600MW超临界W形火焰锅炉机组控制系统设计应用

朱能飞，林大忠，宋丽红

(1．国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210031;2．四川华电珙县发电有限公司，四川 宜宾 644600)

1 项目概况

四川华电珙县发电有限公司(以下简称珙电公司)一期建设工程为2台600MW超临界燃煤发电机组。锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的600 MW、超临界参数、W形火焰燃烧、垂直管圈水冷壁变压直流锅炉，采用一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢架结构单炉膛露天岛式布置，燃用无烟煤。最大连续蒸发量为1 900 t/h，额定工况下过热器出口蒸汽压力为25．4MPa，温度为571℃。汽轮机为东方汽轮机有限公司生产的600MW、超临界、中间一次再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式、8级回热汽轮机。发电机为东方电气集团生产的QFSN－600－2－22D型水氢冷发电机。

该项目是5·12汶川特大地震后，国家发改委核准开工建设的四川省第1个重点工程，是国产首台600MW超临界W形火焰炉燃煤发电机组。该项目分散控制系统(DCS)的合同于2009年5月8日签署，2010年3月通过出厂验收测试(FAT)，2010年6月DCS受电，2011年2月#1机组顺利通过168h试运行。#1机组实现了倒送厂用电、锅炉水压试验、锅炉点火、吹管、汽轮机冲转、机组并网、168 h试运行“七个一次”成功，与环保工程、外围工程及主体工程建设“三同时”。#2机组也于2011年8月顺利通过168 h试运行。

2 机组DCS配置

珙电公司DCS采用国电南京自动化股份有限公司TCS 3000仪电一体化分散控制系统，DCS实现了十大功能，包括单元机组的数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监视保护系统(FSSS)、旁路控制系统(TBC)、电气监控系统(ECS)、烟气脱硝控制系统(SCR)、给水泵汽机数字电液控制系统(MEH)、厂用电管理系统(ECMS)以及脱硫DCS等。

2．1 网络配置

TCS 3000分散控制系统硬件由操作层、控制层、执行层3个主要部分构成，并通过网络相互连接［1］。全厂DCS网络拓扑结构如图1所示。

单元机组DCS配置具体包括35对冗余控制器、2套服务器、4套操作员站、1套工程师站、1套值长站、1套历史站、1套厂级实时信息监控系统(SIS)接口机以及3套用于与80台智能温度采集前端通信的通信管理机。

ECMS配置了10套通信管理机，2台单元机组各3套，与80套6 kV综合保护装置通信;公用系统4台，与100台6 kV综合保护装置通信。

2．2 I/O测点和卡件配置

单元机组I/O点数为10 520，实际配置13 034点，余量24%;公用系统I/O点数为854，实际配置1112点，余量30%;脱硫DCS I/O点数为3756，实际配置4452点，余量19%。全厂I/O点数为25650，实际配置31632点，余量23%;I/O卡件共2399块。

2．3 DPU及机柜配置

机组DCS控制范围覆盖了锅炉岛、汽轮机岛、发电机、电气系统、脱硝系统、脱硫系统等，DCS机柜分布在全厂11个电子设备间。DPU按照电厂热力系统分配的原则，尽量减少不同控制器之间的通信，降低网络负荷。单元机组配置35对冗余DPU，其中单元机组锅炉配置17对、汽轮机配置15对、电气系统配置3对;公用系统配置6对DPU，分别为电气公用、机组公用、氨区、燃油泵房和空气压缩机房;脱硫系统配置14对 DPU。全厂配置90对 DPU，机柜125面，其中主控制柜90面、端子柜/继电器柜23面、电源柜6面、网络柜6面。

图1 珙电公司全厂DCS网络拓扑结构图

2．4 软件配置

TCS 3000的软件系统由支撑软件和应用软件2部分组成。支撑软件由性能稳定的中文Windows Server 2003操作系统和MSOffice 2003等构成。应用软件分为下位组态软件和上位监控软件。下位组态软件符合IEC 61131－3标准，支持多种组态语言(包括FBD)，编译效率高、执行速度快、便于完成各种算法及控制策略，并可根据功能需求进行二次开发。在进行控制逻辑程序编制时可根据逻辑图应用功能块以及基本算法搭建，便于录入、保存和拷贝。程序经编译、下装后自动生成控制器的控制逻辑，并可以在线调阅、修改和监视。上位监控软件分为离线组态工具和在线运行程序2部分。组态工具可以完成数据库、系统画面、图表、报表、设备操作端等组态。在线运行软件包括机组设备状态、参数显示、报警显示、事件顺序(SOE)记录、事故追忆、设备操作和打印等必备功能。

3 系统应用特点及关键技术

TCS 3000系统在珙电公司机组的应用中，针对国产600MW超临界W形火焰炉首次应用的具体情况，在确保机组运行安全、稳定的基础上，大胆拓展新思路、启用新技术。其在系统配置及应用中的特点和涉及的关键技术主要有:

(1)针对超大规模火电厂控制系统的应用，对工程进行合理配置。系统不仅完成常规锅炉、汽轮机和脱硫系统的控制功能，而且实现了电气监控、厂用电控制等一体化控制。全厂共计配置I/O点31632点，I/O卡件2399块，DPU 90对，通信管理机17套、计算机30套、智能前端136台，实现了监视控制功能的合理划分和系统负荷(包括DPU，I/O服务器，报警服务器，趋势服务器等)的均衡。

(2)600MW超临界机组的自动控制与保护方案。该项目采用600MW超临界W形火焰锅炉机组，同类型国产锅炉还没有投产的先例，在国际上也属鲜见，对于此种锅炉控制系统的设计、安装、调试、运行等都是新课题。该类型锅炉的部分控制方案与传统切圆燃烧锅炉有很多不同，具有自身的特殊性和要求，由于W形火焰锅炉的燃烧方式及采用双进双出球式磨煤机，在燃烧控制及磨煤机控制上与传统的切圆燃烧锅炉不同，二次风系统、一次风系统、磨煤机煤位控制系统、过热汽温及再热汽温控制系统与切圆燃烧锅炉均有所区别。TCS 3000系统提供的锅炉控制系统包含针对锅炉特点特别设计的若干子系统，这些子系统协调运行并具有前馈作用;设计并实施灵敏、安全、快速与稳定的控制策略，在不同工况下均能高质量地满足机组负荷指令的需求并保证机组运行的安全及稳定性。

(3)大量智能数据采集系统(IDAS)的应用。由于该机组是首台国产600MW W形火焰锅炉，为了更好地检测锅炉温度场的分布，并为锅炉厂进一步的开发及科研工作提供必要的数据支持和依据，该工程使用的IDAS除常规功能外，还充分考虑设备深层次管理的需要。

1)根据机组的实时负荷计算出不同负荷下管壁温度的报警值，并对壁温进行实时检测和超温报警。

2)将壁温写入历史站，便于查询其历史数据，对异常情况的分析提供可靠的依据，也为这部分设备的检修提供必要的信息。

3)精确定位超限报警点的位置，提高了设备的安全、管理水平，也可以使运行人员对其操作水平不断进行自我评价。

(4)采用了先进的SOE对时技术，确保不同控制器之间乃至分布于不同电子间不同DPU的事件分辨率达到1ms，为机组的故障分析提供可靠的平台和保障。

(5)采用数字电液控制系统(DEH)专用卡件(位置反馈变送器(LVDT)，用于过程控制的对象连接与嵌入(OPC)卡，伺服回路控制卡(VCC)和装置(危急遮断系统(ETS))，实现了对给水泵汽轮机的一体化控制。

(6)采用具有预测控制属性和特征的预加煤控制技术，对锅炉主控指令进行智能超调，加强、加快锅炉主控的输出，及时改变燃料和给水量，以补偿锅炉的大滞后特性，增强了控制系统的自适应能力，提高了机组的负荷响应速率。

(7)采用增量式函数观测器及其状态反馈技术，根据过热器各中间点温度的变化，预测过热器出口汽温的变化趋势，从而使执行机构提前动作，加快调节速度，同时减少汽温对象的超调，有效解决了W形火焰直流锅炉过热汽温大惯性、大迟延的问题。

4 系统性能评价及问题分析

TCS 3000分散控制系统目前已经成功应用于多个600 MW及以下等级机组，成功实现了机组DCS，ECMS及升压站网控(NCS)等3 S一体化控制。目前，珙电公司#1机组已经进入商业运行阶段，系统运行安全、可靠，各项性能指标达到DCS规范书要求。同时，机组自动化控制水平较高，对机组的优化调整、经济稳定运行有着重要的意义，也为珙电公司自动发电控制(AGC)功能的成功实现创造了条件。

在调试过程中发现了系统的不足之处并给出了针对性解决方案，现列举如下:

(1)系统容量庞大，单元机组控制器35对，I/O点有10520点，网络变量达到50 000点，造成切换监控画面时偶尔出现2～5 s的迟滞现象。经分析，优化了4个网络通信参数，包括服务器从DPU、客户机从服务器获取数据的等待时间和重试次数等，问题得以解决。

(2)DELL服务器曾出现重启现象。现场分析查看系统日志及系统dump文件，确定服务器重启是由于DELL服务器标配的broadcom网卡驱动程序(baspxp32．sys)缺陷所致。升级了服务器网卡驱动程序，此类现象得以杜绝，另需注意内存卡的最佳槽位安装。

(3)智能前端IDAS数值出现过不精确现象。经同批次装置的高温模拟试验后，发现装置上所使用的光耦器件在高温时导通斜率发生变化，导通延迟时间超出原设计指标，导致装置内部的采样时序被破坏。之后采用适当延长光耦导通采样周期方法，以保证足够的采样时间，通过升级装置软件程序使问题得以顺利解决。

(4)#2机组点火试运期间发生主汽温度测量不精确，存在测量扰动现象，导致主汽温减温调节自动不能投入。经过反复测试检查，发现热电偶的部分信号有抖动，测量信号变化0．5mV左右。在对每个通道进行绝缘检查时，发现6个热电偶绝缘不合格。更换现场热电偶，问题得以解决。

5 结束语

为进一步提高TCS 3000系统的安全、可靠性，改善控制效果，使其在火电厂乃至整个工业领域的应用达到新的水平，作者认为还有以下工作亟待展开:

(1)开拓与其他类似工业产品的交流平台，广泛学习并加快对国内外先进DCS优点的消化和吸收，不断汲取国内外先进经验，尽快消除与先进系统的差距。

(2)果断、及时地引入新技术。例如，将自适应控制、预测控制、模糊控制等国际上先进的控制技术应用到火电机组的控制中来，在提高系统控制性能的同时使其控制水平上一个台阶。

(3)抓紧对该系统的研发工作。例如，对组态模块及监控画面进行更深入的开发和改进，并在此基础上形成自己的特色，为客户提供更加安全、可靠、稳定的产品，最终在大容量火电机组的控制方面走在全国乃至世界前列。

［1］郭同书，赵明，朱能飞，等．600MW超临界W形火焰锅炉机组给水控制策略分析［J］．华电技术，2011，33(12):4 －7．