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maxDNA控制系统在大型电厂DEH系统中的应用

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 25次


刘震华1

1. 国电南自美卓控制系统有限公司    江苏省南京市 210031);

 

摘要:介绍了美卓maxDNA控制系统在不同汽机机型控制中的设计与应用,分析了软件结构和时序,控制回路,甩负荷,一次调频等的控制策略及调试中的问题及解决方法。

关键字:控制回路;时序;甩负荷; 调试;

maxDNA Control system Application in large-scale Power Plant DEH system

LIU Zhenhua1

1. SAC metso control sysytem, Nanjing 210031, China

Abstract: Introduction of maxDNA Control System Application in large-scale Unit DEH Turbine Control , present different types Turbine control software structure and Scan Cycle&Squence, Core Control Circuit,Load Shedding, Primary Frequency Control strategy and the commissioning problems&solving measures

Key words: Core Control Circuit; control cycle&sequence ; load shedding; commissioning

0 引言

maxDNA 分散控制系统是美卓自动化向全球电力工业和其他重要过程应用提供的完全集成的控制系统,为原电力部推荐采用的7家DCS产品之一,2006年随着DEH在汽机控制中的应用,在maxDNA DCS基础上开发了一体化的汽轮机控制系统,至今已成功应用于应用于上汽,哈汽,东汽,南汽等从10MW至1000MW各个容量的机型并较稳定运行。

1 系统及结构

1.1系统简介

maxDNA分散控制系统主要由远程处理单元(RPU)、maxNET网络 ,maxStation工作站组成, RPU包括分散处理单元DPUMR,现场I/O接口模板maxPAC I/O,现场终端设备,电源系统和机柜等等, 所有数据采集,调节控制,顺序控制,事件时标均在RPU和maxPAC I/O 中完成 。

maxStation工作站按照功能不同可以分为:工程师站(ENG)、操作员站(OP)、历史站(HIS)、接口服务器(LINK)等, 工程师站安装有maxVUE,maxTOOLS等工具可以用来组态数据库和工作站,DPUMR控制器和maxPAC I/O画面.

工作站和控制器DPUMR直连在MaxNet网络上,工作站与DPUMR之间的数据通讯直接点对点或通过广播进行数据通讯。每一台工作站或一个DPUMR在MaxNet网络看来都叫做一个节点。工作站通过高速通讯网络(maxNET)通过SBP(分散通讯架构软件,Software BackPlane)软件背板服务连接到分散处理器DPUMR和maxPAC I/O,

maxDNA DCS系统加上汽机转速,阀门伺服模件数字控制和液压调节保安部分构成了汽轮机数字电液控制系统maxDNA-DEH(Digital Electric Hydraulic,DEH),用于调节汽轮发电机组的转速、功率,使其满足电网的要求。 

1.2 系统设计及应用

     电厂DEH系统中EH液压部分及就地仪表执行机构由汽机供货方厂家设计,其数字控制部分由DEH控制厂家根据汽机厂家提供的IO原始清单进行系统设计。系统设计包括控制器数量功能及其IO配置,电磁阀供电配电回路,工作站配置及组态,系统电源接地设计,如果DEH与电厂DCS不是同一系统,还需增加网络,历史和SOE,事件,主时钟,与DCS通讯等功能设计,造成控制系统功能重复且查看事件报表不方便,增加了备件采购和售后服务成本,不利于后期维护,所以现在DCS,DEH一体化已成主流配置。

大型机组DEH系统控制功能区至少包括汽机基本控制系统BTC,汽机应力及自启动系统ATC,汽机数字保护系统ETS,西门子机型还包含汽机辅机包括油泵,疏水,抽汽等启动控制系统,实际上为汽机岛控制一体化,这样DEH,DCS即使不是同一系统,汽机岛保持独立完善的ATC功能。 

BTC控制主要包括并网前启动升速,同期并网,并网后负荷,阀位控制,调门管理。ATC自启动控制功能主要包括根据汽轮机的各部位温度及应力模型计算出升速率,和升负荷率,确定启动时与汽轮机金属部件温度匹配的蒸汽温度,同时使用程控使汽轮机从盘车开始直至带初负荷实现自启动ETS紧急跳闸系统主要监视汽机本体和其他来停机保护信号,并通过控制器处理,输出至AST电磁阀紧急停机,同时为了防止保护拒动,还包含各种在线保护试验。

DEH,ETS液压系统电磁阀的供电和配电回路在DEH系统内实现,就地电磁阀为冗余设计的可分别供电,否则必须进行两路冗余电源的切换或者耦合,重要的电磁阀(OPC,AST,主汽门调门跳闸电磁阀)配电回路还需串接独立于电子控制器的继电器硬结点。其中OPC电磁阀回路增加并网开关断开甩负荷预测,跳闸电磁阀回路硬结点主要包括操作员紧急停机按钮,汽机超速保护回路,DEH失电故障,对于无机械,TSI超速保护保护的机型,必须增加独立的、不同原理的超速保护装置,因此西门子机型增加两套BRAUN超速保护装置,其中BRAUN超速保护节点3取2回路常闭点并联串接在跳闸电磁阀配电回路。同时根据就地电磁阀的电压等级和功率选择继电器扩容接点容量,隔离系统和外部现场强电或者干扰。硬结线回路相对控制器回路简单直接,稳定,速度快,在电子控制保护系统出现故障时也能动作,增强了系统的可靠性和快速响应。

ETS设计必须符合故障安全原则,即信号,设备或控制系统一旦发生不可预知系统性故障后,能防止出现事故,自动安全停机的重要设计原则,因此ETS保护输入,输出开关量采用常闭接点,电磁阀供电回路设计为失电动作,与就地伺服阀,油动机三断(断工作介质,断信号,断电)动作方向方向一致。这样即使系统失电,控制器故障等不可预见故障时,AST或者主汽门跳闸电磁阀,高排通风阀电磁阀失电,汽机主汽门关闭,高排通风阀打开,汽机安全停机。

1.3伺服阀位控制卡

maxDNA数字智能伺服卡IOP341伺服卡接受汽机DEH数字调节器调门位置指令,与阀门位置进行比较,执行闭环PI调节,输出电流信号驱动电液伺服阀的线圈,其动态及稳态特性直接影响到上层闭环控制系统的特性。

maxDNA伺服卡可通过自定义编程实现如下功能:

(1)智能处理冗余的LVDT的位置反馈信号,能够有效判断 LVDT是否断线,卡涩,从中高选出正常的LVDT进行控制,伺服卡断线时有断线报警。

(2)不同的故障输出模式,甩负荷时伺服卡直接输出快速关闭调门,当与DPU通信故障,调门反馈故障时,伺服卡输出为零,调门靠机械零偏缓慢关闭,故障时可无扰切到手动模式。

(3)优化调门控制策略,比如采用前馈比例控制,利用前馈克服机械零偏,快速响应调门指令

(4)输出不同信号范围匹配各种不同类型的电液伺服阀

(5)以5ms的速度执行PI程序,PI参数可在线整定,防积分饱和功能。

(6)可在线进行阀门测试和自动进行LVDT校准等;

 

2 DEH软件系统及逻辑应用

2.1 maxDNA软件结构及设置

maxDNA上位机软件包括maxVUE Runtime操作员软件和组态工具包括maxDPUTOOLs软件组态和maxVUE图形组态工具,用来组态调节控制策略,DPU数据库,SOE报告,报警类型,回路扫描时间,I/O卡等和DPU中的maxNET接口。

maxDNA的控制器由类似Windows的资源管理器的树形多层次组织结构HID组态构成,通常利用组Group这个原子块来作为层次结构的各个节点, maxDNA每个组或者原子块都有一个执行速率属性和按照绝对和相对优先级执行的执行顺序。 

2.2执行周期

控制器的运算周期指控制器扫描输入,执行程序,赋值输出一个控制循环确定的时间间隔。控制器提供不同档的执行速率选择,最快可达10ms,但是组和功能块的数量和运算周期越快,控制器的负荷就会越重,所以应该合理安排功能块数量和扫描周期。

2.3执行顺序

执行顺序指在一个周期内组和功能块被扫描的顺序,汽机调门控制逻辑功能块较多且功能块之间交叉引用复杂,如果功能块的执行顺序设置不当会对汽机控制响应速度影响较大,功能块被控制器扫描的顺序和在离线组态要传递的数据链顺序不一致,将会数据链数值变化时,数据还没传递到此功能块时,控制器却提前读取了此功能块上周期的数值并传递下去,导致输出响应变慢。下图为调门快关逻辑时序示意图,当汽机甩负荷主调流量指令由0.9变为0.3时,调门快关输出响应速度比较。

 

2  逻辑时序示例图

Fig.2  Scan Cycle&Squence Example

综上所述,DEH控制保护功能的响应速度与其组和功能块的逻辑时序有关,因此在控制器允许范围内负荷将ETS保护,甩负荷预测逻辑,阀门快关逻辑设置最短周期,合理安排执行顺序,加快系统的实时响应。

 

3 工程项目应用及调试

某电厂1000MW机组汽机机型为上汽超超临界引进西门子技术的汽机(下简称西门子机型)。由于DCS采用maxDNA控制系统,为使控制系统一体化,南自美卓公司和主机厂协力成功开发出西门子汽机DEH控制系统,打破了西门子DEH的垄断。

由于架构局限,原西门子DEH快速控制器和主控器之间有时通讯故障,导致无法响应负荷升降,且逻辑间传递非常复杂,不利于基建调试和运行维护,maxDNA采用常规DEH控制系统和方式,即控制器短周期加快速伺服卡实现了DEH系统简单可靠,同时仍保持原控制包括汽机岛大DEH,ATC一键启动,TAB等所有功能。

3.1就地液压系统

此机型机头液压系统取消了传统西屋机型机械主油泵、机械超速,挂闸等低压保安系统所有装置。高压抗燃油系统取消了AST,OPC高压液压遮断组件,取代之是在每个油动机上的两个串联的独立的失电跳闸电磁阀,此电磁阀可实现调门或主汽门的试验或快关功能。 

3.2 控制回路

此机型控制最大的特点是实现了汽机岛的ATC程控启动,实现了汽轮机从盘车状态到并网全程自动控制,操作员只需确认蒸汽纯度,释放转速,汽机的目标值,速率值及暖管,暖阀,暖机时间由DEH变温度准则自动计算,具体来说由汽缸,阀体决定升降转速,负荷的速率和蒸汽需要的过热度,从而实现汽轮机在启动过程中的热应力控制,并使启动时间最小,最佳, 减少蒸汽损失的同时不影响汽机的使用寿命,做到了效率和节能。

为了实现ATC一键起机,此机型DEH主控回路引进燃机自启动燃料冲程基准FSR控制思想,DEH采用转速/负荷调节器、压力调节器和启动装置限制器 TAB的三路输出信号通过中央小选模块形成安全有效的流量设定值。回路间切换通过在调节器设定值上附加偏置值使调节器输出变大退出小选模块实现5-8】

其中TAB启动装置的核心部分是一个ATC组控自动生成的阶梯型的斜坡函数,机组启动过程中,启动装置TAB每次到达某一限值会停止变化,并发出指令依次动作汽机主汽门,调门电磁阀,指令对应的反馈信号收到后TAB继续变化,主汽门打开后TAB即退出控制。

 

由汽机调节系统静态特性得知,功率和转速存在线性关系,因此转速,功率可以通过不等率转换以及归一化后进同一PI调速器调节回路,同时并网后操作员可以切换汽机负荷控制器和转速负荷控制器模式并实现无扰。

汽机并网后功率回路即投入带初始负荷,无阀位开环方式不能接受CCS的流量指令,因此CCS模式下机组控制功率,压力回路在DEH侧,CCS仅提供功率或者压力目标值的生成。

3.3 甩负荷

大型机组汽机在发生甩负荷时,控制器转速控制回路和伺服阀调节太慢,这就必须在甩负荷的瞬间通过甩负荷预测信号输出至跳闸电磁阀将调门泄油,利用弹簧力将其快速关闭,同时旁路卸去部分蒸汽压力,持续几秒后再交给转速回路控制。

甩负荷包括长甩负荷和短甩负荷,当电气系统发生短暂可恢复故障时,为短甩负荷,DEH原功率回路不变,设定值变为零,故障恢复后恢复原水平,有利于恢复电力系统的稳定。如果电气故障无法快速恢复或者发电机开关已解列,则为长甩负荷,负荷控制器切为转速控制器控制负荷,操作员设定转速改变汽机功率9-10】。稳定在额定转速,进入孤岛运行方式带厂用电或者稳定在额定转速等待并网, 

甩负荷识别为功率瞬时降低的负荷量超过甩负荷识别极限值,但甩负荷识别信号只是用于切换回路,不直接作用于调门跳闸电磁阀,由调门阀位和阀位指令周期偏差大于25%以上时,此时调阀跳闸电磁阀失电,调阀油动机失去油压,弹簧快速将调门关闭。

3.4 现场问题及调试

EH油质合格后即可进行伺服卡调门油动机联合调试,静态仿真冲转,控制器保护试验,BRAUN硬回路保护测试.锅炉点火后DEH即进入热态调试。调试时出现以下问题:

3.4.1冲转时TAB升至12.5%停住升不上去

现象:汽机跳闸后手动复位,汽机顺控自动升TAB至12.5%停住。

分析原因:由TAB原理图可知T,AB复位汽机跳闸时需要汽机跳闸状态。手动复位后,汽机跳闸状态已消失。

解决方法:汽机重新打闸,TAB自动复位汽机跳闸

3.4.2热态阀门开度与冷态不一样

分析原因:汽机冲转后,由于汽机阀杆受热膨胀,导致阀门开度冷态热态时不一样

解决方法:做热态校验校正,这样当调门做活动性试验时对阀门校验系数热态校正,或者配置数字位移变送器的直接变送器校零校满。也可以在汽机单侧运行时热态校验。

3.4.3 110V直流系统故障及报警

现象:单个未知电磁阀接地,导致母线电压下降,查接地较麻烦。

分析原因:汽机疏水电磁阀的供电采用110V直流供电,初始设计两路110V电源采用二极管切换模式,该方案的特点是切换速度快,同时又能保证两路直流不形成环流。但由于二极管不能做到电气隔离,发生直流接地时无法及时查找到接地点。

解决方法:直流电源系统配置无扰切换装置。

3.4.4 ETS硬结线保护柜单一故障导致汽机跳机

分析原因:原来跳闸电磁阀和自保持继电器的供电只提供单路电源,导致单路电源故障导致汽机跳闸,不符合冗余要求。

解决方法:更改ETS跳闸柜保护增加冗余设计。

3.4.5电磁阀断电检测回路不合理

现象:跳闸电磁阀接线断开时,未有断线报警

分析原因:由于汽机跳闸电磁阀接线端子排在汽机平台振动相对较大,容易松动,但电磁阀没有反馈信号,当汽机同侧主汽门或调门因为电磁阀断线关闭时,迅速跳机,防止危险扩大。但现在为电磁阀电压检测回路,即使电磁阀断线电压也不失去,达不到检测电磁阀断线的效果。

解决方法:将电磁阀断电检测电压回路设计更改为电流检测回路。

3.4.6临界区汽机冲转故障

现象:汽机冲转至临界转速时自动退出。

分析原因:汽机自动冲转过临界时,速率过低导致冲转故障,转速设定值降低退出冲转,后发现转子热应力裕度不够。

解决方法:增加汽机低速暖机时间,增加汽机各部件应力裕度,使其满足临界区高速率通过要求。

3.4.7 汽机全速空载转速未到额定转速

现象:汽机释放转速冲转至并网前额定转速时,汽机转速只达到2930转/分。

分析原因:汽机释放转速未达到转速同期设定值,后发现功率变送器发生故障产生功率,功率归一值不等率换算的转速值就是对应的转速差值

解决方法:消除功率变送器缺陷,转速设定值即为并网前转速3009转/分。

3.4.8 汽机50%甩负荷不成功

现象:50%甩负荷时汽机超速跳机

分析原因:50%甩负荷时由于控制周期设置过长,且甩负荷判断逻辑在DEH控制器,而电磁阀动作逻辑在ETS控制器,甩负荷发生时,甩负荷信号需要先通讯到ETS实现电磁阀快关,导致汽机超速跳机

解决方法:修改控制周期并将甩负荷逻辑直接硬结线动作电磁阀,试验成功。

3.4.9跳机后为转速负荷方式

现象:汽机跳机后再次启动时发现ATC主控执行条件不允许

分析原因:检查逻辑发现汽机控制模式在转速功率方式,由于汽机跳机时负荷突降,甩负荷信号产生切换到转速功率模式。切换汽机功率运行模式为功率方式。

解决方法:切换汽机运行模式为负荷功率模式,加上跳机后自动切为负荷控制功率模式逻辑

3.4.10汽机轴承温度非故障跳机

分析原因:原ETS温度保护逻辑只有质量点及偏差3取2偏差逻辑,由于三个分支热电偶不完全独立,如果磁电干扰或者其他热电偶套管故障,容易导致跳机。

解决方法:温度保护加上断线检测逻辑,取消质量判断保护,改为报警。

 

4 结语

maxDNA在西门子汽机DEH控制中采用可靠的系统及硬件设计,简洁完善的控制策略,系统稳定,功能完善,性能指标测试优异,甩负荷指标合格,提高了被控机组运行的可靠性、经济性。

 

 

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作者简介

刘震华(1976-),男,中级工程师,南京国电南自美卓控制系统有限公司

 

 

 

 

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