EDPF-NT分散控制系統在某1 000 MW機組中的應用

柳 倩，裴玉良，任志平，劉桂生

(國電諫壁發電廠,江蘇鎮江 212006)

國電諫壁發電廠首臺1 000 MW超超臨界機組于2011年5月21日順利通過了168 h考核運行，正式投入商業運行。這是我國首臺采用自主化成套控制系統（北京國電智深控制技術有限公司生產的EDPF-NT控制系統）的1 000 MW超超臨界機組。該項目是國家高技術研究發展計劃（863計劃）重要課題，該控制系統的投入運行打破了進口控制系統獨占我國百萬機組控制系統的局面。

1 系統概述

國電諫壁發電廠2×1 000 MW機組采用二機一控方式及2臺機組合用一個集中控制室，單元機組以分散控制系統（DCS）為核心，分3個域進行控制，分別為13號域、14號域及公用系統34號域。該系統基于最新計算機嵌入系統技術和現場總線技術開發的分布式控制系統，能夠實現對單元機組主輔機及系統的檢測、控制、報警、聯鎖保護、診斷、機組啟/停、正常運行操作、事故處理和操作指導等功能。顯示器和鍵盤作為機組的主要監視和控制手段，設置少量必要的緊急事故停止和啟動按鈕，以便在DCS出現故障時，確保機組安全停運。DCS主要完成主廠房內單元機組和公用部分的系統及其設備的報警、調節和聯鎖保護等監視功能，包括鍋爐、汽輪機、發電機、空冷系統及相關的輔助系統與設備。

控制系統有操作員站、工程師站、歷史站、輸出設備、分布式處理單元（DPU）及IO模塊、電源、機柜等組成。通過高速網絡構成的局域網將這些設備連接，實現數據在設備中的傳遞、交換和共享。

分布式處理單元（DPU）是系統最基本的控制元。其中主控制器采用嵌入式設計的低功耗高性能計算機，內置實時多任務軟件操作系統和嵌入式組態控制軟件，將網絡通信、數據處理、連續控制、離散控制、順序控制和批量處理等結合起來，形成了較為穩定可靠的控制系統。軟件采用Microsoft windows XP操作系統，DPU站使用Linux，應用軟件為國電智深自主開發的EDPF-NT PLUS應用軟件，還包括Microsoft Excel,Visio等工具以及第三方支撐工具，軟件擁有開放的結構，可以和其他的控制軟件實現數據交換功能。

系統網絡采用工業以太網冗余配置 （如圖1所示），可快速構建星型或環形拓撲結構的高速冗余的安全網絡，符合IEEE802.3及IEEE802.3u標準，基于TCP/IP與實時工業以太網協議，通信速率10/100 Mbps自適應，傳輸介質為帶有RJ45連接器的5類非屏蔽雙絞線或單模或多模光纖。在該網絡結構中，一個系統包含多個既相互獨立又可以集中監控的域，一個域一般是一個相對獨立的子系統，域間信息可以按要求進行有選擇的隔離和交互，域間信息交互可以實現局部集中監控或全廠集中監控。圖示模塊為每個獨立的工作域。

圖1 冗余全網狀互聯

控制網（CNET）是現場控制站的內部網絡，實現控制機柜內的各個I/O模塊和主控單元之間的相互連接和信息傳輸，通信速率1.5 Mbps，傳輸介質為屏蔽雙絞線或光纖，系統網絡和控制網絡分別完成相對獨立的數據采集和設備控制等功能，有效隔離工業自動化系統和IT系統。

2 控制系統硬件組成

1 000 MW機組DCS控制系統實現了單元機組爐、機、電集中控制，完成單元機組主輔機及系統的檢測、控制、報警、聯鎖保護、診斷、機組啟/停、正常運行操作、事故處理和操作指導等功能。機組自動控制系統功能完善，滿足機組在電網中主要承擔基本負荷，同時也能夠滿足電網調峰、調頻運行的控制要求，其成套控制系統實際配置情況如下：

（1）接入的全部測點14 139個，其中單元機組硬接線點11 693個、公用系統硬接線點1 649個、通信接口接入測點797個。

（2）控制的設備總數量1 176臺，其中單元機組控制1 084臺、公用系統控制92臺。

“老頭媳婦去世后，一般比老太太還可憐，很多自己不會做飯、洗衣，干不了家務，也不受兒子、媳婦歡迎”。 （C4,女，62歲）

（3）上位機站總共12臺，其中操作員站5臺、程師站3臺、歷史站1臺、多功能接口站1臺、SIS接口站1臺、大屏幕站1臺。

（4）控制站總共51對，其中單元機組冗余控制器站45對、公用系統冗余控制器站。

（5）主干網網絡交換機總共14臺，為星形、冗余結構，其中單元機組12臺、公用系統2臺。

DCS系統主干網網絡負荷<10%，單個節點最大網絡負荷小于3%，畫面操作相應周期≤1 s，畫面數據刷新周期<1 s，SOE數據采集周期<1 ms，實時數據控制周期≤50 ms，冗余控制器可實現正常無擾切換，控制器滿足無擾在線下裝要求，當控制器掉電或控制器停運時模擬量輸出和開關量輸出保位功能正常，控制器電源適應能力正常。

3 控制策略

1 000 MW機組配套鍋爐是上海鍋爐廠引進德國ALSTOM公司超超臨界塔式鍋爐技術生產的3 040 t/h超超臨界螺旋管圈直流爐，型式為單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、平衡通風、全鋼架懸吊結構、露天布置、采用機械刮板撈渣機固態排渣的鍋爐。鍋爐制粉系統采用直吹式系統，每臺鍋爐配置6臺中速磨煤機。汽輪機是上海汽輪機有限公司引進德國西門子技術生產的1 000 MW超超臨界汽輪發電機組，一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回熱抽汽。發電機是上海汽輪發電機有限公司引進德國西門子公司技術生產的THDF 125/67型三相同步汽輪發電機。控制系統設計包含了數據采集系統（DAS）、鍋爐燃燒管理系統（BMS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制（SCS）系統。汽機控制系統采用上海汽輪機有限公司和西門子聯合設計的DEH控制系統 （數字控制部分也采用西門子T3000分散控制系統）。其中協調控制系統（CCS）和機組快速減負荷（RB）是該控制系統的特點。

3.1 單元機組CCS策略

該控制策略基于國電諫壁發電廠13號機組選用的主設備，采用以下先進控制策略：以燃料量控制鍋爐負荷、以給水量控制微過熱汽溫（焓值），解除給水量調整時對燃料量的耦合作用，且負荷調整時兼顧對汽溫的控制。CCS策略如圖2所示。

圖2 CCS策略

控制微過熱蒸汽焓值。由于微過熱汽溫直觀，微過熱蒸汽焓值線性度好、靈敏度高。

超超臨界機組蓄熱能力小、參數間相互影響嚴重，因此機組在運行工況變化時，主要參數穩定性差，難于控制。但是另一方面，機組蓄熱能力小，鍋爐燃燒率變化時主汽壓或機組功率動態響應的慣性大大減小，只要系統的控制策略設計得當、機組主要控制量間靜態和動態匹配恰當，在快速的燃燒率控制作用下，主汽壓和機組功率動態響應性會更好，主要參數的動、靜態調節品質會明顯改善，能滿足連續滑壓運行的要求[1]。超超臨界機組直流爐由于沒有汽包的工質緩沖和蓄熱緩沖，燃燒率與給水量間的平衡實際上直接代表了鍋爐吸熱量與汽機耗汽量之間的熱量平衡[2]。在變負荷過程中，只要通過給水量和燃燒率的靜態和動態匹配保證熱量平衡關系，中間點的過熱度或比焓將始終保持平穩，機爐將會處于協調平穩的受控狀態。因此，為了保持動靜態過程中各控制量間的基本匹配和平衡，加快變負荷過程中相應回路的響應，該設計采用了變增益和非線性環節改善控制特性。

考慮鍋爐實際運行中燃用煤種變化多樣，多數不能達到設計煤種的運行要求，目前摻燒褐煤的比例已超過50%，因此，該系統設計中采用了煤量校正（BTU）修正，其控制方案如下：采用當前運行的功煤比，即機組穩定運行（實際負荷和主蒸汽壓力波動很小，且持續20 min）時的總燃料量和實際負荷之比值，代表了當前煤質的作功能力，經F（x）和慣性環節處理，乘以負荷指令，作為燃料量指令前饋。再根據燃料實際情況，估計當前負荷指令下所需要的燃料量指令。

根據功煤比的比值自動適應調整鍋爐主控制器調節器比例增益，以增強協調控制系統抗煤質擾動能力。自動適應調整鍋爐主控制器調節器比例增益只施加在鍋爐主控制器上。

該工程中，對于再熱汽溫的控制方案采用了新設計的控制方案，滿足了控制系統的要求，其控制方案如圖3所示。圖中：M/A為手/自動切換；PV為過程變量；SP為給定值；TR為溫度返饋信號。火檢失去2個時，燃燒器擺角調節投手動，小風門投手動。當擺動燃燒器處于手動控制狀態時，上述邏輯關系解除，當鍋爐出現MET、汽輪機跳閘時，噴水調節閥自動聯鎖關閉。

3.2 RB控制方案

RB邏輯共設計7種異常工況，即單臺磨煤機跳閘、2臺磨煤機跳閘、單臺送風機跳閘、單臺引風機跳閘、單臺一次風機跳閘、單臺空預器跳閘、單臺汽動給水泵跳閘情況下的機組出力限制及處理。當多臺輔機跳閘時，以鍋爐出力下降最大的RB工況為機組RB實施工況。當RB發生時，機組從自動發電控制（AGC）或CCS控制方式切換到汽輪機跟隨（TF）方式運行，數字電液調節系統（DEH）切為初壓方式進行機調壓控制，機前壓力定值回路根據不同RB工況，確定主汽壓力控制的目標值和壓力衰減率（壓力定值基本參照目標負荷對應的滑壓值）。

RB發生時，鍋爐煤量調節器指令以不同RB工況降至機組最大限制負荷所對應的目標煤量。由于機組鍋爐通常存在較大的熱慣性，按常規設計自動控制減煤，鍋爐熱負荷短時間內下降不足，因此改原有自動調節為動靜結合控制，動態時快速跳磨，靜態后轉為自動控制，穩定煤量至目標負荷所對應的燃料量。跳磨按照A→F→E的順序進行，間隔時間通常為10 s，保留3臺磨煤機，其中一次風機RB時考慮到風壓瞬間下降過快，適當縮短跳磨間隔 （為7 s）。整個RB過程中分離器出口溫度、爐膛負壓、風壓等子系統維持自動調節狀態，以控制機組主要參數在一定范圍內波動。如果僅僅根據動態偏差控制，由于受調節器速度的限制，執行機構來不及動作，直接引發運行工況的惡化乃至機組跳閘，所以送風機、引風機、一次風機等采用了必要的超馳控制和前饋控制。RB發生時壓力定值首先跟蹤實際壓力，然后壓力定值再按要求變化，以防止RB發生時實際壓力偏高于設定值導致調門反而打開，引起汽溫下降過大。快速投運油槍為緊急投油，隨跳磨間隔投入底層相應兩層運行磨的油槍（不考慮A層油槍），先進油槍，再開油閥，以加強燃燒的穩定。同時考慮到一次風壓可能瞬間跌至很低，導致一次風量低跳閘磨煤機，因此將每臺磨煤機在一次風機RB工況下，一次風量低跳磨延時由10 s自動調整為60 s。RB發生時，所有減溫水調門先超弛關閉30 s，再釋放為正常調節。

圖3 聯動邏輯圖

AGC、一次調頻以及一次調頻在線監測功能于機組168 h試運行期間進行了測試，調節品質均達到國家行業標準，協調控制范圍下限達到60 MW，上限達到了1 023 MW，調節速率為20 MW/min，一次調頻頻率的偏差控制死區為：±2 r/min，轉速的不等率滿足5%，一次調頻控制的限幅±3%額定經濟出力。

4 結束語

EDPF-NT在國電諫壁發電廠1 000 MW機組中成功應用至今，未發生任何由于設備原因造成的機組停運，其硬件設備的安全性較好，系統操作系統為Microsoft windows XP操作系統，具有兼用性和通用性，修改簡單、方便，但是就其軟件應用還有較多需要改進的地方，特別是在真正實現在線修改、下載等方面需要進一步研發。

[1]劉維.超（超）臨界機組控制方法與應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]廣東電網公司電力科學研究院編.熱工自動化[M].北京：中國電力出版社，2010.