duì)在集控室、1對(duì)在鍋爐電子間、1對(duì)在汽機(jī)電子間、1對(duì)在脫硫電子間。公用系統(tǒng)包括公用電氣、空氣壓縮機(jī)房、燃油泵房、循環(huán)水泵房、氨區(qū)系統(tǒng),共設(shè)置1面電源柜、4面控制柜、1面繼電器柜、4面遠(yuǎn)程I/O柜、4對(duì)DPU,使用1對(duì)Cisco交換機(jī),公用系統(tǒng)交換機(jī)與單元機(jī)組交換機(jī)采用直接物理連接。
DCS人機(jī)界面單元機(jī)組包括9臺(tái)操作員站、3臺(tái)工程師站、1臺(tái)第三方通信站、2臺(tái)歷史站、1臺(tái)廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)接口站,其中設(shè)置2臺(tái)跨域代理服務(wù)器,1臺(tái)具備分屏功能(至大屏),1臺(tái)配置事件服務(wù)。公用系統(tǒng)包括2臺(tái)第三方通信站(同時(shí)具備代理服務(wù)器功能)、1臺(tái)氨區(qū)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作員站。
DCS與第三方通信包括發(fā)電廠廠用電氣自動(dòng)化系統(tǒng)(EFCS)、智能前端、吹灰系統(tǒng)、爐管泄漏系統(tǒng)、機(jī)組及主要輔機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析故障診斷系統(tǒng)(TDM)、LED顯示屏。由南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司負(fù)責(zé)的DCS外圍系統(tǒng)及設(shè)備包括集控室操作臺(tái)、智能前端、數(shù)字儀表墻等。
根據(jù)工藝要求,在控制器內(nèi)設(shè)置有不同的執(zhí)行周期;對(duì)于順序控制和保護(hù)回路,合理設(shè)置功能塊執(zhí)行順序,保證保護(hù)回路可靠性;重要保護(hù)信號(hào)采用軟硬件冗余與品質(zhì)判斷,提高了信號(hào)的可靠性;采用自定義功能塊編寫了特殊功能塊,滿足工藝控制要求;根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)了清晰、直觀的流程畫面和操作畫面。
2.3 汽輪機(jī)控制
1000MW機(jī)組的DEH是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的控制制高點(diǎn),對(duì)控制指標(biāo)要求極為嚴(yán)苛:汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(ETS)控制站要求20ms響應(yīng),DEH負(fù)荷控制站要求運(yùn)算周期50ms以下,且汽輪機(jī)控制邏輯和算法相當(dāng)復(fù)雜,對(duì)程序的執(zhí)行時(shí)序要求也非常嚴(yán)格,稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致控制延遲甚至擾動(dòng),DEH專用的閥門控制卡和測(cè)速卡則必須達(dá)到極小的控制周期。
某電廠采用的1 000MW機(jī)組汽輪機(jī)此前均配置西門子T3000 DEH[6-7],該系統(tǒng)在軟硬件等方面有著鮮明的特點(diǎn),但同時(shí)在一些細(xì)節(jié)方面也存在不足之處[8]。該電廠1 000MW機(jī)組采用maxDNA系統(tǒng)后,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DCS,DEH和小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)一體化,減少了設(shè)備投資,且為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)試創(chuàng)造了條件。
在DEH設(shè)計(jì)和調(diào)試階段,根據(jù)該型汽輪機(jī)的特點(diǎn)和控制要求[9],結(jié)合控制系統(tǒng)特點(diǎn),采用專用汽輪機(jī)控制模件實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的快速、準(zhǔn)確測(cè)量和閥門的高速精確控制,控制程序?yàn)榻M態(tài)式,方便調(diào)試修改,專用控制模件執(zhí)行周期為5ms,ETS執(zhí)行周期為20ms;針對(duì)該機(jī)型閥位單反饋的特點(diǎn),采用圖3所示閥門交叉冗余控制技術(shù)[10],提供在線更換閥門定位器模件內(nèi)部程序及硬件本身的能力,提高了閥門控制冗余度和可靠性;合理設(shè)置功能塊運(yùn)行順序和周期,各種措施保證了控制的精確性和保護(hù)的可靠性,各項(xiàng)指標(biāo)符合要求,部分指標(biāo)優(yōu)于西門子DEH系統(tǒng)。
此次,該電廠#2機(jī)組DEH首次采用國(guó)產(chǎn)max-DNA系統(tǒng),DEH/MEH系統(tǒng)含1面ETS跳閘柜、1面METS跳閘柜、1面電源柜、7面控制柜、7對(duì)DPU,成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、升負(fù)荷到帶滿負(fù)荷的全程控制,機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)在168 h考核期間全程投入,自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)及一次調(diào)頻功能順利通過電網(wǎng)考核試驗(yàn)。
2.4 電氣監(jiān)控系統(tǒng)
傳統(tǒng)的熱工與電氣控制系統(tǒng)是完全獨(dú)立的2套系統(tǒng),系統(tǒng)間的聯(lián)系全部依靠硬接線。在該項(xiàng)目中,采用maxDNA監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái),通過通信方式與電氣設(shè)備2000多點(diǎn)進(jìn)行可靠通信,取代部分硬接線,不僅實(shí)現(xiàn)可靠監(jiān)視,還具備控制功能,為實(shí)現(xiàn)1000MW機(jī)組熱工與電氣的一體化監(jiān)控進(jìn)行了有益的探索。
圖3 1000MW汽輪機(jī)閥門交叉冗余控制方案
2.5 全工況仿真系統(tǒng)
1000MW機(jī)組自動(dòng)化程度高,人員配備少,對(duì)運(yùn)行和熱工人員提出了更高的要求。全工況仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于運(yùn)行人員和熱工檢修人員的培訓(xùn),提高操作熟練程度并可進(jìn)行事故演練。采用該系統(tǒng)虛擬DCS和第三方APROS仿真支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1 000MW機(jī)組的全工況仿真,對(duì)控制器和畫面的操作與真實(shí)系統(tǒng)完全一致,具有極高的逼真度,應(yīng)用于運(yùn)行和熱工檢修人員的培訓(xùn),取得了良好的效果。
大容量、高效率的1 000MW超超臨界機(jī)組符合節(jié)能、減排、增效的要求,將成為我國(guó)火電主力機(jī)組,而研制和投運(yùn)與之配套的國(guó)產(chǎn)大型分散控制系統(tǒng)和控制策略,實(shí)現(xiàn)機(jī)爐電一體化控制,對(duì)于打破國(guó)外公司技術(shù)壟斷,提升我國(guó)電力自動(dòng)化行業(yè)技術(shù)水平和技術(shù)安全具有重要意義。
本文提出的國(guó)產(chǎn)maxDNA大型DCS源于國(guó)外成熟技術(shù),采用引進(jìn)吸收的方式獲得全套技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)并結(jié)合國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求進(jìn)行再創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)本地化生產(chǎn)。目前,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某電廠的2×1 000 MW超超臨界機(jī)組,實(shí)現(xiàn)了鍋爐控制DCS,DEH,ECS等一體化控制和全工況仿真。
系統(tǒng)投運(yùn)已來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異。實(shí)踐表明,國(guó)產(chǎn)maxDNA大型DCS滿足1 000 MW機(jī)組的控制要求且性能優(yōu)異,可以在1 000MW機(jī)組及其他容量機(jī)組上推廣應(yīng)用。
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(本文責(zé)編:白銀雷)
TP 273;TK 223
A
1674-1951(2015)08-0006-04
吳科(1981—),男,江蘇常熟人,工程師,工學(xué)博士,從事大型分散控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜熱力系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制研究方面的工作(E-mail:ke-wu@sac-china.com)。
馬振華(1982—),男,江蘇南京人,工程師,從事火電廠大型分散控制系統(tǒng)研究與實(shí)施等方面的工作。
朱能飛(1968—),男,江蘇句容人,高級(jí)工程師(教授級(jí)),從事火電廠分散控制系統(tǒng)和電站信息化研究工作。
陳玉年(1970—),男,江蘇淮安人,高級(jí)工程師,從事大型分散控制系統(tǒng)項(xiàng)目管理方面的工作。
2015-01-27;
2015-06-21
江蘇省國(guó)際科技合作計(jì)劃——國(guó)際技術(shù)轉(zhuǎn)移及聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目(BZ2013017)