西門子T3000型DEH在臺山1000MW機組應用及問題分析

神華廣東國華粵電臺山發電有限公司 吳公寶

西門子T3000型DEH在臺山1000MW機組應用及問題分析

神華廣東國華粵電臺山發電有限公司 吳公寶

本文介紹了西門子T3000型DEH在臺電二期1000MW機組的應用,詳細闡述了轉速/負荷控制、啟動裝置、X準則,汽輪機自啟動等核心控制策略,指出了臺山二期DEH系統存在的一些不足之處。

T3000 DEH控制

隨著計算機技術的發展及其在自動化領域中的應用,20世紀80年代,出現了以數字計算機為基礎的數字式電氣液壓控制系統(Digital Electric Hydraulic Control System),即DEH,其主要任務是對汽輪機的轉速、負荷進行調節,同時還參與電網的一次調頻。它是汽輪機特別是大型汽輪機必不可少的控制系統,是電廠自動化系統最重要的組成部分之一。

一、系統概述

廣東臺山發電廠二期(首兩臺1000MW級機組)擴建建設兩臺超超臨界1000MW燃煤發電機組,三大主機由上海電氣集團提供,其中汽輪機采用上海汽輪機有限公司引進西門子技術生產的TC4F型汽輪機,高中壓聯合啟動、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。主要參數為:1000MW/3000r/min/ 26.25 M Pa/600℃/2943.065t/h/5.335 M Pa/600℃/ 5.7/6.7 kPa。汽輪機采用全周進汽、滑壓運行的調節方式,同時采用補汽閥技術。全機設有兩只高壓主汽門、兩只高壓調節汽門、一只補汽調節閥、兩只中壓主汽門和兩只中壓調節汽門。汽輪機控制系統采用西門子T3000型DEH,雙層網絡結構,采用工業以太網通信協議,用于AS417H控制器、工程師站、操作員站總線間的通訊,速度可達100M。AS417H控制器與ET200M以及FM 458與ADDFEM接口間的通訊采用PROFIBUS-DP協議,速度可達12M。硬件采用西門子公司的S7系列,主要包括:FM 417處理單元、FM 458高速處理單元、SCALANCE光交換模、普通型I/O接口模件、ADDFEM高速I/O模件以及故障安全模件SM 326,還有GPS時鐘、交換機、服務器、操作員站、工程師站和打印機。DEH下設5個控制柜,1號柜DPU使用FM 458,主要實現機組自動調節功能,2號柜DPU使用FM 417,主要實現汽輪機保護和汽輪機自啟動功能,3號柜為2號柜的擴展柜,4號柜為電源柜,5號柜為計算機網絡柜。DEH與DCS控制范圍為:DEH控制范圍包括EH油系統、主汽門、高壓調門、ETS、TSI系統,DCS控制范圍包括潤滑油系統、抽汽系統、疏水系統、軸封系統、盤車系統,雙方在各自系統間的用于邏輯控制的接口信號采用硬接線實現,發電機不在DEH系統實現順控。

二、DEH控制內容及原理

(1)轉速/負荷控制器。轉速閉環控制是并網前的基本控制,包括轉速給定、臨界轉速識別與控制、超速試驗等。自動升速是指DEH根據高壓內缸金屬溫度自動從冷態、溫態、熱態或極熱態四條升速曲線中選擇相應的升速率,并自動確定低速暖機和中速暖機的轉速及暖機停留時間,自動沖轉直到3000rpm。負荷控制器采用汽輪機允許的負荷率升負荷。負荷可以由運行人員手動設定,或由外部系統(協調控制器或負荷分配器)自動設定,最大的升降負荷率根據鍋爐能力,同時還受應力(TSE)限制。在鍋爐故障時或負荷指令變化太快,則由應力限制器對汽輪機控制閥進行節流。

(2)主汽壓力控制器。主汽壓力控制器以下列兩種方式起作用。壓力限制方式:壓力限制方式時,負荷控制也起作用,壓力控制器僅是作為限制器,在主蒸汽壓力降低時支持鍋爐壓力控制,如果主蒸汽壓力低于某個可調限制值,如低于正常壓力10bar,汽機調節閥將節流以防止主蒸汽壓力進一步降低,在此方式壓力會很快恢復。初壓控制方式:當從壓力限制方式切到初壓控制方式,轉速/負荷控制器切換到壓力控制器,此時負荷保持不變。在初壓控制器方式,主汽壓力由調節閥控制維持在某個設定值即鍋爐負荷的變化使汽機調節閥變化。

(3)啟動裝置(TAB)。汽輪機啟動裝置的功能主要是確保汽輪機具有閥門開啟/關閉的正確指令,確保汽輪機的安全運行及停機。啟動裝置實際上是一個設定值調整器,根據設定值的不同,巧妙實現了汽機的復置過程,同時還具備保護功能。在起動前,當遮斷信號釋放時,啟動裝置將閥位信號置零,保證調節閥可靠關閉。在汽輪機啟動時,起動裝置TAB的信號開始升高,使轉速控制器進行轉速控制,當汽機達到正常速度,并且發電機已同步,起動裝置設定在100%位置,這樣主控制器信號不再受限制。

(4)自動閥門試驗(A TT)。機組運行期間負荷應小于80%,首先進行的是某個ESV試驗,接著再進行其對應的CV閥。閥門從全開狀態離開時,一個獨立的定時器會工作同時記錄閥門關閉時間,并判斷該時間是否正確,在規定時間內反饋未來說明有故障,將退出試驗。

(5)“X”準則介紹。應力控制器通過測量計算,控制機組啟動過程中若干個特征數據“X”準則,從而選擇最佳啟動蒸汽參數與汽機的狀態參數相匹配,將機組啟動過程中熱應力控制在允許的范圍內。其中:

X1,X2準則——用來確定開啟高壓主汽閥時的主蒸汽參數。

X4,X5,X6準則——用來確定汽機沖轉前的蒸汽參數。

X7準則——用來判斷汽機低速暖機是否結束,進而可以升速至額定轉速。

X8準則——用來判斷汽機高速暖機是否結束,進而可以進行發電機并網。

變溫度準則按照功能可以分為三個不同的部分:最小的蒸汽溫度限制以避免加熱組件時的不適當冷卻,最小的汽缸溫度限制以避免在給定的蒸汽溫度下出現不適當的瞬時的熱載荷,在汽輪機帶蒸汽沖轉前設置過熱度。

(6)汽輪機自啟動。汽輪機自啟停(A TC)是以轉子應力計算為基礎,控制并監視汽輪機從盤車、升速、并網到帶負荷全過程。在汽輪機起動或負荷控制的任一階段,當出現異常工況或者人工發出停止A TC程序的指令后,A TC系統應能將汽輪機退回到所要求的運行方式或自動地按照與起動時基本相反的程序退回到使異常工況消失的階段。汽輪機主控程序在汽輪機啟動沖轉及帶負荷工程中,監視汽輪機的狀態,如蒸汽溫度、閥門及汽缸的金屬溫度,并判斷是否滿足機組啟動沖轉的條件(X準則)。在啟動過程中,在適當的時機向汽輪機輔助系統及其它相關系統發出指令,并從這些系統接受反饋信號,使這些系統的狀態與汽輪機啟動的要求適應。

(7)汽輪機保護功能。西門子T-3000型DEH系統包含ETS功能,當參數變化超過遮斷值時,發出遮斷信號,通過TTS系統動作停機電磁閥,遮斷機組。每個汽輪機進汽閥安裝兩個失電動作電磁閥,任意一個電磁閥動作,汽輪機組停機。通過這種故障安全型的布置,最大限度的保證了汽輪機組的安全可靠性。ETS系統由汽輪機超速保護(OPS)、電子保護系統(EPS)、汽輪機遮斷系統(TTS)三部分組成。

三、存在問題和解決方法

1.控制邏輯問題

(1)調門邏輯不完善,單個跳閘電磁閥動作導致機組跳閘。寧海電廠跳閘電磁閥1由于接線松動,PAS2 SOUT報警觸發,跳閘電磁閥失電動作,導致進油與回油管路導通,此時伺服閥指令一直存在,從而使EH油壓低導致機組跳閘。目前臺山電廠邏輯與寧海一致,同樣存在以下問題。

調門修改前邏輯:任一閥門任一跳閘電磁閥指令失電,閥門快關,伺服閥指令輸出為0

調門修改后邏輯:每個閥門的跳閘電磁閥斷線報警PASSOU T快關對應調門,或閥門指令大于閥位反饋10%且1號EH油泵出口油壓與2號EH油泵出口油壓都小于130bar快關對應的調門。(注:防止閥門卡澀,引起油壓低保護動作)

ETS動作用到的PASSOU T邏輯如下:高壓缸、中壓缸兩側進汽門都關閉,ETS保護動作。跳閘高壓缸兩側閥門PASSOU T斷線保護邏輯:

中壓缸兩側進汽閥門PASSOU T斷線保護邏輯:

兩種邏輯的區別,現在DEH修改后邏輯是哪個閥門的跳閘電磁閥發生PASSOUT就關對應的閥門,機組正常運行。ETS斷線保護的PASSOUT動作,則機組跳閘。

(2)汽機已跳閘信號采用問題。廣東電力設計院認為汽機跳閘信號應采用主汽門關閉信號(行程開關)進行邏輯判斷后發出,而上海汽輪機廠認為西門子汽機均采用DEH發出跳閘汽輪機信號作為汽機已跳閘信號,目前所有汽輪機閥門上均未設計機械行程開關。

2.T3000系統問題

(1)FM 458控制器內的邏輯信號都不能強制。FM 458是高速處理器,西門子沒有設計信號強制功能,所以要采取增加冗余采樣信號的措施,提高信號可靠性,在線處理故障時可以避免使用強制功能。

(2)閥門LVDT失效處理不完善。在系統判斷LVDT接地或短線時,閥門指令上將會疊加一個負向偏置,用于緩慢關閉LVDT失效閥門,但若出現LVDT失效與正常來回波動時將會引起閥門指令來回變化而造成閥門波動,建議增加閥門開關試驗功能按鈕,如果LVDT失效造成閥門波動,采取措施關閉閥門,避免損壞設備。

(3)CPU417中用到的是RAM存儲卡,CPU斷電后如果沒有電池保護,將會使邏輯丟失,建議當邏輯調試完成后,將RAM存儲卡換成FLASH卡,這樣CPU斷電后就不至于丟失程序。

3.信號設計問題

(1)缸溫、壁溫等用于TSE功能的溫度測點電纜沒有備用芯。由于西門子汽機對TSE功能要求嚴格,汽機區域又是電纜問題的多發地,必須留出足夠的備用芯。(2)高排通風閥全開、全關信號各送出兩副接點,均布置在一根電纜,若出現電纜問題將導致通風閥信號異常。(3)汽輪機轉速信號6只,集中布置在兩根電纜,危險較集中。(4)汽輪機調門、補汽閥電液轉換器冗余的兩個線圈指令信號和閥位反饋信號布置在同一根電纜中,汽輪機主汽門、調門、補汽閥關閉電磁閥1、2指令也均布置在同一根電纜,電纜故障時易導致信號同時異常。

四、總結

臺山電廠二期1000MW機組T3000型DEH系統還處于調試階段,系統漏洞還未完全暴露,需要積極借鑒和吸收寧海、玉環等電廠暴露出來的問題及解決方法。DEH系統邏輯組態是由西門子公司提供的,而DCS系統邏輯組態由和利時公司提供,邏輯缺乏統一技術管理,造成了某些控制邏輯的不完善,工程調試中需要臺山電廠、西門子、和利時、調試所等相關技術人員的共同努力,才能保證汽輪機組的安全穩定運行。

[1]樊印龍,張寶.西門子百萬千瓦級汽輪機啟動過程中的溫度制約[J].熱力透平,2008,(12)

[2]俞成立.1000MW汽輪機組甩負荷試驗分析[J].華東電力,2007,(6)

[3]上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠超超臨界汽輪機控制保護系統

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