135MW機組DEH控制系統改造概論
——以寧波鋼鐵余能發電廠為例

崔世軍

艾默生過程控制有限公司 上海 200438

引言

寧波鋼鐵余能發電廠135MW機組是南京汽輪電機(集團)有限責任公司制造的N135-13.24/535/535型中間再熱凝汽式汽輪機。原設計采用Eurotherm的T2550[1]系統。通過T2550R（IOC modules）冗余模塊及2500M（I/O modules）組件實現對DEH的控制。此系統于2011年投入運行。因服務器硬件、工程師站硬件、操作員站硬件、操作系統版本、CPU模塊、I/O模塊已無法獲取支持，也無法獲取備件，因而面臨巨大的支持和維護困難等問題，導致系統的安全性和穩定性下降，長期運行的風險越來越大。通過這次改造使用Ovation工業控制系統，其優點在于控制器處理能力強，I/O模塊采集精度高，支持熱拔插，軟件功能強大，歷史數據及存儲容量大，系統維護和診斷功能完善，DEH操作畫面友好，具有完善的備品備件支持，提高了DEH控制系統的安全性和穩定性。

1 控制器與I/O模件電源設計

對原系統的供電原理圖進行解讀和供電范圍確認后，根據不同用戶的電源等級及其重要性進行分類和優化。原系統電源設計只有DEH控制器側是冗余電源，服務器及工程師站為單路電源。通過這次改造為服務器及工程師站增設一路電源，防止服務器意外掉電而丟失數據。改造后電源設計按DEH控制器與I/O模件劃分，設計一路UPS段和一路保安段的220VAC電源，計算電源容量后，設計與之匹配的兩路總電源空開。兩路電源通過獨立的子空開分別為DEH控制器、交換機、服務器、工程師站等提供可靠的電源，確保當任意一路電源丟失時，對運行的控制系統不會造成影響。

2 電磁閥電源設計

原系統的供電原理圖中高壓主氣門試驗電磁閥、中壓主氣門試驗電磁閥為單路保安段220VAC電源，兩個OPC電磁閥共用一路220VDC電源。改造后新增一路UPS段220VAC電源與原保安段220VAC電源冗余后給高壓主氣門試驗電磁閥、中壓主氣門試驗電磁閥供電。兩個OPC電磁閥改為220VAC類型，分別設計在兩路冗余220VAC切換裝置后。220VDC掛閘電磁閥在機組啟動前得電10s或安全油壓已建立后自動失電，不會對運行時的機組產生影響。因此保留原有設計。電源子空開容量經過現場核實后，按實際瓦數要求設計。

3 第三方接口模件電源設計

原系統的供電原理圖中Shizhong-LTM-3A、ProTech2o3、DDV閥均為冗余24VDC供電設計，改造以后是雙冗余24VDC供電增加了可靠性。原系統個別子空開的容量大于上級空開，當下級設備故障時會導致上級空開先跳閘。因此電源子空開容量經過現場重新核實后，按實際瓦數要求設計。

4 網絡架構圖

Ovation工業控制系統的網絡架構是基于一對互連以實現冗余的根交換機進行設計的。這對交換機形成網絡樹的根。控制器、服務器、工程師站、操作員站均通過這對冗余的根交換機與網絡中的其他用戶進行數據傳輸。當任意一臺交換機故障后，另一臺交換機會作為主交換機繼續為整個網絡的數據進行傳輸服務。同樣控制器、服務器、工程師站、操作員站與根交換機的連接方式也采用了冗余網卡及OHI[2]軟件技術，這樣保證了控制系統網絡的安全性、穩定性。這次改造新增加的DEH控制器、工程師站、操作員站并入原根交換機的備用端口。在接入設備前通過3級命令登錄根交換機的備用端口，檢查端口狀態，確保正常后，再進行連接。

5 信號及卡件布局

改造后的Ovation控制系統按照DEH控制工藝分為OA功能及AUX功能。因此卡件布局將按照工藝要求進行設計。消化現場資料時發現實際控制器中運行的信號與資料中的信號個數、類型不完全一致，需將清冊初版整理完成后與實際控制器中的信號進行逐一比較、核對，經過郵件、電話會議確認，達成客戶認可的最終版清冊。在設計新I/O卡件布局時，發現EurothermT2550機柜原外部電纜均布局在反面，而改造后的機柜布局是前、后兩個面，4條分支，因此需要將外部電纜拆分到前、后兩個面，4條分支上。但是原電纜是需要保留的，其長度也是固定的，接下來就需要將老的電纜放入新的I/O卡件布局中，由于橋架內電纜走線錯綜復雜，長短不一致，就需要憑借自己多年工作積累的經驗并根據現場實際情況，將最短的電纜布局在盡量靠下方卡件的位置處，最長的電纜布局在盡量靠中間卡件的位置處，改造新增設的電纜由于是重新布線，因此不考慮長度不夠的問題，均布局在盡量靠上方卡件的位置處。新的電纜布局已經解決，但是原電纜中同一類型的3個重要保護信號需要單獨篩選出來，布置在前、后不同的分支上，可以避免單個分支故障而導致信號誤動作。最后考慮模件通道裕量等綜合因素。

6 第三方接口設計

D D V[3]閥是安裝在油動機模塊上的一個電液轉換裝置，是控制閥門動作的關鍵核心部件。其接口包括：供電UA=+24VDC、指令±10V、閥芯反饋4-20ma，同時外部還設計有6線制LVDT反饋裝置，參與閥門的閉環調節。DEH控制系統改造后使用VP[4]卡控制DDV閥，形成串級回路。將DDV閥、VP卡、6線制LVDT反饋裝置進行正確接線，滿足DEH掛閘條件并建立安全油壓，投入EH油蓄能器裝置，投入EH油聯鎖裝置，EH油壓達到14.5±0.5MPa，油溫達到35℃左右時，進行接口測試。將VP卡指令、VP卡電壓、6線制LVDT進行組態并配置歷史曲線。如下圖數據曲線：紅色是VP卡指令信號，藍色是油動機行程反饋信號，綠色是伺服電壓信號。通過工程師站下裝VP卡初始參數后進行油動機校驗。從校驗趨勢可以看出16:33:15時指令在0%，反饋在25%。16:33:25時指令增至25%與反饋基本一致,時間間隔10s。查閱DDV633型手冊，其閥芯在0-100%行程的響應時間是小于15ms與趨勢中10s間隔相差很大。查閱I/O Reference Manual手冊，VP卡初始校驗時會通過測試伺服電壓的增益保證其不會超出電壓工作范圍，然后根據指令與反饋偏差調整輸出電壓使其偏差為零。因此10s后伺服電壓的增益與DDV閥電氣特性完全匹配后滿足其快速響應特性。從趨勢來看16:33:25后反饋立刻跟隨指令并無滯后現場。

圖1 VP卡與DDV閥接口初步試驗曲線

圖2 VP卡與DDV閥接口最終試驗曲線

初步試驗完后進行階躍測試。從曲線上分析，當指令向上20%階躍響應時，反饋立刻跟隨指令并且無超調現象。當指令向下20%階躍響應時，反饋立刻跟隨指令并且有0.8%超調現象。調節比例參數由6至5，積分參數由9000至8000后再做階躍響應測試無超調現象。機組實際運行時階躍量一般不超過4%。當指令穩定在某一開度時，反饋完全跟隨指令。以上兩點滿足動態和靜態響應特性。

7 DEH組態設計

DEH的組態設計是完全解讀原邏輯的控制原理并根據現場實際所用的工藝使用Ovation控制系統的軟件來實現其功能。主要包括DEH運行方式，控制回路，試驗回路，保護回路等。

7.1 DEH的運行方式[5]

DEH的運行方式細分為以下兩種方式且兩種方式之間的切換是無擾的。

操作員自動方式（OA）

操作員自動控制方式是最基本、最常用的控制方式。在此方式下，操作員通過畫面對目標轉速、目標負荷、升速率、降速率、升負荷率、降負荷率進行設定，從而實現DEH的轉速控制及負荷控制。

手動方式（OM）

此方式是在退出操作員自動方式后由操作員在手動操作面板上控制各個閥門開度的一種運行方式。

7.2 轉速控制回路

在操作員自動方式下，由操作員進行轉速目標值、升速率、降速率的設定。當操作員輸入的轉速目標值在汽輪機臨界轉速區域內，那么這個目標值是無效的。當目標值設定完畢且有效后通過點擊畫面按鈕，此時設定值會按照先前設定的速率向目標值靠攏。當設定值等于目標值后，自動變為保持狀態，通過轉速控制回路使汽輪機維持當前設定轉速。當轉速通過汽輪機的臨界轉速區時，升速率自動變為700rpm/min，并且不能進行保持操作。當轉速超過汽輪機的臨界轉速區后，升速率自動變為先前設定的升速率值。若不在臨界轉速區內，操作員可通過點擊畫面按鈕進行設定值的保持。

表1 轉速臨界區

7.3 同期控制回路

并網前，當GV&IV控制轉速到3000轉時，DEH接受來自同期裝置請求信號，操作員點擊畫面投入“同期控制”，此時根據同期裝置的增、減同期信號來改變DEH的轉速設定值，使DEH增轉速、減轉速，直到滿足并網要求。

7.4 主汽門、調門嚴密性試驗回路

并網前，當GV&IV控制轉速到3000轉時，可進行主汽門的嚴密性試驗。在操作員自動方式下，由操作員通過點擊畫面“主機閥試驗”窗口進行主汽門嚴密性試驗，此時TV、RSV全關，轉速開始下降，通過預設判斷條件當轉速降到：1000*當前主汽壓力/額定主汽壓力時，記錄惰走時間，試驗合格。

并網前，當GV&IV控制轉速到3000轉時，可進行調門的嚴密性試驗。在操作員自動方式下，由操作員通過點擊畫面“主機閥試驗”窗口進行調門嚴密性試驗，此時GV、IV全關，轉速開始下降，通過預設判斷條件當轉速降到：1000*當前主汽壓力/額定主汽壓力時，記錄惰走時間，試驗合格。

7.5 負荷控制回路

并網后，DEH由轉速控制回路自動轉變為負荷控制回路。在操作員自動方式下，由操作員進行負荷目標值、升負荷率、降負荷率的設定。此時負荷控制均由GV&IV完成。當目標值設定完畢且有效后，通過點擊畫面“確認”按鈕，此時設定值會按照先前設定的速率向目標值靠攏。當設定值等于目標值后，自動變為保持狀態。若需要保持當前設定值，操作員可通過點擊畫面“保持”按鈕進行設定值的保持。

7.6 OPC保護回路

當發電機GCB開關分閘時，且轉速超過103%，即3090rpm時，會觸發OPC保護動作，關閉GV、IV，直到轉速低于3030rpm，復位OPC動作。若發電機GCB開關分閘時，實際負荷大于40MW時，也會觸發OPC保護動作，關閉GV、IV，直到轉速低于3030rpm，復位OPC動作。從而達到保護機組安全性的作用。

7.7 超速保護回路

DEH超速保護回路是通過采集現場3個獨立的轉速探頭信號，通過邏輯中高定值3300模塊判斷后，送出DO信號去ETS系統，實現超速保護。當任意一路超速定值動作時，不會觸發ETS跳閘，當3個超速定值有2個動作時，觸發ETS跳閘，這樣即防止拒動，又防止誤動。

7.8 閥門活動試驗回路

為防止閥門卡澀，DEH控制回路中設有TV、GV、IV、RSV閥門的活動性試驗。根據實際需要進行相應的試驗。當操作員投入TV、IV閥門的松動試驗時，對應的閥門會關到90%，然后自動恢復到原來的位置。當操作員投入某個GV閥門的松動試驗時，對應的閥門會關到20%，然后恢復到原來的位置。當操作員投入IV閥門的松動試驗時，任意中調門反饋小于95%后試驗結束，然后恢復到原來的位置。

7.9 單、順序閥切換回路

根據進汽方式不同，DEH可分為單閥方式下的全周進汽及順序閥方式下的部分進汽。操作員可以在畫面上點擊“閥切換”進行切換。切換過程以每秒0.008的速率由單閥控制切換到順序閥控制方式。當切換完畢后，所有GVs根據各自的開啟順序函數及順序閥函數維持各自的開度。

7.1 0 操作畫面

DEH主畫面包含了轉速，負荷，主汽壓力，閥位反饋，閥位指令，當前運行方式，子回路投入的全部狀態。同時包含了操作DEH從啟動到帶滿負荷的所有操作窗口。主要包含：汽機掛閘、汽機轉速控制、機組啟動、同期控制、主汽壓力控制、閥位控制、負荷控制、負荷控制投切、閥位限制器、主汽壓力限制器、頻率限制器、主汽閥試驗、閥切換、主機超速試驗、摩擦試驗。

圖3 DEH操作畫面

7.1 1 監視畫面

DEH監視畫面包含了汽輪機沖轉過臨界區域的轉速監視、報警。運行過程中的軸系振動、軸位移、偏心、高低壓缸脹差、絕對膨脹的監視。運行過程中每個瓦溫度的監視。根據經驗將重要參數合入這個畫面，極大程度的方便運行人員監視。

圖4 DEH監視畫面

8 結束語

寧波鋼鐵余能發電廠135MW機組DEH控制系統改造項目于2019年08月正式投入運行。改造后DEH轉速控制的穩定性和準確性均有較大提升。DEH各項試驗均全部通過并在此基礎上對閥門控制進行優化。同時Ovation控制器處理能力強，模件采集精度高，軟件功能強大，網絡結構冗余，具有完善的備品備件支持，提高了DEH控制系統的安全性和穩定性。可以為同類型機組的控制系統改造提供實際參考價值及應用價值。2020年10月在江蘇中煤大屯電廠成功改造類似機組DEH控制系統并已投入運行。