崔世军

艾默生过程控制有限公司 上海 200438

引言

宁波钢铁余能发电厂135MW机组是南京汽轮电机(集团)有限责任公司制造的N135-13.24/535/535型中间再热凝汽式汽轮机。原设计采用Eurotherm的T2550[1]系统。通过T2550R（IOC modules）冗余模块及2500M（I/O modules）组件实现对DEH的控制。此系统于2011年投入运行。因服务器硬件、工程师站硬件、操作员站硬件、操作系统版本、CPU模块、I/O模块已无法获取支持，也无法获取备件，因而面临巨大的支持和维护困难等问题，导致系统的安全性和稳定性下降，长期运行的风险越来越大。通过这次改造使用Ovation工业控制系统，其优点在于控制器处理能力强，I/O模块采集精度高，支持热拔插，软件功能强大，历史数据及存储容量大，系统维护和诊断功能完善，DEH操作画面友好，具有完善的备品备件支持，提高了DEH控制系统的安全性和稳定性。

1 控制器与I/O模件电源设计

对原系统的供电原理图进行解读和供电范围确认后，根据不同用户的电源等级及其重要性进行分类和优化。原系统电源设计只有DEH控制器侧是冗余电源，服务器及工程师站为单路电源。通过这次改造为服务器及工程师站增设一路电源，防止服务器意外掉电而丢失数据。改造后电源设计按DEH控制器与I/O模件划分，设计一路UPS段和一路保安段的220VAC电源，计算电源容量后，设计与之匹配的两路总电源空开。两路电源通过独立的子空开分别为DEH控制器、交换机、服务器、工程师站等提供可靠的电源，确保当任意一路电源丢失时，对运行的控制系统不会造成影响。

2 电磁阀电源设计

原系统的供电原理图中高压主气门试验电磁阀、中压主气门试验电磁阀为单路保安段220VAC电源，两个OPC电磁阀共用一路220VDC电源。改造后新增一路UPS段220VAC电源与原保安段220VAC电源冗余后给高压主气门试验电磁阀、中压主气门试验电磁阀供电。两个OPC电磁阀改为220VAC类型，分别设计在两路冗余220VAC切换装置后。220VDC挂闸电磁阀在机组启动前得电10s或安全油压已建立后自动失电，不会对运行时的机组产生影响。因此保留原有设计。电源子空开容量经过现场核实后，按实际瓦数要求设计。

3 第三方接口模件电源设计

原系统的供电原理图中Shizhong-LTM-3A、ProTech2o3、DDV阀均为冗余24VDC供电设计，改造以后是双冗余24VDC供电增加了可靠性。原系统个别子空开的容量大于上级空开，当下级设备故障时会导致上级空开先跳闸。因此电源子空开容量经过现场重新核实后，按实际瓦数要求设计。

4 网络架构图

Ovation工业控制系统的网络架构是基于一对互连以实现冗余的根交换机进行设计的。这对交换机形成网络树的根。控制器、服务器、工程师站、操作员站均通过这对冗余的根交换机与网络中的其他用户进行数据传输。当任意一台交换机故障后，另一台交换机会作为主交换机继续为整个网络的数据进行传输服务。同样控制器、服务器、工程师站、操作员站与根交换机的连接方式也采用了冗余网卡及OHI[2]软件技术，这样保证了控制系统网络的安全性、稳定性。这次改造新增加的DEH控制器、工程师站、操作员站并入原根交换机的备用端口。在接入设备前通过3级命令登录根交换机的备用端口，检查端口状态，确保正常后，再进行连接。

5 信号及卡件布局

改造后的Ovation控制系统按照DEH控制工艺分为OA功能及AUX功能。因此卡件布局将按照工艺要求进行设计。消化现场资料时发现实际控制器中运行的信号与资料中的信号个数、类型不完全一致，需将清册初版整理完成后与实际控制器中的信号进行逐一比较、核对，经过邮件、电话会议确认，达成客户认可的最终版清册。在设计新I/O卡件布局时，发现EurothermT2550机柜原外部电缆均布局在反面，而改造后的机柜布局是前、后两个面，4条分支，因此需要将外部电缆拆分到前、后两个面，4条分支上。但是原电缆是需要保留的，其长度也是固定的，接下来就需要将老的电缆放入新的I/O卡件布局中，由于桥架内电缆走线错综复杂，长短不一致，就需要凭借自己多年工作积累的经验并根据现场实际情况，将最短的电缆布局在尽量靠下方卡件的位置处，最长的电缆布局在尽量靠中间卡件的位置处，改造新增设的电缆由于是重新布线，因此不考虑长度不够的问题，均布局在尽量靠上方卡件的位置处。新的电缆布局已经解决，但是原电缆中同一类型的3个重要保护信号需要单独筛选出来，布置在前、后不同的分支上，可以避免单个分支故障而导致信号误动作。最后考虑模件通道裕量等综合因素。

6 第三方接口设计

D D V[3]阀是安装在油动机模块上的一个电液转换装置，是控制阀门动作的关键核心部件。其接口包括：供电UA=+24VDC、指令±10V、阀芯反馈4-20ma，同时外部还设计有6线制LVDT反馈装置，参与阀门的闭环调节。DEH控制系统改造后使用VP[4]卡控制DDV阀，形成串级回路。将DDV阀、VP卡、6线制LVDT反馈装置进行正确接线，满足DEH挂闸条件并建立安全油压，投入EH油蓄能器装置，投入EH油联锁装置，EH油压达到14.5±0.5MPa，油温达到35℃左右时，进行接口测试。将VP卡指令、VP卡电压、6线制LVDT进行组态并配置历史曲线。如下图数据曲线：红色是VP卡指令信号，蓝色是油动机行程反馈信号，绿色是伺服电压信号。通过工程师站下装VP卡初始参数后进行油动机校验。从校验趋势可以看出16:33:15时指令在0%，反馈在25%。16:33:25时指令增至25%与反馈基本一致,时间间隔10s。查阅DDV633型手册，其阀芯在0-100%行程的响应时间是小于15ms与趋势中10s间隔相差很大。查阅I/O Reference Manual手册，VP卡初始校验时会通过测试伺服电压的增益保证其不会超出电压工作范围，然后根据指令与反馈偏差调整输出电压使其偏差为零。因此10s后伺服电压的增益与DDV阀电气特性完全匹配后满足其快速响应特性。从趋势来看16:33:25后反馈立刻跟随指令并无滞后现场。

图1 VP卡与DDV阀接口初步试验曲线

图2 VP卡与DDV阀接口最终试验曲线

初步试验完后进行阶跃测试。从曲线上分析，当指令向上20%阶跃响应时，反馈立刻跟随指令并且无超调现象。当指令向下20%阶跃响应时，反馈立刻跟随指令并且有0.8%超调现象。调节比例参数由6至5，积分参数由9000至8000后再做阶跃响应测试无超调现象。机组实际运行时阶跃量一般不超过4%。当指令稳定在某一开度时，反馈完全跟随指令。以上两点满足动态和静态响应特性。

7 DEH组态设计

DEH的组态设计是完全解读原逻辑的控制原理并根据现场实际所用的工艺使用Ovation控制系统的软件来实现其功能。主要包括DEH运行方式，控制回路，试验回路，保护回路等。

7.1 DEH的运行方式[5]

DEH的运行方式细分为以下两种方式且两种方式之间的切换是无扰的。

操作员自动方式（OA）

操作员自动控制方式是最基本、最常用的控制方式。在此方式下，操作员通过画面对目标转速、目标负荷、升速率、降速率、升负荷率、降负荷率进行设定，从而实现DEH的转速控制及负荷控制。

手动方式（OM）

此方式是在退出操作员自动方式后由操作员在手动操作面板上控制各个阀门开度的一种运行方式。

7.2 转速控制回路

在操作员自动方式下，由操作员进行转速目标值、升速率、降速率的设定。当操作员输入的转速目标值在汽轮机临界转速区域内，那么这个目标值是无效的。当目标值设定完毕且有效后通过点击画面按钮，此时设定值会按照先前设定的速率向目标值靠拢。当设定值等于目标值后，自动变为保持状态，通过转速控制回路使汽轮机维持当前设定转速。当转速通过汽轮机的临界转速区时，升速率自动变为700rpm/min，并且不能进行保持操作。当转速超过汽轮机的临界转速区后，升速率自动变为先前设定的升速率值。若不在临界转速区内，操作员可通过点击画面按钮进行设定值的保持。

表1 转速临界区

7.3 同期控制回路

并网前，当GV&IV控制转速到3000转时，DEH接受来自同期装置请求信号，操作员点击画面投入“同期控制”，此时根据同期装置的增、减同期信号来改变DEH的转速设定值，使DEH增转速、减转速，直到满足并网要求。

7.4 主汽门、调门严密性试验回路

并网前，当GV&IV控制转速到3000转时，可进行主汽门的严密性试验。在操作员自动方式下，由操作员通过点击画面“主机阀试验”窗口进行主汽门严密性试验，此时TV、RSV全关，转速开始下降，通过预设判断条件当转速降到：1000*当前主汽压力/额定主汽压力时，记录惰走时间，试验合格。

并网前，当GV&IV控制转速到3000转时，可进行调门的严密性试验。在操作员自动方式下，由操作员通过点击画面“主机阀试验”窗口进行调门严密性试验，此时GV、IV全关，转速开始下降，通过预设判断条件当转速降到：1000*当前主汽压力/额定主汽压力时，记录惰走时间，试验合格。

7.5 负荷控制回路

并网后，DEH由转速控制回路自动转变为负荷控制回路。在操作员自动方式下，由操作员进行负荷目标值、升负荷率、降负荷率的设定。此时负荷控制均由GV&IV完成。当目标值设定完毕且有效后，通过点击画面“确认”按钮，此时设定值会按照先前设定的速率向目标值靠拢。当设定值等于目标值后，自动变为保持状态。若需要保持当前设定值，操作员可通过点击画面“保持”按钮进行设定值的保持。

7.6 OPC保护回路

当发电机GCB开关分闸时，且转速超过103%，即3090rpm时，会触发OPC保护动作，关闭GV、IV，直到转速低于3030rpm，复位OPC动作。若发电机GCB开关分闸时，实际负荷大于40MW时，也会触发OPC保护动作，关闭GV、IV，直到转速低于3030rpm，复位OPC动作。从而达到保护机组安全性的作用。

7.7 超速保护回路

DEH超速保护回路是通过采集现场3个独立的转速探头信号，通过逻辑中高定值3300模块判断后，送出DO信号去ETS系统，实现超速保护。当任意一路超速定值动作时，不会触发ETS跳闸，当3个超速定值有2个动作时，触发ETS跳闸，这样即防止拒动，又防止误动。

7.8 阀门活动试验回路

为防止阀门卡涩，DEH控制回路中设有TV、GV、IV、RSV阀门的活动性试验。根据实际需要进行相应的试验。当操作员投入TV、IV阀门的松动试验时，对应的阀门会关到90%，然后自动恢复到原来的位置。当操作员投入某个GV阀门的松动试验时，对应的阀门会关到20%，然后恢复到原来的位置。当操作员投入IV阀门的松动试验时，任意中调门反馈小于95%后试验结束，然后恢复到原来的位置。

7.9 单、顺序阀切换回路

根据进汽方式不同，DEH可分为单阀方式下的全周进汽及顺序阀方式下的部分进汽。操作员可以在画面上点击“阀切换”进行切换。切换过程以每秒0.008的速率由单阀控制切换到顺序阀控制方式。当切换完毕后，所有GVs根据各自的开启顺序函数及顺序阀函数维持各自的开度。

7.1 0 操作画面

DEH主画面包含了转速，负荷，主汽压力，阀位反馈，阀位指令，当前运行方式，子回路投入的全部状态。同时包含了操作DEH从启动到带满负荷的所有操作窗口。主要包含：汽机挂闸、汽机转速控制、机组启动、同期控制、主汽压力控制、阀位控制、负荷控制、负荷控制投切、阀位限制器、主汽压力限制器、频率限制器、主汽阀试验、阀切换、主机超速试验、摩擦试验。

图3 DEH操作画面

7.1 1 监视画面

DEH监视画面包含了汽轮机冲转过临界区域的转速监视、报警。运行过程中的轴系振动、轴位移、偏心、高低压缸胀差、绝对膨胀的监视。运行过程中每个瓦温度的监视。根据经验将重要参数合入这个画面，极大程度的方便运行人员监视。

图4 DEH监视画面

8 结束语

宁波钢铁余能发电厂135MW机组DEH控制系统改造项目于2019年08月正式投入运行。改造后DEH转速控制的稳定性和准确性均有较大提升。DEH各项试验均全部通过并在此基础上对阀门控制进行优化。同时Ovation控制器处理能力强，模件采集精度高，软件功能强大，网络结构冗余，具有完善的备品备件支持，提高了DEH控制系统的安全性和稳定性。可以为同类型机组的控制系统改造提供实际参考价值及应用价值。2020年10月在江苏中煤大屯电厂成功改造类似机组DEH控制系统并已投入运行。