maxDNA在1 000 MW超超臨界機組上的設計與實現

孫　永

(華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 句容　212413)

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maxDNA在1 000 MW超超臨界機組上的設計與實現

孫永

(華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 句容212413)

以句容發電廠一期工程為背景，采用maxDNA分散控制系統，實現了1 000MW超超臨界機組中的DCS+DEH一體化控制。針對機組的工藝特點及控制要求，對系統硬件選型及分配設計進行了分析、研究，對軟件的功能實現進行了說明，對調試過程中遇到的主要問題及解決方案進行了闡述，對系統穩態、擾動性能進行了測試、優化，并給出了測試結果。maxDNA分散控制系統在1 000MW超超臨界機組的成功應用，為該控制系統及其他同類型控制系統在火電領域的設計和應用提供了參考和指導。

發電廠分散控制系統maxDNA1 000MW超超臨界機組DEH自動化監控組態

0　引言

分散控制系統(distrbutedcontrolsystem,DCS)作為電廠過程控制自動化和信息集中管理的核心，其性能直接關系到機組的安全、穩定和經濟運行，同時也成為衡量電廠熱工自動化水平高低及企業現代化程度的重要標志。單機容量己提高到1 000MW的超超臨界機組，對控制系統的軟、硬件都提出了更高的要求。

目前，我國1 000MW超超臨界機組上所采用的大型分散控制系統主要依賴進口廠商,如ABB、SIEMENS、艾默生等。maxDNA控制系統由國電南京自動化股份有限公司在2011年技術引進并消化、吸收。該系統于華電江蘇能源有限公司句容發電廠一期(2×1 000MW)機組工程中實現了DCS+DEH一體化控制。

本文結合句容發電廠1 000MW超超臨界機組DCS項目的組態設計，闡述了maxDNA控制系統的主要技術特點、網絡結構、硬件配置、軟件功能及邏輯實現。

1　maxDNA系統簡介

maxDNA分散控制系統源于美國利諾公司，產品經歷了四代，分別為MAX1、MAX1000、MAX1000+、maxDNA[1]。maxDNA的組態工具如圖1所示。

圖1　maxDNA組態工具圖Fig.1　Configuration tools of maxDNA

maxDNA分散控制系統主要由現場控制單元(包括maxDPU&maxPACI/O)、通信網格maxNET、人機界面maxSTATION組成，實現了從底層到控制器、第三方通信接入、工業過程監視與控制，直至頂層的性能計算、信息管理和工廠管理的全部功能[2]。maxTOOLS和maxVUE作為maxDNA組態工具，用于編輯和維護控制策略、DPU數據庫、控制畫面、報表等。

2　系統硬件選型及設計

2.1發電機組工藝分析

句容發電廠三大主機及一些輔助工藝系統(如脫硫系統),均采用了maxDNA控制系統。

鍋爐選用東方鍋爐(集團)股份有限公司生產的超超臨界參數變壓運行直流爐DG-3024/28.35-Π1。該鍋爐為單爐膛、固態排渣、全鋼構架全懸吊結構，采用一次再熱、平衡通風技術，并進行露天、П型布置。汽輪機選用上海電氣集團股份有限公司汽輪機廠生產的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機，型號為N1030-27/600/600(TC4F)。發電機采用上海電氣集團股份有限公司發電機廠的水氫氫冷卻、靜態整流勵磁汽輪發電機，型號為THDF125/67。汽機旁路系統采用40%容量的高旁和40%容量的低旁串聯形式，設置兩級減溫減壓，高、低旁設備均為液動旁路系統。

其他主要輔機設備為：一次風機和送風機各2臺(50%動葉可調軸流式)，引風機3臺(35%靜葉可調軸流式)，空氣預熱器2臺(三分倉式回轉式)。

2.2硬件選型和I/O設計

根據控制信號類型、數量和控制要求、分配原則，對系統硬件進行選型及分配設計，包括組網設計、機柜形式、機籠和卡件類型等，使硬件配置滿足設計中的數據監控、冗余率等要求。同時，設計中還要兼顧系統的安全性、可靠性和經濟性，并為未來系統擴展升級留有一定的余量[3]。這是DCS系統設計最基本和重要的步驟，它將現場信號與控制系統關聯起來，為進一步的軟、硬件組態打下基礎。

2.2.1I/O點數統計

現場信號類型可分為模擬量輸入信號(AI)、模擬量輸出信號(AO)、熱電阻信號(RTD)、熱電偶毫伏信號(T/C)、數字量輸入信號(DI)、數字量輸出信號(DO)、脈沖輸入信號(PI)、事件順序記錄信號(SOE)等。根據現場輸入/輸出信號類型的不同，硬件選型時需選用相應類型及型號的模件。根據熱控、電氣專業提供的I/O點數和DCS與其他系統的通信點數，按照DCS冗余量要求并考慮今后擴展需要，分析所要設計的I/O點，統計出如表1所示單元機組及公用系統的測點數量。

表1　I/O點數統計Tab.1　Statistics of I/O points

2.2.2控制器分配

控制器(distributedprocessingunit,DPU)分配通常根據實際信號類型及數量，結合工藝系統和機組特點，并按功能分散和物理分散的原則進行設計。

本項目按照工藝系統劃分，可將DPU分為鍋爐系統(B1～B10、F1～F10)、汽機系統(T1～T9)、電氣系統(E1～E3)、公用系統(C1～C4)這4個部分。按重要保護系統劃分，可將DPU劃分為鍋爐順序控制系統(boilersequencecontrolsystem,BSCS)，控制器配置為B1～B10；爐膛安全監控系統(furnacesafeguardsupervisorysystem,FSSS)，控制器配置為F1～F10。單元機組包括BSCS、FSSS、汽機系統、電氣系統、機組自啟?？刂葡到y(automaticpowerplantstartupandshutdownsystem，APS)共33對DPU。公用系統共4對DPU，單元機組脫硫部分納入單元機組DCS一體化設計。 1#機組汽機電液控制系統(digitalelectrichydrauliccontrolsystem，DEH)/小汽輪機電液控制系統(microelectrohydrauliccontrolsystem，MEH)采用上汽廠配套的西門子SPPA-T3000系統，2#機DEH/MEH與DCS系統實現一體化。

2.3系統網格結構設計

兩臺單元機組的控制分別由兩套DCS實現，使用的DCS均為maxDNA系統。兩臺機組共用一套公用DCS系統，實現對兩臺機組中納入DCS控制的公用輔助系統的監視和控制。公用DCS系統可分別與兩臺機組的DCS通信。1#機組DEH/MEH采用上汽廠配套的西門子SPPA-T3000系統，2#機組DEH/MEH與DCS系統通過使用maxDNA系統實現了一體化；同時，單元機組脫硫部分納入單元機組DCS的一體化設計。

maxDNA分散控制系統包括2臺單元機組及公用系統，總控制點數達3萬；DPU、I/O卡件、機柜等硬件布置在鍋爐、汽機(含DEH/MEH)、脫硫3個電子設備間內；系統具備總線擴展模塊(busexpandermodule,BEM)。

maxDNA控制系統的DCS系統結構如圖2所示。

圖2　DCS系統結構圖Fig.2　Structure of DCS system

單元機組DCS系統由33對DPU、905塊I/O卡件、70面機柜構成；單元機組脫硫系統由2對DPU、6面機柜構成。1#機組DCS系統通過LINK機與西門子SPPA-T3000系統通信；2#機組DEH/MEH則由maxDNA軟硬件系統配置、組態，與DCS系統實現一體化。 2#機組的DEH/MEH系統由7對DPU、10面機柜組成，其實現了DCS、脫硫系統、DEH系統一體化后，I/O卡件數量達到1 077塊。單元機組采用4對交換機，分別布置在集控室、鍋爐電子間、汽機電子間、脫硫電子間內。公用系統包括公用電氣、空壓機房、燃油泵房、循環水泵房、氨區系統，其控制系統由4對DPU、119塊I/O卡件、10面機柜構成，使用1對交換機與單元機組交換機直接進行物理連接。DCS與第三方通信包括EFCS系統、智能前端、吹灰系統、爐管泄漏系統、TDM系統、LED顯示屏。

單元機組共設置16臺各類工作站，其中DCS控制系統11臺(位于集控室內，包括DCS操作員站5臺、工程師站2臺、LINK通信機1臺、歷史站2臺、SIS站1臺)，DEH控制系統3臺(包括操作員站2臺、工程師站1臺)，脫硫控制系統2臺(位于集控室內，操作員站兼歷史站1臺，操作員站兼LINK機1臺)。集控室內的監視大屏共設置8臺70英寸(1英寸=25.4mm)液晶顯示器(其中2×2臺用于單元機組系統流程和實時參數的監控，1×2臺用于單元機組爐膛火焰和微油點火火檢等的監視，1臺用于全廠輔助車間集中控制系統， 1臺用于全廠閉路工業電視)。

1#機組的42對、2#機組的36對和公用系統的4對DPU全部掛在maxNET網絡上。沒有對遠程部分設置控制器，而是通過BEM卡件用光纜與本地的控制器相連接，既節省了控制器，又降低了硬件成本。由于I/O點被置于靠近現場的遠程機柜內，減少了電纜距離現場設備的長度、控制盤柜的裝載量及安裝接線時間。

2.4DCS系統接地設計

為防止外界干擾，對DCS系統接地提出了很高的要求。句容發電廠maxDNA控制系統的DCS接地系統圖如圖3所示，接地電阻要求小于1Ω。

圖3　maxDNA接地系統示意圖Fig.3　Schematic diagram of grounding system of maxDNA

maxDNA的接地系統設計分為三個部分：一是電源的返回通路；二是模擬信號的參考地或屏蔽；三是機柜或外殼的接地。

2.5系統供電設計

DCS電源供電采用maxDNA系統標準設計，在單元機組鍋爐、汽機電子間分別設計電源柜，接收來自UPS1和UPS2的2路電源。電源容量為：鍋爐電源柜25kW、汽機電源柜28kW。公用系統單獨設計電源柜，分別接收來自1#機組和2#機組的各2路電源，電源容量為10kW。所有DCS遠程機柜采用就地供電，配置UPS裝置。

3　系統軟件功能實現

利用maxDNA組態的句容發電廠一期(2×1 000MW)超超臨界燃煤發電機組DCS控制系統，主要集成了數據采集系統(dateacquisitionsystem，DAS)、模擬量控制系統(modulationcontrolsystem，MCS)、FSSS、順序控制系統(sequencecontrolsystem，SCS)、鍋爐吹灰控制系統(sootblowercontrolsystem，SBC)、汽機旁路控制系統(turbineby-passcontrolsystem，TBC)、電氣控制系統(electriccontrolsystem，ECS)、DEH/MEH脫硫控制系統等控制系統[4]。

3.1DAS

DAS可實現鍋爐、汽機、電氣及公用部分的數據采集、運行流程圖、趨勢圖(TREND)、報警畫面、機組運行日報表、順序事件記錄(SOE)等,分別為鍋爐、汽機、電氣、公用顯示操作系統。

3.2MCS

MCS功能由協調控制系統，燃燒控制系統，給煤機控制系統，送風量控制系統(含氧量校正)，爐膛負壓控制系統，一次風壓控制系統，給水控制系統，主汽溫控制系統，再熱汽溫控制系統，分離器水位控制系統，磨出口溫度控制系統，磨一次風量控制系統，除氧器壓力控制系統，除氧器水位控制系統，凝汽器水位控制系統，高加水位控制系統，低加水位控制系統，軸封溫度控制系統，軸封壓力控制系統，旁路壓力控制系統，各種油壓控制系統，各種溫度控制系統，系統各種疏水控制系統，DEH轉速、功率、壓力控制系統，MEH轉速控制系統等控制系統實現。

3.3FSSS

FSSS系統包括鍋爐安全保護系統、火焰檢測系統、燃油控制系統、油燃燒器控制系統、給煤機和磨煤機控制系統、冷卻風機控制系統、密封風機控制系統等。

3.4SCS

按生產工藝要求，鍋爐側實現了煙風系統、輔機設備及汽水系統相關控制保護功能，汽機側實現了電動機、閥門、擋板等設備的啟?；蜷_關控制。同時，SCS以功能組控制為主，配合其他子系統完成聯鎖保護及自動調節功能。

4　系統調試

4.1機組調試工作的特點

本工程發電機組是國內大型的燃煤汽輪發電機組，機組參數高、自動化程度高、系統高度集成，具有系統和設備龐雜、技術水平要求較高、參與單位眾多等特點。這些特點使得調試過程較為復雜、協調工作量較大、偶發因素繁多，對機組的質量和安全構成潛在危脅。同時，因本工程為國產化標桿項目，是首次在1 000MW級機組DCS控制系統上采用maxDNA系統。2#機組采用maxDNA系統及上汽DEH兼容組態的硬軟件系統，2#機組的361閥、抽汽逆止門等高壓閥門亦首次采購國產閥門，給設備、系統調試及機組安全運行帶來較大的影響。

4.2問題的解決及優化

在整個調試過程中，主要發現并解決、優化了控制系統存在的以下幾方面問題。①link機虛擬DPU組態點數過多(600點以上)，隨機出現部分點通信故障，應將組態分成多個虛擬DPU，每個虛擬DPU點數保持在500點以下。②部分原子塊，如脈沖、延時等，在圖形化組態時使用復制粘貼方式增加后，無法正常輸出功能塊。此時，需將原功能塊刪除，使用控件重新增加原子塊后恢復正常功能。在調試期間，需經常參照控制算法說明書，及時了解使用的分子、原子模塊的功能、屬性等[5]。③DEH系統調試初期，由功率回路切換至壓力回路控制時出現負荷波動情況。經檢查，是由于第三方初始設計的組態邏輯中沒有實現無擾切換，部分DEH邏輯組態沒有按DPU的掃描順序進行，導致邏輯運算偏差一個周期等原因引起的。在進行組態邏輯優化、調整時序等工作后，DEH運行正常。甩負荷邏輯在本控制機柜中增加硬件動作回路，縮短了指令響應時間。

4.3控制系統性能

控制系統在經過分步調試及整套調試后，應用效果良好。無論是在穩態還是在動態擾動的情況下，機組各主要參數均能保持基本穩定，對負荷的響應速度快，跟蹤特性良好，使機組安全性得到保證[6]。

4.3.1穩態性能

系統穩態時，系統功率、主蒸汽壓力、爐膛壓力、總風量、燃料量、給水量等各系統主要參數均保持穩定，波動小，機組運行良好。

4.3.2擾動性能

在給水側擾動試驗中，給水流量指令根據負荷對應函數由2 150t/h增加至2 962t/h，實際給水流量能較好地響應給水流量指令。

在機組變負荷過程主汽壓力擾動試驗中，負荷由649MW升至799MW，主汽壓力設定值根據負荷對應滑壓曲線由20.5MPa升至23.47MPa。在實際壓力爬升過程中，與設定值的最大偏差為0.6MPa。

在總風量及氧量擾動試驗中，機組負荷由950MW升至1 000MW，經氧量修正的總風量指令由2 767t/h升至2 986t/h，風量最大偏差為87t/h，氧量偏差為0.5%，整體控制效果較好。

4.3.3機組協調控制系統負荷擾動

試驗負荷由950MW升至1 000MW，主汽壓力控制較穩定，最大動態偏差小于0.3MPa。中間點過熱度在變負荷過程中按正常規律降至設定值，變負荷結束后快速穩定在設定值附近。主汽溫波動幅度也非常小。整個變負荷過程中的CCS控制品質良好。

5　結束語

目前，maxDNA分散控制系統在句容發電廠投入運行已有兩年多，系統運行安全、穩定，取得了較好的社會、經濟效益。maxDNA控制系統在1 000MW超超臨界機組控制系統的首次成功應用，為國內具有自主知識產權的maxDNA分散控制系統在同類型機組的進一步推廣應用提供了參考和指導。

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DesignandImplementationofmaxDNADistributedControlSystemin1 000MWUltraSupercriticalUnit

WiththeprojectofJurongpowerplantphaseIasbackground,byadoptingmaxDNAdistributedcontrolsystem,thecontroloftheintegrationofDCSandDEHin1 000MWultrasupercriticalpowerunitisrealized.Inthelightofthetechnologicalcharacteristicsoftheunitandcontrolrequirements,theselectionandallocationofsystemhardwareareanalyzedandresearched;andtherealizationofthesoftwarefunctionsisexplained.Themainproblemsandsolutionsinthestageofcommissioningareexpounded,thesystemperformanceundersteadystateanddisturbanceconditionsaretestedandoptimized,andthetestresultsaregiven.ThesuccessfulapplicationofmaxDNAin1 000MWultrasupercriticalunitprovidescertainreferenceandguidancetowideapplicationsanddesignsofthiscontrolsystemandcongenicsystemsinthermalpowerfield.

PowerplantDistributedcontrolsystemmaxDNA1 000MWultra-supercriticalunitDEHAutomationMonitoringandcontrolConfiguration

TH-39;TP273

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610014

修改稿收到日期：2015-12-30。

作者孫永(1976—)，男，2014年畢業于河海大學電子與通信工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電廠自動化控制及燃料生產管理方向的研究。