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2´600MW超临界机组XDPS-400+技术方案概述

发布时间：2010/12/9 阅读次数：1103 字体大小: 【小】【中】【大】

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刘建江　周祖健

（GE能源集团）

摘要：介绍了GE能源集团优化与控制用于2´600MW超临界机组XDPS-400+控制系统的设计特点，并分析和介绍了超临界机组的特殊控制策略，最后针对XDPS-400+控制系统用于超临界机组DCS解决方案的优势进行了总结。

关键词 XDPS-400+ DCS　超临界　系统设计方案　控制策略

超临界机组和亚临界机组（特别是汽包锅炉）控制上的重大差异主要在于两者运行原理不同。但超临界机组同亚临界直流炉还是比较相似的。随着计算机技术的飞速发展，DCS系统也进入了一个突飞猛进的时代。与十多年前的石洞口二厂控制系统相比，目前的DCS系统由于其采用高速的CPU及其更大的分散度和图形组态技术等等，使得实现直流锅炉的快速变压运行也变成了十分容易的事。

超临界机组与亚临界机组根本上的差别是在汽机及锅炉的蒸汽参数等级和材质等级等方面。对目前的控制理论和控制系统而言，在超临界与亚临界机组的控制上是有差异，但并不是根本的。本文根据GE能源集团优化与控制在电力市场中长期的DCS设计和工程服务经验，对一室两控布局两台600MW超临界机组的DCS系统的设计提出建议，欢迎各位专家批评指正。

1　2´600MW超临界机组XDPS-400＋系统设计特点

1.1　主干网络配置

600MW超临界机组DCS系统主干网设计采用XDPS-400^＋光纤环网，该网冗余、容错并具有自愈合功能，通讯速率100Mbps，全双工模式工作。整个系统由1＃机、2＃机及公用系统组成（冗余配置），光纤环网间通过网桥相互连接。

1.2　网络通讯系统

（1）系统网络结构：冗余、容错、自愈合光纤环网

由于分散控制系统的通讯网络无时不传递着各种过程变量控制、报警、报告等各种信息，使其成为分布式控制系统的主要枢扭。分布式控制系统之所以成为分布式而区别于集中式系统，其关键在于它具有一个完善的通讯系统、分布式数据库、控制单元及相互间高度自治、透明。

DCS系统由1#机、2#机及公用系统组成（冗余配置），光纤环网间通过网桥相互连接。详见系统配置图。XDPS-400⁺系统网络由高速-高效、冗余-容错、高速实时环网和高速信息网组成。过程单元与人机界面连接采用双层网络结构。

（2）冗余、容错、自愈合光纤环网

XDPS-400⁺系统主干网采用双网冗余环型结构，所有站点直接上网，将整个高速公路作有效的闭环连接，任何一个站点间的故障，环路具有自愈特性，重新构成新的网络结构（自愈合），不影响系统的正常运行。

（3）系统网络特点：

— 光纤环型网，传输距离远，扩展性强，特别适应控制物理位置分散的系统。

— 双冗余、容错的高速公路，传输速率达100Mbps，广播640000点/秒，实时性高。

— 高速I/O总线，冗余设计，传输速率达10Mbps，带站能力强，维护方便

— 实时信息网：实时数据与非实时数据信息的有效分流，确保主干网实时负荷的恒定，降低主干网的负荷率，同时又是系统在线维护的网络通道

1.3　公用系统设计采用双冗余网桥连接，功能强大、成熟、可靠

公用系统自成一个独立网，包含：燃油泵房、电气厂用电公用系统、燃油泵房、空压机等系统的监控，及对其它控制系统的通讯。

系统配置了2套网桥，负责公用系统DCS与单元机组DCS光纤环网连接，1:1冗余，可靠性高。通过网桥将公用系统DCS与2套单元机组DCS连接成一体。相互之间既可通讯又有相互闭锁的功能。在机组运行和监控时公用部分DCS具有如下的特点：

— 任何一台单元机组停运检修均不影响公用部分功能；

— 在两台机组上均能对公用部分进行监视和操作且具有互锁功能；

— 能通过组态限定在单一位置进行操作并闭锁其它地方的操作指令；

任何一台单元机组电源故障、失电均不影响公用部分DCS正常运行；

1.4　各功能站配置优良，成熟、可靠

— DPU处理器采用高性能P400 CPU，主频达400MHz、64MRAM、32MB CF卡（是目前国际DCS系统中最高运算速度），运算能力是其他DCS系统控制器的2－3倍，可确保系统处于轻负荷运行，提高系统安全性。

— 所有MMI采用高性能工业控制计算机，n：1 热备用。显示器选用21“LCD液晶显示器。

— 所有的打印机均可共享、功能备用，互换性强。

1.5　远程I/O及远程控制站

— 远程I/O采用XDPS-400^＋FIO总线，采用铠装光缆冗余通信，通讯速率10Mbps，通讯距离最大 40KM

— 远程控制站采用XDPS-400^＋ FCS总线，采用铠装光缆冗余通信，通讯速率100Mbps，通讯距离最大40KM

— 远程控制柜防护等级IP56

— 模件工作环境温度-20--60℃，该温度范围内采用德国RITTAL公司产品标准设计国内组装的远程I/O机柜，超出此温度范围，用户可要求配置带空调机柜。

1.6　系统时钟同步

系统配有GPS时钟装置，对系统进行精确校时。

1.7　强大的软件功能

GE能源集团优化与控制自主开发的XDPS系统软件在电厂使用已有1000多套应用业绩，该软件具有如下特点：

— 采用全中文、窗口化图形组态方式、功能齐全、操作最简便、透明，符合国际IEC1131-3标准。所见即所得，并能进行自动布线。

— 具有中文在线注释功能，安全、便捷的在线文档管理体系。

— 系统具有从通讯系统、各功能站到模件的实时自诊断功能，诊断层次达到I/O通道级。

— 虚拟DPU仿真技术：支持在线、离线仿真，在国内、外DCS系统中是唯一具有动态虚拟DPU技术的。该功能可用于：系统控制功能仿真、逻辑验证及用户培训。仅用很少的资金，可为用户提供先进、方便的就地培训条件，可提供600MW超临界机组的动态数学模型，为本工程就地培养运行及热工人员，为提前发电创造运行有利条件。

— DPU支持在线组态，包括参数整定、仿真、算法、策略的在线修改等，且修改不必重新对整个控制算法编译、下载。方便了用户对组态的维护和系统的调试。大大缩短了调试时间，为用户提前发电创造有利条件

— 针对电厂控制的解决方案：

具有各种专用模块，可实现状态变量控制、模糊控制、预测控制、SMITH预估器控制等等，为用户提供先进、成熟的热控技术及解决方案。

具有多种参数计算功能块，如：压红线运行累积评估计算，熵、焓值计算，时钟计算，条件判断等等，为电厂经济运行、节能降耗提供有力的数据；

XDPS-400^＋系统具有标准功能软件外，还提供报警优化管理软件包，配合大屏幕实时报警管理。

1.8　系统的扩展

— I/O配置余量保证值，除去系统要求的各类非现场I/O点数>15%

— 模件插槽备用量>20%

— DPU 负荷率<40%

— MMI 负荷率<20%

— 网络通讯负荷率<20%

— 电源余量>40%

2　600MW超临界机组控制策略

超临界机组相对于亚临界汽包炉机组，有两点最重要的差别：一是参数提高，由亚临界提高至超临界；二是由汽包炉变为直流炉。正是由于这种差别，使得超临界机组对其控制系统在功能上带来许多特殊要求。

2.l 协调控制

对参与电网调峰、调频的机组来说，单元机组协调控制系统是必不可少的。无论单元机组协调控制系统怎样设计，都是将汽轮机、锅炉两者作为一个整体控制，从处理“快速的负荷响应和主要运行参数稳定”这一对矛盾为出发点，主要协调锅炉响应的慢特性与汽轮机响应快特性的关系，解决锅炉——汽轮机多输入多输出相互之间的耦合关系。单元机组协调控制系统各设计方案只是侧重点不同，具体实施各异而已。

超临界机组有三大特点：

1）超临界机组是汽水一次性循环，不具有类似于汽包的储能元件，因此锅炉的储能相对比较小，很难找到类似于亚临界汽包炉中仅反映燃料的变化不反映汽机调门变化的信号。

2）超临界机组的锅炉——汽轮机的关系，从协调的角度基本上可以看成三输入三输出的多变量控制系统。燃料、给水、汽轮机调门三控制量中任一项变化，都会对被控制量机组负荷、主汽压力、中间点温度的变化产生影响，使得超临界机组的锅炉－汽轮机的关系变得十分复杂，大大增加了控制的难度。

3）超临界机组是汽水一次性循环，介质没有固定的分界点，它随着燃料、给水流量以及汽机调门的变化而前移或者后移，而介质相变点的移动直接影响介质流程中各加热段的长度，影响主汽温度，导致机组压力、机组负荷的变化。因此，中间点温度应当被认为是超临界机组控制的重要环节。

解决方案为：

在“协调控制”方式下，协调控制系统汽机侧稳定工况闭环调节功率，在机前压力偏差超死区时还设计有压力拉回控制作用，以及热裕度控制速率变化。锅炉侧则是以反映功率需求信号加压力的函数的偏差修正作为锅炉侧的负荷指令，叠加调频信号，将单元机组锅炉，汽轮机这一相互影响的复杂多变量控制系统单向解耦。

关键问题是：直流锅炉的给水控制、燃烧控制和汽温控制不象汽包锅炉那样相对独立而是密切关联。当外界负荷要求改变时，应使给水量和燃烧率（包括燃料、送风、引风）同时协调变化，以适应负荷的需要，而又应使汽温基本上维持不变；当外界负荷要求不变时，应保持给水量和燃烧率相对稳定，以稳定负荷和汽温。

2.2 燃烧控制

燃烧控制系统接受锅炉主控产生的锅炉指令信号，以并行协调的方式转化为对锅炉燃料、风量的控制，调节进入炉膛的燃料量和空气量，保证锅炉的安全运行并具有较高的效率。锅炉指令经过风／煤交叉联锁逻辑形成燃料主控指令和风量指令的并行输出。

2.3 给水控制

超临界机组与汽包炉机组相比，汽水系统中没有锅筒，给水变成过热蒸汽是一次性完成的，因此锅炉蒸发量不仅决定于燃烧率，同时也决定于给水流量。因此，在超临界机组中，给水控制和燃烧率控制是密切相关而不能独立的。当煤水比变化时，汽温与汽压均有较明显的变化。

超临界机组的给水控制系统中，直流时的给水控制中需要控制一定的煤水比，采用中间点的焓值控制回路；在低负荷阶段，需要考虑分离器水位的控制问题。

在给水控制系统中，直流给水指令和锅炉负荷指令成一定的比例，即锅炉给水指令由锅炉负荷指令决定。同时在给水指令形成回路中加入最小给水流量的保护性限制。整个运行范围，包括电动给水泵和汽动给水泵转速控制及其运行切换，系统均保持稳定。对经温度补偿的冗余给水流量测量进行比较和选择。

3　小结

现代的大容量超临界火力发电机组要求工程人员在工程设计过程中准确、全面地掌握超临界机组的控制特点，设计出高质量的控制系统，实现电厂的高效率、高水平和低成本运行。XDPS-400⁺系统应用于大型超临界火力发电机组具有如下优势：

— 控制系统软件上能够提供诸如状态变量控制、预测控制、模糊控制、SMITH预估器等多种先进控制策略，为提高、改善系统重要参数的控制品质创造了必要的条件。

— 控制系统在控制策略的设计上充分考虑到超临界机组的运行特点和运行要求，在结合实际控制要求的基础上进行应用软件的设计，将机组控制在最佳工况下运行。

— 充分利用XDPS的历史数据存储功能，利用长期的运行记录，在机组实际运行数据的基础上，通过统计分析等途径归纳机组实际运行规律，为优化运行提供科学依据。

— XDPS提供了强大的所见即所得的组态功能和虚拟DPU技术，参数的优化调整极为方便。

— 强大的工程能力和服务水平能够有力地保障工程的顺利实施。

— XDPS系统卡件种类少，可节约大量的备品备件的投资。

参考文献：

[1] 超临界机组控制系统XDPS解决方案，GE能源集团优化与控制

[2] 大型火电机组XDPS系统设计规范，GE能源集团优化与控制

[3] 超临界机组控制策略的整体规划和研究，GE能源集团优化与控制

[4] 超临界机组协调控制系统的设计，GE能源集团优化与控制

[5] 超临界机组给谁控制系统的设计，GE能源集团优化与控制

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