武志惠，王蕾，牛海明，齐祥柏
（1中国核电工程有限公司，北京 100840;2．北京国电智深控制技术有限公司，北京 l02200）
摘 要：通过对辅机单列机组特性、控制需求进行的详细分析，提出了采用硬件系统可靠性优化设计、实时在线智能诊断优化设计、锅炉主保护系统可靠性优化设计、辅机大连锁保护设计、增加辅机热控测点的冗余配置、I/O测点优化分配、单辅机设备保护技术等一系列技术措施，提升控制系统整体可靠性的控制优化方案，该方案已成功应用于布连电厂2台660 MW超超临界机组，取得了明显的经济和社会效益。
关键词：单列辅机；超超临界机组：控制优化；机组特性：可靠性
中图分类号：TK323 文献标志码：A 文章编号：1004-9649( 2015 )10-0033-05
0引言
目前国内大型火电机组的主要辅机均采用双列配置．若主要辅机采用单列配置．其优点是运行能耗低、成本低、负荷响应速度快，能有效提高机组初投资性价比和商业运行后的市场竞争力，减少运行及维护人员的工作强度，提高生产效率。然而主要辅机单列配置后，机组热力系统发生变化，这种变化实质上对机组的安全、可靠性是有负面影响的．而火电机组对可靠稳定运行要求甚至超过其对效率提高的要求，因此辅机单列配置后，机组对控制系统可靠性更加敏感、要求也更高，包括事故状态下的快速恢复能力也更加重要。
布连电厂锅炉采用北京巴布科克·威尔科克斯公司制造的B&WB -2082/28.00 -M型超超临界、螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、同态排渣、全钢架结构、紧身封闭的Ⅱ型锅炉．锅炉配有不带循环泵的内置式启动系统。汽轮机为上海汽轮机有限公司制造的ZKN660-27/600/600型超超临界、一次再热、单轴、三缸二排汽、直接空冷凝器式汽轮机。发电机为上海发电机厂制造的QFSN-660-2型全封闭、自通风、强迫润滑型发电机。分散控制系统采用北京国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT PLUS控制系统。主要辅机包括送风机、引风机、一次风机、空气预热器、给水泵、增压风机均为单列配置。北京国电智深控制技术有限公司承担了适应该机组特点的控制系统的研制丁作。本文主要介绍辅机单列配置的超超临界机组控制特点、适应单列辅机超超临界机组特性的控制优化方案以及在布连电厂的工程应用。
1 单列辅机超超临界机组的控制需求
1.1 控制系统面临的挑战
布连电厂机组的长期安全稳定运行与控制系统密切相关，控制系统面临以下方面的挑战，是控制系统设计过程巾要着重解决的问题：
(1)机组容量大，监控规模大，辅机单列配置后．机组对辅机运行的可靠性更加敏感，需要对机组控制系统的可靠性及工程应用进行全方位设计，以保证机组长期可靠运行：
(2)布连电厂发电机组接入电网末端，输电线路长．出故障的可能性增大．因此必须研究实现单列辅机配置机组的快速甩负荷(fast cut back．FCB)保持功能，尽量减少锅炉启停次数。
1.2 单列辅机超超临界机组的控制特点
单列辅机超超临界机组具有如下控制特点：
(1)机组主要辅机采用单列配置后，辅机的运行状况将直接影响整个机组运行的安全稳定性及可靠性，辅机跳机将导致机组跳机。除增压风机跳机可以采取辅机故障减负荷( run back，RB)措施降低负荷外．其余所有辅机跳机将会直接触发锅炉主燃料跳闸( master fuel trip，MFT)。
(2)辅机的辅助设备如油站、油泵等设备的运行将会影响辅机的运行，辅机的辅助设备在控制系统的重要性将等同于常规双列配置机组的主要辅机，所以加强辅机辅助没备的监控，提高辅机辅助设备的可靠性就显得非常重要。
(3)仅设计磨煤机RB和增压风机RB逻辑，送风机、引风机、一次风机、空气预热器、给水泵跳闸作为主保护MFT条件。
因此，辅机单列布置方案对控制系统设计的合理性、安全性、可靠性要求提高。
1.3控制系统优化研究总思路
本工程配置的全厂一体化660 MW辅机单列超超临界机组自动化控制系统的应用范围是覆盖机组主机控制、机组公用系统控制、辅助车间控制的综合控制。
为真正实现660 MW辅机单列超超临界机组全厂一体化自主控制系统，必须对系统整体结构、分布式数据库、网络通信技术、全局可靠性能、控制策略优化、厂网协调策略方面进行研究。根据主要辅机单列配置的660 MW容量超超临界机组对分散控制系统(distributed control system，DCS)的应用需求，着重从系统全局角度来研究辅机单列控制系统的安全可靠性及实现技术，针对辅机单列机组的特性和对控制系统的控制要求的变化．提出提高控制系统可靠性的详细方案。
2系统全局的安全可靠性及实现技术
系统全局的安全可靠性技术从控制系统硬件、软件、工程设计各个方面来统筹考虑，通过提升各个系统的可靠性，并协调配置各个系统，提升控制系统的整体可靠性。
2.1 硬件系统可靠性优化技术措施
本项目对整个系统的控制器和I/O模块等硬件都提出了很高的要求，除常规方案中控制器、I/O模块等硬件采用了多重防护技术、多重隔离技术、冗余设计技术、高噪声抑制技术等外，针对辅机单列机组特点进行了提升硬件可靠性创新：
(1)为提高单列辅机调节动作可靠性，汽动给水泵、送风机、引风机、一次风机、增压风机的模拟量调节指令，采用新研制的支持Hart协议的冗余AO模件。
(2)针对重要的调节同路，如燃料控制、炉膛压力控制、一次风压力控制等采用了新研发的冗余AO模件，满足相应执行机构输出点冗余的需求，提高控制可靠性。
研发的冗余AO输出模件A08HD实现了通道级冗余，提高了卡件交叉故障情况下的冗余效率。两块冗余8通道HARTAO模块与冗余8通道HARTAO专用底座配套使用，构成冗余8通道模拟量输出，每个通道都支持Hart协议，冗余模拟量输出模块采用的主备冗余输出模式可克服单通道及单卡件故障导致的辅机调节故障和重要控制回路的调节故障。
冗余HART模拟量输出模块的使用，降低了控制系统输出模块故障导致的重要控制回路和辅机调节失效风险。控制级I/O冗余技术的解决，显著提高了DCS控制级在数据采集和控制实施方面的可靠性，在示范项目调试投运过程中控制器和I/O模块的损坏率小于0.5%。
2.2 完善的实时在线智能诊断功能设计
单列辅机超超临界机组的监控规模大、对参数控制有很高要求，简单的参数的显示和报警已经很难满足监控要求，迫切需要将主要相关数据进行数据挖掘和处理，向运行人员明确指出运行过程中的故障和潜在危险，提出处理措施，直至能给出处理事故的控制指令。
为此本项目研发的实时在线智能诊断系统．针对辅机单列机组特点进行了如下优化设计。
(1)对报警等级优化，将常规的2级报警增加到3级，增强了安全运行的预判功能．及时提醒运行人员采取必要的操作手段干预。
第1级：一般子系统的报警和过程参数的小限幅报警，包括一般设备的运行状态反转、普通过程参数的小范同越限等：
第2级：重要辅机辅助设备报警、一般子系统重要信号报警，包括辅机辅助设备参数报警，控制回路手自动状态反转和电源监视报警等：
第3级：事件顺序记录( sequence of event．SOE)信号和机组级重要信号报警：包含机组保护跳闸报警及临近跳机停炉等紧急工况的重要报警、临近辅机跳闸工况的报警、临近辅机的辅助设备全部跳闸工况的报警等。
与普通辅机双列布置的机组相比．备用辅机跳闸报警等级由2级提升为3级，辅机辅助设备的报警等级由1级提升为2级。
(2)报警测点配置优化设计，根据测点对于机组运行的重要性，对SOE信号进行了新的设置、对单列辅机的报警测点分类。
除主要辅机的跳闸信号设置为SOE信号之外，主要辅机辅助设备的信号也设置为SOE信号，如给水泵汽轮机润滑油主油泵跳闸、事故油泵跳闸信号设置为SOE信号。当辅机辅助设备故障导致辅机停机，进而引起停机停炉时．可以进行事故追忆及故障查询。
对单列配置的给水泵、送风机、引风机、一次风机、空气预热器、增压风机均设计光字报警，光字报警还包括所有的单列辅机辅助设备(见图1)。同时将故障报警类型细分，为运行人员快速准确定位故障点提供帮助，例如给水泵及小汽轮机故障细分为油系统故障、真空故障、振动大、轴温高四类．当给水泵及小汽轮机某一轴温高发生时．运行人员可快速定位到第四类故障，从而找到故障点。
经过智能诊断系统的优化设计，在机组运行过程中起到了非常大的运行指导作用．能够有效地及时报警．提醒运行人员注意设备的危险运行工况．对稳定机组运行起到很大作用：同时剔除掉大量的不必要报警甚至误报警信号，加强了运行人员对报警的敏感性，有效提高了监控的效率。
2.3工程设计中提升可靠性的技术措施
设计中对如下内容进行了工艺过程的安全性可靠性设计。
2.3.1 锅炉主保护系统可靠性优化设计
除常规可靠性设计方案之外，根据单列辅机机组特点．主保护逻辑采用以下几点提高主保护系统的可靠性：
(1)跳闸逻辑中的主要辅机跳闸测点采用辅机停机综合判断信号：
(2) MFT跳闸信号送至各个控制器供逻辑引用的信号有2个。MFT跳闸网络通信软点、MFT控制器DO至各分布式处理单元(distributedprocess unit．DPU)柜间硬接线、跳闸柜至各DPU柜间硬接线，以上3个信号做三取二逻辑判断后作为MFT跳闸信号A.此算法处理可降低误动可能性。将MFT跳闸网络通信软点和跳闸柜至各DPU柜间硬接线点2个信号做相或逻辑判断后作为MFT跳闸信号B.此算法处理可降低拒动可能性。如设备的二次回路中接有MFT跳闸硬接线，则该设备保护逻辑中的主保护跳闸信号采用MFT跳闸信号A;如设备的二次回路中未接有MFI、跳闸硬接线．则该设备的保护逻辑中的主保护跳闸信号采用MFT跳闸信号B。经过如上处理既减少了保护系统误动的概率也降低了保护系统拒动的概率，提高了机组运行稳定、安全性。
2.3.2辅机大连锁保护设计
机组在停机时，为保证锅炉、汽轮机、辅机设备本体的安全，设计主要辅机设备之间的联锁保护，如送风机联停引风机、空气预热器联停送、引风机、引风机联停增压风机、低负荷时为节能考虑增压风机可不启动等。
2.3.3增加单列辅机热控测点的冗余配置
除在设备及传感器的选型上，采用高可靠性的产品外．在辅机设备的热控监测设备配置上，增加单列辅机冗余度，并采用合理的控制逻辑，可大幅提升可靠性。所有单列辅机的本体保护测点和单列辅机辅助设备的重要热控测点，均采用冗余配置，杜绝单点保护且热控测点设计严格遵循热工保护系统的“独立性”原则。
此外．在系统热控测点合理布置的基础，进一步增加辅助监控设备和热控测点，作为监视和保护的辅助手段。将辅机双列布置时配置三冗余热控测点优化设计成辅机单列布置时配置四重冗余热控测点．3个冗余热控测点用于保护控制逻辑，另1个热控测点兼用于监测。
2.3.4 I/O测点的优化分配
(1)将辅机设备的控制信号与监视信号分开控制器配置，当控制测点所在的控制器失效时，依据监视信号可人工手动调节，提高系统在极端故障状态下的处理能力。
(2)针对重要参数的不同调节设备分开控制器配置．当某一控制设备所在的控制器失效时，可以利用其他设备辅助调节，提高系统在极端故障状态下的处理能力。例如，针对炉膛负压的控制，双列配置时，总共装4个测点，其巾右侧1个测点为大量程测点，其余3个为小量程测点，由于小量程测点其测量精度较高，将其按三重冗余测点分配后做控制和保护专用，但是当锅炉工况发生大幅度变化后或者控制保护专用控制器失效后，小量程测点将失效，监控手段将只剩下1个大量程测点，故应当将其分控制器配置。诸如此类的优化分配涉及所有单列辅机，包括小汽轮机的转速测点（严格按照保护用和调节用分控制器配置）、风量测点（传统用于控制和保护系统的配置为3个．将其中1个分到保护控制器，对于通信传输中造成的200 ms延时，则在三重冗余巾做相应处理）等。
2.3.5单辅机设备保护技术
在增加冗余度配置、优化数据库分配、使用冗余AO卡件等措施之后，控制逻辑中如何合理地利用热控输入信号，如何采用先进控制策略以正确输出保护信号就非常的重要。针对单列辅机的控制特点，采用了如下特殊的控制逻辑。
(1)重要信号特殊处理算法。开发了针对重要信号的处理算法，例如辅机停机是MFT主保护的动作信号，辅机停机信号判断的准确性直接决定了机组在辅机故障时能否正确实现停炉保护与辅机正常运行时能否不发生误动。本工程对辅机停机信号进行了如下综合判断设计：送风机、引风机、一次风机、增压风机停机综合判断信号均采用电机运行取非信号、电机停止信号、电机电流低于定值报警信号进行三取二逻辑判断：空气预热器停机综合判断信号采用电机变频器运行取非信号或电机变频器停止信号、转速信号低于定值报警信号、电流低于定值报警信号进行三取二逻辑判断。保护逻辑中所有采用辅机停机的信号均采用辅机停机综合判断信号，如MFT主保护单列辅机设备驱动级，辅机之间的连锁保护．模拟量控制系统( modulating control system，MCS)调节手自动切换逻辑，辅机相关的辅助设备油泵、
出入口门等的保护逻辑，送至脱硫系统的部分信号等。
(2)双冗余测点保护逻辑。辅机轴承温度保护中许多是双重化信号，对于双重化配置保护信号，可以进行双重化的容错逻辑设计，进一步提高保护的可靠性。同时，2个温度信号之间偏差超过一定值时应及时报警，并应尽快检查且修复。
(3)三冗余测点保护逻辑。单列辅机的跳闸保护按三重化冗余原则配置，对模拟量信号参与的保护，设计三重化输入，开发模拟量三冗余算法块实现，三者均有效时取中值、当其中1个测点失效后自动转为二取二、当2个失效后转为单点保护、任何一个测点失效都要在智能诊断系统中发出报警提醒运行人员注意．
(4)信号去抖及非线性滤波算法。三大风机等设备的保护跳闸逻辑中容易出现高频干扰信号．采用滤波算法进行信号处理，可以避免误跳。例如风机主轴承箱振动大跳闸，鉴于振动信号经常出现尖峰扰动，振动危险输出的位置应该增加延时滤波，防止尖峰扰动导致风机误跳闸。再如，对于保护逻辑中的热阻信号，由于其安装在设备本体，存在接触问题，运行中往往会导致温度信号异常，为防止信号误发导致的风机误跳．在常规考虑测点品质的基础上，增加了速率判断，使控制保护系统的有效性得到了提高．单列辅机的运行可靠性得到了保障。
设计了基于非线性跟踪微分器( NLTD)的滤波算法，可以从不连续或带随机噪声的测量信号合理提取连续信号及微分信号，利用非线性跟踪微分器的频率特性，设计出数字带通滤波器．如图2所示，将2个NLTD并联，并让它们的2个x1(t)输出相减，跟踪微分器I中用的速度因子r1和跟踪微分器Ⅱ中用的速度因子r2需满足不等式r1>r2。通过调整r1和r2，使输出分别呈现高通、中通、低通滤波的特性。
(5)跳闸逻辑辅助判断。辅机发生故障时，常常会导致多种监控参数出现异常，综合利用这些异常变化的参数来评估机组故障，对辅机故障的判断会更为准确，避免因辅机故障的错误判断导致控制系统误动。例如风机轴承进油压力异常后，除压力测点变化、进油流量变化外，必会造成供油端轴承温度的异常，对于单列辅机的油压异常保护采用供油压力和轴温共同判断，或采用进油流量和轴温共同判断。
布连电厂1号机组于2013年1月31日投运2号机组于2013年6月27日投运．2台机组的顺利投运开创了国内全辅机单列超超临界机组的先河。采用单台1 00%容量的汽动给水泵、送风机、引风机、一次风机、增压分机和空气预热器的配置方案，给控制系统的配置和逻辑控制方案带来较大变动和影响，通过控制系统的优化配置、控制逻辑的优化设计等措施，保障了主要辅机全单列配置机组的稳定可靠运行。从2台机组投入商业运行近2年的情况看，主要辅机设备均运行稳定可靠，整套控制系统的监视、保护、调节功能完善稳定，从未发生因单辅机故障导致停机停炉事故，从未发生控制设备误动拒动。
2号机组FCB试验成功完成（见图3），验证了工艺系统和FCB控制策略设计合理．适应了机组所在区域的电网稳定性要求。高可靠性的控制系统使整台机组进入全自动方式运行．并能适应FCB这种极端特殊工况的扰动。
3结语
本文提出并实现了适应单列辅机超超临界机组特性的控制优化方案，大大提升了机组控制系统的可靠性。在系统软硬件、电源、网络以及工程设计上，采用了优化锅炉主保护系统可靠性设计、辅机及辅机辅助设备热控测点的冗余配置、采用新型冗余AO卡件、优化热控I/O测点分配、单辅机设备保护逻辑、在线智能诊断优化设计等一系列技术措施，提升控制系统整体可靠性。运行实践证明．通过控制系统的优化配置、可靠性提升、先进控制策略的应用，不但有效弥补了辅机单列配置导致的可靠性降低，而且在控制系统运行维护简便方面凸现了双列辅机无法比拟的优势．上述控制系统及控制优化方案可完全在日后新建的辅机单列超（超）临界机组中加以应用。
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