西門子超（超）臨界汽輪機DEH 控制系統優化

（浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧波 315612）

DEH（數字電液控制）系統在機組運行期間出現故障直接影響機組的正常運行，控制模式在異常方式下切換會直接導致機組跳閘。某廠二期2×1 000 MW 機組采用了西門子SPPA-TXP3000 DCS（分散控制系統），鍋爐采用上海鍋爐廠超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐。汽輪機采用了上汽和西門子聯合設計制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、八級回熱抽汽、反動凝汽式汽輪機。在機組運行期間，發現西門子的控制邏輯存在漏洞，根據機組實際運行情況，有針對性地對西門子的控制邏輯進行了優化，提高了機組運行的安全性。

1 主蒸汽壓力回路優化

1.1 事件經過

2020-01-07 T 18:42:19，5 號機組負荷663 MW，主蒸汽壓力17.2 MPa，主蒸汽溫度594 ℃，機組處于升負荷階段，DEH 主控畫面“BLOCKED STOP”（閉鎖負荷）報警、“CONTROLLER NOT OK”（控制器故障）報警。

2020-01-08 T 00:17:47，5 號機組負荷452 MW，主蒸汽壓力11.9 MPa，主蒸汽溫度550 ℃，機組處于降負荷階段，DEH 主控畫面“BLOCKED STOP”報警、“CONTROLLER NOT OK”報警。

2020-01-08 T 02:34:26，5 號機組負荷405 MW，主蒸汽壓力12.7 MPa，主蒸汽溫度559.7℃，機組處于降負荷階段，DEH 主控畫面“BLOCKED STOP”報警，負荷閉鎖，如圖1 所示。

圖1 控制器故障負荷閉鎖報警

1.2 原因分析

經檢查前2 次負荷閉鎖是由于“CONTROLLER NOT OK”報警中的“NPR NONCONING”負荷不一致報警引起，變負荷過程中，負荷控制器NPR 輸出快速增加至110%，FM458 主控制器數據和從控制器數據偏差絕對值大于0.045，延遲時間超過控制器的超時延遲冗余故障時間TF（1 s）時，校正控制器輸出不一致QF 報警，閉鎖負荷，如圖1 所示。

第三次閉鎖負荷的原因是主汽壓力偏差大于500 kPa，觸發閉鎖減負荷，DEH 系統中3 個主汽壓力設定值是由DCS 系統送入，3 個壓力測點的掃描周期為400 ms，由于掃描步序不一致，壓力設定值3 在第一個掃描周期內更新，壓力設定值1 與壓力設定值2 慢一個掃描周期，導致壓力設定值3 與壓力設定值2 偏差大于500 kPa，觸發閉鎖減負荷。

1.3 防范措施

經過與西門子人員討論商議，對主汽壓力回路進行優化：

（1）修改主從控制器數據不一致超時延遲冗余故障時間TF，由目前的1 s 修改為5 s。

（2）修改DCS 送至DEH 系統的3 個主蒸汽壓力設定值功能塊的掃描步序，讓3 個壓力設定值掃描步序一致。

（3）閉鎖增減負荷的壓力偏差（500 kPa）信號增加1 s 延時，消除因掃描周期不一致導致的壓力偏差大閉鎖負荷信號。

2 壓力控制器切初壓模式優化

2.1 存在隱患

超超臨界機組蓄熱能力較差，當機組參與深度調峰后，機組的性能得到了考驗。西門子DEH 的控制策略存在隱患，在機組欠壓升負荷過程中，可能會出現實際負荷大于負荷設定值的情況，當負荷偏差過大，運行手動將鍋爐主控退出自動，協調將會退出，限壓模式切換到初壓模式，切換的瞬間存在負荷回路跟壓力回路共同減小的相互作用，而且負荷控制器中邏輯功能塊的運算周期為16 ms，壓力控制器中邏輯功能塊的運算周期為32 ms，短時間內經過多次切換，調門指令將迅速達到快關保護值，機組跳閘。

2.2 原因分析

西門子的DEH 系統由轉速/負荷控制、主蒸汽壓力控制、HP（高壓缸）排氣溫度控制、基于HP葉片上游壓力對限制壓力控制、高壓比控制、進汽設定值形成、閥位控制等部分組成，轉速/負荷控制回路、主蒸汽壓力控制回路和啟動裝置控制回路換算出指令，經過中央低選功能得到總流量指令，再通過高排溫度控制器、高壓葉片級壓力控制器及閥位限制功能的限制，得出高中壓調門及補汽閥的閥門開度，如圖2 所示。

當負荷偏差過大，運行手動退出鍋爐主控，限壓模式切換到初壓模式，壓力控制器在32 ms內進行無擾切換，壓力控制器在32 ms 內跟蹤三選值最小輸出，32 ms 后壓力控制器S=0，壓力控制器處于計算模式。當切初壓模式后，負荷設定值疊加20.8 MW 偏置，積分時間由1 000 ms切換到250 ms，積分作用增強4 倍，由于負荷實際值還大于負荷設定值，積分作用向下，負荷控制器輸出瞬時小于壓力控制器輸出，三選值選擇負荷控制器輸出。當初壓切換后96 ms，主蒸汽壓力控制器FPDPRIE=0，初壓模式96 ms 后消失，壓力控制器S=1，壓力控制器處于32 ms 跟蹤模式，壓力控制器輸出為式（1）所示，OSB 輸出跟蹤三選最小值，此時YR 跟蹤負荷控制器輸出YNPR，故SV=YR=YNPR，可計算出此時壓力控制器輸出值為式（2）所示：

式 中：XD=X-W；DY ∈[0.002，0.08]；KP=0.9；XDK=16。

由于實際壓力仍然小于壓力設定值，YFDPR小于YNPR，主蒸汽壓力控制器有效FPDPRIE=1，S=0，YI 值為算法模塊根據偏差計算的積分值，記為∫XD，此時壓力控制器輸出值為式（3）所示，初始值為式（2），若XD 持續小于0，則YFDPR在積分模塊∫XD 作用下將加快速度減?。?6 ms時，負荷控制器的設定值切換為負荷實際值，進入負荷控制器的偏差將大于0，但是由于前期負荷控制器積分的作用，負荷控制器將會有一段時間輸出繼續下降。負荷控制器和壓力控制器的3次切換可能會導致調門開度對應的流量反饋偏差大于25%，調門快關信號觸發，跳閘電磁閥動作，高調門全關，最終導致汽機跳閘。

2.3 防范措施

針對上述情況，進行以下邏輯優化：

（1）將快關流量偏差由原設0.25 改為0.31。

（2）建議運行人員在機組退出協調之后，讓汽機側處于限壓模式，通過操作員的操作讓負荷處于穩定狀態。

（3）在非穩定狀態下，若機組在切掉協調之后還要切到初壓模式，建議在切換過程中將壓力設定值切換至跟蹤壓力實際值。

（4）減小壓力控制器比例作用權重。（5）增大限壓工況下偏置。

3 負荷控制器和壓力控制器切換優化

3.1 存在隱患

超超臨界機組蓄熱能力較差，當機組參與深度調峰后，欠壓升負荷過程中，可能壓力控制器輸出和轉速負荷控制器輸出達到上限值，實際負荷大于負荷設定值，壓力設定值大于實際壓力值，這樣壓力控制器輸出和轉速負荷控制器輸出均向下，當壓力設定值與實際值達到一定的偏差時，2 個控制器將交替作用，指令迅速向下，調門指令迅速達到快關保護值，機組跳閘。

3.2 原因分析

機組投入AGC（自動發電控制），限壓模式運行，OSB 輸出為轉速負荷控制回路輸出YNPR，壓力控制回路有效FPDPRIE=0，壓力控制器S=1，此時壓力控制器處于跟蹤模式，壓力控制器輸出如式（2）所示。

當0.9（X-W）+DY＜0 時，轉速/負荷符合控制器的輸出小于壓力控制器的輸出，X=PFD/270，W=（FDS-20）/270，其中PFD 為壓力當前值，FDS為壓力設定值，經過計算當FDS-PFD＞2 060 kPa時，YR=YFDPR。

圖2 西門子1 000 MW 汽輪機DEH 控制邏輯

由上述計算可知，對于該廠1 000 MW 機組DEH 控制系統，在限壓模式下，負荷控制回路調節時，當壓力實際值小于壓力設定值2 060 kPa時，將由負荷回路控制切換為壓力回路控制。切換后壓力控制回路有效FPDPRIE=1，S=0，壓力控制器由跟蹤狀態轉為計算狀態，其輸出值為式（3），此時XD 偏差仍然小于0，YFDPR 在積分模塊∫XD 作用下將加快速減小。

在壓力控制器起調節作用時，NPRIE=0，轉速/負荷控制控制器的上限最大值為：

式中：DY=XDK·XD；DY∈[0.002，0.08]。

由式（4）可知，當壓力控制器起作用時，負荷控制器輸出上限被限制。

壓力控制回路有效PDPRIE=1 時，轉速/負荷控制控制器的積分時間由1 s 切換到0.25 s，積分作用增強，由于實際負荷大于負荷設定值，轉速/負荷控制控制器的偏差仍然小于0，直到YNPR1＜YFDPR 時，壓力控制器切換到轉速/負荷控制器。

切換后壓力控制器輸出繼續處于跟蹤狀態，其輸出值為式（2），但此時的負荷跟蹤值被YNPR1所替代，如式（5）所示，壓力實際值仍持續減小，0.9（X-W）+DY＜0，則下一時刻YFDPR＜YNPR1，即造成轉速/負荷控制器與壓力控制器來回切換的現象。隨著時間的增加，積分模塊的負作用越來越強，YFDPR 與YNPR 曲線下降速率越來越快，直到調門開度對應的流量反饋偏差大于25%，調門快關信號觸發，跳閘電磁閥動作，高調門全關，最終導致汽輪機跳閘。

3.3 防范措施

當發生由于欠壓導致轉速/負荷控制器輸出超105%，或實際壓力達到限壓動作條件等觸發壓力控制器控制權激活時，要密切監測負荷設定值，當AGC 負荷指令小于實際負荷20 MW 時，立即將AGC 撤出遙控，將本地負荷指令設置大于實際負荷20 MW，待實際壓力回升后，壓力控制器會無擾將控制權交還給轉速/負荷控制器。

4 結語

西門子DEH 系統內部邏輯復雜，牽涉到機組的安全調節，壓力控制器和轉速/負荷控制器頻繁切換，存在安全隱患。通過對西門子DEH 系統的主蒸汽壓力回路、壓力控制器切初壓模式、轉速/負荷控制器和壓力控制器切換方式等優化，增強了機組運行的穩定性，提高了西門子1 000 MW 汽輪機保護的可靠性。