国产NT6000系统在超超临界汽轮机控制中的应用
2021-12-14潘正伟
娄 琦，张 雷，潘正伟，黄 河
(1.大唐南京发电厂，南京 210001；2.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)
超超临界参数汽轮发电机组效率超过41%，经济性明显，国内外多年商业运行经验表明，其技术已经成熟可靠。汽轮机控制系统是汽轮机设计、制造及安全运行中不可缺少的部分，是汽轮机的大脑[1]。长期以来，国内超超火电机组数字电液(Digital Electro-Hydraulic，DEH)控制系统软硬件大多依赖进口。
大唐南京发电厂2号发电机组汽轮机为国内某汽轮机厂生产的660 MW超超临界汽轮机，汽轮机DEH控制系统软硬件原采用西门子T3000系统。大唐南京发电有限公司与原设备制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)厂家深度合作，采用南京科远NT6000系统，实现了DEH国产化改造，合力完成了DEH系统硬件开发、软件组态设计开发、仿真及调试工作。
本文对超超临界汽轮机DEH控制系统国产化改造进行了说明，比较了原西门子T3000控制系统和科远NT6000系统的系统配置，列举了该项目中的设计优化方案，简述了该项目现场调试工作，旨在说明科远NT6000系统的优势和稳定性。
1 汽轮机控制系统
1.1 西门子T3000控制系统
该机组原DEH系统采用西门子T3000，共5个机柜(3个DEH控制柜，2个辅控柜)，前后开门，示意图如图1所示。控制范围包括汽轮机基本控制、汽轮机机组自启停、汽轮机保护ETS系统、汽轮机辅助控制系统。
图1 西门子T3000系统DEH机柜示意图
CJJ11柜内配置416H+FM458控制器，配ADDFUM模块、ET200模块和FDI/FDO模块，以及2套超速保护装置。由FM458控制器及ADDFUM完成汽轮机基本控制，其主要通过控制调门开度控制机组转速、负荷及主蒸汽压力；由417H完成汽轮机保护及应力计算，到快关电磁阀的动作信号由FDO模件发出，重要保护的开关量信号通过FDI模件进入控制器进行处理。CJJ12/13柜内配置1对冗余416H控制器，实现汽轮机温度裕度计算和温度准则计算，并实现汽轮机自启停功能，完成保护信号及模拟量信号的处理。CJJ14/15柜内配置1对冗余416H控制器，实现对汽轮机润滑油、EH油、顶轴油、轴封、疏水等系统的控制。
1.2 科远NT6000控制系统
1.2.1 机柜布局
随着计算机硬件和网络通信技术的发展，国内外各控制系统厂家在系统方面的差距正在缩小[2]。大唐南电2号机组分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)选用国产科远NT6000控制系统。
原机柜利用旧设备，柜内所有硬件采用国产化系统科远NT6000重新设计，分别为ETS(CJJ11)、基本控制(CJJ12)、自启停(CJJ13)、辅控A(CJJ14)、辅控B(CJJ15)，机柜示意如图2所示。原西门子T3000系统CJJ11、CJJ12、CJJ13机柜内控制和保护信号混在一起，现在根据不同功能重新设计CJJ11、CJJ12、CJJ13柜内测点布局及相应硬件。对于需要调整的测点而言，原则上电缆长度能直接接到模件的就直接到模件，到模件长度不够的通过转接端子转接。
图2 科远NT6000系统机柜示意图
1.2.2 控制器
DEH系统配置4对国产化快速控制器。DROP41控制器(控制柜CJJ11)冗余配置，实现汽轮机危急遮断系统 (Emergency Trip System，ETS)的控制功能，包括所有保护信号的处理及快关电磁阀的控制。2套超速保护装置自带3取2功能，取消原继电器3取2功能。DROP42控制器(控制柜CJJ12)冗余配置，实现汽轮机基本控制功能，即原西门子FM458控制器功能。DROP43控制器(控制柜CJJ13)冗余配置，实现汽轮机温度裕度计算、温度准则计算、汽轮机机组自启停功能。DROP44控制器(控制柜CJJ14/CJJ15)冗余配置，实现汽轮机润滑油系统、EH油系统、顶轴油系统、轴封系统、疏水系统等的控制功能。
1.2.3 阀位伺服模块
家长们你一言我一语，讨论变得热烈起来，等最后一个家长发言完毕，我点开了录制好的视频，说：“亲爱的家长朋友们，在你们给孩子打分之前，孩子也给你们打了分，你们想不想看一看？”
阀位伺服模块采用定制的专用于OEM厂家超超临界机组控制的数字式阀位伺服模块。高压调门和中压调门采用冗余的伺服模块，DEH将阀位指令分别发送到2个伺服模块，每块模块控制伺服阀的一个线圈。位移传感器反馈来的4～20 mA信号通过信号分配器，分别送到2个伺服卡，阀位伺服模块原理如图3所示。正常运行时2个伺服卡同时工作，当一个伺服卡发生故障时即发出报警，同时另一个伺服卡输出电流增加。一个伺服卡发生故障瞬间，阀门会有轻微抖动，不影响正常控制。伺服卡支持热插拔，可在线更换。
图3 阀位伺服模块原理
2 设计优化
2.1 调门快关回路优化
超速控制功能在DROP42主控制器中按照特定逻辑判断可能引起机组超速的因素，发出快关信号，使调门油动机的快关电磁阀动作，使调门迅速关闭，防止超速。在原设计中，快关信号通过网络通信从DROP42送至DROP41，在保护控制器中进行逻辑处理，最终合成一个快关信号通过DO模件，经过继电器控制电磁阀动作。快关信号通过网络通信以及控制器的处理，会有近100 ms左右的延迟。在本文的设计优化中，调门快关信号增加了硬接线测点，串进ETS系统硬回路，直接使继电器动作，使调门迅速关闭。
2.2 快关电磁阀控制优化
原T3000保护系统信号采用FDI/FDO故障安全性模件，通过FDO直接驱动快关电磁阀。在本文的设计优化中，其改为双通道形式，即不同DO卡的2个点控制1个快关电磁阀继电器，2个通道都动作，电磁阀失电，阀门快关。同时继电器动作信号通过DI送至控制器，由其监视状态。超速保护装置驱动安全继电器线圈，控制快关电磁阀的24V直流供电电源，再通过ETS输出触点，控制电磁阀的动作。
2.3 一次调频参数优化
DEH的一次调频功能根据电网频率的变化，自动调整汽轮机进汽调门的开度，改变机组负荷。原有的控制逻辑中，一次调频指令的控制参数为固定参数，无法适应机组滑参数运行下对负荷响应速度的需求，并且同时用作转速控制与调频控制。在本文的设计优化中，控制参数得到了调整，转速控制与调频控制对应使用不同的控制参数，并增加一次调频负荷变量来增加主蒸汽压力补偿，提高低参数下的调频响应速度和调频响应量。
2.4控制逻辑、运行画面优化
DEH系统软硬件实现了全面国产化，100%自主可控。大唐南电相关专业结合机组运行经验，将确定的改进优化方案落实到科远NT6000系统。汽轮机控制画面增加核心顺控画面，所有逻辑页描述汉化，汽轮机运行画面汉化，方便运行维护，汽轮机控制画面如图4所示。
图4 汽轮机控制画面
3 项目执行
3.1 系统设计
对汽轮机控制系统所有测点进行梳理，设计、出具IO清单。结合技术协议要求，设计、出具机柜设计图。然后机柜设计图定稿，配合科远进行NT6000系统硬件成套。设计汽轮机DEH控制系统逻辑、画面。汽轮机控制系统逻辑复杂，画面设计工作量大，设计人员在掌握超超临界汽轮机核心控制原理的基础上，在科远NT6000全新国产系统中进行系统开发工作。
3.2 现场调试
1)汽轮机DEH系统5面机柜上电后，检查确认处理器、电源、通信网络、IO卡件、服务器、操作员站、工程师站等工作正常[3]。进行电源切换试验、DPU切换试验，检查所有IO点信号，确保信号正确可靠。
2)下装汽轮机每个机柜内的所有IO测点，配合机柜接线工作，进行汽轮机控制系统所有测点的对点工作。核对开关量点状态，检查、设置模拟量测点量程，并对现场临时调整的部分测点进行通道调整，确保对点工作的及时性、准确性。
3)技术人员与电科院一起会审汽轮机侧核心逻辑，对汽轮机主保护、主要阀门、辅控核心设备逻辑进行检查，出具连锁保护单。
4)对汽轮机ETS系统、辅助控制系统进行调试，对ETS系统、辅控单体设备进行逻辑传动，验证连锁保护逻辑。技术人员结合业主专业运行要求，对逻辑、画面进行必要的微调、优化，并完善连锁保护卡。
5)建立EH油系统油压，为汽轮机高、中压调门、补汽阀国产定制伺服卡设置合理参数，进行调门整定工作，确保国产定制伺服卡具有良好的速度和稳定性。保存调门国产伺服阀整定过程的历史趋势图。修正汽轮机高、中压主汽门系统参数，进行高、中压主汽门的整定工作。
6)设置汽轮机超速保护装置参数，建立系统油压，进行汽轮机混仿试验。对汽轮机主保护、核心控制、主要试验进行带设备仿真，验证逻辑，检查科远NT6000系统的各项性能指标。
7)配合电科院进行汽轮发电机组整套启动工作，进行冲转、并网，指导汽轮机超速试验、严密性试验、初压/限压模式切换、甩负荷试验、阀门活动性试验、阀门半行程活动试验、一次调频试验等。
4 实践验证
2021年5月6日22：23，大唐南京发电厂2号机组成功并网发电，标志着科远100%自主可控智能控制系统NT6000正式在超超汽轮发电机组上投运。该项目实现了国内首台超超临界机组DCS、DEH、ETS、小机电液(Micro Electro-Hydraulic, MEH)控制系统、小机危急遮断系统 (Micro Emergency Trip System, METS)一次性全国产化改造，在“十四五”开局之年，实现了对发电领域核心控制系统“卡脖子”问题的完美破局。
在该项目中，汽轮机控制系统由进口西门子T3000系统改造为国产科远NT6000系统，具有里程碑意义。改造后，大唐南电2号发电机组安全运行，各项性能指标优异[4]。
5 结 论
本文介绍了国产NT6000系统在大唐南京发电厂2号发电机组汽轮机控制系统国产化改造中的成功应用，重点介绍了NT6000系统和西门子T3000系统的差异对比，其具有100%自主可控的优势，并通过实践验证了科远NT6000系统稳定、可靠。科远NT6000系统能够满足超超临界汽轮机的控制要求，且性能优异，可以在660 MW机组及其他容量机组上推广应用。
