27 600MW机组分散控制系统技术及应用.docx

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27600MW机组分散控制系统技术及应用

邹县发电厂600MW机组

分散控制系统技术及应用

刘代利安普亮张代新

（邹县发电厂）

摘要　随着火电技术的不断发展，高参数、大容量机组飞速发展，这就对对热工自动化水平提出了更高的要求。

分散控制系统在电厂中的应用，极大地提高了机组的自动化水平，提高了机组的安全可靠性，对实现全能值班、减人增效、竞价上网发挥了巨大作用。

本文针对邹县发电厂600MW机组实际，详细阐述了分散控制系统技术及应用情况。

由于历时条件的限制，邹县发电厂600MW机组在分散控制系统的应用方面还存在一定局限性，但是，通过对邹县发电厂600MW机组在分散控制系统的了解，可以了解不同时期分散控制系统的应用情况，对以后分散控制系统的进一步完善和发展也有一定的促进作用。

关键词　分散控制技术应用

绪　论

邹县发电厂三期工程2×600MW汽轮发电机组（＃5、6机组），分别于1997年1月和11月相继投产发电。

邹县电厂三期工程安装有两台600MW燃煤汽轮发电机组，电力通过500KV输电线路送入山东电网。

邹三工程为世界银行贷款与国内投资相结合的建设项目。

其主要设备供货情况为：

锅炉由美国福斯特·惠勒能源公司（FW）提供；汽轮发电机组由东方电站成套设备公司和日本株式会社日立制作所合作设计生产；输变电设备主要由法国施耐德公司、欧洲ABB公司、意大利NMG等公司生产；热控设备采用WDPF-II型分散控制系统，由美国西屋公司提供。

三期工程的热控自动化设备按“安全可靠，中等实用”的原则进行配置，采用以WDPF—II型分散控制系统为控制中心，辅以FSSS、HITASS、DEH、MEH、BYPASS、ASS-2、AVR等系统协调配合，构成了机组完整的控制系统。

可以在集控室（辅以少量的就地操作）实现机组的启停、事故处理、全过程的运行监视操作。

第一章　热工自动化水平

一、自动化水平的确立和原则

邹县发电厂三期工程自动化水平思想是在二十世纪80年代末、90年代初形成的，由于当时DCS的应用在我国尚处于试点状态，尚未广泛普及，另外在自动化水平上尚没有打破传统控制思想的约束。

因此，我厂三期工程确定的采用微机分散控制系统（简称集散系统）主要原则如下：

1、认真吸取国内外成熟的设计和运行经验，要求系统安全可靠、中等实用，不盲目追求世界“先进”水平。

2、主系统和主设备除集散系统的键盘软操外，机组和局部系统的启动及调整应有硬操手段。

3、当全部集散系统故障或停运时，机组能安全停机。

集散系统局部设备或元件故障或停运时，可以手操且不影响机组的正常运行和操作。

4、集散系统的范围不宜太广，系统不应过于复杂，不直接影响机组运行的辅机不加入集散系统，发变组和厂用电源断路器的控制不加入集散系统，但数据采集与处理加入集散系统。

二、三期自动化水平的主要特点和后备操作的配置

三期工程采用单元集中控制，2台机组合用一个综合控制楼；采用台盘分离方式，重要的操作对象放在前台，备用的操作、监视放在控制盘，既照顾到监视控制的相对集中，又考虑到足够的检修维护空间。

在集控室由1个主值班员、2个副值班员完成对机组的启停、正常运行调整和事故处理。

根据有关既定设计原则和标准，采用了以WDPF分散控制系统为控制中心，与FSSS、DEH、BYPASS、MEH等其它系统协调配合构成了机组完整的控制系统。

主系统和主设备除DCS键盘软操外，机组局部系统的启动及调整设有部分软手操和后备监视。

如设有50个对象的软手操可以通过DPU直接对重要的控制对象进行直接操作。

设有50个参数的常规指示表，10台记录仪（10×3点），同时还设有63个后备M/A站（1台备用），当DCS局部故障时，可以实现对现场设备的直接操作。

系统还设有热工报警信号，每台机组热工信号200，电气200和20％备用窗口，真正可以做到“当全部集散系统故障或停运时，机组能安全停机。

集散系统局部设备或元件故障或停运时，可以手操且不影响机组的正常运行和操作”。

因此从全厂安全考虑，主机、小机均设有硬接线的保护跳闸逻辑回路。

锅炉FSSS保护除软逻辑保护外设有手动硬接线直接跳闸回路，其它如事故直流油泵、真空破坏阀和电磁安全阀采用了硬接线逻辑回路，除给水泵小汽轮机保护由厂家配供硬接线保护外，一般辅机的联锁保护均由DCS系统DPU软逻辑实现。

我厂三期工程考虑前十年带基本负荷，十年后参与调频调峰，机组具有定－滑－定运行方式，不考虑带厂用电运行，采用高低压二级串联旁路系统作为机组启动时使用，能满足机组冷态、温态、热态、极热态中压缸启动运行的需要。

机组在高压缸启动方式下，不允许打开旁路。

机组运行时采用停机即停炉、停炉即停机的方式。

不考虑全厂自启、停功能。

发电机组、变压器和厂用电系统的控制没有纳入DCS系统，汽机DEH考虑了简易快关功能。

三、运行操作方式和水平

由于采用了分散控制系统，因此形成了以DCS为中心辅以FSSS、HITASS&DEH、BYPASS、MEH、ASS－2、AVR等系统构成的完整的单元集散控制中心；因此可以实现以一人为主、二人为辅的运行值班体系，可以在集控室（辅以极少量的就地操作）实现机组的正常启停和事故处理、全过程的运行监视操作。

由于配置了较多的后备操作，因此运行人员可以根据需要，灵活安全可靠地选择各种运行操作和监视手段。

运行人员也可以根据自动化设备的健康状况灵活选择适应机组热力运行需要的自动化水平和操作。

第二章　WDPF分散控制系统（DCS）

一、WDPF系统的结构、接口特点和主要参数要求

1、WDPF系统的结构

我厂三期工程采用的西屋WDPF系统为高速公路型冗余通讯网络，型号为Westnet

，其通讯速率为2MB，10000点/S的刷新速度，很容易扩展到254个节点，通讯电缆选用同轴电缆，同轴电缆高速公路完全为无源的，接在其上面的每一个站都能透明地访问分布数据库。

本期工程共设有20×2＋11＝51个（节点）站。

51个站在系统中完全独立，各站自主工作构成一个完整的分布式计算机网络。

由于系统采用了类似于IEEE802通讯标准，系统通讯采用串行令牌传送，无主站广播方式，使得每个站在100ms中有一次广播机会。

当一个站广播时，其它站处于监听方式。

由于采用了单层网结构，使得网络通讯效率高，通讯速度快，因而保证了系统对信息的刷新速度，满足实时控制的需要。

在系统的冗余性方面，西屋的WDPF系统组态和配置非常灵活、可靠，主要表现在下列方面：

（1）电源的冗余性，从输入可以接受双路AC220V电源从内部转换到卡件级均采用冗余双电源供电方式，保证系统有较高的可靠性；

（2）DPU的冗余，双DPU相互备用；

（3）通讯网络冗余，双高速公路任一条正确，即可保证系统通讯安全，功能正确；

（4）I/O通道可根据需要进行1：

1，3取2或3取中等冗余配置，由于资金方面的影响，没要求I/O卡件冗余，仅部分信号采用了3取2冗余；

（5）系统工作能力的冗余：

如通讯网络的负荷率要求低于40％，DPU的负荷率要求小于40％，DPU内存平均占用率为43.24％，系统的可用率达99.98％；

（6）完善的自诊断功能：

WDPF系统可以实现从系统I/O卡件到DPU级及工作站的全面的自诊断功能，并设有完善的自诊断软件。

2、WDPF系统性能参数要求

为保证WDPF系统能够正常可靠运行，本工程对下列WDPF系统性能做了明确规定：

（1）CRT数据刷新时间＜1S

定义：

是指从DCS系统内任一点I/O送入新信息开始到CRT正确刷新显示该项新信息止的过程时间不大于1S；

（2）DCS系统操作响应时间＜2S

定义：

是指从键盘或CRT对任一操作对象发出有效操作指令开始至相应的操作对象的

输出I/O口输出指令为止的过程时间加上从相应操作对象动作的反馈输入口输入信号开始至相应CRT显示该信号为止的时间不大于2S；

（3）CRT画面响应时间＜1S

定义：

是指从键盘、CRT或跟踪球上发出调用任一画面有效指令开始到画面和数据调出后稳定清晰显示为止的过程时间不大于1S；

（4）事故顺序记录仪分辨率＜1ms；

（5）系统的输入/输出精度不低于全量的±0.1％；

（6）系统控制精度不低于0.1％；

（7）模拟量输入扫描和刷新要求每秒4次，数字量输入扫描要求每秒10次；

（8）A/D模数和数模转换要求

——分辨率：

12位

——线性：

±1最低有效位（LSB）

——再现性：

±1/2最低有效位

（9）系统在线频率和谐波下抗120dB共模抑制比和60dB差模抑制比；

（10）冲击电压承受试验：

设备应能通过频率为1.5MHZ，峰值电压为2.5kV振荡波的ANSIe37.90a电压波动承受能力试验，且无设备损坏或系统误动。

3、WDPF系统与其它控制系统的接口

邹三工程控制方式以DCS为中心，与DEH、FSSS等其它系统相互协调，台盘合理布置，安全、可靠、经济实用。

主机电调分散控制系统锅炉安全保护

硬接线　　　　数据告诉公路

以太网

小机调速器

串行口

　硬接线串

行

口硬接线

即重要的控制、保护系统之间，控制、保护信号采用硬接线方式连接，如DCS←→DEH，DCS←→WOODWARD,而信息的传输采用通讯方式，如：

FSSS→DCS

DCS→网控计算机

DCS→全厂管理微机系统

因此DCS系统担负了除FSSS、DEH、小机WOODWARD、Bypass等随主机供货的控制设备外全厂主要的控制功能。

二、分散控制系统的功能

1　WDPF系统总体功能概述

WDPF系统共设有工程师站、操作员站、值长站、历史数据/记录站、性能计算站和接口站六种不同的人机接口，实现对全厂的控制、监视、联锁和报警功能。

WDPF通过完整的人机接口和系统完成下列实时任务（俗称三功能）：

（1）DAS数据采集（DataAcquisitionSystem）

对全厂过程数据进行采集处理，在CRT上根据需要，以流程图、成组、棒图或报警方式进行实时显示，数据要求1秒刷新一次，进而进行处理或计算，以形成各种文件，进行打印或报表，如形成历史数据记录、趋势记录、事故记录SOE、性能计算、值报、月报等。

（2）CCS协调控制系统（CoordinationControlSystem）

该系统即常规的自动调节系统，它包括了进入WDPF系统的所有自动调节项目，实现机组间的负荷协调控制，实现各子系统级的常规自动调节如送风机、吸风机、一次风机、给水自动调节、减温水、除氧器、凝汽器水位等常规自动调节，同时设有独立于DPU的M/A站，可以实现手/自动切换和直接手操（硬操4－20mA信号）。

（3）SCS顺序控制系统（SequenceControlSystem）

邹三工程按热力系统，即按锅炉、汽机、发电机主机系统的不同将有关系统的控制（顺控）、联锁、保护、报警等功能分配在相应的DPU中，DPU1/51－DPU11/61基本上为锅炉侧控制，DPU12/62－DPU20/70基本上为汽机侧控制和电气系统信号。

由于不考虑全厂的自动启停，原则上是以某一辅机或系统的启停顺控，即以单元级或子功能级顺控为主，包括系统内所有远方操作的电动阀门或电机，包括相应设备或系统的联锁保护等。

但是FSSS的有关功能包括磨煤机的顺控以及主机和小机的保护（硬接线硬逻辑实现），不包括在WDPF顺序控制系统之内。

以上即为传统上的三功能系统，此外WDPF还包括下列功能：

（4）SOE事故顺序记录功能（SequenceofEmergency）

设计约240点SOE事件，可以1毫秒的分辨率对事件进行记录。

另外还设置了历史数据记录、性能计算和操作指导等详细的应用软件，构成了对全厂热力系统监视控制，为运行人员提供了方便的人机接口。

2　CCS功能和项目特点简介

协调控制系统运行方式如下：

（1）机炉手动方式。

（2）锅炉跟踪方式BF1、BF2。

BF1：

汽机控制在手动二锅炉主控在自动方式。

BF2：

机炉协调方式，负荷信号并行到锅炉和汽机控制器，锅炉和汽机控制均处于自动方式，节流压力由锅炉控制。

（3）汽机跟踪方式TF1、TF2。

TF1：

锅炉控制在手动，而汽机控制在自动方式。

TF2：

机炉协调方式，负荷信号并行到锅炉和汽机控制器，锅炉和汽机控制均处于自动方式，节流压力由汽机控制。

（4）协调控制方式：

协调MW控制方式，仅仅选择TF2/MW或BF2/MW方式下实现。

（5）ADS：

自动调度系统，如果协调系统处于BF2、TF2或协调控制方式下运行人员

（6）可以选择ADS方式，机组负荷通过ADS系统自动增减。

（7）RB减负荷功能（11项）：

①1台电泵＋1台汽泵运行减负荷到80％

A吸风机停运减负荷到50％

③B吸风机停运减负荷到50％

④A送风机停运减负荷到50％

⑤B送风机停运减负荷到50％

⑥A一次风机停运减负荷到50％

⑦B一次风机停运减负荷到50％

⑧A汽泵停运电泵启动运行减负荷到50％

⑨B汽泵停运电泵启动运行减负荷到50％

⑩两台汽泵全停电泵运行减负荷到30％

发电机60％负荷以下断水减负荷到26％

（8）RD强降（5项）（强降必须在LDC自动方式下进行）

1燃料主控器在最大，且燃料量＜＜燃烧指令

2送风机在最大风量，且风量＜＜风量指令

3给水在最大，且给水流量＜＜给水指令

4吸风机在最大，且炉膛压力＞＞指令信号

5一次风机在最大位置，且一次风母管压力＜＜指令信号

（为安全起见，没有考虑RU强升功能）

（9）三期工程自动调节项目如下（总计18项，39套）

1）协调控制系统CCS1

2）炉膛负压控制（引风机控制）1

3）送风量控制（送风机控制）1

4）磨煤机燃料量控制6

5）燃油控制1

6）给煤机转速控制6

7）磨煤机温度控制6

8）磨煤机密封风控制6

9）给水流量控制1

10）过热器一级减温水控制1

11）过热器二级减温水控制1

12）再热器温度控制1

13）凝结水最小流量控制1

14）凝汽器水位控制1

15）除氧器压力控制1

16）除氧器液位控制1

17）空预器冷端温度控制2

18）汽轮机润滑油温控制1

3SCS功能和项目特点简介

SCS系统包括了热力系统和设备的顺序控制及除FSSS和主机、小机保护（硬接线）之外的主要辅机和系统的联锁和保护。

SCS的设计特点主要以某一辅机作为子功能组的自动启停控制（如电泵、凝结水泵、凝升泵、真空泵、高压泵）或以某一局部系统为功能组的自动启停控制（如锅炉风烟系统A系统、B系统，以一侧的风烟系统作为一功能组单元），没有考虑全厂的自启停功能。

SCS系统主要包括了21套热力系统中有关主要辅助设备、阀门、挡板的启停和顺序控制，大约433页逻辑图，热力系统清单如下：

1）锅炉制粉系统、充氮密封系统；

2）主机液压油系统；

3）全厂保护（电气）联锁系统；

4）主机跳闸系统（硬接线实现）；

5）一次风和磨煤机系统；

6）锅炉二次风和烟气系统；

7）发电机定子冷却水系统；

8）发电机密封油和氢气冷却系统；

9）主机润滑油净化系统；

10）主机润滑油系统；

11）汽机轴封蒸汽疏水和放气系统；

12）锅炉疏水放气系统；

13）凝汽器真空系统；

14）凝汽器胶球清洗系统；

15）闭式循环冷却水系统；

16）开式循环冷却水系统；

17）加热器疏水放气系统；

18）凝结水系统；

19）厂用汽系统；

20）抽汽系统；

21）给水系统；

22）主蒸汽系统。

4DPU功能分配及其特点

DPU是DCS系统的控制级单元，是完成控制逻辑、实现各种控制功能的心脏，由于其分布式特点，它不依赖于上级的控制或信息，可以自主的在网络中工作，由于三期工程在DPU组态上，原则上以一个DPU为控制单元，一组DPU自用的信息原则上由本组DPU自己采集完成，不依赖于网络的通讯，因此基本可以做到某一DPU故障不影响其它系统运行，当工作站故障或其它系统故障不影响DPU的正常工作。

DPU采用了全冗余配置结构，正常运行时，一台DPU工作，另一台自动处于监视后备状态。

当工作DPU故障时，自动切换到备用DPU。

由于两台DPU装有完全相同的程序，因此可以保证两台控制器控制逻辑完全一样，且两台冗余的控制器无主次之分，维修人员可根据工作需要任意定义一台为工作DPU，另一台为备用DPU。

DPU功能分配如下：

DPU1－11/51－61锅炉

DPU12－20/62－80汽机出口温度

DPU1燃料量（一次风量）

：

自动调节

A、B、C、D、E、F磨煤机控制密封风

：

磨煤机料位

DPU6磨煤机相关联锁、报警

DPU7：

一次风压自动调节

燃油自动调节

LDCRB

二次风量自动调节（氧量补偿）

煤主控制器指令

一次风系统顺控（挡板、油泵站、报警、联锁和保护）

DPU8：

炉膛压力自动调节

A侧锅炉风烟系统顺控（A侧送、吸风机、空预器挡板、油泵等）

DPU9：

空预器冷端温度自动调节

B侧锅炉风烟系统顺控（B侧送、吸风机、空预器包括电除尘烟气挡板、油泵等）

DPU10：

一、二级过热器汽温自动调节

锅炉疏水系统顺控

（连排、MassBlowdown、过热器、再热器、连排扩容器等疏水阀控制）

汽机本体疏水通风系统顺控

中联门前疏水阀、末级过热器母管放气阀、再热器出口母管放气阀、锅炉吹灰供汽阀等）

DPU11：

协调自动控制系统

（机炉主控制器、协调减负荷功能、强降功能、主机报警、汽泵轴承振动和温度报警、小机B报警等）

DPU12：

主机本体辅助系统顺控

（EHG油泵、润滑油泵－电动主油泵、盘车油泵、DC油泵－冷再热器疏水门、

逆止门等）

DPU13：

电气信号

（电气保护、跳闸信号、启/备变、断路器、6.3KV开关状态等）

发电机本体辅助系统控制

（定子冷却水泵、发电机密封油系统、发电机氢气冷却系统、主机主汽门阀座

疏水、主机通风阀和事故排放阀、主机汽封系统等）

DPU14：

汽机润滑油温控制

[凝汽器进出口隔离门、闭式循环冷却水（泵、阀门）、开式循环冷却水（泵、

阀门）、循环水滤网隔离门等]

DPU15：

厂用汽系统顺控

[主机蒸汽密封系统（包括密封蒸汽抽汽门）、主机预热系统（预热供汽阀）]

高加系统顺控

[给水泵油泵（电泵交、直流油泵）、B小机HP&LP截至门控制]

DPU16：

给水自动调节

[电泵启停及阀门控制、A小机启停控制（包括有关阀门）、电泵小机润滑油泵、

事故油泵、盘车和油箱辅助设备控制等]

DPU17：

除氧器、凝汽器水位自动调节

（凝泵、凝升泵控制、除氧器系统控制、低压加热器系统控制、凝汽器减温水

喷水阀、管扩隔离阀控制等）

DPU18：

真空泵及真空系统顺序控制

（凝汽器真空破坏门、#1－3高加、除氧器、#5、6、7A、7B、8A、8B低加水

位联锁、暖风器疏水泵控制等）

DPU19：

厂用汽系统阀门控制

（厂用汽－老厂、冷再→厂用汽→厂用汽主要用户）

主机抽汽系统（高加抽汽逆止门控制、除氧器抽汽、小机抽汽、低加抽汽、暖

风器抽汽等）

主机跳闸联锁信号、小机疏水系统等

DPU20：

电气信号、DAS系统

（厂用电系统、6KV、发变机组状态、电流、电压信号等）

第三章　汽轮机控制系统

一、HITASS－200E&S－DEHG的硬件配置和结构特点

三期汽轮机控制系统主要由HITASS－200E&S－DEH二大部分构成，该设备采用日立标准的HIACS－3000分散控制系统（HITACHIIntegratedAutonomousControlSystem）硬件设备构成，HITASS－200E和S－DEH由一个统一的日立CV网络连成一体，采用了HITACHI的HISEC04－M/F（F型）控制器5只，5台CPU功能分配如下：

1、汽机自动启动CPU（HITASS）1台

2、汽机热应力计算CPU（HITASS）1台

3、DEH电液控制系统CPU（A）1台

4、DEH电液控制系统CPU（B）1台

5、接口及后备CPU（DEH）1台

其中DEH（A）、DEH（B）CPU为一对冗余的CPU，一台工作即可保证正常运行。

当工作CPU故障时，备用CPU可自动切换到工作状态，其它CPU均未冗余设置。

HITASS/DEH系统主要通过专用插入盘与运行人员实现人机接口功能，该插入盘通过与HITASS/DEHGPI/O接口卡相连实现有关控制功能，该盘主要由指示操作按钮和指示表组成，另外设有一台彩色CRT和打印机及计算机作为调试维修的工程师站。

二、HITASS－200E&S－DEHG功能简介

1、功能概述

HITASS/DEH主要功能可以实现从汽机盘车、暖机升速→3000r/min→并网→带初负荷→转换区结束全过程的自动、半自动、手动控制功能，可以实现汽轮机的调速和升降负荷控制。

HITASS主要完成汽轮机的自动启动控制和热应力计算功能。

DEH主要完成汽轮机的调速和调负荷控制及其辅助功能。

全自动：

汽轮机组的启动运行，从盘车开始到转换区结束完全由HITASS及其它子系统自动控制，HITASS处于自动状态，不需人工干预（但当运行条件不满足时将自动转为半自动方式）。

半自动：

按照HITASS/DEH设定的程序，通过程序设置的6步断点按钮，由运行人员确定后，程序一步步自动进行，完成机组的自动启动和运行（6步断点为：

汽机准备、汽机摩擦检查、升速、励磁、同步及初负荷、升负荷至正常运行）。

操作员手动：

当HITASS自启动系统故障或退出运行时，可以利用HITASS/DEH插入盘上的手动按钮，由运行人员设定升速率及目标转速和目标负荷后，S－DEHG自动控制汽轮机组启动、升速、并网、带初负荷、转换区结束。

[此时励磁系统和ASS－2自动同期装置，旁路等系统由运行人员选择合适的运行方式（自动/手动）后，由运行人员投入运行]。

后备操作：

当S－DEHG故障时，则运行运行人员利用负荷限制器减按钮，控制机组降负荷运行（仅是降负荷或降速，不能升负荷或升速运行）。

旁路功能：

当机组自动或半自动运行时，出现某一运行条件（允许旁路的条件）故障时，如果运行人员确认该条件确已满足，仅为仪表或其它原因故障时，运行人员可以利用旁路功能，将该条件旁路掉，程序仍可继续运行。

（注意旁路功能一定要慎用，一定要确认机组运行条件确已满足，仅为仪表或其它故障时方可为之。

）

2、S－DEHG功能简介

S－DEHG为日立标准的分离型数字式电液调速器的英文缩写，欧美习惯叫DEH，日本习惯叫EHG或DEHG,S型即采用润滑油和控制油分离的油系统，控制油采用高压抗燃油，油压112kg/cm2。

S－DEHG主要功能如下：

1）升速控制和汽机转速调节

2）转速同步控制

3）负荷限制控制

4）发电机功率控制（升负荷控制）

5）加速继电器保护

6）动力负荷不平衡继电器保护

7）后备超速保护（三取二电子超速保护、112％电超速、110％额定转速机械超速保护）

8）阀门活动试验（MSV、CV、RSV、ICV）

9）CV阀暖机控制（HeatSoak）

10）阀座预暖控制

11）后备手操

12）辅助控制功能（如超速试验、升负荷、负荷限制器控制、汽机寿命损耗选择、HITASS工作状态选择和HITASS使用选择等等）。

第四章　FSSS炉膛安全监控系统

一、FSSS系统的硬件配置和结构

邹三工程FSSS系统是由美国Foster&Whee