LN2000DCS在600MW超臨界直接空冷機組的應用

朱志軍，尹 娜 ，孫遠忠

（1.山東魯能控制工程有限公司，山東 濟南 250002；2.國網能源內蒙古蒙東能源公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

0 引言

DCS系統負責鍋爐、汽機、發電機和空冷島各個系統的控制，完成機組主、輔機的參數監視、協調控制及模擬量回路調節、聯鎖保護、順序控制、數據顯示、異常報警、性能計算、趨勢記錄、事故追憶和報表輸出等功能，成為機組運行必不可少的組成部分。同時為保證電網的安全經濟運行，提高電能質量和電網頻率的控制水平，系統設計了一次調頻和RB等功能，在機組安全運行中擔負著重要作用。

1 工程項目概況

蒙東能源公司鄂溫克電廠一期工程2×600 MW超臨界直接空冷機組鍋爐選用哈爾濱鍋爐廠自主開發研制的單爐膛、一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風、緊身封閉、干排渣、全鋼構架、全懸吊結構П型布置、帶啟動循環泵的變壓運行600 MW超臨界HG1950/25.4—HM15型褐煤直流鍋爐。點火系統采用等離子體點火助燃系統，在B、C磨煤機的一次風噴口處布置有兩層等離子點火器。機組采用中速直吹式制粉系統，每臺爐配置6臺磨煤機，正常運行時5臺運行1臺備用。

汽輪機選用哈爾濱汽輪機有限公司自主研發生產的超臨界、一次中間再熱、單軸兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式CLNZK660—24.2/566/566型汽輪機，給水系統設計為3臺35%容量的電動調速給水泵，空冷島為SPX公司生產，布置7排（每排5順 2 逆）7 列冷卻單元，風機為變頻（15 Hz～55 Hz）控制。

發電機選用哈爾濱電機廠制造的QFSN-600-2YHG型三相交流隱極式同步發電機，冷卻方式為水-氫-氫，發電機出口接入500 kV系統，GIS采用3/2開關接線。同期設有鍋爐補給水系統和凝結水精處理系統，采用氣力輸灰技術和石灰石—石膏濕法、一爐一塔脫硫裝置。

2 DCS系統總體設計

工程DCS系統采用山東魯能控制工程有限公司自主研發制造的LN2000系列產品，控制系統的硬件和系統成套以及系統軟件組態均由山東魯能控制工程有限公司負責及完成。 兩臺單元機組的控制分別由兩套DCS實現，另設一套公用DCS系統對燃油泵房、輔機循環水、電氣公用系統、廠區換熱等公用系統進行統一監視和控制。爐頂過熱器、再熱器壁溫及發電機定子冷卻水溫度監視采用遠程I/O連接。整個DCS共分為網絡級、PU過程控制級、現場I/O驅動級3級。 由PU控制及現場驅動級組成每套子系統的過程控制，其中PU為核心，實現I/O驅動、實時數據處理、計算控制和網絡管理4大功能；各I/O模塊完成對現場的數據（模擬量、開關量、脈沖量等）采集和控制，通過通信總線實現與PU之間的數據交換，從而實現對控制過程的分布式控制和管理功能。過程控制PU與操作員站、工程師站及歷史站通過交換機相連，構成單元機組獨立數據骨干網。 在兩臺機組之間設置公用數據骨干網，通過設置可選擇其中一臺機組取得公用系統操作權限。

2.1 單元機組的配置

單元機組配置35對控制器，分散在各個獨立控制柜內，5臺操作員站，1臺工程師站，1臺歷史站，1臺SIS接口通信站及一臺網絡彩色打印機。控制范圍涵蓋了單元機組控制的各項內容，整套控制系統包括鍋爐安全監視系統（FSSS）、數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）、電氣控制系統（ECS）、空冷島自動控制系統（ACC）、旁路控制系統（BPS）及各公用系統等子系統的控制。

單元機組DCS的過程I/O及控制功能按不同的工藝流程和控制回路的獨立完整原則分配控制器［1］，共設4個電子間，電子間之間通過冗余光纖匯合在鍋爐電子間的DCS網絡柜內，根據機組的工藝流程劃分為多個主要的工藝子系統并與控制器對應完成控制該工藝子系統所需相應的DAS，SCS，MCS和保護聯鎖等功能。其他輔機設備和簡單回路、簡單控制分別并入相關控制器中。

鍋爐電子間共32面機柜，1CWD01－1CWD29機柜為1號機組機柜，其中19面控制柜，配置20對（冗余）PU控制器，1面DCS系統電源柜，1面MFT柜，1面網絡柜，7面繼電器柜。鍋爐電子間還控制著爐頂過熱器、再熱器壁溫IDAS系統，IDAS系統配置一個控制柜1CWD25（2對PU控制器），布置在鍋爐電子間，爐頂分配22個測量單元機柜通過雙絞線連接至控制器。 鍋爐電子間完成鍋爐所有設備、電氣發變組、廠用電系統的監視操作、聯鎖保護、自動控制等功能，具體配置見表1。

表1 鍋爐電子間控制器功能配置

汽機1號電子間共9面機柜（1CWD30－1CWD38），其中6面控制柜，配置6對PU控制器，1面電源柜，2面繼電器柜，交換機分布在1CWD32和1CWD34柜內，控制汽機油系統、B/C給水系統、除氧和高加系統、開閉式水系統等的DAS，SCS，MCS和保護聯鎖功能。具體配置見表2。

表2 汽機1號電子間控制器功能配置

汽機 2號電子間共 6面機柜 （1CWD39－1CWD44），其中5面控制器柜，配置5對PU控制器，1面電源柜，1面繼電器柜，交換機分布在1CWD40和1CWD42柜內。發電機定子冷卻水遠程控制器布置在該電子間1CWD39柜內，1CWD39柜同時作為電源柜。 完成發電機氫油水系統、凝結水系統、真空系統、汽機本體疏水系統等的DAS，SCS，MCS和保護聯鎖功能。具體配置見表3。

表3 汽機2號電子間控制器功能配置

空冷島電子間共6面機柜（1CAB46－1CAB51），其中4面控制器柜，配置4對PU控制器，1面電源柜，1面繼電器柜，交換機分布在1CAB48和1CAB49柜內。完成空冷島的防凍保護、ACC自動控制，具體配置見表4。

表4 空冷島電子間控制器功能配置

2.2 公用系統配置

兩臺機組的公用系統共4對控制器，其中0CWD01－0CWD03柜布置在鍋爐電子間，配置2對控制器，分別控制著電氣公用系統和廠區，礦區換熱公用系統；ACXM01柜為燃油泵房遠程控制柜，通過光纖連接；ACXF01柜為輔機循環水遠程控制柜，通過光纖連接。具體配置見表5。

表5 公用系統控制器功能配置

2.3 DCS網絡結構

DCS系統通信網絡包括單元機組DCS系統配置1對（212、213網冗余）核心交換機，鍋爐電子間3對（冗余）擴展交換機，汽機1號電子間1對擴展交換機，汽機2號電子間1對擴展交換機，空冷島電子間1對擴展交換機，35對PU控制器，5臺操作員站，1臺工程師站，1臺歷史站，1臺SIS接口機；公用系統配置1對（212、213網冗余）核心交換機，4對PU控制器。鍋爐電子間交換機、公用系統交換機、工程師站和操作員站通過網線連接至單元機組核心交換機，其他電子間交換機通過光纖連接至核心交換機，結構見圖1。

3 鍋爐啟動系統控制

鍋爐啟動系統的主要功能是建立冷態、熱態循環清洗，建立啟動壓力和啟動流量，以確保水冷壁安全運行，最大可能地回收啟動過程中的工質和熱量，提高機組的運行經濟性。鄂溫克電廠的啟動系統為內置式帶再循環泵系統，由汽水分離器、分離器貯水箱、爐水循環泵及其輔助系統組成；爐水循環泵的輔助系統包括暖管系統、過冷水系統、最小

圖1 DCS網絡結構

流量再循環管路、冷卻水系統等，見圖2。

圖2 鍋爐內置式啟動系統

啟動系統在機組運行過程中具有濕態和干態兩種運行方式［3］。在鍋爐點火啟動初期階段，鍋爐負荷小于35%BMCR時，分離器起汽水分離作用，分離出的蒸汽進入過熱器系統，水則通過連接管進入貯水箱，根據貯水箱中的水位由爐水循環泵排到省煤器前的給水管道中或經溢流管排到疏水擴容器中。通過給水旁路調閥控制給水流量，建立最小工作流量，此時蒸汽流量小于最小給水流量，省煤器入口給水流量等于給水旁路調閥給水流量和爐水循環泵出口調閥循環流量之和，鍋爐運行在濕態方式，爐水循環泵出口調閥控制貯水箱水位，電泵液偶控制給水旁路調閥前后差壓，隨著機組負荷的增加機組開始導入主給水管道，給水旁路調閥慢慢關閉，電泵液偶控制省煤器入口給水流量，啟動分離器出口溫度處于飽和溫度，此時鍋爐的運行方式與汽包鍋爐基本相同。 控制策略基本是鍋爐燃燒系統定燃料控制、給水系統定流量控制、啟動分離器控制水位、溫度采用噴水減溫控制。當鍋爐蒸汽流量大于最小流量，啟動分離器內飽和水全部轉為飽和蒸汽，分離器只作為蒸汽的流通元件，鍋爐運行在干態方式，即直流控制方式，給水控制與汽溫調節和前一階段控制方式有明顯的不同，給水不再控制分離器水位，通常選取汽水分離器出口汽溫作為中間點溫度，該點溫度的變化將對鍋爐的燃料輸入量和給水量進行微調，此時鍋爐以煤水比控制溫度、燃燒控制壓力。在直流爐干態方式下給水變成過熱蒸汽是一次完成，鍋爐的蒸發量不僅決定于燃料量，同時也取決于給水流量。因此超臨界機組的負荷控制與給水控制、燃料控制密切相關;而維持煤水比又是保證過熱汽溫的基本手段。水煤比因燃料（褐煤）、燃燒狀況、受熱面臟污程度不同而變化，大致范圍是4.8～5.6。

4 直接空冷控制

鄂溫克電廠地處中國北方極寒地區，冬季正常溫度在-30℃以下，最低溫度能到-52℃，空冷島空凝器由SPX公司設計生產制造，7排 （每排5順2逆）7列共49個冷卻單元，風機采用全變頻技術，空冷島所有控制和檢測都納入機組DCS，控制系統設立單獨電子設備間，位于空冷島零米平臺，采用與機組DCS相同的硬件并通過光纖接入DCS系統實現集中監控，由DCS的操作員站完成對其工藝系統的程序啟停、中斷控制及單個設備的操作。根據SPX公司提供控制邏輯說明，由DCS廠家完成空冷控制系統的設計組態。

4.1 風機啟動控制

在DCS系統里，通過控制啟停風機臺數和改變風機轉速來改變通過冷凝器換熱片的空氣流量，從而實現ACC控制等功能。在ACC模式下控制系統根據環境溫度和機組負荷自動設定最佳經濟背壓，調節風機運行數量、風機速度和相應隔離閥。在自動模式下隨著蒸汽流量的增加，測量值高于設定值后，風機自動啟動，機組實際背壓接近設定值并保持風機的運行速度，隨著蒸汽流量增加，實際背壓增高，PID輸出增大，風機轉速提高；風機轉速達到最大值后，冷卻風量無法增加，背壓繼續升高，當實測背壓達到設定值的1.06倍時，下一臺風機自動啟動。

非冰凍工況下的啟動 （環境溫度高于-3℃），風機啟動序列。在每一列中先啟動逆流管束風機（關閉時應最后關閉）；當逆流管束所有風機啟動后，順流管束風機允許啟動，一列一列地平衡啟動；當2臺或更多風機解除聯鎖啟動時，每臺風機間隔15 s啟動。

冰凍工況下的啟動 （環境溫度低于-3℃），風機啟動序列。對于非隔離列，啟動順序與非冰凍工況啟動相同。對于隔離列，首先關閉蒸汽隔離閥，2 min后關閉相應冷凝水、空氣抽氣隔離閥，利用冷凝水隔離閥的旁路將水排空，而抽真空隔離閥上的旁路將保持隔離列在真空狀態。當控制系統需要更大冷凝能力時，先完全打開冷凝水和真空隔離閥，然后打開相應的蒸汽隔離閥，并且本列中的所有風機從逆流管束風機開始啟動。

風機電機轉速通過變頻器控制，要求所有運轉風機以同樣轉速運行，除非在某些非冷凍工況下，風機在次級管束抽入空氣會引起倒轉模式。通過DCS設定背壓值，控制器通過PID調節變頻器，調整所有運轉風機轉速。 一臺風機轉速增加將會使背壓減少，反之亦然。 當一列中某些風機沒有運行，控制系統通過調整順流單元風機頻率在15～42.5 Hz；逆流單元風機頻率在25～42.5 Hz來調整運行風機的速度。當一列中所有的風機運行時，控制系統控制風機的頻率在15～50 Hz，以調節所有風機的運行速度；如果環境溫度在 10℃以上時，超速運轉模式啟動，由操作員手動設定背壓值，使風機超頻最大可達55 Hz。

4.2 空冷系統防凍控制

空冷島露天布置在主廠房外面，防凍是機組冬季運行的重點工作，防凍保護的目的是在設備運行期間防止管道凍結。當環境溫度持續低于-3℃達5 min時，防凍保護功能啟動，當環境溫度持續高于3℃達5 min時，防凍保護功能自動解除。

1）當運行列的凝結水管道溫度超過半數低于25℃時，汽機背壓設定值自動增加3 kPa，并在LED顯示報警，禁止運行人員改變設定值，若30 min后凝結水管道溫度仍低于25℃，那么汽機背壓設定值再自動增加3 kPa，當運行列所有凝結水管道溫度都高于30℃，延時60 min汽機背壓設定值自動減少3 kPa。

2）增加背壓的同時輪降反轉風機轉速15 Hz，若降后轉速指令小于15 Hz則停風機。

3）在環境溫度低于-10℃或風機步級處于零級時，投運列任一抽真空管道溫度低于5℃，啟動對應列回暖程控（以20 Hz反轉直到抽真空管道溫度均大于30℃延時20 min）。這一功能是在ACC自動控制投入時進行的，ACC進行中將優先進行步級切換。

4.3 空冷系統防凍措施

機組在試運期間啟停過程中空冷凝汽器會發生凍結、損壞等事故，通過分析發現空冷凝汽器凍結的主要原因有：氣象條件；空冷凝汽器的進汽量、進汽參數、時間；空冷風機運行方式的控制；排汽參數的控制；旁路系統的配合。通過試運期間啟停過程中采取相關防凍措施能有效控制空冷島防凍。

1）制定和完善防凍措施。根據SPX公司設計要求說明和機組安全運行，制定安全技術措施，加強就地檢查和運行參數監測，充分利用DCS程序中防凍保護的自動控制和人工輔助加熱等方式。

2）空冷風機的運行控制。空凝器系統配置的風機在轉速控制上設計了完整的控制程序，在冬季設計有逆流風機加熱保護、啟用較少的散熱面積及反轉風機等專用的保護程序。

3）鍋爐、汽輪機的聯合啟動。在冬季利用機組的旁路系統進行鍋爐、汽輪機的聯合啟動，鍋爐點火后盡早投入旁路系統，充分利用鍋爐再熱器的干燒能力，盡快提高蒸汽參數，旁路投運后，要盡快增加旁路的通流量，保證空凝器系統需要的最小防凍流量。

4）機組運行控制。機組啟動盡量安排在白天，啟動前退出部分空凝器，在機組真空嚴密性較差時，加強對凝結水溫度、抽氣溫度的控制，使機組在空凝器系統不發生凍結的情況下盡量降低背壓。

5 結語

隨著直接空冷技術的發展，電廠直接空冷技術在我國北方地區的應用越來越多，LN2000分散控制系統通過我國北方極寒地區惡劣氣候的考驗，在鄂溫克電廠空冷機組運行期間，進行大量優化控制邏輯，特別是機組協調大幅度變負荷運行各種控制回路良好，自動和保護投入率均達到優良，分散控制系統可靠性與穩定性都非常好，極大地方便運行人員的操作，保證機組的經濟、安全、穩定的運行。

［1］ 張傳勝.1 000 MW超超臨界機組自動控制系統研究與分析［J］.華電技術，2008，30（7）：58-63.

［2］ 胡百韜，李旭東，高雪梅.600 MW超臨界直流鍋爐啟動系統運行特性探討［J］.山東電力技術，2010（9）：49-51.