清水川電廠是陜西省政府為緩解榆林地區(qū)日益嚴(yán)重的供電短缺形勢而決定建設(shè)的煤電一體化項(xiàng)目。電廠位于府谷縣境內(nèi)清水川河下游東岸，規(guī)劃建設(shè)裝機(jī)容量為1800MW。與電廠配套的馮家塔煤礦位于清水川河下游西岸，一期礦井建設(shè)能力為300萬噸/年，煤礦與電廠相距1.5公里，燃煤通過管狀輸煤皮帶直接從煤礦傳送至電廠。一期建設(shè)2×300MW亞臨界國產(chǎn)空氣冷燃煤機(jī)組采用低氮燃燒、等離子點(diǎn)火、廢水排放和灰渣綜合利用等新型節(jié)能降耗技術(shù)及措施，鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)三大主機(jī)均為上海三大主機(jī)廠家制造。同步建設(shè)先進(jìn)高效的靜電除塵器和石灰石——石膏濕法脫硫裝置。該項(xiàng)目是集節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保為一體的“綠色工程”。
#1、#2機(jī)組DCS、DEH一體化控制系統(tǒng)自2007年5月20 日帶電調(diào)試來，分別于2008年4月11日和2008年4月29日相繼順利通過168小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)行，這是和利時(shí)HOLLiAS-MACS控制系統(tǒng)繼貴州鴨溪電廠2×300MW機(jī)組、黔西電廠2×300MW機(jī)組，江蘇淮陰電廠2×300MW機(jī)組之后在300MW機(jī)組DCS&DEH一體化控制系統(tǒng)上又一成功案例。
控制系統(tǒng)概述
該DCS、DEH一體化控制系統(tǒng)單元機(jī)組控制站20個(gè)，公用系統(tǒng)控制站2個(gè)，脫硫系統(tǒng)控制站7個(gè)。單元機(jī)組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。
該工程DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建立在客戶/服務(wù)器模式體系結(jié)構(gòu)通用的以太網(wǎng)上，控制管理網(wǎng)絡(luò)采用兩層結(jié)構(gòu)，星型連接，控制網(wǎng)絡(luò)雙冗余配置;各個(gè)分散的控制系統(tǒng)控制層采用DP總線方式，便于連接不同的控制智能設(shè)備，支持遠(yuǎn)程IO;各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)層采用冗余星形結(jié)構(gòu)，各個(gè)子系統(tǒng)的星形相互獨(dú)立，互不影響。
現(xiàn)場控制站中央處理單元DPU采用主頻為400MHz的Intel處理器，帶16MB 固態(tài)盤和128M DRAM，并提供10M 以太網(wǎng)雙機(jī)數(shù)據(jù)交換端口和雙DP通訊收發(fā)器，支持支持ProfiBus-DP主站協(xié)議。
控制系統(tǒng)軟件使用同一個(gè)數(shù)據(jù)庫，通過聯(lián)編自動(dòng)生成控制站設(shè)備程序。上層采用 “域”連接技術(shù)，定義#1機(jī)組為#1域，#2機(jī)組為#2域，公用系統(tǒng)為#3域，各域共享管理和操作數(shù)據(jù)，而每個(gè)域又是一個(gè)功能完整的DCS系統(tǒng)。
圖1：單元機(jī)組系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖
系統(tǒng)主要控制功能
整套系統(tǒng)監(jiān)控功能包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)、汽機(jī)空冷控制系統(tǒng)(ACC)、電氣控制系統(tǒng)(ECS)，以及脫硫控制等系統(tǒng)。
FSSS控制功能
FSSS控制系統(tǒng)主要包括鍋爐自動(dòng)吹掃邏輯、油檢漏試驗(yàn)程控邏輯、MFT動(dòng)作及首出邏輯、冷卻風(fēng)系統(tǒng)的保護(hù)聯(lián)鎖和油角的點(diǎn)火程控啟、停等等，各功能均有專用的操作、指示面板。
CCS控制功能
CCS負(fù)荷管理中心對設(shè)定負(fù)荷指令進(jìn)行限速、限幅、閉鎖增減等處理后得出實(shí)際負(fù)荷指令。同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)RB、一次調(diào)頻、風(fēng)煤交叉等功能。自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)以機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式為基礎(chǔ)，可接受電網(wǎng)發(fā)來的負(fù)荷指令，快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的需要。
MCS控制功能
MCS功能主要完成對調(diào)節(jié)設(shè)備的控制和多套自動(dòng)調(diào)節(jié)回路，主要模擬量控制包括了：送風(fēng)機(jī)控制、爐膛壓力控制、一次風(fēng)機(jī)控制、給水控制、主汽溫度控制、再熱汽溫控制、磨煤機(jī)負(fù)荷控制、球磨機(jī)出口溫度控制、除氧器水位、輔助系統(tǒng)控制等等。
SCS控制功能
SCS功能主要完成機(jī)組輔機(jī)、加熱器及各種閥門的操作、聯(lián)鎖、保護(hù)及程控等控制功能。
ECS控制功能
ECS功能除了完成對斷路器的控制外，還對廠用電切換裝置、機(jī)組勵(lì)磁裝置及同期裝置等電氣設(shè)備進(jìn)行操作控制。
ACC控制功能
ACC功能主要完成機(jī)組空冷系統(tǒng)的監(jiān)控，ACC可根據(jù)機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度控制汽機(jī)背壓在允許范圍內(nèi)，通過控制空冷凝汽器的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)汽機(jī)背壓的控制;空冷系統(tǒng)排汽背壓、凝結(jié)水溫度控制也由ACC功能完成。
DEH系統(tǒng)
DEH電氣控制部分
DEH電氣部分由BTC基本控制站、ATC自啟動(dòng)控制站組成，共有3個(gè)機(jī)柜。機(jī)柜中安裝有冗余主控單元及各種I/O模塊(如圖2所示)，以完成各種控制功能。服務(wù)器、工程師站及操作員站與DCS系統(tǒng)共用，主要完成數(shù)據(jù)庫管理、控制組態(tài)及監(jiān)視操作等功能。
圖2：DEH電氣部分硬件系統(tǒng)示意圖
DEH液壓控制部分
液壓控制部分是DEH控制系統(tǒng)控制指令的最終執(zhí)行者，主要包括：油源系統(tǒng)、AST&OPC系統(tǒng)、電液油動(dòng)機(jī)。
1) 油源系統(tǒng)
油源系統(tǒng)為液壓控制部分各油動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力能源，系統(tǒng)壓力為14MPa。它主要由油箱、冗余柱塞泵、蓄能器、循環(huán)泵及冷油系統(tǒng)、再生泵及再生系統(tǒng)等組成。
2) AST&OPC系統(tǒng)
AST&OPC系統(tǒng)用作危急遮斷自動(dòng)停機(jī)和超速保護(hù)控制。
AST的四個(gè)電磁閥組成串并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)，分為兩個(gè)通道：通道1包括20-1/AST與20-3/AST，而通道2則包括20-2/AST與20-4/AST。每一通道在危急遮斷系統(tǒng)(ETS)控制柜中各自的繼電器供電，當(dāng)停機(jī)信號來時(shí)，開啟所有的ATS電磁閥，以使機(jī)組停機(jī)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成兩個(gè)相同獨(dú)立通道的目的是為了使誤動(dòng)作的可能性減至最少。在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，每一通道可以單獨(dú)地進(jìn)行在線試驗(yàn)，而不會(huì)產(chǎn)生遮斷或在實(shí)際需要遮斷時(shí)拒動(dòng)。如圖3所示，如果通道1中閥20-1/AST動(dòng)作，允許AST母管油流經(jīng)過，但通道2中另外兩只電磁閥(20-2/AST，20-4/AST)仍然堵塞著回油通路，不會(huì)引起AST母管油泄掉而使系統(tǒng)遮斷。
兩只并聯(lián)的OPC電磁閥(20-1/OPC，20-2/OPC)對DEH來的OPC控制信號起作用。一旦發(fā)生甩負(fù)荷或當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超速到額定值103%時(shí)，則DEH將給電磁閥發(fā)信號，于是從調(diào)節(jié)汽閥和再熱調(diào)節(jié)汽閥油動(dòng)機(jī)至OPC母管的油快速泄放到回油管，使調(diào)節(jié)汽閥與再熱調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉。
圖3：AST&OPC系統(tǒng)示意圖
3) 電液油動(dòng)機(jī)
DEH主要通過控制各進(jìn)汽閥門的開度，改變進(jìn)汽流量，來調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率。
連續(xù)控制油動(dòng)機(jī)與DEH的伺服模塊配合可使閥門定位在全開全關(guān)之間任何位置。如圖4所示，在快關(guān)油(或安全油)建立期間，油動(dòng)機(jī)受伺服閥控制。在伺服模塊中閥位給定電壓與反映油動(dòng)機(jī)行程的LVDT反饋電壓進(jìn)行比較，經(jīng)比例放大后輸出給伺服閥。伺服閥根據(jù)控制信號的大小及方向控制作油動(dòng)機(jī)開啟或關(guān)閉的速度。油動(dòng)機(jī)行程到達(dá)給定值時(shí)，伺服閥處于斷流位置，油動(dòng)機(jī)行程維持不變。
圖4：連續(xù)控制油動(dòng)機(jī)示意圖
對于中壓主汽閥門由兩位控制油動(dòng)機(jī)控制，只能使閥門定位在全開(全關(guān))位置，在安全油建立期間，油動(dòng)機(jī)受電磁閥控制，電磁閥帶電時(shí)油動(dòng)機(jī)全關(guān)，失電時(shí)全開。
l DEH控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
1) 一次調(diào)頻
電網(wǎng)一次調(diào)頻作用是電網(wǎng)頻率很重要的穩(wěn)定基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速有差調(diào)節(jié)反饋是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻作用最有效的手段，機(jī)組轉(zhuǎn)速反饋同時(shí)也是機(jī)組運(yùn)行安全最有力的保障。
傳統(tǒng)DEH系統(tǒng)，在升速階段一次調(diào)頻功能不起作用。在機(jī)組并入大電網(wǎng)后，而由于通常電網(wǎng)頻率較穩(wěn)定，也不能檢驗(yàn)一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)性能。有的在孤網(wǎng)狀態(tài)下甚至是不穩(wěn)定的。
與傳統(tǒng)DEH比較采用了快速一次調(diào)頻回路(如圖5)，以提高一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。一次調(diào)頻信號不加任何切換邏輯，直接作用到DEH的總閥位給定。機(jī)組在任何工況下，轉(zhuǎn)速反饋都存在，對機(jī)組及電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供了有力的安全防護(hù)。在升速階段即可驗(yàn)證一次調(diào)頻的穩(wěn)定性。
另外，在機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷時(shí)，若實(shí)際發(fā)電機(jī)并未并網(wǎng)。對于傳統(tǒng)DEH由于其一次調(diào)頻功能尚未投入，帶初負(fù)荷的指令會(huì)引起機(jī)組超速。由于此DEH一次調(diào)頻功能的調(diào)節(jié)作用，帶初負(fù)荷的指令只會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高15r/min左右。
圖5：DEH控制系統(tǒng)SAMA圖主回路
2) (2) 主汽門調(diào)門切換
DEH升速過程采用主汽門(TV)控制，當(dāng)升速到2950 r/min時(shí)，切換閥門，由主汽門控制切換為高壓調(diào)門(GV)控制，最后定速3000 r/min。
常規(guī)的閥切換經(jīng)常由于TV與GV的開起和關(guān)閉速率配合不好而造成的汽機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大[1]，為此，通過改進(jìn)閥切換控制方案：閥切換開始時(shí)，開高調(diào)門系數(shù)由1逐漸變?yōu)?，并且轉(zhuǎn)速PID同時(shí)作用于TV和GV，即：
GV閥位輸出=開高調(diào)門系數(shù)×100+(1-開高調(diào)門系數(shù))×閥位給定(轉(zhuǎn)速PID輸出)
TV閥位輸出=(1-開高調(diào)門系數(shù))×100+開高調(diào)門系數(shù)×閥位給定(轉(zhuǎn)速PID輸出)
采用新的閥切換控制方案后，在機(jī)組的各次起動(dòng)中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在DEH進(jìn)行閥門切換過程中非常穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)不超過5 r/min，滿足了DEH 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制的要求。
3) (3)雙冗余LVDT低選功能設(shè)計(jì)
LVDT雙通道高選位置反饋方式，若兩個(gè)LVDT同時(shí)斷線，則油動(dòng)機(jī)將全開，因此不滿足伺服系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)原則。因此將原LVDT斷線檢測判斷后，拉低LVDT解調(diào)后的直流電壓，改為拉高LVDT直流電壓;將原LVDT直流電壓高選電路，改為低選電路，這樣若單個(gè)LVDT斷線，該LVDT直流電壓大于閥位指令電壓，由于采用低選電路，將不影響伺服系統(tǒng)的正常工作。若兩個(gè)LVDT均斷線，LVDT直流電壓大于閥位指令電壓，油動(dòng)機(jī)將全關(guān)。這樣修改后可同時(shí)滿足安全和冗余設(shè)計(jì)原則。
圖6 雙通道低選LVDT原理圖
4) OPC超速限制
在傳統(tǒng)DEH OPC控制邏輯中，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速超過3090r/min，則OPC電磁閥動(dòng)作關(guān)調(diào)門。若發(fā)生遠(yuǎn)方線路開關(guān)跳閘甩負(fù)荷時(shí)，分裂出來的孤立電網(wǎng)。在一次調(diào)頻的作用下，對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速若高于103%，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)連續(xù)振蕩，而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
此DEH只在油開關(guān)斷開期間保留了103%超速限制功能，因此不會(huì)出現(xiàn)上述振蕩。同時(shí)增加了判斷加速度大輸出OPC功能，使機(jī)組在各種甩負(fù)荷工況下具有良好的動(dòng)態(tài)特性，經(jīng)過一次振蕩即能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖7所示為甩100%負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線圖。
圖7 甩100%負(fù)荷曲線圖
小結(jié)
1) HOLLiAS-MACS控制系統(tǒng)采用了“域”的概念把整個(gè)大型控制系統(tǒng)用高速實(shí)時(shí)冗余網(wǎng)絡(luò)分成若干相對獨(dú)立的分系統(tǒng)，一個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)域，各域共享管理和操作數(shù)據(jù)，而每個(gè)域又是一個(gè)功能完整的DCS系統(tǒng)，整套系統(tǒng)調(diào)試、管理和維護(hù)十分方便。
2) 控制站采用標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，將高性能的冗余主控單元回路的控制模塊和其他智能設(shè)備連接起來共同構(gòu)成系統(tǒng)，真正做到了集成化、開放化和智能化。
3) DCS和DEH采用一體化系統(tǒng)，DEH功能既能相對獨(dú)立，又與DCS系統(tǒng)統(tǒng)一管理維護(hù)，減少了系統(tǒng)培訓(xùn)投入和備品備件的種類及數(shù)量。
4) 處于整個(gè)電廠核心控制部分的DEH系統(tǒng)，吸收和改進(jìn)了針對汽機(jī)和電網(wǎng)的優(yōu)化控制方案和策略，大大提高了系統(tǒng)的控制性能和可靠性。
（轉(zhuǎn)載）
