1 000 MW火電機組MEH控制系統一體化改造

鄭衛東，梁海騰，邵帥，熊志成

（華能玉環電廠，浙江臺州317604）

1 000 MW火電機組MEH控制系統一體化改造

鄭衛東，梁海騰，邵帥，熊志成

（華能玉環電廠，浙江臺州317604）

針對某1 000 MW火電機組MEH控制系統存在的系統老化、維護不便等問題，實施了一體化改造，分析了改造的內容，探討了改造過程中的技術難點問題。給出了解決三菱伺服系統與OVATION系統接口不一致問題的方案，同時對施工調試中遇到的問題進行了闡述。改造后系統運行穩定，控制功能滿足要求，對全廠自動化提升有較好預期。

超超臨界；給水泵；控制；一體化改造

0 引言

隨著火力發電廠熱工自動化的飛速發展，建設數字化發電廠成為必然的發展。但目前同一發電廠控制系統品牌繁多的現象普遍存在，造成了全廠生產數據融合度差，存在不同程度的信息孤島。這些影響著發電廠數字化發展的進程，同時也給熱控人員的運行維護帶來困難。已建成發電廠如何逐步消除信息孤島?全廠控制系統一體化是其中一種方案。

1 機組概況

浙江某發電廠4×1 000 MW火電機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計的超超臨界變壓運行直流鍋爐,汽輪機由上海汽輪機廠設計的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。每臺機組配置2臺50%BMCR（鍋爐最大出力工況）容量的給水泵，給水泵由小汽輪機（簡稱小機）驅動，小汽輪機為日本三菱重工生產的單缸、單流程、下排汽純凝汽式汽輪機，每臺給水泵小機自身配置供油系統。

主機及脫硫DCS（分散控制系統）、電除塵DCS采用艾默生過程控制公司的OVATION系統。水、灰渣、除塵及輸煤系統采用PLC（可編程邏輯控制器）控制系統，其中化水、灰渣、渣水系統組成輔網，實行集中控制。

2 MEH控制系統改造的意義

2.1 MEH控制系統概況

給水泵小機控制系統隨小機本體由日本三菱原裝成套提供，采用的是三菱“Diasys Netmation”分散控制系統。每臺機組MEH（小汽輪機電液控制系統）主要由4對控制器、1臺操作員站、1臺服務器（含工程師站功能）、I/O卡件組成，系統集成TSI（汽輪機安全監視系統）及ETS（汽輪機跳閘保護系統）功能。控制機柜6個，其中2個MEH控制柜，2個ETS控制柜，2個TSI控制柜，2個電源分配柜。

MEH與DCS系統獨立，通過通信方式與主機DCS連接，沖轉、并泵、試驗等主要操作在DCS上完成，泵轉速達到工作轉速后，切遙控模式，接收DCS系統發出的轉速指令，MEH轉速進行控制。未配置與SIS（廠級監控系統）對接的接口，主要數據通過通信方式送至DCS后再送至SIS系統。

2.2 MEH控制系統存在的問題

該系統基建階段由日本三菱公司的技術人員進廠完成整套調試工作，后期應用過程中遇到了諸多困難，影響到機組安全穩定運行。

（1）系統設備老化。經過十多年運行，控制系統大部分元器件已進入老化期，系統可靠性降低，故障發生的頻度增大，影響了機組的安全運行。根據原廠家提供的小機MEH系統硬件維護計劃，十年期限需要進行定期更換的設備基本涵蓋了小機MEH系統絕大數硬件設備。2015年某臺MEH控制系統的缺陷超過10條。

（2）廠家技術支持缺乏。該系統作為全進口給水泵配套設備，日常維護中，發現問題和有技術性難題后，缺乏廠家技術支持。

（3）備品備件困難。MEH系統需要與DCS分開單獨采購備品備件，且采購周期長。而且由于國外系統升級換代等原因，導致原型號備件困難。

（4）MEH與DCS之間信號傳輸延時長，DCS與MEH整體的協調性差：MEH系統和DCS之間通過MODBUS協議進行通信。由于MEH系統比較封閉，2個系統通信傳輸會產生比較大的延時。以4號機組給水泵小機油泵為例：當運行人員對油泵進行手/自動切換的時，從按下切換按鈕開始一般在6～8 s能在DCS上收到切換信號。較大的延時給運行人員造成了困擾，影響事故狀態下的處理速度，同時對系統的可靠性也提出了挑戰。

2.3 MEH控制系統一體化改造的目的

（1）解決系統存在的老化問題，提高系統可靠性，防患于未然，解決備品備件費用高、采購周期過長和技術服務缺乏等方面的問題。改造后，MEH與DCS備件通用，不需要單獨采購備品備件。改造后可減少檢修、維護的工作量，降低維修成本。

（2）可以提高系統操作反應速度，降低系統通信傳輸延時。

（3）通過改造提高DCS與MEH整體的協調性，使系統的聯絡和操作更加便捷，減少運行操作和監盤強度，提高機組運行的經濟效益。

（4）提高機組熱工自動化水平和熱控系統的可靠性，一體化改造后，MEH系統數據孤島將被消除。

3 MEH控制系統改造內容

3.1 MEH控制系統結構

考慮到主機版本較低，改造后MEH系統選用Ovation最新版本（Ovation3.5）系統，待主機升級后進行合并。MEH控制系統單獨組網，3臺Cisco 2960交換機，冗余以太網配置。系統包含工程師站、歷史站、操作員站1套，4對OCR1100控制器，小機A控制器定義為CTRL40/90，CTRL41/ 91，B控制器定義為CTRL42/92，CTRL43/93，預留DEH一體化控制器定義段，改造后能通過DCS對MEH系統進行控制。系統如圖1所示。

圖1 MEH系統

3.2 MEH控制系統改造方案

3.2.1 硬件方案

現場一次設備不進行任何改造為總原則，重點改造閥門控制及轉速測量等接口。單臺小機各增加2個緊急跳閘按鈕；原先油動機沒有位置反饋顯示，每個調門增加LVDT（線性可變差動變壓器）反饋裝置1套，配套增加儀表控制箱1只。采用2路220 V（20 A）交流DCS供電，保留原有系統1路110 V DC、1路220 V AC進線電源，增加1套110 V DC/24 V DC（20 A）電源切換、增加1套220 V/24 V DC（20 A）電源切換裝置。具體軟件改造如下：

（1）電液轉換器：電液轉換器與新系統對接成功是MEH改造的基礎，原三菱MEH高、低壓調門為WOODWARD公司的EG-3P電液轉換器，接收MEH閥門控制卡電流信號，控制電流大小20～160 mA，開環控制。由于OVATION系統無此類型的閥門控制卡及AO卡，增加控制接口卡，選用WOODWARD公司的SPC卡（最大輸出電流250 mA），改造后OVATION控制器通過AO卡送出4～20 mA閥位控制信號給SPC（位置伺服單元）卡，SPC卡驅動電液轉換器。SPC可以設置比例型或者積分型，本改造尊重原始設計，未將LVDT信號引入閉環，選擇比例功能。LVDT可靠的情況下，可以將反饋引入SPC卡（圖中虛線部分），以實現調閥閉環控制。原理圖及SPC卡見圖2、圖3。

圖2 電液轉換器原理

圖3 閥門控制卡

（2）轉速采集：原轉速傳感器是5只磁阻式轉速探頭1只電渦流探頭，現場6只轉速探頭保持不變，5路進入MEH，轉速卡采用OVATION特殊的轉速采集卡，電渦流探頭進入TSI系統后輸出標準信號至MEH。

（3）控制器：將原有的MEH系統控制單元CPU全部更換為冗余的OVATION系統OCR1100控制器。

（4）I/O卡件：將原有的MEH系統DCS和所有卡件更換為OVATION系統系列模件。原則上，原系統電纜接入機柜位置保持不變。

（5）控制器機柜：原控制柜利舊，改造后控制柜保留，內部重新進行集成。TSI系統設備保持不變，輸出直接入新系統。所有輸入電纜及柜內接線端子排保留原設計。改造后的控制柜如圖4所示。

圖4 改造后控制柜、網絡柜、電源柜實物

3.2.2 軟件方案

在此次改造中，畫面及邏輯組態由DCS廠家負責。在不改變給水泵小機控制策略基礎上，結合以前DCS與MEH的設計理念，重新設計MEH畫面，重新進行MEH組態和系統調試。DCS廠家根據用戶提供的IO清單、運行規程和控制要求及原系統的流程圖，編寫改造邏輯控制說明，發電廠進行審核，確保控制方案滿足要求后開始實施。

畫面及邏輯組態由DCS廠家提供模板，具備操作確認及掛牌功能，考慮與主機合并的要求，預留圖號及操作窗口等，保持整體風格與主機DCS一致性。畫面如圖5所示。

3.2.3 其他方面

由于MEH暫時沒有和DCS合并，二者采用Moudbus通信方式進行數據交互。2套系統通過LC卡實現通信，由于2個系統為同一品牌，通信易于實現。需要注意的是設置通信卡時，可以將DCS設置為主，MEH設置為輔。為提高可靠性，通信卡冗余配置。MEH系統的OPC（機組超速保護）站與SIS系統對接，時鐘接入全廠GPS（全球定位系統）時鐘單元。

DCS至MEH轉速指令采用硬接線方式，MEH接受來自DCS的轉速遙控信號（4～20 mA）,小汽輪機轉速對應2 850～6 000 r/min。

增加超速停機及手動打閘停機硬回路保護，保留MEH控制器故障停機硬回路設計。超速保護MEH“三取二”，5塊轉速卡均輸出轉速越限邏輯量信號，定值6 440 r/min，其中3路進入硬保護回路。另外2路及超速第1路作為轉速調節信號，根據故障安全性原則，3路轉速信號進行高選，控制回路將此信號作為實際轉速輸入信號，TSI系統轉速信號作為零轉速。

3.2.4 調試和施工遇到的問題

施工中，一是遇到柜內空間不足的問題，SPC卡較大，沒有合適的空間布置，有2個方案選擇，一是將SPC卡放置就地，二是布置在小機TSI機柜，考慮到抗干擾及系統完善等原因，將SPC卡布置在TSI機柜。

二是在現場集成時，出廠的卡件機架偏大，無法直接安裝在原有控制柜內，現場臨時調整卡件分布，需要在以后改造中計算好尺寸。

調試比較順利，遇到轉速大偏差時，PID算法中比例作用不明顯，轉速自動跟蹤慢的問題，檢查設置，輸入增益未設置，默認為“1”，而PID在偏差超過100時，按照100計算，調整輸入增益為0.02，并根據現場實際整定PID比例系數后正常。

圖5 控制畫面

4 改造后MEH功能及性能

4.1 改造后MEH主要控制功能

4.1.1 轉速控制功能

MEH控制系統轉速有3種運行控制方式：手動、轉速自動控制、轉速遙控。手動控制方式為開環控制方式，在該方式時，操作員手動設定小機調閥開度，通過直接控制閥門達到控制轉速的目的。轉速自動控制方式是自動調節常用的方式之一，操作員選擇轉速自動控制方式時，通過設定目標轉速及升速率，實現轉速自動控制。轉速遙控方式：遙控投入條件滿足并投入遙控時，MEH接收來自DCS轉速指令信號，MEH作為DCS的一個執行機構。

4.1.2 小汽輪機的掛閘和打閘功能

在任何情況下可以通過畫面或者儀表控制箱的手動停機按鈕停機，METS具有完整的保護停機設計。

4.1.3 超速保護和超速試驗功能

若運行時汽輪機的實際轉速超過設定的超速保護值時，MEH輸出超速信號，使現場的各個電磁閥動作，卸載保安油，使高低壓主汽閥和高低壓調節閥迅速關閉。

油系統連鎖控制功能，具備主、備油泵聯鎖保護，直流油泵聯鎖等功能。

4.2 MEH系統的性能

經過性能試驗，MEH系統的DPU（分散處理單元）負荷率小于20%、掃描處理速率小于200 ms，主要性能指標均優于原系統。任何顯示畫面均能在小于2 s的時間內完全顯示出來，顯示屏畫面刷新周期為1 s；鍵盤操作指令響應時間不大于1 s。

4.3 改造后的運行情況

改造于2016年10月完成，啟動沖轉一次成功,B修后連續運行100天，控制系統未發生任何異常和缺陷。MEH控制系統功能達到了原設計的要求，轉速控制精度靜態穩定精度±1 r/min，動態響應時間小于0.5 s，最大動態偏差±4 r/min。響應曲線如圖6所示。

圖6 小機轉速控制響應曲線

5 結語

在IO清冊核對準確、伺服系統接口可靠轉換及原有柜接線圖紙“消化”的前提下，實施MEH一體化改造，可以取得較好效果。在智能發電廠呼之欲出的今天，消除信息孤島，提高數據可用性成為必然，控制系統一體化改造是信息整合的有效手段之一。該改造案例可供同類型MEH控制系統改造借鑒。

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（本文編輯：陸瑩）

Integrated Transformation of MEH for 1 000 MW Thermal Power Generating Units

ZHENG Weidong，LIANG Haiteng，SHAO Shuai，XIONG Zhicheng
（Huaneng Yuhuan Power Plant，Taizhou Zhejiang 317604，China）

This paper introduces the transformation of a 1 000 MW thermal power plant MEH（micro electrohydraulic control system）in the context of system ageing and maintenance inconvenience.The paper analyzes the content of the transformation and explores the technical difficulties in the process of transformation.The paper presents a scheme to handle interface inconsistency between Mitsubishi servo system and OVATION system；meanwhile，it elaborates on the problems in construction and debugging.After the transformation，operation stability of the system is achieved，and its control functions are up to standard，which is expected to improve the automation of the entire plant.

ultra-supercritical；feed pump；control；integrated transformation

10.19585/j.zjdl.201708013

1007-1881（2017）08-0064-05

TK323

B

2017-03-27

鄭衛東（1975），男，工程師，長期從事電廠熱工研究管理工作。