超超臨界機組故障安全型控制系統設計與實施

歸一數 沈叢奇 夏 杰

(上海明華電力技術工程有限公司1，上海 200090；淮滬煤電有限公司田集發電廠2，安徽 淮南 232098)

超超臨界機組故障安全型控制系統設計與實施

歸一數1沈叢奇1夏 杰2

(上海明華電力技術工程有限公司1，上海 200090；淮滬煤電有限公司田集發電廠2，安徽 淮南 232098)

火電機組故障安全型控制系統設計與實施是當前基建工程深度調試的全新項目。在安徽淮南田集電廠二期基建工程期間，通過與電力設計研究院協調現場測點布置、會同控制系統制造廠設置故障安全型卡件內部接線、聯系設備制造商完善保護條件，以及連同電廠運行和熱控部門討論定值保護清單等工作，在機組基建初期，全面完整設計故障安全型控制系統。調試階段以設備實際運行工況優化控制策略。從機組基建調試到商業投運至今未發生熱控原因造成的誤動作。

超超臨界機組 故障安全 設計 實施 優化

0 引言

對于國內新建火電機組，基建工程重大主、輔設備定購時間不一，電力設計院缺乏足夠時間完整地理順系統和系統、設備和設備間保護主次關系。因此，作為火電機組控制系統邏輯組態實施單位，需要從各方面統籌考慮機組各系統協調關系，分清各項保護主次，統籌設計故障安全型控制系統，確保機組投運后長周期穩定運行。在火電機組基建期間參與的控制系統故障安全型設計雖然前期工作量很大，但卻能極大地縮短現場調試工期，且有效保障調試結束后機組商業運行的穩定，具有很強的現實意義。

安徽淮南田集電廠(以下簡稱田集電廠)二期擴建工程2×660 MW超超臨界機組，是目前國內乃至世界首次采用再熱蒸汽溫度達到620 ℃、供電煤耗280 g/(kW·h)的60萬kW級超超臨界機組，代表了當前世界上60萬kW等級火電機組的最高參數技術水平[1]。對其控制系統的整體設計，首先需要理順一期工程熱控保護設置合理性；其次針對二期新出現的100%大旁路等設備，結合田集電廠鍋爐、汽機設備實際情況，構建新的保護策略；再次對機組聯鎖保護統一協商，實現機組重大保護分層設計與實施，最終完成故障安全型控制系統構建工作。

1 控制系統總體設計及實施

田集電廠二期工程I/O測點數量與一期相仿，系統接口構成基本一致，差別在于數字電液控制系統(DEH)和小汽輪機電液控制系統(MEH)整體化程度更進一步，汽機危急跳閘系統(ETS)和給水泵汽機危急跳閘系統(METS)也進入DCS，機組一體化程度更高。因此，整個機組總體設計可以一期為藍本，同時參照《火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》的要求，即為防止一對控制器故障而導致機組被迫停運事件的發生，重要的并列或主/備運行的輔機(輔助)設備控制分開布置[2]，對機組控制系統總體設計以故障安全原則為依據優化原有控制分配。

1.1 控制器數量確定及實施

近幾年來，國內經濟形勢不再迅猛發展，再加上新建機組審批日漸嚴格，使DCS制造廠家間相互競爭異常激烈。即便是進口DCS制造廠，為了爭奪新建機組這塊長遠發展的“蛋糕”，也不惜血本降低DCS投標價格，原本價格不菲的控制器如今近似“白送”，但如何確定機組實際需要的控制器數量成為控制器配置的首要任務。很多新建機組沒有以設計院預估的I/O測點數量為依據，只是簡單地以將降低控制器組態存儲容量作為明確控制器數量的依據，忽視控制器之間和廠級環網間的通信負荷，在分配控制對象時，反而出現顧此失彼、不能實現總體性能最優的境況[3-5]。

田集電廠一期工程采用19對控制器實現單元機組控制(不含DEH本體控制，二期同)，2對控制器用于公用系統。一期工程控制器分配最大的問題在于，鍋爐側制粉系統兩臺磨煤機公用一個控制器，機組低負荷運行，若兩臺磨煤機公用的控制器出現故障，會導致機組負荷瞬間降至穩燃負荷以下，一旦處理不當極可能造成主燃料跳閘(main fuel trip,MFT)。為此，在DCS招標期間，以設計院預估的8 854點為基礎，按照實際工藝流程故障安全原則劃分系統，并結合一期項目經驗，將二期工程增加控制器至21對，鍋爐制粉系統每層使用一對控制器，增加3對控制器，協調控制系統減少1對控制器(原因分析見1.2)，以真正達到重要的并列或主/備運行的輔機(輔助)設備控制基本分開布置[2]，同時控制器配置數量又不會過多而導致工藝系統分散，增加故障概率。

1.2 控制器分配方案實施

超超臨界直流爐作為一個多輸入、多輸出被控對象，風、煤、水子系統間耦合性很強。機組風煤比或水煤比失調，會直接影響燃燒，處理不好可能跳機。運行過程中只要送風、燃料、給水主控所處控制器出現故障，整個機組就將面臨失控局面[6-7]。因此，合理布置直流爐協調控制系統是控制器分配方案中的重要內容。

田集一期項目燃料、風量和給水控制分別由不同控制器實現，任一控制器出現故障，就會對機組安全型運行造成影響，增加了機組故障發生概率。田集二期控制器分配時考慮到機組各子系統故障等級，將風、煤、水子系統和協調控制系統全部納入10號控制器。與此同時，考慮到旁路系統接口眾多，涉及信號較廣、獨立性強的特點，將旁路控制分配至15號控制器；過熱、再熱汽溫按照A/B兩側劃分兩個不同控制器。機組模擬量控制負荷分配均勻，故障等級最高的10號控制器I/O測點163點，最大掃描周期42 ms，組態內容只占存儲器容量的9%，極大地提高了機組協調控制可靠性。田集二期最終控制器分配如表1所示。

表1 田集二期控制器分配方案

由表1可知，二期控制器分配有如下特點：①重要的并列或主/備運行的輔機(輔助)設備控制基本分開布置；②MFT、協調控制柜涉及現場測點較少；③鍋爐、汽機和電氣控制對象分界清楚；④所有控制器編號以控制對象為界重新命名。

2 重大保護信號設計與實施

2．1 重要監控測點預先布置

田集二期與一期的區別在于再熱器出口溫度為623 ℃，壁溫測點布置須重點考慮末級再熱器(以下簡稱末再)的監測保護。一期末再的橫向屏間測點為每隔4片設置一點，共67點。為更準確地監測橫向偏差，田集二期末再的橫向屏間測點優化為每1片設置一點。同屏壁溫測點仍設置在爐寬左右各1/4位置，共100點。調試期間，為便于更好地觀察溫升情況，末再汽溫測點增加18點，末級過熱器(以下簡稱末過)增加42點；與此同時，一些重點監測區域中的管片上將原先1個溫度測點增加至2個，以提高溫度監測可靠性，其中末再8點，末過7點，后屏過熱器5點，調試期間新增溫度測點共80點。由于積極參與基建初期的鍋爐廠設計聯絡會、鍋爐優化方案推介會，上述測點得以均勻布置在控制器DROP13和DROP14中(見表1)，這樣編排既不會因為控制器故障失去監控手段，也利于減輕控制器負荷。田集二期壁溫測點共473點，較一期290點多183點，機組初次啟動期間，所有測點工作正常，為再熱器出口溫度安全穩定達到623 ℃提供了有效的保障、驗證手段。

2．2 重大輔機停信號三重化設計

送風機、引風機和一次風機屬于鍋爐重大輔機，若其中一臺輔機在運行過程中出現故障，需要緊急停運。由于DCS側停輸出卡件或繼電器故障，將導致停信號不能及時送至6 kV電氣開關跳閘輔機。這不但會導致重大輔機損壞，更可能擴大至鍋爐本體破壞，后果非常嚴重[8]。常規重大輔機停信號通常只設計一路停信號，一次風機因MFT需要停運制粉系統，另有MFT硬回路輸出，送風機和引風機則只有一路，不管是卡件還是輸出回路故障，均有可能使風機在爐膛壓力超限或設備故障時發生拒動事故。因此，田集二期六大風機停信號均由三個不同輸出卡件構成硬件三取二表決回路，合成停指令送至電氣開關。其中，停指令至電氣開關使用雙線制設計，避免單線破損影響停指令輸出。通過六大風機停指令各環節冗余、三重化設計，極大地提高了機組輔機保護的可靠性，使設備動作回路完全達到了故障安全要求。

2．3 故障安全型邏輯設計與實施

田集二期故障安全型邏輯設計重點之一在于設備狀態信號的優化判斷。除了重大輔機停狀態由停、運行取非、電流小于5 A(信號正常)三取二表征外，田集二期邏輯組態也對涉及跳閘重大設備的閥門狀態進行了優化設計。如凝泵出口門閥位信號，在凝泵運行過程中，凝泵出口門開到位或關到位限位開關受現場閥門震動而誤動，導致開到位、關到位信號均短暫消失或出現。在凝泵跳閘邏輯中，凝泵運行證實后，凝泵出口門關信號出現，至跳閘凝泵，由于現場限位開關的誤動作，會引起凝泵跳閘，影響機組正常運行。為此，將凝泵出口門閥位信號進行優化，凝泵運行后，凝泵出口門開到位與關到位都出現，或閥門開到位后，關指令未發，開、關到位信號均消失。這兩種情況下，邏輯判斷出口門閥位故障狀態，閉鎖凝泵跳閘條件同時發報警至運行畫面，提醒運行人員關注凝泵運行狀態，并通知熱控檢修人員及時消缺。對于機組重大設備有聯鎖關系的閥門、擋板狀態位置而言，即便能提供開和關三路位置反饋，由于現場管道震動等因素的存在，開關位反同時故障的概率也很大，因此，位反單點設計已不是先骨干系統誤動的主要起因。通過及時判斷閥門位反故障狀態，能有效避免現場限位開關誤動引起的設備跳閘，從而提高系統故障安全可靠性，有利于機組穩定運行。

3 重大保護條件優化設計和實施

MFT重大保護聯鎖涉及如下修改(部分)。

① 空預器出口溫度高高MFT：鍋爐廠要求空預器全停機組MFT，鑒于空預器全停聯跳所有送、引風機，且送或引風機全停均觸發MFT，因此，空預器全停和送或引風機全停MFT內容重復，該保護要求不予采納。考慮到現實工況空預器主或輔馬達正常運行時，會發生空預器聯軸器斷裂，造成空預器停運的事故。為避免此類事件發生，通過設計院與鍋爐制造廠協商，空預器單側出口煙氣溫度測點由兩點增加至三點，在DCS內通過模擬量三選處理模塊合成空預器出口煙氣溫度綜合信號，再經設定值為260 ℃的高選，輸出空預器單側煙氣溫度高高MFT，兩側相或形成空預器出口溫度高高MFT條件。

② MFT停給水泵：田集二期取消電動給水泵，給水前置泵與給水泵為同軸泵設計，鍋爐啟動上水必須給水泵運行，冷態點火初期爐內熱負荷不高，各級汽溫、螺旋管圈水動力變化不大，若機組MFT跳閘所有給水泵，不利于系統快速恢復。據此修改鍋爐廠原有控制要求，機組MFT時給水流量低于700 t/h,保留給水泵A，反之則跳閘所有給水泵。由于田集二期采用控制系統一體化設計，在不改變MFT硬回路設計的前提下，經由METS內部信號處理邏輯修改，使上述方案得以順利實施。此部分改動有效地縮短了機組啟動初期鍋爐升溫升壓時間。

4 結束語

田集二期2×660 MW擴建工程3號機組于2013年12月22日正式并網發電投入商業運行，從開工到并網的總工期僅僅16個月，提前5個月完成基建任務。機組投產后，主汽溫和再熱汽溫均達到設計要求，3號機組成為國內首臺實現再熱蒸汽溫度620 ℃連續、穩定運行的機組。

在整個機組調試過程中，故障安全型控制系統的設計與實施工作，使機組最終在如此緊的工期內實現機組安全、可靠、經濟投產目標，為基建火電電廠深度調試探索出一條切實可行的高效道路。

[1] 瞿德雙．660MW超超臨界Π型鍋爐再熱汽溫623℃探索[J]．中國電力，2013，46(4)：28-31．

[2] 電力行業熱工自動化標準化技術委員會．火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控[M]．北京：中國電力出版社，2010：26-28．

[3] 鄭毅．百萬千瓦火電機組DCS項目的進度管理研究[D]．上海：華東理工大學，2015．

[4] 劉一福．火電廠DCS應用技術問題探討[ J]．自動化儀表，

2005，26(5)：57-59．

[5] 張雷．DCS在火力發電機組電氣控制系統中的應用[D]．濟南：山東大學，2006．

[6] 葛威，靖宇翔，葛曉鳴．淺談如何提高火電廠熱控系統可靠性[J]．華北電力技術，2008，20(4)：48-51．

[7] 劉峰．超臨界直流鍋爐給水控制系統優化及應用[D]．北京：華北電力大學，2013．

[8] 譚志明．大型火電廠輔機控制全集成系統研究及應用[J]．自動化儀表，2010，31(5)：26-30．

Design and Implementation of the Fail-safe Control System for Ultra Supercritical Power Units

At present, design and implementation of the fail-safe control systems in fossil-fired power generation units is the brand new project of depth commissioning in infrastructure works. During infrastructure works of Anhui Huainan Tianji Power Plant Phase II project, through coordinating the field test point assignment with the design institute; in conjunction with the manufacture of the control system for setting internal wirings of fail-safe modules; contacting with manufacturers of the equipment for integrating protection conditions, and together with the operation and process control departments in power plant for discussing the protection set points list, in initial stage of infrastructure of the unit, the fail-safe control system had already been completed. In commissioning stage, the control strategies are optimized in accordance with practical operation conditions of the equipment. From infrastructure, commissioning up to commercial operation, malfunction never occurs because of the problem in process control area.

Ultra supercritical unit Fail-safe Design Implementation Optimization

歸一數(1971-)， 男，1994年畢業于武漢水利電力大學電廠熱工過程自動化專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事火電廠熱工控制專業方面的研究。

TK323

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510012

修改稿收到日期：2015-05-22。