maxDNA在1 000 MW超超临界机组上的设计与实现

孙　永

(华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 句容　212413)



maxDNA在1 000 MW超超临界机组上的设计与实现

孙永

(华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 句容212413)

以句容发电厂一期工程为背景，采用maxDNA分散控制系统，实现了1 000MW超超临界机组中的DCS+DEH一体化控制。针对机组的工艺特点及控制要求，对系统硬件选型及分配设计进行了分析、研究，对软件的功能实现进行了说明，对调试过程中遇到的主要问题及解决方案进行了阐述，对系统稳态、扰动性能进行了测试、优化，并给出了测试结果。maxDNA分散控制系统在1 000MW超超临界机组的成功应用，为该控制系统及其他同类型控制系统在火电领域的设计和应用提供了参考和指导。

发电厂分散控制系统maxDNA1 000MW超超临界机组DEH自动化监控组态

0　引言

分散控制系统(distrbutedcontrolsystem,DCS)作为电厂过程控制自动化和信息集中管理的核心，其性能直接关系到机组的安全、稳定和经济运行，同时也成为衡量电厂热工自动化水平高低及企业现代化程度的重要标志。单机容量己提高到1 000MW的超超临界机组，对控制系统的软、硬件都提出了更高的要求。

目前，我国1 000MW超超临界机组上所采用的大型分散控制系统主要依赖进口厂商,如ABB、SIEMENS、艾默生等。maxDNA控制系统由国电南京自动化股份有限公司在2011年技术引进并消化、吸收。该系统于华电江苏能源有限公司句容发电厂一期(2×1 000MW)机组工程中实现了DCS+DEH一体化控制。

本文结合句容发电厂1 000MW超超临界机组DCS项目的组态设计，阐述了maxDNA控制系统的主要技术特点、网络结构、硬件配置、软件功能及逻辑实现。

1　maxDNA系统简介

maxDNA分散控制系统源于美国利诺公司，产品经历了四代，分别为MAX1、MAX1000、MAX1000+、maxDNA[1]。maxDNA的组态工具如图1所示。

图1　maxDNA组态工具图Fig.1　Configuration tools of maxDNA

maxDNA分散控制系统主要由现场控制单元(包括maxDPU&maxPACI/O)、通信网格maxNET、人机界面maxSTATION组成，实现了从底层到控制器、第三方通信接入、工业过程监视与控制，直至顶层的性能计算、信息管理和工厂管理的全部功能[2]。maxTOOLS和maxVUE作为maxDNA组态工具，用于编辑和维护控制策略、DPU数据库、控制画面、报表等。

2　系统硬件选型及设计

2.1发电机组工艺分析

句容发电厂三大主机及一些辅助工艺系统(如脱硫系统),均采用了maxDNA控制系统。

锅炉选用东方锅炉(集团)股份有限公司生产的超超临界参数变压运行直流炉DG-3024/28.35-Π1。该锅炉为单炉膛、固态排渣、全钢构架全悬吊结构，采用一次再热、平衡通风技术，并进行露天、П型布置。汽轮机选用上海电气集团股份有限公司汽轮机厂生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机，型号为N1030-27/600/600(TC4F)。发电机采用上海电气集团股份有限公司发电机厂的水氢氢冷却、静态整流励磁汽轮发电机，型号为THDF125/67。汽机旁路系统采用40%容量的高旁和40%容量的低旁串联形式，设置两级减温减压，高、低旁设备均为液动旁路系统。

其他主要辅机设备为：一次风机和送风机各2台(50%动叶可调轴流式)，引风机3台(35%静叶可调轴流式)，空气预热器2台(三分仓式回转式)。

2.2硬件选型和I/O设计

根据控制信号类型、数量和控制要求、分配原则，对系统硬件进行选型及分配设计，包括组网设计、机柜形式、机笼和卡件类型等，使硬件配置满足设计中的数据监控、冗余率等要求。同时，设计中还要兼顾系统的安全性、可靠性和经济性，并为未来系统扩展升级留有一定的余量[3]。这是DCS系统设计最基本和重要的步骤，它将现场信号与控制系统关联起来，为进一步的软、硬件组态打下基础。

2.2.1I/O点数统计

现场信号类型可分为模拟量输入信号(AI)、模拟量输出信号(AO)、热电阻信号(RTD)、热电偶毫伏信号(T/C)、数字量输入信号(DI)、数字量输出信号(DO)、脉冲输入信号(PI)、事件顺序记录信号(SOE)等。根据现场输入/输出信号类型的不同，硬件选型时需选用相应类型及型号的模件。根据热控、电气专业提供的I/O点数和DCS与其他系统的通信点数，按照DCS冗余量要求并考虑今后扩展需要，分析所要设计的I/O点，统计出如表1所示单元机组及公用系统的测点数量。

表1　I/O点数统计Tab.1　Statistics of I/O points

2.2.2控制器分配

控制器(distributedprocessingunit,DPU)分配通常根据实际信号类型及数量，结合工艺系统和机组特点，并按功能分散和物理分散的原则进行设计。

本项目按照工艺系统划分，可将DPU分为锅炉系统(B1～B10、F1～F10)、汽机系统(T1～T9)、电气系统(E1～E3)、公用系统(C1～C4)这4个部分。按重要保护系统划分，可将DPU划分为锅炉顺序控制系统(boilersequencecontrolsystem,BSCS)，控制器配置为B1～B10；炉膛安全监控系统(furnacesafeguardsupervisorysystem,FSSS)，控制器配置为F1～F10。单元机组包括BSCS、FSSS、汽机系统、电气系统、机组自启停控制系统(automaticpowerplantstartupandshutdownsystem，APS)共33对DPU。公用系统共4对DPU，单元机组脱硫部分纳入单元机组DCS一体化设计。 1#机组汽机电液控制系统(digitalelectrichydrauliccontrolsystem，DEH)/小汽轮机电液控制系统(microelectrohydrauliccontrolsystem，MEH)采用上汽厂配套的西门子SPPA-T3000系统，2#机DEH/MEH与DCS系统实现一体化。

2.3系统网格结构设计

两台单元机组的控制分别由两套DCS实现，使用的DCS均为maxDNA系统。两台机组共用一套公用DCS系统，实现对两台机组中纳入DCS控制的公用辅助系统的监视和控制。公用DCS系统可分别与两台机组的DCS通信。1#机组DEH/MEH采用上汽厂配套的西门子SPPA-T3000系统，2#机组DEH/MEH与DCS系统通过使用maxDNA系统实现了一体化；同时，单元机组脱硫部分纳入单元机组DCS的一体化设计。

maxDNA分散控制系统包括2台单元机组及公用系统，总控制点数达3万；DPU、I/O卡件、机柜等硬件布置在锅炉、汽机(含DEH/MEH)、脱硫3个电子设备间内；系统具备总线扩展模块(busexpandermodule,BEM)。

maxDNA控制系统的DCS系统结构如图2所示。

图2　DCS系统结构图Fig.2　Structure of DCS system

单元机组DCS系统由33对DPU、905块I/O卡件、70面机柜构成；单元机组脱硫系统由2对DPU、6面机柜构成。1#机组DCS系统通过LINK机与西门子SPPA-T3000系统通信；2#机组DEH/MEH则由maxDNA软硬件系统配置、组态，与DCS系统实现一体化。 2#机组的DEH/MEH系统由7对DPU、10面机柜组成，其实现了DCS、脱硫系统、DEH系统一体化后，I/O卡件数量达到1 077块。单元机组采用4对交换机，分别布置在集控室、锅炉电子间、汽机电子间、脱硫电子间内。公用系统包括公用电气、空压机房、燃油泵房、循环水泵房、氨区系统，其控制系统由4对DPU、119块I/O卡件、10面机柜构成，使用1对交换机与单元机组交换机直接进行物理连接。DCS与第三方通信包括EFCS系统、智能前端、吹灰系统、炉管泄漏系统、TDM系统、LED显示屏。

单元机组共设置16台各类工作站，其中DCS控制系统11台(位于集控室内，包括DCS操作员站5台、工程师站2台、LINK通信机1台、历史站2台、SIS站1台)，DEH控制系统3台(包括操作员站2台、工程师站1台)，脱硫控制系统2台(位于集控室内，操作员站兼历史站1台，操作员站兼LINK机1台)。集控室内的监视大屏共设置8台70英寸(1英寸=25.4mm)液晶显示器(其中2×2台用于单元机组系统流程和实时参数的监控，1×2台用于单元机组炉膛火焰和微油点火火检等的监视，1台用于全厂辅助车间集中控制系统， 1台用于全厂闭路工业电视)。

1#机组的42对、2#机组的36对和公用系统的4对DPU全部挂在maxNET网络上。没有对远程部分设置控制器，而是通过BEM卡件用光缆与本地的控制器相连接，既节省了控制器，又降低了硬件成本。由于I/O点被置于靠近现场的远程机柜内，减少了电缆距离现场设备的长度、控制盘柜的装载量及安装接线时间。

2.4DCS系统接地设计

为防止外界干扰，对DCS系统接地提出了很高的要求。句容发电厂maxDNA控制系统的DCS接地系统图如图3所示，接地电阻要求小于1Ω。

图3　maxDNA接地系统示意图Fig.3　Schematic diagram of grounding system of maxDNA

maxDNA的接地系统设计分为三个部分：一是电源的返回通路；二是模拟信号的参考地或屏蔽；三是机柜或外壳的接地。

2.5系统供电设计

DCS电源供电采用maxDNA系统标准设计，在单元机组锅炉、汽机电子间分别设计电源柜，接收来自UPS1和UPS2的2路电源。电源容量为：锅炉电源柜25kW、汽机电源柜28kW。公用系统单独设计电源柜，分别接收来自1#机组和2#机组的各2路电源，电源容量为10kW。所有DCS远程机柜采用就地供电，配置UPS装置。

3　系统软件功能实现

利用maxDNA组态的句容发电厂一期(2×1 000MW)超超临界燃煤发电机组DCS控制系统，主要集成了数据采集系统(dateacquisitionsystem，DAS)、模拟量控制系统(modulationcontrolsystem，MCS)、FSSS、顺序控制系统(sequencecontrolsystem，SCS)、锅炉吹灰控制系统(sootblowercontrolsystem，SBC)、汽机旁路控制系统(turbineby-passcontrolsystem，TBC)、电气控制系统(electriccontrolsystem，ECS)、DEH/MEH脱硫控制系统等控制系统[4]。

3.1DAS

DAS可实现锅炉、汽机、电气及公用部分的数据采集、运行流程图、趋势图(TREND)、报警画面、机组运行日报表、顺序事件记录(SOE)等,分别为锅炉、汽机、电气、公用显示操作系统。

3.2MCS

MCS功能由协调控制系统，燃烧控制系统，给煤机控制系统，送风量控制系统(含氧量校正)，炉膛负压控制系统，一次风压控制系统，给水控制系统，主汽温控制系统，再热汽温控制系统，分离器水位控制系统，磨出口温度控制系统，磨一次风量控制系统，除氧器压力控制系统，除氧器水位控制系统，凝汽器水位控制系统，高加水位控制系统，低加水位控制系统，轴封温度控制系统，轴封压力控制系统，旁路压力控制系统，各种油压控制系统，各种温度控制系统，系统各种疏水控制系统，DEH转速、功率、压力控制系统，MEH转速控制系统等控制系统实现。

3.3FSSS

FSSS系统包括锅炉安全保护系统、火焰检测系统、燃油控制系统、油燃烧器控制系统、给煤机和磨煤机控制系统、冷却风机控制系统、密封风机控制系统等。

3.4SCS

按生产工艺要求，锅炉侧实现了烟风系统、辅机设备及汽水系统相关控制保护功能，汽机侧实现了电动机、阀门、挡板等设备的启停或开关控制。同时，SCS以功能组控制为主，配合其他子系统完成联锁保护及自动调节功能。

4　系统调试

4.1机组调试工作的特点

本工程发电机组是国内大型的燃煤汽轮发电机组，机组参数高、自动化程度高、系统高度集成，具有系统和设备庞杂、技术水平要求较高、参与单位众多等特点。这些特点使得调试过程较为复杂、协调工作量较大、偶发因素繁多，对机组的质量和安全构成潜在危胁。同时，因本工程为国产化标杆项目，是首次在1 000MW级机组DCS控制系统上采用maxDNA系统。2#机组采用maxDNA系统及上汽DEH兼容组态的硬软件系统，2#机组的361阀、抽汽逆止门等高压阀门亦首次采购国产阀门，给设备、系统调试及机组安全运行带来较大的影响。

4.2问题的解决及优化

在整个调试过程中，主要发现并解决、优化了控制系统存在的以下几方面问题。①link机虚拟DPU组态点数过多(600点以上)，随机出现部分点通信故障，应将组态分成多个虚拟DPU，每个虚拟DPU点数保持在500点以下。②部分原子块，如脉冲、延时等，在图形化组态时使用复制粘贴方式增加后，无法正常输出功能块。此时，需将原功能块删除，使用控件重新增加原子块后恢复正常功能。在调试期间，需经常参照控制算法说明书，及时了解使用的分子、原子模块的功能、属性等[5]。③DEH系统调试初期，由功率回路切换至压力回路控制时出现负荷波动情况。经检查，是由于第三方初始设计的组态逻辑中没有实现无扰切换，部分DEH逻辑组态没有按DPU的扫描顺序进行，导致逻辑运算偏差一个周期等原因引起的。在进行组态逻辑优化、调整时序等工作后，DEH运行正常。甩负荷逻辑在本控制机柜中增加硬件动作回路，缩短了指令响应时间。

4.3控制系统性能

控制系统在经过分步调试及整套调试后，应用效果良好。无论是在稳态还是在动态扰动的情况下，机组各主要参数均能保持基本稳定，对负荷的响应速度快，跟踪特性良好，使机组安全性得到保证[6]。

4.3.1稳态性能

系统稳态时，系统功率、主蒸汽压力、炉膛压力、总风量、燃料量、给水量等各系统主要参数均保持稳定，波动小，机组运行良好。

4.3.2扰动性能

在给水侧扰动试验中，给水流量指令根据负荷对应函数由2 150t/h增加至2 962t/h，实际给水流量能较好地响应给水流量指令。

在机组变负荷过程主汽压力扰动试验中，负荷由649MW升至799MW，主汽压力设定值根据负荷对应滑压曲线由20.5MPa升至23.47MPa。在实际压力爬升过程中，与设定值的最大偏差为0.6MPa。

在总风量及氧量扰动试验中，机组负荷由950MW升至1 000MW，经氧量修正的总风量指令由2 767t/h升至2 986t/h，风量最大偏差为87t/h，氧量偏差为0.5%，整体控制效果较好。

4.3.3机组协调控制系统负荷扰动

试验负荷由950MW升至1 000MW，主汽压力控制较稳定，最大动态偏差小于0.3MPa。中间点过热度在变负荷过程中按正常规律降至设定值，变负荷结束后快速稳定在设定值附近。主汽温波动幅度也非常小。整个变负荷过程中的CCS控制品质良好。

5　结束语

目前，maxDNA分散控制系统在句容发电厂投入运行已有两年多，系统运行安全、稳定，取得了较好的社会、经济效益。maxDNA控制系统在1 000MW超超临界机组控制系统的首次成功应用，为国内具有自主知识产权的maxDNA分散控制系统在同类型机组的进一步推广应用提供了参考和指导。

[1] 杜鹏.300MW火电机组控制系统设计与实施[D].上海：华东理工大学，2012.

[2] 吴科,朱能飞,陈玉年,等.maxDNA大型分散控制系统在1 000MW超超临界机组DCS与DEH中的应用[C]//2014年中国发电厂热工自动化技术论坛论文集(上册),2014: 129-134.

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DesignandImplementationofmaxDNADistributedControlSystemin1 000MWUltraSupercriticalUnit

WiththeprojectofJurongpowerplantphaseIasbackground,byadoptingmaxDNAdistributedcontrolsystem,thecontroloftheintegrationofDCSandDEHin1 000MWultrasupercriticalpowerunitisrealized.Inthelightofthetechnologicalcharacteristicsoftheunitandcontrolrequirements,theselectionandallocationofsystemhardwareareanalyzedandresearched;andtherealizationofthesoftwarefunctionsisexplained.Themainproblemsandsolutionsinthestageofcommissioningareexpounded,thesystemperformanceundersteadystateanddisturbanceconditionsaretestedandoptimized,andthetestresultsaregiven.ThesuccessfulapplicationofmaxDNAin1 000MWultrasupercriticalunitprovidescertainreferenceandguidancetowideapplicationsanddesignsofthiscontrolsystemandcongenicsystemsinthermalpowerfield.

PowerplantDistributedcontrolsystemmaxDNA1 000MWultra-supercriticalunitDEHAutomationMonitoringandcontrolConfiguration

TH-39;TP273

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610014

修改稿收到日期：2015-12-30。

作者孙永(1976—)，男，2014年毕业于河海大学电子与通信工程专业，获硕士学位，工程师；主要从事电厂自动化控制及燃料生产管理方向的研究。