尹旭佳， 周 策， 闫 俊

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

20 世纪90 年代，我国从前苏联、美国、日本等国引进了大批300 MW 以上等级的亚临界和超临界机组，这些机组的投运对促进我国的社会发展和经济建设起到了巨大的作用。但随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，以及电网对机组自动发电控制、一次调频等自动化运行水平要求的不断提高，这些机组分散控制系统DCS（distributed control system） 出现了硬件性能落后、可靠性下降等问题，已很难满足机组对安全运行和经济调度的需求。只有对现有DCS 进行替换或者升级改造才能解决问题，这已成为目前我国火力发电厂控制系统升级和改造的主要方式[1-3]。本文以某电厂350 MW 进口三菱机组DCS 改造为例，详细介绍了改造的具体实施过程和实际改造结果。

1 改造前概况

某电厂2 台机组系引进全套日本三菱设备，配备MB-FRR 单汽包、辐射、再热控制循环露天锅炉，TC2F-35.4 亚临界、一次中间再热、反动式、单轴双缸双排汽凝汽式汽轮机以及MB-J 卧式全氢内冷、隐极、全静态可控硅整流励磁发电机。

机组原主控系统采用三菱公司的DIASYS-UP/V 分散控制系统，包括协调控制系统CCS（coordination control system）、汽轮机电调控制系统DEH（digital electric hydraulic）、给水泵汽轮机控制系统MEH（micro electro hydraulic）、顺序控制系统SCS（sequence control system）、计算机监视系统DAS （data acquisition system）、燃烧管理系统BMS（burner management system） 等。高低压加热器水位控制、辅汽压力等采用基地式调节系统控制，凝汽器胶球清洗、磨煤机润滑油站、空预吹灰等采用PLC 控制，汽机、锅炉主保护采用继电器控制方式实现，1、2 号机组循环水泵由远程I/O 柜和SCS-COM 控制柜共同控制[4]。

机组DCS 自2000 年投运以来，早已运行超过了8～12 年的有效寿命。随着运行时间的增加，硬件设备逐渐老化，系统容量趋近饱和，可靠性越来越低，机组运行中的安全隐患也越来越大。由于控制系统设备陈旧、备品备件采购困难，失去厂家技术支持，维护难度大。

2 改造方案

在保持原DCS 所有设计功能的基础上，采用艾默生OVATION 分散控制系统取代三菱DIASYS-UP/V 系统，系统软硬件全部更换。通过增加硬件设备以及软件优化，将锅炉主保护系统、汽机主保护系统、锅炉火检系统、汽轮机调节系统等进行整合，对公用系统的功能进行分离，并对原设计的控制策略和组态进行优化。新的DCS将 DEH、 MEH、 BMS、 旁 路 控 制 系 统 BPC（bypass control system）、事件顺序记录系统SOE（sequence of event）、锅炉炉膛安全监控系统FSSS（furnace safeguard supervisory system）、汽轮机紧急跳闸系统ETS（emergency trip system）、给水泵汽轮机紧急跳闸系统METS（micro emergency trip system） 全部纳入一体化平台。系统控制器功能分配见表1，改造后单台机组控制规模大约为6 700点。

表1 DCS 控制器功能分配

3 改造内容

3.1 硬件改造

调整原控制柜的位置来优化电子间空间的设计，对电子间机柜、操作员站、工程师站、网络系统等硬件进行更新，拆除35 面旧机柜，安装36面新控制柜和5 台网络交换机。为控制改造成本，从现场就地设备至DCS 机柜尽量使用原有的电缆，同时优化机柜及接线端子排布置方案。控制站工作电源尽量保持原配电方式，新系统内部电源满足就地设备的供电方式。

对立盘进行简化设计，取消常规仪表，增加大屏幕电视墙设计。保留火焰、汽包水位、烟囱电视监视系统，增加工业电视监视系统和机组主要参数显示窗口。机组操作台上除设操作员站外，设计安全停机、停炉、解列发电机等所必需的操作按钮，取消全部后备手操。

对锅炉火检柜卡件和火检探头进行升级改造，拆除机炉主保护系统继电器控制柜，控制功能在DCS 系统中实现。

3.2 汽轮机调节系统改造

汽轮机调节系统由原来低油压系统改为高油压控制系统，并纳入机组DCS 一体化平台。拆除主机前轴承箱两侧的透平油控制柜，在前轴承箱连接孔安装堵板，监测主油泵入口及出口压力、轴承润滑油压力，重新设计安装高压油压力表、保安油压力表、润滑油压力表。

主机保留机械超速与手动停机及启动挂闸部分，加装隔膜阀和高压遮断模块，对安全油进行遮断控制。其中EH 安全油跳闸装置AST 电磁阀设计采用“失电跳”和“并+串”的方式，防止跳闸装置拒动或误动概率，提高汽轮机运行的可靠性、安全性；OPC 电磁阀采用带电遮断的冗余设计，旁路经过高压遮断模块，防止拒动。

所有油动机进行重新设计，高主、高调、中调阀门可实现连续控制，中主阀门实现开关型控制，每个油动机可单独实现快速卸掉安全油，充分保证阀门快关时间。为保证排油顺畅，油站安装在0 米层。

3.3 软件升级

机组控制策略在原基础上进行优化和完善，并对改造过程中原控制逻辑中存在的漏洞和不足之处采取针对性调整措施。

a） 为照顾运行人员操作习惯，改造后的机组控制方式和现有方式保持一致，人机界面的移植尽量保持原设计。新旧DCS 间组态转换过程中，由于不同DCS 的特点不同，需注意存在逻辑模块算法、功能设置、跟踪方式等不同的问题[5]。

b） 扩大DCS 的规模，将定排系统、基地式调节系统、发电机温度参数等原独立监视和控制的系统参数纳入DCS 管理。将现场PLC 控制系统控制功能在DCS 中实现，如凝汽器胶球清洗控制系统、磨煤机润滑油站控制系统、密封油温度控制系统、送风机油温控制系统、空压机闭式水控制系统等。将基地式控制系统控制功能由DCS 实现，相应更换气动阀门定位器及附件，增加过程量测量装置如变送器、温度元件等，敷设所需控制电缆。对于辅机温度参数采用远程I/O 以通信的方式进入DCS，降低施工难度和费用。通过增加硬件设备以及优化，对锅炉、汽机主保护等系统进行整合。将主机4 台循环水泵原控制功能分离，进入单元机组DCS 控制系统，确保1、2 号机组检修时互不影响，解决原公用顺控控制柜难以随机组检修的弊端。

c） 由于机组需参与电网自动发电控制系统AGC（automatic generation control） 运行，为满足机组对负荷快速响应的需求，根据三菱机组的特点对协调控制策略进行相应优化（如图1 所示）。机组原协调控制系统是基于以锅炉跟随为基础的间接能量平衡系统IEB（indirect energy balance），通过锅炉主控和汽机主控对主汽压力和机组负荷进行控制，以间接平衡机炉之间的能量。由于锅炉侧的动态特性随负荷变化较大，且主蒸汽压力和机组负荷具有非线性、强耦合性等特点，因此单纯采用间接能量平衡控制策略，在机组变动工况运行时难以取得较好的控制品质[6-7]。

图1 机组协调控制策略

在协调方式下，锅炉主控接受主汽压力设定值和实际压力的偏差ΔP作为66 例积分微分控制器PID（proportional-integral-derivative control） 的输入，为补偿汽包锅炉出力调整时较大的滞后，在炉主控指令生成回路上叠加限速后的负荷指令信号MWD，实现提前调整锅炉出力。同时加入负荷指令对应的基准燃料量和主汽压力偏差的微分作为炉主控前馈，实现机组负荷和燃料量的基本平衡，在变负荷过程中提前补偿燃料量以快速提高或降低主汽压力。

在机侧采用多阶惯性环节来平衡机炉两侧一快一慢的动态特性。汽机主控器接受MWD 信号作为给定值，并引入了主汽压力偏差功率补偿信号以及主汽压偏差超驰控制。负荷调整过程中，若机前压力出现大的偏差而锅炉主控无法将其控制在安全范围内时，在汽机主控上叠加汽压偏差功率补偿信号，防止汽机进汽量变化太快，减少主汽压力的波动。超驰控制的作用是限制加到汽机主控器PI 调节器上的偏差值的幅度，防止调整幅度过大，作用相当于一个移动的窗口，根据ΔP值来限制进入PI 调节器的偏差幅度。为满足不同负荷工况下对调节品质的要求，协调控制方式下根据负荷指令MWD 对汽机主控调节器参数进行修正，汽机跟随方式下根据主汽压力偏差对汽轮机调门进行调整，此时用锅炉主控输出信号对调节器参数进行修正，改善回路调节品质。

根据锅炉主控指令BID 变化率对送风量、燃料量、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度调节回路叠加锅炉动态加速信号BIR，使炉侧惯性、迟延较大的调节回路能够尽快地对锅炉主控指令变化做出响应，而不是等到各自回路被调量发生变化后才开始调节。为加快燃料量对负荷变化的响应，根据机组运行方式，计算调节器参数修正值，分别对比例带、积分和微分时间常数进行修正，实现变参数调节。根据试验数据，改造后机组负荷调节品质变化情况见表2。

表2 机组改造后负荷调节品质

4 存在的问题

由于原系统一次风机、送风机、引风机、空预器、制粉系统、凝结水泵、真空泵等重要辅机的控制功能设计在同一控制器中，更改设计需要重新布置电缆，施工周期和成本都增加较多，更改难度较大，目前维持原设计进行改造。这种系统配置风险较高，控制器在高负荷率下运行容易导致机组非停，运行过程中必须经常监视控制器负荷率，保持设备间温度和清洁度，保障设备良好运行，投产后需加大系统维护力度，定期进行系统清理，避免CPU 超负荷运行。另外，在机组运转期间尽量减少这些控制器的组态操作，包括下载逻辑、修改逻辑，避免控制器死机造成机组非正常停机。

5 结束语

改造后DCS 各项性能指标满足规范要求，自动控制系统全部投入正常运行，且控制品质良好，在现场设备运行状况良好的工况下可满足机组区域控制误差ACE (area control error) 方式运行的要求。该进口三菱机组DCS 改造完成后，彻底解决了原系统备件匮乏、维护困难等顽疾，提高了机组运行的可靠性、稳定性，达到了预期目标，可以为同类型机组的DCS 改造工作提供一定的借鉴意义。