西门子1000MW汽轮机DEH控制逻辑优化.docx

电厂自动化专栏第47 卷 第 9 期2014 年 9 月中 国 电 力中 国 电 力第 47 卷ELECTRIC POWERVol 47， No 9 Sept. 2014西门子1 000 MW汽轮机DEH控制逻辑优化王会（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）摘 要 ： 为 提 高 上 汽 - 西 门 子 1 000 MW 超超临界汽轮机控制系统的可靠性 ， 分析和总结数字式电液控制 （DEH）系统在机组运行期间出现的故障 ， 在不改变原有逻辑的设计思想和保护原理的基础上 ， 优 化 了 跳 闸 电磁阀控制 逻 辑 、 阀门快关保护逻辑 、 主蒸汽压力切换逻辑 、 长 甩 负 荷 逻 辑 、 短 甩 负 荷 逻 辑 、 汽 轮 机 转 速 控制逻辑， 旁路开启后的切换逻辑 ， 消除了 “跳闸电磁阀断线引起高压抗燃油 （EH）油压 低 跳 闸 、 电 网 负 荷 波动引起的（长）甩 负 荷 动 作 ” 等 隐 患 ， 提高机组的安全性 ， 而且优化后的跳闸电磁阀控制逻辑 、 长 甩 负 荷 逻辑等在后续的 1 000 MW 机组中得到应用， 给国内同种类型的机组提供了参考和借鉴 。关键词： 1 000 MW； 汽轮机； DEH 系统； 快关逻辑； 控制逻辑； 汽轮机转速控制； 可靠性； 超超临界机组中图分类号： TK323文献标志码： A文章编号： 1004-9649（2014）09-0006-050 引言数字式电液控制 （DEH） 系 统 在 机 组 运 行 期 间 出现故障会直接影响机组的正常运行 ， 甚 至 造 成 严重后果1-12。 宁海电厂二期 21 000 MW 机组汽 轮机采用上海汽轮机有限公司和西门 子 联 合 设 计制 造 的 N1000-26.25/600/600 （TC4F） 型 ， 超 超 临 界 、 一 次 中 间 再 热 、 凝 汽 式 单 轴 、 四 缸 四 排 汽 汽 轮 机 。 数 字 式 电 液 控 制 （DEH） 系统采用西门子公 司 的 TXP-3000 系 统 ， 西 门 子 体 系 的 超 超 临 界 机 组 控 制 思 想 、 逻辑实现方式有自己的 特 点 ， 在 机 组 运 行 、 调 试 期 间 ， 发现一些逻辑与 实 际 工 况 不 同 或 存 在 漏 洞 ， 根 据 实 际 情 况 ， 有 针 对 性 地 对 DEH 系统出现的问题进行逻辑优化， 提高 设 备 的 可靠性。1 跳闸电磁阀断线的逻辑优化西 门 子 1 000 MW 机 组 汽 轮 机 共 有 2 个 高 压 主汽门， 2 个中压主汽门， 1 个补汽阀， 2 个高调 阀 ， 2 个 中 调 阀 。 其中每个阀门均有对应的 2 个 跳 闸 电 磁 阀 ， 主汽门还有一个方向阀 ； 每 个 调 门 配 有 1 个 伺 服 阀 ， 2 个 跳 闸 电 磁 阀 。 跳 闸 电 磁 阀 失 电 动 作 ， 方向阀得电动作 ； 当 任 一 跳 闸 电 磁 阀 失 电 时 ， 阀 门 快 关 。 对于主汽门来说 ， 当 方 向 阀 得 电 ， 则 主 汽 门 慢 关 。 当 机 组 正 常 运 行 时 ， 跳 闸电磁阀得电而方向阀失电， 而当 ETS（汽轮机危急 遮 断 系 统 ） 动 作 时 ， 跳 闸 电 磁 阀失电而方向阀得 电， 使调门及主汽门快速关闭。在西门子厂家设计中 ， 只 有 当 两 侧 主 蒸 汽 进 汽均关闭或两侧 再热蒸汽进汽均关闭时 ， 汽 轮 机 危急遮断系统（ETS）才动作， 但是， 2010 年 10月 2 日， 6 号机组（1 000 MW）运行时， 发生汽轮机高 压抗燃油（EH）油压低 ETS 跳闸。 原因是 2 号高调 门 2 号 跳 机 电 磁 阀就地接线端子松动 ， 造 成 2 号 高 调 门 电 磁 阀 2 失 电 动 作 ， 关 闭 2 号 高 调 门 。 但 此时机组还没有发 生 跳 闸 ， 汽轮机仍旧处于负荷 控 制 状 态 。 2 号高调门快关动作后阀门关闭 ， 无 法 开 启 。 而 阀 门 指令要求阀门开启 ， 这 样 就 会 导 致伺服阀指令一直在增加 ， 2 号高调门伺服阀内 EH 油路处于导通状态， 一方面由于快关导致跳闸 电磁阀大量卸油 ， 另一方面伺服阀指令不断增加 大量进油， 大量的进油和回油导通， 导致 EH 母管 油压无法维持， 由 16 MPa 下跌至跳机值 10.5 MPa， ETS 保护动作跳机。在西门子原版控制逻辑中， 当 DEH 各阀门任 一跳闸电磁阀供电回路短路或断路时 ， 发 出 pass out 钝化报警信号， 使得跳闸电磁阀失电， 阀门快 关 。 为 避 免 再 次 发生由于电磁阀接线短路或者断 路 情 况 ， 导 致 EH 油压低保护误动 ， 应 增 加 当 单 个 电 磁 阀 pass out 钝 化 报 警 时 ， 切断该电磁阀对 应的阀门内部的 EH 油回路， 避免 EH 回路导通使收稿日期： 2014-05-05作者简介： 王会（1972）， 男， 江苏建湖县人， 高级工程师， 从事电厂热控技术管理工作。E-mail: 124112第 9 期电厂自动化专栏王会： 西门子 1 000 MW 汽轮机 DEH 控制逻辑优化EH 油压持续下跌造成的机组跳机。为 此 ， 利 用 pass out 钝 化 报 警 信 号 ， 增 加 跳 闸电磁阀 pass out 钝化报警时关闭该阀门的 EH 油 路的逻辑， 针对调门和主（再热）汽门的不同特点， 优化的逻辑如下。（1） 对于高压调门、 中压调门及补气阀， pass out 报 警 信 号 发 出 时 ， 将对应阀门伺服阀指令置 0%， 使该伺服阀保持最大负向电流， 伺服阀的进 油和回油处于隔绝状态， 这样可以避免油压下跌。（2） 对于主汽门和再热汽门， pass out 报警信 号 发 出 时 ， 将对应阀门方向 阀 打 开 ， 使 主 汽 门 或 再热汽门的回油不导通， 从而达到切断该阀门 EH 油的目的。该 逻 辑 修 改 后 ， 机 组 在 运 行 时 ， 再 次 发 生 高 调门控制线接地故障 ， 此 次 EH 油 压 略 微 下 跌 ， 在 pass out 逻辑起作用后就恢复正常。2快关保护逻辑优化2.1快关保护异常动作与原因分析2010 年 6 月 2 日， 机组正常运行时， 突 然 发 生 2 号高调门快速关闭， 具体经过如下： 2010 年 6 月 2 日 20 点 35 分 36 秒， 6 号机组负荷 658.6 MW， 高调门开度 21.2%， 2 号 高 调 门 快 关 （ 跳 闸 电 磁 阀 失 电 ， 使得主汽门或调门快速 关 闭 ， 在 西 门 子 DEH 逻 辑 中 ， 称 为 快 关 ）， 同 时 触 发 2 号 中 调 门 快关， 2 号高、 中压调节阀门关闭 1.5 s 后， 2 号 高、 中压调门恢复正常， 而此时负荷从 658.6 MW 降 到 417.5 MW， 下 降 241.1 MW； 2 号 调 门 主 蒸 汽 压 力 由 21.69 MPa 升 至 22.92 MPa， 升 高 1.23 MPa； 主蒸汽温度（594.7 ）快关前后没有明显变 化 ； 2 号中压调门前再热蒸汽压力由 3.42 MPa 升 至 3.74 MPa， 升 高 0.32 MPa； 再 热 蒸 汽 温 度（565.9 ）快关前后没有明显变化。使 西 门 子 1 000 MW 汽轮机快关逻辑动作的 条件有 3 条： 汽轮机跳闸、 甩负荷、 流量偏差大， 任一条件满足时 ， 快 关 逻 辑 均 会 动 作 。 造 成 6 月 2 日 机 组 快关逻辑动作的原因是误发了 “ 流 量 偏 差大” 信号。 流量偏差大快关逻辑原理描述如下：以高调 1 （GV1）快关逻辑为例， 汽轮机的 GV1 阀 位 反 馈 （GV1 阀 位 ） 通过一个折线函数计算出 对 应 的进汽流量反馈值（HFD1）， 然后再和根据汽轮机 进汽流量设定值 （OSB） 计 算 的 GV1 的 进 汽 流 量 请 求 值 （ 即 阀 门 指 令 OSFD1） 进 行 比 较 ， 如 果 偏 差 大 于 25%， 就 会 触 发 快 关 。 快 关 动 作 时 ， 调 门 伺 服 阀输出为最大的负电流 ， 使调门快速关闭 ； 当 高 压调门快关动作时， 会触发同侧的中压调门快关。 流量偏差大引起阀门快关是机组在调门指 令与阀门反馈偏差大时的保护措施 ， 尤 其 是 ETS 动 作 时 ， 能快速地关闭调门 。 各 种 工 况 下 的 流 量 、 阀位计算值、 假设 GV1 故障（LVDT 突然跳到满量 程）计算的流量值和偏差值如表 1 所示。2.2 快关保护逻辑优化与效果需要说明是： ETS 动作时， OSB 等于 0； 机组 在 运 行 时 ， 调 门 开 度 大 于 10%， 对 应 的 HFD1 为 4304%。对 照 2010 年 6 月 2 日 DEH 快关时的历史数 据 ， 发现触发快关时的偏差值 （ HFD1 减 去 OSFD1） 等 于 28%， 超 过 DEH 中 设 定 的 25% 的 限 值， 所以快关逻辑动作。汽轮机快关逻辑为当阀位反馈（HFD1）对应进 汽 流 量 值 （OSFD1） 大 于 阀 门 指 令 25% 以 上 时 ， 直 接将跳闸电磁阀失电 ， 使 阀 门 快 关 ， 防 止 汽 轮 机 超 速 。 当阀门指令与阀位 反馈对应进汽流量值的 偏差小于 25%后， 快关指令消失。汽轮机快关逻辑一般只在汽轮机甩负荷时 起 作用。 当汽轮机发生甩负荷后， 汽轮机转速上升， 为防止汽轮机超速 ， 高 压 调 门 、 中 压 调 门 快 关 ， 防止汽轮机超速飞车 。 在 汽轮机正常运行时 ， 当 阀门反馈出现某种故障情况 时 ， 可能会造成汽轮 机快关逻辑误动作。从 表 1 可 以 看 出 ， 当机组工况为并网带 150 MW 时， OSFD1 数值为 56.87%， HFD1 为 56.87%，两者之间的偏差为 0， 此时不触发快关逻辑 。 若 此时阀位反馈出现故障情况， 直接升至 100%， 那 么 HFD1 会随着阀门的上升而上升 ， 最 终 到 达 105%。 这 样 就 造 成 HFD1 比 OSFD1 大 25% 以 上 ， 阀门快关误动作， 造成机组负荷波动。表 1 各种工况下流量和偏差情况 Tab.1 Steam flow under various working conditions%序号工况GV1 阀位HFD1OSBOSFD1偏差LVDT 故障时的偏差跳机时的偏差1不带负荷8.6229.9223.3129.130.0171.5229.922并网带 150 MW16.8756.8745.4456.87043.7856.873低负荷 329 MW20.6169.0255.3369.02031.6369.024最小的调门开度10.0043.0439.0043.040-43.047电厂自动化专栏中 国 电 力第 47 卷因 此 ， 当阀位反馈故障时 ， 只 要 表 1 中 “LVDT 故障时的偏差” 值不超 过 25%， 就 不 会 引 起快关误动作。从 表 1 中机组运行的各种工况来看 ， 当 最 小 负 荷 329 MW 时高压调门的最小进汽流量设定值 最低为 69.02%左右， 实际流量根据阀门的阀位对 应的流量曲线进行折算 ， 当阀门反馈最高 105% 时 ， 折算实际进汽流量为 100.65%。 所 以 在 机 组 正常运行时， LVDT 故障时的最大偏差为 31.63%。为了避免由于阀门阀位反馈波动而引起 阀 门 快关， 将设定的偏差 25%修改为 31.6%（小于最小 调 门 开 度 的 偏 差 值 4304%） 避免阀门快关误动的 可能性， 也不影响机组在 ETS 动 作 时 ， 调 门 的 进 汽流量偏差大时调门快关的保护功能。在 2010 年 9 月 15 日、 16 日、 17 日分别发生3 次 高 调 门 LVDT 波 动 ， 偏 差 值 幅 度 为 10% 、11%、 31%， 均没有触发调门快关动作。3DEH 其他相关逻辑优化3.1DEH 限压回路优化西门子 DEH 控制系统有 2 种主蒸汽压力控制 模 式 ： 初压控制方式和限压 控 制 方 式 ， 其 中 ， 限 压控制方式对应基于 BF（锅炉跟随）方式下的协调 控制， 此时， DEH 调节功率， 但压力控制器一直 处 于 计 算 中 ， 当主蒸汽压力与设定值偏差 大 时 ， 压力控制器动作。压力测点的选用方式 ， 在锅炉每侧过热蒸 汽 管 道 装 有 3 个 压 力 变 送 器 ， 逻辑中是每侧取平均 后再两侧取平均值 ， 作 为 主蒸汽压力送到锅炉主 控 程 序 ， 并与压力设定值进 行 比 较 ， 调 整 炉 侧 过 热 蒸 汽 压 力 。 汽 轮 机 每 侧 主蒸汽管道装有 3 个 压 力 变 送 器 ， DEH 计 算 规 则 是 ： 所 有 通 道 都 正 常 ， 选择中间值； 一个通道故障（和其他 2 个偏差大或 者坏质量）时， 选择另外 2 个中较大者； 2 个通道 故 障 （ 坏 质 量 ） 时 ， 选择通道正常的点 ； 所 有 通 道 都 故 障 时 ， 选择替代值输出 。 由于机炉两边的主 蒸汽压力选择方式不同 ， 导致炉侧的主蒸汽压力 实际值比机侧主蒸汽压力实 际 值 偏 高 ， 这 在 限 压 方 式 时 ， 因 炉 侧 压 力 大 ， 机侧实际压力小 ， 机 侧 主蒸汽实际压力比设定值压力低 0.8 MPa， 使压力 回 路 动 作 ， DEH 开始控制机侧门前主 蒸 汽 压 力 ， 改变了机组的运行方式。针 对 这 种 情 况 ， 将机炉两侧的主蒸汽压力 分 别 处 理 后 ， 三取中后再做取 小 选 择 ， 经 过 一 个 滤 波 器 后 ， 作为实际的主蒸汽 压 力 ， 这 样 两 侧 压 力 同时变化， 在变负荷时， 机炉两侧压力调整一致， 机侧门前实际压力与滑压设定压力偏差不再偏大，压力回路不再误动。3.2 取 消 ETS 中 监 视 CKC02 柜 与 CKC01 柜 F型卡件通信保护ETS 保 护 中 ， 除了润滑油压等与汽轮机有关 的 保 护 外 ， 还 有 下 列 与 TXP-3000 系 统 有 关 的 保 护 ： FM458 故 障 ， 417H 中有专用的模块监视 417H 与 FM458 的 通 信 状 态 ， 若 417H 与 FM458 通信失去， 立即发出 ETS 信号； 通信中断， 其 中通信中断判断逻辑由硬 件监视和软件判断 2 个 部分组成。硬 件 监 视 ： 由 CKC02 柜 的 3 块 DO 卡 分 别 送1 个开关量信号到 CKC01 柜 的 3 块 F 型 DI 卡 中（CKC02 柜内主要是 EH 油压力等信号、 CKC01 柜 内是转速/负荷控制及 ETS 保护逻辑， 采用 FM458 卡）， 这 3 个信号每隔 20 min 依次翻转（发一个 2 s 脉冲）。 若在 1 h 内发生下列任一条件 ： 3 个 开 关 量信号全部为 “1” （没有翻转， 认为坏值） 或在 3 s 内 2 个 信 号 同 时 为 “ 1” ， 则 ETS 动 作 。 软 件 监 测 ： 当 CKC02 柜 启 动 时 ， 417H（CKC02 柜 内 CPU 卡 ） 自 动 发 出 1 个开关量信号至 CKC01， CKC01 通过通信装置发送到 FAILSAFE （ 软 设 置 ） 。 该 开 关 量 信 号 每 隔 1 s 翻 转 1 次 ， 而后将此信号以通 信 的 方 式 送 到 FAILSAFE （ CKC01 柜 的 CPU 卡 中）， 再通过通信的方式将此不断进行 0/1 翻转的 信 号 回 送 到 417H 中 ， 构 成 一 个 回 路 。 若 在 10 s 内， 该信号没有翻转， 则触发 ETS 动作。为 防 止 ETS 误 动 ， 取 消 DEH 中 监 视 CKC01 柜与 CKC02 柜的通信中断保护， 改为报警。 该方 案得到厂家的认可 ， 并 在 后续的机组设计中 ， 也 取 消 了 监 视 CKC01 柜 与 CKC02 柜的通信中断保 护， 改为报警监视。3.3 甩负荷逻辑优化甩负荷识别模件 LAW 把 甩 负 荷 分 为 2 个 阶 段 ： 第一阶段是瞬时负荷中断 KU（ 所 谓 的 短 甩 负 荷）， 机组的功率信号出现以下情况， 即可认为机 组发生瞬时负荷中断 KU。（1） 瞬时降低的负荷量超过甩负荷识别极限 值 GPLSP（约为 70）728 MW。（2） 机 组 出 力 较 低 ， 此时瞬时降低的负荷量 可能不会超过 GPLSP（728 MW）， 但同时满足以下 4 个条 件 ： 发电机出口开关和主变高压侧开关 闭合（正常运行时 GLSE=1）； 实际负荷低于 2 倍 厂用电负荷的限值 GP2EB（104 MW）； 实 际 负 荷高于逆功率值 GPNEG（-26 MW）； 有 效 负 荷 设定值 PSW 与实际负荷 PEL 的差值大于 2 倍厂用 电负荷的限值 GP2EB（104 MW）。瞬时负荷中断信号 KU 发出 2 s 后， 机组负荷 还 是 很 低 ， 在-26 MW 与 104 MW 之 间 （ 发 生 KU8第 9 期电厂自动化专栏王会： 西门子 1 000 MW 汽轮机 DEH 控制逻辑优化图 1 优化后的 KU 保护逻辑Fig.1 The improved KU logic的条件 2 依然满足）， 则发出长甩负荷信号 LAW。 KU 和 LAW 都 送 至 转 速/负 荷 调 节 器 NPR， 另 外 LAW 还送至转速设定模块。原 始 逻 辑 设计思路是基于 1 000 MW 机 组 的 发电机出口断路器和并网开 关 分 开 ， 各 配 有 一 套 同期装置进行设计 ， 以 达 到在电网故障时 ， 并 网 开 关 断 开 ， 机组带厂用电孤 岛 运 行 ， 等 电 网 正 常 后， 再进行并网。但 是 ， 国 内 某 同 类 型 1 000 MW 机 组 曾 发 生 发电机功率信号 波 动 ， 造 成 KU 甩 负 荷 动 作 ， 调 门 关 闭 ， 发电机逆功率保护 动 作 ， 机 组 跳 机 。 为 此 ， 对 KU 保 护 逻 辑 进 行 优 化 ， 保 持 西 门 子 DEH 的原控制逻辑思想不变 ， 对触发瞬时甩 负 荷 KU 信 号 后 加 延 时 80 ms， 以规避电气故障工况下功 率变送器可能出现的信号 畸变引起的误动 ； 同 时 考虑真实大范围甩负 荷对机组转速控制的影响 ， 对触发瞬时甩负 荷 KU 信号后增加转速定量判断 （3 018 r/min）。 上 述 “ 增 加 延 时 ” 和 “ 增 加 转 速 定 量 判 断 ” 为 “ 或 ” 逻 辑 关 系 ， 以 降 低 KU 保 护加延时后对转速控制带来的风险。 经过上述 KU 信号处理后， 作为最终触发瞬时甩负荷 KU 信号， 优化后 KU 保护逻辑如图 1 所示。3.4 功率信号优化国华宁海电厂二期机组发电机变送器屏 内 所 有变送 器 （PT） 电 压 、 工作电源都取自发电机第一 组 PT、 同一路交流电源 ， 当 发 生 PT 断 线 或 交 流电 源 故 障 时 ， 所 有 发 电 机 有功变送器输出量将降 低， 容易引起 DCS、 DEH 系 统 误 调 节 ， 严 重 威 胁 系统运行的安全、 可靠和稳定。针 对 这 种 情 况 ， 增加发电机变送器屏 ， 使 其 共 有 2 路 PT 电 压 、 2 路 交 流 电 源 ， 并 加 装 PT 断 线判别装置。 在一路 PT 故障情况下， 发出故障报 警 ， 由 DEH 剔 除 故 障 信 号 ， 采用另一个正常 PT 发过来的信号， 可以有效避免因 PT 回路或交流电 源回路故障引起的 DEH 系统误调节。4结语本 文 中 优 化 的 “ 跳闸电磁阀断线的逻辑 、 甩 负 荷 逻 辑 、 快 关 保 护 逻 辑 、 取 消 ETS 中 监 视 CKC02 柜与 CKC01 柜 F 型卡件通信保护” 等均在 后续的同类型机组中得到应 用 。 在理解并忠于西 门 子 1 000 MW 汽 轮 机 DEH 的 设 计 思 想 的 基 础 上 ， 根据机组的实际运行状况 ， 优 化 西 门 子 1 000 MW 汽轮机跳闸保护， 使保护逻辑与机组运 行情况有机结合 ， 从 而 解 决了现场控制系统中存 在 的 问 题 ， 提 高 了 西 门 子 1 000 MW 汽 轮 机 保 护 的可靠性。参考文献：1 张秋生，梁华，胡晓花，等. 超超临界机组的两种典型协调控制 方案J. 中国电力，2011，44（10）：7479ZHANG Qiu-sheng, LIANG Hua, HU Xiao-hua, et al. 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The solenoid valve tripping control logic, fast valving protection logic, main steam pressure control switching logic, long load shedding logic, instantaneous load shedding logic, turbine speed control logic and switching logic after bypass opening are optimized without changing the original design ideas and protection principles. Therefore, the potential troubles, such as the EH oil low pressure tripping caused by the trip solenoid valve disconnection and the (long) load shedding caused by grid load fluctuation, are eliminated. Moreover, these optimized logics are also adopted by the 1 000-M