300MW全電調DEH國產化系統(tǒng)分析

1、300MW全電調DEH國產化系統(tǒng)分析 金旭明 (東方汽輪機廠自動控制開發(fā)處，四川德陽618000)  摘 要：介紹國產化DEH控制系統(tǒng)的功能原理，且重點介紹系統(tǒng)功能及軟、硬件功能，最后簡略介紹系統(tǒng)仿真及電液聯(lián)動試驗。圖1關鍵詞：控制系統(tǒng)；軟件通訊；硬件配置；仿真 1概述隨著科學技術的不斷發(fā)展，汽輪機組向著大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展，以便獲得盡量高的熱效率，降低制造、安裝和運行成本，這樣，設備更加復雜了。特別是在變工況過程中，需要綜合控制的因素更多了，原純液壓調節(jié)系統(tǒng)和電液并存調節(jié)系統(tǒng)已很難滿足要求。計算機技術現(xiàn)已廣泛用到各種設備的監(jiān)視和控制中，隨

2、著以微處理器為基礎的分布式控制系統(tǒng)(DCS)技術的大力發(fā)展，運用分散控制、集中管理的設計思想，不但控制的可靠性得到了更大的提高，操作維護人員的勞動強度亦可大大減輕。東汽廠在引進和廣泛吸收國內外先進技術的基礎上，與太極通瑞控制系統(tǒng)工程公司集各自優(yōu)勢聯(lián)合開發(fā)了新一代全電調控制系統(tǒng)。它是以計算機為核心，采用東汽廠成熟的控制系統(tǒng)思想和太極通瑞先進的、可靠的硬件產品，配以完善的應用軟件而形成的；它將計算機與自動控制有機地結合在一起，充分發(fā)揮了計算機的高速計算和數(shù)據處理以及具有記憶、比較、判斷等邏輯功能，并且易與其它系統(tǒng)接口；其液壓系統(tǒng)采用高壓抗燃油系統(tǒng)，與D300H型汽輪機配套。2系統(tǒng)設計2.1設計原則

3、(1)控制系統(tǒng)按分層、分散控制的思想設計，并按重要度配置硬件冗余。(2)硬件的選擇力求簡潔、可靠、先進。(3)選用模塊化的功能組態(tài)軟件，以提高軟件透明度，方便用戶使用。(4)開放式冗余高速通訊網絡保證信息暢通；具有與CCS及其它計算機的接口能力。(5)I/O信號應滿足機組的啟動運行要求，并有擴展容量。(6)液壓部套的技術參數(shù)、連接安裝尺寸必須符合主機要求。(7)大屏幕、高分辨率、多功能的OIS站作為人機通訊界面，采用球標在CRT屏幕上完成全部操作，硬盤僅用于緊急及試驗操作。(8)系統(tǒng)設計符合IEC規(guī)定的安全設計準則，對誤操作用防范措施，系統(tǒng)失電應保證可靠停機，系統(tǒng)具有自診斷、自恢復及抗干擾能力

4、。2.2控制功能基本控制(BTC)(1)啟動升速、升負荷及正常負荷調節(jié)，(2)閥位控制及閥門管理，(3)超速保護控制及遮斷，(4)提升轉速試驗，(5)閥門活動試驗，(6)噴油試驗，(7)閥門靜態(tài)試驗，(8)汽門嚴密性試驗，(9)與上位機及自動同期裝置接口能力。自動控制(ATC)(1)自動升速、升負荷控制。(2)轉子應力計算與壽命管理。2.3控制系統(tǒng)原理300MW汽輪機是雙缸、雙排汽中間再熱式機組，它由2只高壓主汽閥，4只高壓調節(jié)閥和2只中壓主汽、調節(jié)聯(lián)合閥（分別控制高、中壓進汽）組成。以計算機為核心的DEH控制系統(tǒng)，采集機組的轉速、功率和有關參數(shù)后，經過分析、鑒別、計算，控制電液伺服閥，通過各

5、自的油動機4只高壓調節(jié)閥和2只中壓調節(jié)閥，按啟動運行要求工作。液壓動力油以磷酸脂抗燃油為工質，工作油壓12.8MPa，由集裝式抗燃油箱供油。見圖1。啟動準備為了使汽輪機沖轉前高壓部分的轉子、汽缸及主汽閥的金屬溫度超過脆性轉變溫度，以減少啟動過程的熱沖擊，縮短啟動時間，啟動前要進行高壓缸預暖和高壓主汽閥預暖。高壓缸預暖利用高壓旁路蒸汽，通過RFV反流閥，從高壓缸排汽口引入高壓汽缸預暖。司機發(fā)出預暖指令后，打開RFV反流閥，關閉VV通風閥，關閉高排逆止閥，待高壓缸溫度達到規(guī)定值后，保持1h，關閉RFV閥，高壓缸預暖完成。高壓主汽閥預暖司機發(fā)出預暖指令后，DEH微開主汽閥，使主蒸汽進入高壓主汽閥進行

6、預暖。待閥殼溫度達到規(guī)定值后，保持1h，關閉主汽閥，準備沖轉。運行方式CCS協(xié)調控制啟動結束后，DEH接到CCS請求，司機可按下協(xié)調按鈕，在DEH允許的前提下，即可投入CCS控制，同時發(fā)出CCS投入信號。此時，DEH自動切除負荷反饋和調節(jié)級壓力反饋，按CCS主控器來的目標設定信號控制機組。透平自動控制透平自動控制程序根據轉子熱應力、機組振動、脹差等參數(shù)，自動設定目標值、速率，實現(xiàn)自動升速和升降負荷。熱應力計算是按當時的進汽溫度和壓力、轉速及缸溫等參數(shù)，算出當時高、中壓轉子危險截面處的溫差，表面及中心孔的熱應力，然后按許用應力算出當前的相對應力比率，從而確定機組的升降速率，并累計壽命消耗。操作員

7、自動在這種運行方式下，根據機組的熱狀態(tài)，DEH自動啟動曲線（過臨界轉速、升速、定速、并網后帶初負荷和升負荷）。司機可通過操作盤進行干預，按實際需要改變啟動曲線。緊急手動當DEH自動部分發(fā)生故障時，則切換到手動應急操作方式，用閥位升、降鈕調整負荷。并網前DEH發(fā)生故障時，則立即打閘停機。啟動和閥門管理啟動過程在升速過程中，目標轉速設定后，給定轉速將按所給定的速率逐步增加。DEH把實際轉速與給定轉速相比較，經過PI校正并經電氣凸輪曲線修正后得到閥位指令值，從而控制各閥門開度，使機組平衡升速。需要暖機時，給定轉速保持不變；過臨界轉速時，速率自動變?yōu)?00r/min；并網時投入自動同期裝置。在升負荷過

8、程中，目標功率設定后，給定功率將按所設定的負荷率逐步增加。DEH把實際功率與給定功率相比較，經過PI校正并經電氣凸輪曲線修正后得到閥位指令值，從而控制各閥門開度使機組平穩(wěn)升負荷。中壓缸啟動方式在預暖完成并具備啟動條件后，司機按中壓缸啟動按鈕，此時高壓調門微開，逐漸開啟中壓調門。為保持中間再熱壓力不變，低旁逐漸關閉。當汽輪機完成升速、并網、低負荷暖機后，低旁全關，DEH接收到閥門切換指令后，開始閥門切換。逐漸開啟高壓調門，為維持主蒸汽壓力不變，高旁開始關閉。當高、中壓調門開度達到13，切換時間不大于2.5min，即認為切換完成，高、中壓調門同時參與控制。一般而言，在閥門切換時機組的功率應達到約1

9、0額定功率。高、中壓缸聯(lián)合啟動方式當旁路系統(tǒng)性能不完善或在熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時，可采用高、中壓聯(lián)合啟動方式。此時高、中壓調門同時開啟，且按13比例動作，以減少中壓調門的節(jié)流損失。定滑定運行方式啟動初期，用旁路維持高、中壓進汽壓力不變，機組處于定壓運行；在高低旁路全關后，鍋爐增加燃燒，高壓調節(jié)閥維持90的額定值。隨著蒸汽參數(shù)的增加負荷逐漸增大，這一階段即為滑壓運行；當蒸汽參數(shù)基本達到額定值時，負荷達到90的額定值，轉入定壓運行，高壓調節(jié)閥開啟到額定值，機組發(fā)滿功率。閥門管理機組穩(wěn)定運行時，宜采用噴嘴調節(jié)方式，盡量減少處于節(jié)流狀態(tài)下的閥門，減少損失；當負荷變動時及啟動過程中，為保證機組全周進汽，縮短

10、啟動時間，宜采用節(jié)流調節(jié)方式，即所有閥門同步開關。實現(xiàn)這2種控制方式的變換，叫做閥門管理。DEH可接收指令，在一定的功率下，10min完成上述轉換。   超速保護控制功率負荷不平衡控制當電網輸電線路發(fā)生瞬間短路故障時，等值系統(tǒng)總電抗增加，使發(fā)電機功率突然降低，為使系統(tǒng)能維持運行，必須使汽機功率迅速降低。實際上，當中排壓力與發(fā)電機負荷之差大于30時，快關電磁閥動作，迅速關閉中壓調節(jié)閥，待2s鐘后，電磁閥失電，中壓調節(jié)閥恢復控制。這種功率負荷不平衡控制對電網末端的機組尤為重要。超速預警當機組甩負荷時，若油開關信號沒有發(fā)出，由于控制信號的滯后及余汽的作用，汽機轉速將很快

11、飛升，為防止達到跳閘轉速而引起機組跳閘，在轉速達到103時，立即快關高、中壓調門，以抑制轉速過度上升，從而起到預警作用。超速保護當機組轉速超過110時，DEH發(fā)出停機信號，立即關閉高、中壓主汽門和調門，切斷進汽。試驗閥門活動試驗為確保閥門活動靈活，需定期對閥門進行活動試驗，以防止卡澀。閥門活動試驗對主汽閥、調節(jié)閥均進行全行程試驗，按高壓、中壓、左、右分為4組進行。為減小試驗過程中負荷的變動，建議投入負荷反饋。閥門活動試驗開始后，首先逐漸關閉調節(jié)閥，關閉主汽閥；然后全開主汽閥，逐漸開啟調節(jié)閥，最后恢復正?？刂?。由于投入負荷反饋，在試驗閥門關小時，其余調節(jié)閥自動開大，以維持負荷基本不變。噴油試驗為

12、確保危急遮斷飛錘在機組出現(xiàn)超速時能迅速飛出遮斷汽輪機，需對飛錘進行活動試驗。將油噴到飛錘中增大離心力，使之飛出，避免卡澀，再通過移動杠桿，使噴出的飛錘不會遮斷汽機。超速試驗超速試驗也叫提升轉速試驗，將DEH的目標轉速設置為3 360r/min，逐漸提升汽輪機轉速，達到被試驗的一路超速保護的動作速度時，此路超速保護動作，遮斷汽輪機。DEH可自動記錄汽輪機遮斷轉速及最高轉速。3軟件設計DEH控制系統(tǒng)的軟件采用了計算機的成熟技術。它可分為系統(tǒng)軟件(包括操作系統(tǒng)及支撐軟件)和應用軟件2層，應用軟件在操作系統(tǒng)管理下工作。開發(fā)系統(tǒng)的支撐軟件為用戶提供了一個全漢化的軟件開發(fā)平臺，它可用圖形組態(tài)的方式構成簡捷

13、的人機對話界面，技術人員只需經過簡單培訓，就能熟練地對系統(tǒng)進行各種規(guī)定的操作。3.1系統(tǒng)軟件DEH控制系統(tǒng)由I/O控制站、OIS操作員站和EWS工程師站組成，它們掛在冗余的以太網上協(xié)同工作，網絡通訊由中文版WINDOWS NT SERVER 4.0多任務操作系統(tǒng)實現(xiàn)。I/O控制站選用了PSOS實時多任務操作系統(tǒng)，它是為嵌入式微機特殊設計的模塊化、高性能的實時操作系統(tǒng)。它提供了一個基于開放系統(tǒng)標準的完全多任務環(huán)境，易用且可靠，以幫助用戶在宿主系統(tǒng)(如NUIX工作站或PC機)上開發(fā)應用程序后，下載到嵌入式計算機，在PSOS的調試下運行應用程序。工程師站上的組態(tài)支撐軟件是一組功能強大的軟件工具包，它

14、為用戶提供了一個友好的全漢化的用戶界面，能離線對控制過程進行應用軟件開發(fā)。3.2應用軟件DEH控制系統(tǒng)的應用軟件是在系統(tǒng)支撐軟件支持下，在工程師工作站上，由專業(yè)工程師設計并輸入。它要完成系統(tǒng)配置組態(tài)、數(shù)據庫生成組態(tài)、控制回路生成組態(tài)等工作。專業(yè)工程師只需使用圖表或功能塊圖，就能完成控制邏輯圖的設計。另外，應用軟件在高度透明的前提下進行了合理的分層，這樣用戶很容易掌握DEH控制系統(tǒng)的機理，從而增加運行維護工程師對系統(tǒng)的信任度和工作信心，用戶可通過操作員站查詢全部軟件流程圖、邏輯圖，通過工程師站有限度的進行系統(tǒng)組態(tài)、應用軟件下載、系統(tǒng)初始化和在線修改等等。應用軟件的核心層，如基本控制和超速保護邏輯

15、等，制造廠加密，用戶只能在獲準后才可修改。數(shù)據采集、圖形顯示、報警制表格式以及運行參數(shù)(P、I、D)等可在工程師站上由專職人員修改。運行監(jiān)視過程中需要選擇調整的參數(shù)，如速率、負荷率、目標值等，允許運行人員在操作員站上在規(guī)定的范圍內修改。3.3通訊方式系統(tǒng)內部網絡整個DEH系統(tǒng)采用2層網絡結構。第1層采用局域網(以太網)，第2層為現(xiàn)場總線網(CAN網)，二者皆為冗余網。以太網以太網用于連接工程師站、操作員站和I/O控制站，以實現(xiàn)各站之間的數(shù)據交換和資源共享。由于采用了高速網絡，并且在以太網上需要傳遞的數(shù)據量較少，所以可以保證系統(tǒng)的實時性。各個站通過雙絞線電纜連接到集線器上，構成點對點的網狀拓撲結

16、構。以太網的網絡操作系統(tǒng)采用中文WINDOWS NT 4.0 SERVER，聯(lián)網方案選用工作組模式，這樣每一個在工作組(網絡)中的計算機都可以作為服務器和工作站，且具有自己的帳戶和管理。冗余的局域網實際上是兩個相互獨立的以太網，而不是同一個網絡上的兩個部分。冗余措施使用熱備份，即正常工作時兩個網絡都在運行。CAN網DEH控制系統(tǒng)第2層網絡為現(xiàn)場總線網(CAN網)。它的作用是連接I/O控制站中的多功能處理模板和I/O模板，實現(xiàn)它們之間的數(shù)據傳輸。同樣，為了提高系統(tǒng)的可靠性，CAN網同上層網絡一樣，也采用冗余網絡拓撲結構。CAN(Controller Area Network)是新一代的現(xiàn)場監(jiān)控網

17、絡，是一種目前國際上流行的工業(yè)現(xiàn)場總線(Field Bus)，也是國際上通用的成熟產品，它非常適合于工業(yè)數(shù)據的現(xiàn)場傳輸，其通訊規(guī)范為CAN 2.0 PARTA，符合ISO 11898標準，它可完成數(shù)據處理與I/O模件之間的數(shù)據交換。與其它控制設備接口網絡接口連接符合以太網總線規(guī)范的其它控制設備，可直接掛在DEH控制系統(tǒng)的網上。若網絡規(guī)范不一致可增設一個由PC機組成的網絡轉換器，掛在以太網上，實現(xiàn)網絡硬件和規(guī)約的轉換。DEH控制系統(tǒng)的數(shù)據通過以太網傳到網絡轉換器，再由網絡轉換器將數(shù)據發(fā)送到所需設備，采用網絡轉換器后DEH控制系統(tǒng)可與任何設備的網絡連接。串行接口DEH控制系統(tǒng)在ATC數(shù)據采集站的C

18、AN網上掛有串行接口。它符合RS232、RS422、RS485等規(guī)范，可方便與其它控制設備交換數(shù)據。硬接線連接有些需要快速響應或比較重要的控制信號，可直接從I/O端口輸入。4硬件設計DEH系統(tǒng)由工程師站、操作員站、I/O控制站以及其它系統(tǒng)通訊接口站組成，I/O控制站包括基本控制站、超速保護控制站、ATC數(shù)據采集計算站，它們通過網絡聯(lián)為一體。4.1工程師站工程師站由工業(yè)微機、打印機、網卡組成。工程師站采用圖形組態(tài)軟件，用圖形組態(tài)的方式完成系統(tǒng)組態(tài)、網絡應用軟件下載、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視、在線修改等功能，是系統(tǒng)日常運行維護的中心，必須由專業(yè)工程師進行操作。工程師站的設置，方便了用戶的正常運

19、行，使系統(tǒng)更具有可操作性、可修改性，增加了全系統(tǒng)的透明度，進而增加了用戶對系統(tǒng)和制造廠家的信任度。4.2操作員站操作員站由工業(yè)微機、大屏幕圖形顯示終端、操作員專用鍵盤、打印機、網卡等構成?，F(xiàn)場運行人員通過使用觸摸屏、球標、專用鍵盤等操作工具完成對汽輪機的監(jiān)視和控制。觸摸屏技術和圖形組態(tài)軟件操作簡便，易于掌握。在操作員站上，只能利用已經組態(tài)好的圖形軟件，對汽輪機進行監(jiān)視和控制操作，而不能修改應用軟件?，F(xiàn)場運行人員對汽輪機系統(tǒng)做任何控制操作，都通過打印記錄下來。系統(tǒng)的歷史數(shù)據存儲、事故追憶記錄也是在該站上完成。4.3基本控制站基本控制站由網卡、多功能處理模板及各種I/O模板組成。向上，通過以太網網

20、卡完成與網上其它站的數(shù)據交換；向下，通過CAN網網卡完成與CAN網上各種I/O模板的數(shù)據交換。為提高控制系統(tǒng)的可靠性，基本控制站上多功能處理器、I/O模板、CAN網皆采用冗余配置，并對非常重要的信號采用三取二的處理方式。通過模板與軟件的密切配合，完成基本控制和手動控制的跟蹤與無擾切換。4.4超速保護控制站超速保護控制站由網卡、多功能處理模板及各種I/O模板組成。向上，通過以太網網卡與網上其它站數(shù)據交換；向下，通過CAN網網卡與CAN網上各種I/O模板的數(shù)據交換。為提高控制系統(tǒng)的可靠性，超速保護控制站上多功能處理器、I/O模板、CAN網皆采用冗余配置，并對非常重要的信號采用三取二的處理方式。通過

21、模板與軟件的密切配合，完成汽機的測速和超速保護功能控制功能。4.5ATC數(shù)據采集計算站ATC數(shù)據采集計算站由網卡、多功能處理模板及各種I/O模板組成。向上，通過以太網網卡完成與網上其它站的數(shù)據交換；向下，通過CAN網網卡完成與CAN網上各種I/O模板的數(shù)據交換。ATC數(shù)據采集計算站不采取冗余配置，主要功能就是采集ATC所需要的信號。4.6系統(tǒng)供電系統(tǒng)交流供電：采用兩路交流電，通過UPS不間斷電源向系統(tǒng)供電。交流供電具有一套繼電器切換保護邏輯，確保在其中一路電源斷電時，切換到另一路電源供電，以保證系統(tǒng)正常。系統(tǒng)直流供電：系統(tǒng)直流供電分別給模板機柜和端子機柜供電。模板機柜和端子機柜采用直流電源集中供電方式，直流電源塊做成模板式，所有直流電源模板集中放在同一個電源機箱內