北侖發電廠控制系統一體化改造

林光銳，趙萬榮，李康良，陸 政

（1.浙江浙能北侖發電有限公司，浙江 寧波 315800；2.國電浙江北侖第一發電有限公司，浙江寧波 315800；3.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

北侖發電廠3號機組已運行15年，DCS（分散控制系統）選用ABB公司的INFI-90系統；DEH（汽機數字化電液控制系統）由東芝公司制造；MEH（給水泵汽輪機控制系統）為WOODWARD 505；BPC（旁路控制系統）采用瑞士蘇爾壽的AV6；吹灰器控制系統為美國FORRY公司的SBC2000。控制系統種類繁多，集控室內監控設備凌亂，給運行和檢修帶來了極大的不便。

隨著DCS系統功能的不斷增強、網絡通信速度的提高、數據交換能力的增強，控制系統自動化和一體化的程度也越來越高，用一套DCS系統就能夠集中地對鍋爐、汽機、發電機設備及其相關輔助系統進行控制、保護和監控，從而大大減少DCS系統與其他系統和設備間的數據交換，減少接口設備，保證數據指令的傳遞執行速度。如DHE，MEH，BPC和鍋爐吹灰控制系統等以往采用專用控制設備的系統，在一些主流的DCS系統中已實現了一體化控制系統結構，使系統網絡結構更簡潔，系統的可靠性也能得到提高。

因此，在2012年機組大修期間對控制系統進行了一體化改造，把原來獨立控制的旁路、吹灰、DEH和MEH等系統納入到DCS中，并在集控室操作臺改造的同時，對電氣后備屏、硬報警系統等進行同步改造，并統一納入DCS控制系統，實現了控制系統的一體化。

1 改造前的控制系統

1.1 DCS系統

北侖發電廠3號機組控制系統選用ABB公司的INFI-90系統，控制系統組態如圖1所示。

子系統都直接掛在冗余的INFI-NET高速通信環形網上。循環水泵控制系統的1個遠方I/O柜布置在循泵房，通過冗余的遠方I/O子總線與SCS過程控制單元相連。

1.2 DEH系統

DEH系統主要設備包括4個機柜，設在電子室；1個控制盤和1個后備盤作為插入盤放置在控制室后備盤上。現場設備包括電磁閥、位置開關、閥位變送器、電液轉換器、壓力開關、溫度開關和汽機轉速發送器。控制系統由管理控制器、系統控制器、主控制器、閥門控制器、系統總線和輸入/輸出組件組成。

控制盤、備用盤設置在主控室的后備操作盤上，控制人員對汽機運行的監視、操作都通過軌跡球在CRT上完成。電子室的機柜門上另設1個監視盤，用于監視機組的運行狀態和故障報警，能夠顯示導致汽機跳閘的重大故障。

1.3 MEH系統

MEH控制系統由WOODWARD 505調速系統和給水泵汽輪機保護聯鎖部分組成，具有啟動、給水控制、跳閘保護、在線試驗等功能。給水泵汽輪機的保護采用硬接線反邏輯結構，即正常工作時各串聯的保護接點是閉合的，各閉合接點最終驅動2個跳閘電磁閥，跳閘電磁閥正常運行時帶電，任意一個跳閘電磁閥失電時給水泵汽輪機即跳閘。

1.4 旁路系統

旁路控制系統采用瑞士蘇爾壽的AV6，由1個控制柜中的29塊模件及安裝在操作臺上的控制面板組成，其中包括信號采集、程序控制、供電及報警等功能模件，共同處理和實現旁路系統的各項控制策略。控制柜中，配有2路冗余的電源回路，提供機柜中各模件的信號和控制電源。旁路控制系統的操作臺與DCS系統M/A硬手操站一同布置在主控制室的操作臺上，采用桌面插入型配置。

1.5 吹灰系統

吹灰器控制系統采用美國FORRY公司的SBC2000，主要由1個上位機、1個I/O柜、每個吹灰器的就地操作箱、母管減壓站的電動隔離閥和氣動基地式壓力控制箱等組成，I/O控制柜位于電子室。

1.6 PPI系統

PPI（繼電器保護）系統是獨立于DCS系統的全廠保護系統，其內部邏輯控制回路全部由固態繼電器搭設而成（俗稱為硬邏輯）。

系統的主要控制邏輯是MFT（主燃料跳閘）邏輯、OFT（低負荷油跳閘）邏輯、IFT（點火油跳閘）邏輯和各臺磨煤機的跳閘邏輯，其中以MFT判斷邏輯最為主要。盡管PPI是獨立的保護系統，但由于其純粹由固態繼電器搭設而成，部份信號的取樣仍然依賴DCS，如總風量低于30%、主蒸汽溫度高于566℃等跳閘信號，均由模擬量信號先送至DCS內經過邏輯比較判斷后，再輸出至PPI系統。

1.7 電氣系統

圖1 北侖發電廠3號機組INFI-90控制系統

集控室內的電氣系統配置：發電機開關、中壓進線開關和備用進線開關的控制為硬手操，狀態監視為傳統的紅綠燈指示，表計為指針式儀表。發電機電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、勵磁變壓器功率等采用交流信號直接接入。勵磁系統控制為帶燈按鈕。同期指示為2路100 V交流量直接接入雙電壓表、雙頻率表、同步表及指示燈。電機調速采用按鈕方式。發電機出口有一個同期選擇開關，四段中壓母線工作進線、備用進線各有同期選擇開關。啟備變有載調壓手/自動切換在GCB屏（發電機控制屏）上為硬手操，手動調節采用旋鈕方式，采用1－19檔指示燈指示方式。

2 一體化改造方案及實施

在充分調研的基礎上進行了可行性分析，確定采用艾默生公司的OVATION系統為一體化改造后的控制系統，并利用大修實施了3號機組控制系統的一體化改造。

2.1 DCS系統

MCS，SCS，DAS系統邏輯與原ABB邏輯完全對應，保證聯鎖動作正確，模擬量回路調節方向正確，調節品質不低于改造前。原系統流程圖操作畫面有120幅之多，畫面信息含量低，操作員操作量大。改造后，流程圖減少至約70幅，單幅信息含量大，界面友好，更加符合操作員的操作習慣。原有BMS控制為PPI柜+BCS控制，即：PPI柜（保護繼電器柜）實現爐膛安全保護功能，控制器BCS系統實現油槍及磨煤機系統的管理。改造后方案為：MFT繼電器柜+FSS+BCS控制，即：爐膛安全保護功能由MFT繼電器柜及FSS控制器共同實現。軟件與硬件同時動作的方式增強了可靠性，滿足了故障安全型系統的需求。保證保護動作正確、及時的同時，使控制邏輯更具可讀性，維護更簡單。

一體化改造的主要工作內容如下：

（1）取消原0 m層過渡柜，就地來的電纜直接進入電子室。新系統的I/O分配盡量按照原位置布置，并對其進行優化，如信號冗余、信號分卡、按工藝流程分類等。

（2）控制設備的邏輯基本不變，對現有的控制邏輯進行必要的整理與簡化；對自動控制系統的控制策略進行優化，如協調控制、主汽溫度控制、RB功能、AGC功能、一次調頻等。

（3）原有DCS系統畫面是按照控制器的控制對象進行分類的，不符合運行人員的操作習慣，改造后的DCS系統畫面按工藝流程進行分類，更便于操作。

（4）原有DCS系統的凝結水泵、循環水泵、閉式泵、前置泵、一次風機、送風機、引風機的A/B泵（風機）控制同屬一個控制器，若控制器故障，將對機組安全運行帶來極大的威脅。改造后的DCS系統將上述重要輔機的A/B泵（風機）控制配置在不同的控制器中，以分散風險。

（5）由于硬報警盤取消，DCS系統送至硬報警的數字量輸出通道也隨之取消，報警信號改為直接送大屏幕顯示。

（6）原TSI信號通過通信方式在DCS系統上顯示。由于通信軟件不夠完善，導致對應的DCS控制器負荷率達到100%，數據刷新時間長達5 s。本次改造后將TSI的模擬量信號直接輸入DCS系統輸入通道。

（7）原系統未包含吹灰控制系統，其功能由PLC實現，操作及監控均極為不便，且PLC系統程序為黑箱，維護難度大。改造后，吹灰功能由DCS系統一體實現，操作、監控、報警功能齊全，控制邏輯透明，故障診斷方便。

2.2 DEH/MEH系統

改造范圍限于DEH控制部分（上位監控系統+啟停順控+調門控制+閥門定期試驗+超速保護/PLU/IPR等功能+ETS）。原MEH操作只能到電子間控制柜盤面上進行，非常不方便，改造后可以直接在控制室操作員站上直接調用MEH畫面完成操作。

主要改造工作內容如下：

（1）PLU功能的實現。機組原PLU功能通過東芝卡件實現，一路來自檢測發電機電流的TA信號，另一路來自主機首級壓力信號。改造后的系統采用OPC保護，當轉速到達3 090 r/min時，OPC保護動作，快速關閉高、中壓調門。另外增加2個功率信號和2個首級壓力信號，使該保護構成三重冗余。

（2）發電機并網、主汽壓力、首級壓力等重要信號配置成三重冗余。

（3）完善主機振動保護，通過“水平振動高高”和“垂直振動高”相與，或“垂直振動高高”和“水平振動高”相與后實現振動保護。

（4）原主機共安裝3個磁阻式探頭供DEH使用。原來進DEH的3個轉速信號，改造后進入DEH基本調節柜（以下稱BTC柜）的超速保護卡件（以下稱SDP卡），構成三重冗余，具有硬件和軟件的103%OPC功能和110%超速跳閘功能，以及轉速模擬量調節和顯示。保留原電渦流式探頭，用于主機零轉速測量和盤車投停聯鎖。

（5）原來現場伺服閥接線為2個線圈并接后用1根控制電纜與控制系統連接，使得阻抗減半，當一個線圈短路故障時將影響另一線圈，不利于調門安全可靠運行。此次改造中為伺服閥各增加1根電纜，將每個伺服閥線圈分別連接到閥位控制卡上。

（6）除了主機車頭機械超速保護外，增加硬跳閘回路，通過2路電磁閥動作來跳閘主機：一路是主跳電磁閥MTSVA和MTSVB失電，泄去安全油后跳閘主機；另一路是機械電磁閥MTS得電，機械傳動連桿與主機車頭手動打閘以及超速飛環等裝置連接（任一動作跳機），泄去安全油后跳閘主機。

2.3 旁路控制系統

原旁路系統只能在操作盤面上操作，改造后可以在控制室操作員站上直接調用旁路系統操作畫面操作。將壓力/溫度控制功能及快開/快關保護邏輯移植至DCS系統，閥門定位卡改成PVR10-EP，就地部分均保持不變。

2.4 ECS系統

電氣部分主要是將原GCB盤上的控制、顯示、報警等功能改由DCS的ECS系統實現。

2.4.1 模擬量信號的改造

原GCB屏上的信號為直接接入，沒有經過變送器。現在接入ECS系統，通過變送器轉化成4～20 mA接入。中壓系統模擬量直接為4～20 mA量，原來已經送給DAS系統，改造時從DAS系統取點即可。同期顯示回路增加變送器，變換為4～20 mA送入ECS。這些同期變送器可以實現發電機出口開關在同期并網過程中發電機電壓和系統電壓角差變換的顯示，并無同期功能。勵磁系統方面，將原GCB屏上的按鈕操作全部改為ECS系統，實現畫面操作，不改變原任何功能。

2.4.2 開關量信號的改造

開關量信號主要有：中壓系統控制，啟備變有載調壓，發電機同期操作、顯示，DEH操作臺裝設的發變組緊急跳閘按鈕，滅磁開關緊急跳閘按鈕，緊急起動柴油發電機按鈕，直接在ECS中新增相關I/O點。新增硬報警部分，完全保留原GCB光字牌的報警，將硬報警接入SOE，并由SOE轉發至ECS系統。

3 改造效果

通過對DCS/DEH/MEH等控制系統的一體化改造，達到了以下效果：

（1）解決DCS/DEH控制系統老化及部分備品備件缺乏的問題，提高控制系統的可靠性，減少故障率。

（2）解決原系統存在且無法消除的一些缺陷，如溫度信號漂移、信號不能強制等。

（3）大大提高系統控制的精確性和靈活性，機組的控制水平得到很大提高。

圖2 控制系統一體化改造后系統

（4）新DCS系統由于大量采用新技術和新設備，大大提高了系統的可靠性和可用性。

（5）由于把吹灰系統、電氣后備盤等系統集成到了新的DCS系統，同時采用大屏幕等新的監視設備，大大方便了運行人員對系統的監視和對相應設備的操作。

（6）控制系統一體化改造后，各系統的備品備件統一，明顯減少備品備件的費用。

改造完成后，新的控制系統能保持10年以上的穩定運行，將為機組安全、穩定、經濟地連續運行提供可靠的保障。改造后的DCS系統圖見圖2。

4 結語

北侖電廠3號機組控制系統改造后，將原INFI-90、旁路、吹灰、DEH和MEH等系統均作為DCS的功能站連接在系統主干通信網上，在盡可能節約資金和效益最大化的前提下完善系統，最大限度地提高機組自動化水平，減少維護工作量，進一步提高了控制系統的響應速度、安全性、穩定性、可靠性，保證了設備的安全、穩定、長周期運行。

[1]孫長生.電力行業熱工自動化技術的應用現狀與發展[J].自動化博覽，2008（4）：24-28.

[2]張健.分散控制系統一體化的發展與應用[J].江蘇機電工程，2004，23（2）：57-58.

[3]楊傳斌.火電機組控制系統一體化技術應用[J].中國新技術新產品，2010（11）：136-137.