吳 科，解建萍

（1.南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，南京 210032；2.華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212413）

0 引言

在“雙碳目標(biāo)”的大背景下，高效清潔燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)煤電發(fā)展的主要方向。具有較高運(yùn)行參數(shù)的大容量超超臨界火力發(fā)電是目前較為先進(jìn)高效低污染的燃煤發(fā)電方式，進(jìn)一步采用二次再熱技術(shù)，可以在不提高機(jī)組參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高機(jī)組效率，減少煤耗，并且降低污染物的排放，實(shí)現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)已成功投運(yùn)多臺(tái)超超臨界二次再熱機(jī)組，且主要是大容量的1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組[1,2]，此類(lèi)機(jī)組將在不久的將來(lái)得到大力的推廣和發(fā)展。

國(guó)內(nèi)的超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)走在世界前列，但同時(shí)由于該類(lèi)型機(jī)組投運(yùn)臺(tái)數(shù)較少，在國(guó)際上也沒(méi)有很多的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，運(yùn)行控制經(jīng)驗(yàn)不多。作為電廠自動(dòng)化和信息集中管理的核心，前期該類(lèi)型機(jī)組的分散控制系統(tǒng)大多由主機(jī)廠配套提供，即主要采用進(jìn)口廠商的產(chǎn)品[3,4]。

maxDNA系統(tǒng)是國(guó)電南自通過(guò)技術(shù)引進(jìn)，消化吸收再創(chuàng)新而擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成熟、穩(wěn)定、可靠的國(guó)產(chǎn)大型分散控制系統(tǒng)。國(guó)電南自通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)性升級(jí)提升，已成功實(shí)現(xiàn)在1000MW超超臨界機(jī)組上的應(yīng)用[5]，打破了此前西門(mén)子在該機(jī)型的DEH控制的壟斷地位，首次實(shí)現(xiàn)了在1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DCS及DEH的一體化控制，為其他國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)在二次再熱機(jī)組的應(yīng)用提供了重要參考。

1 maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)及技術(shù)特色

maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH主要由3部分構(gòu)成：①監(jiān)控系統(tǒng)；②冗余網(wǎng)絡(luò)；③控制機(jī)柜，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 maxDNA DEH控制系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of maxDNA DEH control system

監(jiān)控系統(tǒng)包含工程師站、操作員站、歷史站、第三方通訊站以及打印機(jī)等設(shè)備，主要完成監(jiān)控畫(huà)面組態(tài)與運(yùn)行、控制器內(nèi)控制算法組態(tài)與管理、歷史數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與展示、第三方通訊等功能。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視、報(bào)警事件收集、控制指令下發(fā)、趨勢(shì)調(diào)閱、控制器管理等必要功能。

冗余網(wǎng)絡(luò)包括物理上獨(dú)立的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，稱(chēng)為maxNET A和maxNET B，采用快速交換以太網(wǎng)以及管理型交換機(jī)，可實(shí)時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及其他重要運(yùn)行參數(shù)，只要任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)全部通訊功能。當(dāng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)均存在時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡。

控制機(jī)柜主要包括過(guò)程控制站DPU、常規(guī)I/O模件和汽輪機(jī)控制專(zhuān)用智能模件。其中，常規(guī)I/O模件包括AI、AO、DI、DO、TC、RTD、CT等，汽輪機(jī)控制專(zhuān)用智能模件包括轉(zhuǎn)速測(cè)量模件、閥門(mén)定位器模件和功率負(fù)荷不平衡模件。這三類(lèi)智能模件采用專(zhuān)門(mén)的輸入輸出通道和高速處理器，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的組態(tài)軟件將對(duì)應(yīng)的控制算法下裝到模件中高速運(yùn)行，典型執(zhí)行周期為5 ms，可滿(mǎn)足汽輪機(jī)調(diào)門(mén)高速控制和保護(hù)要求。

maxDNA控制系統(tǒng)采用無(wú)服務(wù)器架構(gòu)，用戶(hù)可通過(guò)在監(jiān)控系統(tǒng)工作站上經(jīng)過(guò)冗余maxNET網(wǎng)絡(luò)直接控制過(guò)程控制站，所有過(guò)程控制站及監(jiān)控系統(tǒng)工作站均為完全分布式的，單臺(tái)設(shè)備故障不會(huì)引起整體系統(tǒng)失效，特有的軟件背板技術(shù)，所有的硬件及軟件模塊均為軟件背板的服務(wù)器或/和客戶(hù)端，用戶(hù)可根據(jù)規(guī)則開(kāi)發(fā)自有的服務(wù)器或客戶(hù)端無(wú)縫融入系統(tǒng)。系統(tǒng)采用訂閱/發(fā)布機(jī)制和變化傳輸，可大大減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，確保通訊暢通可靠。

1.2 汽輪機(jī)危急遮斷控制系統(tǒng)（ETS）

maxDNA為上海汽輪機(jī)廠超超臨界機(jī)組配套的汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（ETS），主要由ETS控制系統(tǒng)和ETS保護(hù)硬回路組成。

ETS控制系統(tǒng)采用一對(duì)冗余的過(guò)程控制站DPU，支持分周期運(yùn)行，典型執(zhí)行周期為20ms，在過(guò)程控制站中對(duì)諸多冗余的汽輪機(jī)保護(hù)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并通過(guò)控制所有主汽門(mén)、調(diào)門(mén)的油動(dòng)機(jī)的快關(guān)電磁閥，快速關(guān)閉汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門(mén)，從而達(dá)到保護(hù)汽輪機(jī)的目的。

同時(shí)，由于該型汽輪機(jī)取消了機(jī)械超速保護(hù)[6,7]，因而除了ETS控制系統(tǒng)的電子保護(hù)系統(tǒng)外，在ETS保護(hù)系統(tǒng)還設(shè)有兩套獨(dú)立于控制系統(tǒng)外的冗余的超速保護(hù)裝置（BRAUN）。該裝置與停機(jī)按鈕一起，串聯(lián)進(jìn)快關(guān)電磁閥的供電回路，構(gòu)成汽輪機(jī)保護(hù)硬回路。當(dāng)其中任何一套超速保護(hù)裝置動(dòng)作后，所有油動(dòng)機(jī)的快關(guān)電磁閥將立即失電，閥門(mén)將迅速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)快速停機(jī)。

1.3 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH功能

maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH根據(jù)其功能劃分，主要由基本控制系統(tǒng)（OA）和自啟動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）以及汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)3大部分組成。

DEH基本控制系統(tǒng)（OA）的主要任務(wù)是通過(guò)控制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量，從而實(shí)現(xiàn)控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組負(fù)荷以及主蒸汽壓力等目的，主要包括以下控制功能：轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制器、主汽壓力控制器、一次調(diào)頻、甩負(fù)荷控制、轉(zhuǎn)速設(shè)定、負(fù)荷設(shè)定、最大負(fù)荷限制、閥位限制、本地/協(xié)調(diào)控制方式、初壓/限壓控制方式、超高壓缸排汽溫度控制器、高壓缸排汽溫度控制器、超高壓缸葉片壓力控制器等。

圖2 百萬(wàn)汽輪機(jī)閥門(mén)交叉冗余控制方案Fig.2 Cross-over redundant valve control scheme for 1000MW unit turbine

自動(dòng)啟動(dòng)控制（ATC）主要完成汽輪機(jī)溫度、壓力等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)汽輪機(jī)本體及蒸汽溫度、壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行熱應(yīng)力評(píng)估以及X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則計(jì)算，進(jìn)而完成升速率、變負(fù)荷率控制以及自動(dòng)啟?？刂频热蝿?wù)，ATC系統(tǒng)同時(shí)還包含汽輪機(jī)閥門(mén)嚴(yán)密性試驗(yàn)以及閥門(mén)活動(dòng)性試驗(yàn)（ATT）等控制功能子程序。ATC確定的這些控制內(nèi)容最終要經(jīng)過(guò)DEH的基本控制功能去實(shí)現(xiàn)。

汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、低壓缸噴水以及軸封系統(tǒng)等。

1.4 汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)溫度準(zhǔn)則

1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DEH控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了機(jī)組帶超高壓缸以及不帶超高壓缸兩種啟動(dòng)方式，可由運(yùn)行人員在操作員站手動(dòng)選擇。綜合考慮汽輪機(jī)本體及熱力系統(tǒng)等因素，一般采用超高壓缸/高壓缸/中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，汽輪機(jī)啟動(dòng)采用ATC自動(dòng)啟動(dòng)控制。為了保證汽輪機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)符合沖轉(zhuǎn)要求，設(shè)計(jì)了可變的溫度準(zhǔn)則X準(zhǔn)則和Z準(zhǔn)則來(lái)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。在汽輪機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)溫度準(zhǔn)則的監(jiān)視，可以指導(dǎo)運(yùn)行人員快速啟動(dòng)并網(wǎng)。

溫度準(zhǔn)則X1A、X1B主要為了防止打開(kāi)主汽門(mén)并預(yù)暖主蒸汽管道時(shí)，出現(xiàn)超高壓缸、高壓缸閥體蒸汽不適當(dāng)冷卻。

溫度準(zhǔn)則X2A、X2B主要為了讓蒸汽在超高壓缸以及高壓缸閥體凝結(jié)時(shí)，快速達(dá)到飽和蒸汽溫度。該準(zhǔn)則不滿(mǎn)足時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)超高壓、高壓主汽門(mén)預(yù)暖程序。

溫度準(zhǔn)則X4A、X4B主要避免汽輪機(jī)超高壓缸以及高壓缸末級(jí)存在濕蒸汽。該溫度準(zhǔn)則保證了超高壓缸以及高壓缸主汽門(mén)前蒸汽有適當(dāng)?shù)倪^(guò)熱度。

溫度準(zhǔn)則X5主要是為了防止沖轉(zhuǎn)后，汽輪機(jī)超高壓缸汽缸和轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

溫度準(zhǔn)則X6A、X6B主要是為了防止沖轉(zhuǎn)后，汽輪機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子以及中壓缸轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不必要的冷卻。

溫度準(zhǔn)則X7A、X7B、X7C、X7D、X7E以及X7F的目的是保證汽輪機(jī)超高壓缸轉(zhuǎn)子、超高壓汽缸、高壓缸轉(zhuǎn)子、中壓缸轉(zhuǎn)子、高壓缸內(nèi)缸和中壓缸內(nèi)缸均有合適的暖機(jī)度，確保在升速至額定轉(zhuǎn)速的過(guò)程中允許的熱應(yīng)力不會(huì)超限。

溫度準(zhǔn)則X8A、X8B則是在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)高壓缸轉(zhuǎn)子和中壓缸轉(zhuǎn)子溫度的檢查準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則確保了在同期時(shí)允許的熱應(yīng)力不會(huì)超限。

溫度準(zhǔn)則Z3、Z4、Z5準(zhǔn)則主要是檢查主蒸汽、一次再熱蒸汽以及二次再熱蒸汽的溫度過(guò)熱度是否在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。

1.5 汽輪機(jī)調(diào)門(mén)交叉冗余伺服控制

閥門(mén)控制是DEH控制的核心控制之一，閥門(mén)控制的性能直接影響DEH的控制品質(zhì)。maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH在閥門(mén)控制方面具有交叉冗余控制的專(zhuān)利技術(shù)以及專(zhuān)用的閥門(mén)控制模件進(jìn)行閥門(mén)伺服控制[8]，典型控制周期為5ms，能實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)的高速精確控制以及閥門(mén)快關(guān)動(dòng)作，可以快速自動(dòng)處理位移傳感器斷線(xiàn)、線(xiàn)圈斷線(xiàn)、卡件故障等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)更換閥門(mén)控制模件以及位移傳感器等需求，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，maxDNA閥門(mén)控制包含豐富的診斷信息，可在線(xiàn)查看閥門(mén)伺服電流等信息，便于判斷伺服閥是否存在卡澀現(xiàn)象，系統(tǒng)還擁有閥門(mén)自動(dòng)整定技術(shù)，便于檢修人員進(jìn)行閥門(mén)維護(hù)工作。

2 句容電廠1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DEH控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目概況

江蘇華電句容二期項(xiàng)目2×1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組的汽輪機(jī)采用了上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的1000MW超超臨界二次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N1000-31/600/610(620)/610(620)。汽輪機(jī)本體流通部分由超高壓缸、高壓缸、中壓缸及低壓缸4個(gè)部分組成。汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽、滑壓運(yùn)行的方式，共設(shè)有2個(gè)超高壓主汽門(mén)、2個(gè)超高壓調(diào)門(mén)、2個(gè)高壓主汽門(mén)、2個(gè)高壓調(diào)門(mén)、2個(gè)中壓主汽門(mén)以及2個(gè)中壓調(diào)門(mén)。汽輪機(jī)采用國(guó)產(chǎn)maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH，實(shí)現(xiàn)從沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速以及并網(wǎng)到滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電的全過(guò)程一體化監(jiān)視控制與保護(hù)功能。

2.2 系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DEH控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有7個(gè)機(jī)柜，包括1個(gè)ETS控制機(jī)柜、1個(gè)ETS跳閘柜、1個(gè)DEH基本控制柜（OA），1個(gè)DEH自啟動(dòng)控制柜（ATC）以及3個(gè)輔助系統(tǒng)控制柜。由于采用一體化設(shè)計(jì)，DEH可與DCS共用控制系統(tǒng)內(nèi)所有資源，便于運(yùn)行操作、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警監(jiān)視、事故追憶等工作的開(kāi)展。圖3和圖4所示分別為汽輪機(jī)控制功能及ETS檢測(cè)畫(huà)面。

圖3 汽輪機(jī)控制功能畫(huà)面Fig.3 Turbine control main display

圖4 汽輪機(jī)ETS監(jiān)測(cè)畫(huà)面Fig.4 Turbine emergency trip system display

1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DEH采用高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量模件，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。閥門(mén)控制采用了專(zhuān)用的閥門(mén)控制模件以及閥門(mén)交叉冗余控制的專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行閥門(mén)伺服控制，控制周期為5ms，實(shí)現(xiàn)對(duì)包括超高壓主汽門(mén)和超高壓調(diào)門(mén)在內(nèi)的共計(jì)12個(gè)閥門(mén)的高速精確控制以及閥門(mén)快關(guān)動(dòng)作，可以快速自動(dòng)處理位移傳感器斷線(xiàn)、線(xiàn)圈斷線(xiàn)、卡件故障等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)更換閥門(mén)控制模件以及位移傳感器等需求，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。表1所示為單臺(tái)二次再熱機(jī)組（含一臺(tái)主汽輪機(jī)和兩臺(tái)給水泵汽輪機(jī)）DEH和ETS配置情況。

表1 二次再熱汽輪機(jī)DEH+ETS配置表Table 1 System configuration for USC unit DEH and ETS

2.3 控制效果

江蘇華電句容二期項(xiàng)目#3、#4機(jī)組分別于2018年12月16日及2019年5月13日順利通過(guò)168 h試運(yùn)行，maxDNA DEH控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異。圖5所示為汽輪機(jī)從冷態(tài)沖轉(zhuǎn)至帶滿(mǎn)負(fù)荷的閥門(mén)控制趨勢(shì)。

圖5 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至帶滿(mǎn)負(fù)荷閥門(mén)控制畫(huà)面Fig.5 Trend for turbine control form 0 to full load

3 結(jié)束語(yǔ)

1000MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組是將來(lái)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的主流機(jī)型，國(guó)產(chǎn)maxDNA汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DEH在華電句容二期2×1000MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組DEH的首次成功應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，打破了此前國(guó)外的技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)化DEH控制系統(tǒng)在該類(lèi)型機(jī)組投運(yùn)的空白，并首次實(shí)現(xiàn)了DEH與DCS一體化控制，進(jìn)一步推動(dòng)了maxDNA控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外大型機(jī)組DEH項(xiàng)目的應(yīng)用，可為其他二次再熱機(jī)組國(guó)產(chǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

超超臨界二次再熱汽輪機(jī)由于參數(shù)更高，增加了超高壓缸和更多級(jí)次的回?zé)嵯到y(tǒng)等，導(dǎo)致熱力系統(tǒng)更加復(fù)雜，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的控制與保護(hù)范圍、控制算法和控制精度較常規(guī)汽輪機(jī)有一定的差異。目前，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的二次再熱機(jī)組普遍存在負(fù)荷適應(yīng)性不強(qiáng)，汽溫特別是再熱汽溫和負(fù)荷調(diào)節(jié)品質(zhì)差等問(wèn)題。為充分發(fā)揮該型機(jī)組在煤炭清潔高效利用方面的優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)組適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰的靈活性要求，需掌握二次再熱鍋爐與汽輪機(jī)在寬負(fù)荷及變負(fù)荷工況下的動(dòng)態(tài)特性，特別是機(jī)爐耦合特性，改進(jìn)鍋爐給水與給煤控制策略，實(shí)現(xiàn)快速安全的機(jī)組深度調(diào)峰和調(diào)頻，提升運(yùn)行靈活性。同時(shí)，優(yōu)化汽輪機(jī)負(fù)荷控制算法，完善轉(zhuǎn)子和汽缸應(yīng)力監(jiān)視與控制方案，提升保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作可靠性，推進(jìn)超超臨界二次再熱機(jī)組在國(guó)內(nèi)更好地應(yīng)用，為“雙碳目標(biāo)”下，火電機(jī)組的發(fā)展提供新的出路。