1050MW機(jī)組ABB-DEH&ETS控制系統(tǒng)可靠性提升研究及應(yīng)用

胡昌盛，董沖烈

（國能（惠州）熱電有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516083）

某電廠2×1050MW燃煤發(fā)電工程項(xiàng)目是印尼國家電力公司（以下簡稱PLN）在全球公開招標(biāo)的獨(dú)立發(fā)電商（IPP）BOOT項(xiàng)目，是中國“一帶一路”倡議與印尼“建設(shè)海洋經(jīng)濟(jì)支撐點(diǎn)”的旗艦項(xiàng)目，是中國出口海外的首臺百萬機(jī)組，也是印尼目前單機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)組。

某電廠2×1050MW超超臨界汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)新一代百萬機(jī)組，DEH控制系統(tǒng)硬件部分使用ABB SymphonyPlus新一代SD系列，上位機(jī)為SymphonyPlus Operation人機(jī)接口，危急遮斷系統(tǒng)（ETS）首次采用SIL3功能安全等級的ABB S+Safety 800xI系統(tǒng)。

1 ABB-DEH&ETS系統(tǒng)功能

上海汽輪機(jī)新一代改進(jìn)型百萬機(jī)組控制系統(tǒng)主要包括汽輪監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)（TMS）、危急保護(hù)系統(tǒng)（ETS）、汽輪機(jī)基本控制系統(tǒng)（BTC）、自啟動控制（ATC）、汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)（AUX）4部分。ABB-DEH&ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1 ABB-DEH&ETS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 Structure composition diagram of ABB DEH&ETS system

監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)（TMS）：監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)（TMS）共兩臺機(jī)柜，主要負(fù)責(zé)采集就地軸瓦溫度、軸向位移、軸承振動、油箱液位、潤滑油壓、EH油壓、凝汽器真空及計(jì)算值、低壓缸排汽溫度、高壓缸排汽溫度等重要信號進(jìn)行三選邏輯判斷，輸出汽輪機(jī)監(jiān)視保護(hù)跳閘信號至ETS系統(tǒng)。

危急保護(hù)系統(tǒng)（ETS）：危急保護(hù)系統(tǒng)（ETS）為SIL3安全等級獨(dú)立控制系統(tǒng)，接收來自TMS保護(hù)信號、超速保護(hù)、鍋爐MFT保護(hù)、電氣GTS保護(hù)、手動打閘按鈕等保護(hù)信號完成跳機(jī)指令的匯集，同時(shí)DO模件通過觸發(fā)遮斷指令使就地閥門快關(guān)電磁閥失電，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的保護(hù)功能。ETS包括兩套BRAUN硬超速保護(hù)裝置，每套裝置接收兩路轉(zhuǎn)速信號，三取二保護(hù)在BRAUN內(nèi)部回路實(shí)現(xiàn)，每套裝置輸出兩路干接點(diǎn)信號至硬跳閘回路。ETS系統(tǒng)的每個(gè)主汽門及調(diào)門油動機(jī)均包含兩個(gè)冗余失電動作的快關(guān)電磁閥，任一電磁閥失電快關(guān)對應(yīng)閥門。遮斷DO輸出為分別來自不同模件的觸點(diǎn)，并聯(lián)冗余后對應(yīng)輸出一個(gè)電磁閥。

汽輪機(jī)基本控制系統(tǒng)（BTC）：汽輪機(jī)基本控制系統(tǒng)（BTC）共包含兩個(gè)模件柜。BTC部分是汽機(jī)控制的核心部分，主要完成汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速負(fù)荷控制、壓力控制以及高排溫度及高壓葉片溫度控制，另外包括指令生產(chǎn)器、閥位限制器、TAB限制器等通過綜合判斷調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓力調(diào)節(jié)以及試驗(yàn)功能。

汽輪機(jī)自動控制（ATC）：汽輪機(jī)自動控制部分由一個(gè)模件柜構(gòu)成，主要完成機(jī)組的各部套的溫度點(diǎn)測量和判斷、熱應(yīng)力計(jì)算以及汽機(jī)自啟動部分的順序控制邏輯。設(shè)有應(yīng)力評估器（TSE），計(jì)算在汽輪機(jī)啟動停機(jī)以及正常運(yùn)行時(shí)的允許溫升率，以確定最佳的主蒸汽參數(shù)及汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化率，確保運(yùn)行中主要部件的應(yīng)力不超限，延長機(jī)組的壽命。

汽輪機(jī)輔助控制（AUX）：汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)硬件部分由兩個(gè)模件柜組成。輔助系統(tǒng)部分（AUX）控制為典型的汽機(jī)島控制，輔助系統(tǒng)順序控制主要包括潤滑油、EH油、油系統(tǒng)檢查。機(jī)組的啟動停止SGC運(yùn)行過程中，通過下發(fā)指令給輔助系統(tǒng)的順序控制，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)自動啟停功能。

2 硬件部分可靠性提升研究

2.1 DEH與ETS實(shí)現(xiàn)既獨(dú)立又“一體化”的配置

存在問題：ETS系統(tǒng)未單獨(dú)設(shè)計(jì)監(jiān)視畫面，只通過OPC通訊后在DEH進(jìn)行畫面組態(tài)。無法直接監(jiān)視卡件狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)、首出及重要信號的監(jiān)視，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)趨勢無法在ETS工程師站查詢。

解決措施：SIL3 ETS控制系統(tǒng)變更增加配置，實(shí)現(xiàn)與DEH控制系統(tǒng)按照既獨(dú)立又“一體化”的配置，ETS工程師站具備網(wǎng)絡(luò)卡件、首出報(bào)警、重要參數(shù)監(jiān)視、歷史實(shí)時(shí)趨勢查詢（進(jìn)行中）、SOE等功能，同時(shí)SymphonyPlus Operation也可以通過專用OPC進(jìn)行ETS系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)視。

2.2 實(shí)現(xiàn)S+Operation與S+Engineering的友好融合

存在問題：ABB系統(tǒng)工程師站無DEH畫面監(jiān)視操作和趨勢查詢等操作員站功能，不能滿足生產(chǎn)需求。ABB SymphonyPlus系統(tǒng)工程師站與操作員站為不同軟件系統(tǒng)，工程配置兩臺操作員站（集控室）、一臺工程師站（工程師站），服務(wù)器配置在操作員站，工程師站無法查看畫面及趨勢。

解決措施：ABB SymphonyPlus系統(tǒng)工程師站增加配置客戶端軟件，通過操作員站服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)畫面監(jiān)視操作和趨勢查詢等操作員站功能。

2.3 改進(jìn)DEH & ETS網(wǎng)絡(luò)、電源結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)冗余配置

存在的問題：DEH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較于傳統(tǒng)的三層網(wǎng)，每臺操作員站兼具服務(wù)器的作用，同時(shí)ETS系統(tǒng)通過OPC通訊至DEH服務(wù)器，服務(wù)器與交換器通過光電轉(zhuǎn)換模塊，但由于光電轉(zhuǎn)換模塊較多，網(wǎng)絡(luò)存在薄弱環(huán)節(jié)，可靠性較低。

解決措施：單臺機(jī)組DEH新增加兩個(gè)級聯(lián)交換機(jī)，用于取代4個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊；每個(gè)操作員站由原來的單個(gè)CNET網(wǎng)線均增加為雙路CNET網(wǎng)線；光纜選用鋼鎧單模4芯光纖；尾纖要加保護(hù)軟套；網(wǎng)線是采用帶屏蔽的超六類網(wǎng)線，預(yù)制網(wǎng)線水晶頭。

2.4 測試發(fā)現(xiàn)并整改ETS DI卡件越級熔斷隱患

存在問題：ETS柜內(nèi)DI卡件的上層保險(xiǎn)為T3.5A 250V CQMST型保險(xiǎn)，當(dāng)任意一個(gè)DI信號短接或接地時(shí)，即會導(dǎo)致該DI信號所在DI卡的上層保險(xiǎn)損壞，使該DI卡失電，存在越級熔斷、ETS保護(hù)誤動的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全。

解決措施：經(jīng)測量損壞的保險(xiǎn)電阻為17.7KΩ，初步判斷不是普通意義上的熔絲（熔絲熔斷后電阻為+∞），應(yīng)為正溫度型熱敏電阻（PCT），即所謂的萬次保險(xiǎn)。最終廠家更換ETS DI880卡件底座，更換為成熟的單通道獨(dú)立的DI卡件底座，避免越級熔斷，保護(hù)誤動的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 ETS跳閘及控制回路電源單獨(dú)冗余配置

ETS控制電源、跳閘電源各兩路220VAC電源分別單獨(dú)取自電氣UPS裝置，實(shí)現(xiàn)控制電源、跳閘電源的完全獨(dú)立冗余配置。采取的可靠性措施如下：

1）ETS機(jī)柜兩路跳閘繼電器硬接線回路分別增加一路DC24V電源，與已有的一路的DC24V電源可靠冗余，保證接線電氣的連續(xù)性。

2）ETS控制系統(tǒng)跳閘回路電源模塊功率較大（24V×40A=960MW），電源模塊溫度超過40℃。在設(shè)計(jì)時(shí)采取獨(dú)立設(shè)置強(qiáng)制冷卻手段，ETS機(jī)柜增加風(fēng)扇（設(shè)置3個(gè)風(fēng)扇），同時(shí)優(yōu)化電源模塊安裝位置利于散熱。

2.6 改進(jìn)型甩負(fù)荷策略解決同類型機(jī)組共性問題

超超臨界機(jī)組DEH甩負(fù)荷回路的快關(guān)信號跨控制器通信，主要通過以太網(wǎng)或硬接線實(shí)現(xiàn)。快關(guān)信號經(jīng)過控制器處理周期和通訊時(shí)間導(dǎo)致調(diào)門關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間時(shí)間變長，曾發(fā)生多次甩負(fù)荷失敗。

本項(xiàng)目結(jié)合同類型機(jī)組出現(xiàn)的問題，在一體化普通方案基礎(chǔ)上研究改進(jìn)，增加C20動作、Rapaid動作硬回路直接斷掉硬回路供電的方案，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后快關(guān)電磁閥甩負(fù)荷動作回路Fig.2 Optimized load rejection action circuit of quick close electromagnetic valve

優(yōu)化后方案的特點(diǎn)在于快關(guān)信號可以不跨控制器通信，可在同一控制器內(nèi)直接使快關(guān)電磁閥供電回路負(fù)端動作。當(dāng)調(diào)門快關(guān)信號觸發(fā)后，通過TP卡的ROM繼電器直接斷掉電磁閥供電負(fù)端，系統(tǒng)相應(yīng)速度更快。

進(jìn)行甩負(fù)荷及FCB回路模擬試驗(yàn)，將調(diào)節(jié)閥開啟至全開狀態(tài)，在DEH工程師站模擬甩負(fù)荷及FCB功能，驗(yàn)證控制邏輯的正確性，以及在線測試調(diào)節(jié)閥動作特性及時(shí)間。驗(yàn)證控制邏輯正確，高壓調(diào)節(jié)閥動作總時(shí)間170ms，中壓調(diào)節(jié)閥動作總時(shí)間260ms。

DEH現(xiàn)場進(jìn)行1050MW機(jī)組實(shí)際的甩負(fù)荷試驗(yàn)，分別進(jìn)行50%、75%、100%甩負(fù)荷試驗(yàn)：①甩50%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3078rpm；②甩75%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3111rpm；③甩100%最高轉(zhuǎn)速飛升，最高轉(zhuǎn)速為3129rpm。汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路在一個(gè)周期的波動即控制到3000rpm定速，系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的動態(tài)特性，在同類型機(jī)組中調(diào)速性能處于最先進(jìn)水平。

3 軟件部分可靠性提升研究

3.1 評估優(yōu)化ETS保護(hù)邏輯

1）評估優(yōu)化取消主保護(hù)項(xiàng)目：跳閘電磁閥斷線保護(hù)PASSIVATION XV10、凝汽器水位高ETS保護(hù)、油系統(tǒng)緊急停止按鈕保護(hù)、EH系統(tǒng)緊急停止按鈕保護(hù)、#1低壓缸靜葉環(huán)蒸汽溫度高保護(hù)、#2低壓缸靜葉環(huán)蒸汽溫度高保護(hù)，IP WET STM PROT TRIP PROT、HP WET STM PROT TRIP PROT、發(fā)電漏液液位高保護(hù)、冷氫A/B溫度高保護(hù)、勵(lì)磁風(fēng)溫高保護(hù)。

2）評估優(yōu)化的單點(diǎn)保護(hù)項(xiàng)目

SIL3 ETS增加一路“TURBINE SYSTEM ETS N.TRIP”硬接線信號至TMS，實(shí)現(xiàn)ETS至SGC和流量指令、閥門指令清零邏輯冗余配置。

TMS、ETS保護(hù)條件汽輪機(jī)順控54步信號為通信網(wǎng)絡(luò)信號。順控54步信號需從ATC增加一路（只有一個(gè)DO卡件）硬接線至TMS，實(shí)現(xiàn)二取二邏輯處理，并采取防拒動的措施。

TMS保護(hù)條件高壓缸蒸汽溫度高保護(hù)，保護(hù)定值是轉(zhuǎn)子溫度經(jīng)函數(shù)處理后，為通信網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)參與主保護(hù)。轉(zhuǎn)子溫度信號需從ATC增加一路（只有一個(gè)AO卡件）硬接線至TMS，實(shí)現(xiàn)二取均邏輯處理。

TMS保護(hù)條件潤滑油箱油位低保護(hù)，保護(hù)定值是汽機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)函數(shù)處理后為通信網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)參與主保護(hù)。油位保護(hù)定值信號需從BTC增加兩路硬接線至TMS，實(shí)現(xiàn)三取中邏輯處理。

TMS的每個(gè)保護(hù)項(xiàng)目均設(shè)置熱控工程師保護(hù)投退防誤操作閉鎖邏輯，實(shí)現(xiàn)保護(hù)狀態(tài)的可視化，并在畫面上顯示投入/退出狀態(tài)監(jiān)視。

3.2 “電跳機(jī)”實(shí)現(xiàn)三取二配置滿足SIL3要求

印 尼PPA協(xié) 議“FSS and ETS shall satisfy the safety integrity level（SIL）requirements”的要求，實(shí)際是發(fā)電機(jī)電氣保護(hù)停機(jī)項(xiàng)目滿足SIL3 ETS系統(tǒng)三取二保護(hù)的要求。本項(xiàng)目“電跳機(jī)”大聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)方式為：發(fā)電機(jī)保護(hù)A屏（三取二）、發(fā)電機(jī)保護(hù)B屏（三取二）、發(fā)變組保護(hù)A屏（三取二）、發(fā)變組保護(hù)B屏（三取二）、電氣非電量保護(hù)屏（三取二）共5個(gè)屏各送出3個(gè)獨(dú)立的干接點(diǎn)信號在ETS（控制周期5ms）進(jìn)行三取二處理，后進(jìn)行五取一。滿足二十五項(xiàng)反措、印尼PPA協(xié)議、集團(tuán)負(fù)面清單以及國華邏輯審查管理等要求，在行業(yè)內(nèi)“電跳機(jī)”保護(hù)設(shè)置是最先進(jìn)、最可靠的配置方案。

3.3 印尼“大機(jī)小網(wǎng)”背景下DEH控制策略優(yōu)化

1）一次調(diào)頻邏輯控制策略

轉(zhuǎn)速不等率：5%（自適應(yīng)在線調(diào)整）。

調(diào)頻死區(qū)：±12rpm（±0.2Hz）。

調(diào)頻范圍：525MW～1050MW。

限制幅度：±63MW（自適應(yīng)在線調(diào)整）。

一次調(diào)頻（DEH+CCS）設(shè)置投切按鈕。

2）優(yōu)化DEH KU/LAW功能邏輯

通過調(diào)研行業(yè)內(nèi)同類型機(jī)組關(guān)于西門子機(jī)型DEH系統(tǒng)KU、LAW功能邏輯優(yōu)化，以及后期投運(yùn)控制系統(tǒng)邏輯配置情況，結(jié)合本項(xiàng)目電氣零功率切機(jī)，在甩負(fù)荷試驗(yàn)成功驗(yàn)證后，DEH取消長甩LAW功能，保留短甩功能（在甩負(fù)荷識別信號增加0.1s延時(shí)，且汽機(jī)轉(zhuǎn)速大于3030rpm，短甩功能在2s內(nèi)復(fù)位，防止發(fā)生誤動）。

3.4 電網(wǎng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率信號波動時(shí)DEH邏輯優(yōu)化

1）當(dāng)DEH側(cè)3個(gè)發(fā)電機(jī)功率信號兩個(gè)及以上故障時(shí)（包括兩兩偏差大于20MW），功率控制器的給定值與實(shí)際值偏差大（50MW）且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在2970rpm～3030rpm之間，DEH自動切初壓控制，聯(lián)鎖CCS控制切TF方式。

2）當(dāng)CCS側(cè)3個(gè)發(fā)電機(jī)功率信號兩個(gè)及以上故障時(shí)（包括兩兩偏差大于20MW，已經(jīng)有），功率控制器的給定值與實(shí)際值偏差大（50MW），CCS控制切TF方式，聯(lián)鎖DEH自動切初壓控制。

3）電氣功率變送器無法增加濾波環(huán)節(jié)，建議DEH負(fù)荷控制器PID的功率測量值增加一階慣性環(huán)節(jié)（1s～3s），防止功率信號抖動時(shí)負(fù)荷PID輸出產(chǎn)生擾動。

3.5 優(yōu)化完善DEH-SGC與DCS-APS接口

輔助系統(tǒng)順序控制主要包括潤滑油、EH油、油系統(tǒng)檢查，以及汽機(jī)疏水和抽汽逆止門和軸封系統(tǒng)控制。機(jī)組的啟動停止SGC運(yùn)行過程中，通過下發(fā)指令給輔助系統(tǒng)的順序控制，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)自動啟停功能。為滿足機(jī)組APS功能的靈活運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)DEH-SGC與DCS-APS接口更好地融合，做了如下優(yōu)化方案：

1）在原有大DEH的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，軸封系統(tǒng)控制部分邏輯及測點(diǎn)變更到DCS控制，可以實(shí)現(xiàn)軸封系統(tǒng)與機(jī)組APS功能的無縫鏈接。

2）分別增加潤滑油系統(tǒng)、EH油系統(tǒng)APS啟動、停止指令，系統(tǒng)運(yùn)行、停止反饋信號，可以在機(jī)組DCS-APS時(shí)，靈活調(diào)用DEH-SGC順控程序。

4 嚴(yán)格在線試驗(yàn)指導(dǎo)故障應(yīng)急處理

以問題為導(dǎo)向，重在復(fù)原故障現(xiàn)象，深入分析故障原因，總結(jié)應(yīng)急處理經(jīng)驗(yàn)，形成故障應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)操作卡。

問題1：轉(zhuǎn)速卡TP800-ROM繼電器誤動作。此問題為重復(fù)出現(xiàn)的問題，若在機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生，DEH & ETS邏輯Rapid travel、FAST CLOSE動作，汽輪機(jī)油動機(jī)跳閘電磁閥動作，閥門關(guān)閉機(jī)組跳閘。

問題2：核心卡件CPM810故障率較高（已更換3塊），嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。若在機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生，DEH閥門卡（伺服卡+通訊卡）故障油動機(jī)失控，可能引發(fā)機(jī)組甩負(fù)荷動作，機(jī)組負(fù)荷壓力大幅波動，EH油系統(tǒng)工作異常，誘發(fā)機(jī)組發(fā)生低頻振蕩，甚至導(dǎo)致機(jī)組直接跳閘（或需要即刻停機(jī)處理）等，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

問題3：單個(gè)模塊底座故障，導(dǎo)致整個(gè)控制站失去控制。控制系統(tǒng)底座串聯(lián)設(shè)計(jì)，回路中的任何一個(gè)卡件或者通訊電纜故障，導(dǎo)致整個(gè)控制站故障，整個(gè)DEH失去控制，都會給機(jī)組安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。一是DEH失去控制，保護(hù)系統(tǒng)直接動作機(jī)組跳閘，二是若需檢查處理，需要通過排查法進(jìn)行故障排查，排查故障及更換底座在機(jī)組運(yùn)行時(shí)無法處理，需要停機(jī)處理。

在控制系統(tǒng)調(diào)試期間，組織進(jìn)行DEH轉(zhuǎn)速卡件和伺服卡件抗干擾試驗(yàn)、常規(guī)I/O卡件在線更換試驗(yàn)、工程師站及操作員站網(wǎng)絡(luò)在線冗余切換試驗(yàn)、AI模件底座保險(xiǎn)及通道保險(xiǎn)熔斷驗(yàn)證試驗(yàn)、BRAUN卡手動自檢功能驗(yàn)證試驗(yàn)、DEH側(cè)甩負(fù)荷及FCB回路模擬試驗(yàn)。針對冗余伺服模件進(jìn)行在線冗余切換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程采用示波器錄波驗(yàn)證，當(dāng)模件切換時(shí)伺服系統(tǒng)控制正常，滿足可靠性及實(shí)際運(yùn)行的要求。

根據(jù)在線試驗(yàn)情況，按照火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)典型故障應(yīng)急處理預(yù)案，制定相關(guān)措施，明確應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)操作，并結(jié)合日常維護(hù)和機(jī)組檢修采取預(yù)控措施。

5 結(jié)語

某電廠#1機(jī)組于2019年12月12日完成COD試運(yùn)行，在汽機(jī)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)發(fā)電、甩負(fù)荷試驗(yàn)和168h滿負(fù)荷試運(yùn)中均一次成功，控制邏輯保護(hù)投入率100%，自動投入率100%，保護(hù)正確率100%。機(jī)組投產(chǎn)即連續(xù)安全運(yùn)行超400天，創(chuàng)同類型機(jī)組新紀(jì)錄，ABB Symphony Plus SD系列控制系統(tǒng)在上汽改進(jìn)型超超臨界機(jī)組DEH控制系統(tǒng)上首次應(yīng)用并安全可靠運(yùn)行。本項(xiàng)目長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，源源不斷地為印尼電網(wǎng)提供可靠的電源提供了可靠性保障，為推動電力建設(shè)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展以及中印尼兩國電力事業(yè)互惠合作起到良好的示范作用。