165MW供热机组DEH控制系统升级改造

165MW供热机组DEH控制系统升级改造

朱敏芝

（大唐洛阳热电有限责任公司河南洛阳471039）

摘要：DEH控制系统是以汽轮机组为对象，通过运用计算机技术、自动控制理论及液压控制理论，调节汽轮机发电组的转速、功率，完成汽轮机的控制及保护，同时能够满足电网的要求。在发电机组正常运行或者变工况过程中，其通过控制汽轮机进汽阀门的开度来改变进汽流量，从而实现转速与功率的控制。在紧急情况下，其保安系统能够迅速关闭进汽阀门，以保护机组的安全。某厂165MW供热机组因DEH控制系统硬件老化、故障率高严重威胁机组运行安全，利用DCS系统改造的机会将其并入艾默生OVTATION系统，大大提高了机组经济性和稳定性，为同类机组DEH控制系统改造提供了参考。

关键词：DEH系统；DCS系统；工控机；优化

引言

DEH即汽轮机数字电液控制系统（DigitalElectro-HydraulicControlSystem），简称数字电调，是火电机组控制系统的重要组成部分。电调系统的发展大致经过了以下几个阶段：机械式调速器调节系统，液压式调速器调节系统，模拟式功频电液调节系统（AEH），数字式功频电液调节系统（DEH）。传统的DEH电控系统主要包括人机界面、PCU、开入开出卡件、模入模出卡件、测速单元、伺服单元等。通过图形化组态软件，可以设计出完善的控制策略，以适应不同汽轮机不同液压系统的要求。

某厂165MW机组的DEH系统采用的是四川德阳瑞能电力科技有限公司的Wintech-01系列工业控制系统，独立于DCS系统之外，自1997年机组投产以来已运行近20年，整体硬件已严重老化，近年来软、硬件故障率趋高，控制性能精确度下降，多次造成影响机组负荷及稳定运行的不安全事件，所以对该系统的改造刻不容缓。

1.概述

某厂165MW供热机组（ПТ-140/165-130/15-2）为母管制亚临界、三缸、两排汽三段抽汽式汽轮机，可同时供热（工业抽汽或采暖）和供电，它和同容量的冷凝机组相比，控制与保护要求差异较大。其DCS系统原为北京贝利公司INFI-90系统，因为生产需要改造升级为上海艾默生控制系统有限公司的OVTATION分散控制系统，改造范围包括DCS、DEH、ETS、FSSS以及BTG盘（硬手操控制盘）等，改造后将实现一体化控制。本文将重点介绍DEH控制系统升级改造的过程。

2.改造前DEH系统状况

2.1硬件配置：

DEH系统主要分为两个部分：电气控制系统和液压系统。其中电气控制系统是整个DEH系统的测量、控制及对外部接口的部分。改造前的DEH控制系统以工业控制计算机，双机切换模块，扩展的外部接口电路、电源系统、信号检测回路等构成。其中双机切换模块是DEH电气系统的枢纽，工业控制计算机是DEH电气系统主体。

1）工业控制计算机

工业控制计算机包括A控制机（A机）、B控制机（B机）、D操作员站（D机），三机之间采用通讯方式传输数据；A控制机及B控制机是整个DEH的控制核心部分，其作用是对现场信号进行测量，进而对机组运行状态进行控制。

图1DEH电气系统硬件配置图

2）外部接口电路

现场的开关量模拟量等信号采用开关量输入转接板（MZ015.001Z）、开关量输出转接板（MZ015.002Z）、模拟量输入模块（Wintech-01-0813）、模拟量输出模块（Wintech-01-1720）、多功能板（Wintech-01-0836）、通讯扩展模块（Wintech-01-0849）、开关量扩展板（MZ003.001Z）等接口板件冗余配置，对原信号进行调理分配。

3）电源系统

采用双路交流220V供电滤波。双路电源经电源切换逻辑后其中一路电源作为设备内部电源，另一路作为备用。当主电源失电后切换逻辑切换至保安电源供电；当主电源恢复后，保安电源失电后切换逻辑自动切换至主电源工作。

内部直流电源部分采用A/B组直流电源进行了互备，当A/B组直流电源均正常时，内部24V设备均以A组供电。当A组电源故障而B组电源正常时，内部24V设备均以B组供电。

2.2工作方式：

系统正常运行时，A/B机中的一台控制当前机组运行，另一台跟踪当前机组的运行状态。当前控制机出现故障后，系统自动切换至跟踪机工作。双机采用通讯进行数据跟踪，因此当进行A/B机工作切换时可达到无扰切换。D机主要对机组当前的运行参数进行管理，便于运行人员监视机组状态，同时D机还对重要数据进行了保存，保存时间长达72小时，以便对机组历史运行状态进行查询。D机还负责DEH对工艺信号报警系统的所有信号输出，DEH的软操也是通过D机实现的。

A/B机通过双机切换模块与操作盘通讯，A/B机之间采用通讯跟踪备用；同时A/B机分别与D机交换数据，A/B机向D机发送当前机组的运行状态，以便运行人员对当前机组的运行监视。另外D机向A/B机发送软操对机组的控制指令，以控制机组运行。

2.3存在问题：

Wintech-01系列工业控制系统以IntelPentium处理器为核心，在90年代其工业级的硬件设计及模块化的结构使系统可灵活地应用于各种工业控制场合。但随着火电机组的快速发展其对自动化程度的要求也越来越高，以工控机为核心的控制系统已逐渐不能满足现场实际需求。

1）A机、B机、D机故障率持续升高，改造前两年较为典型的几次故障记录如下：

表1-某厂165MW机组DEH系统故障情况记录

其中2015年03月因D机通讯故障，DEH系统只能进行运行状态监视，所有操作指令无法下发，整个DEH系统处于失控状态，情况十分恶劣。

2）模拟量输出模块（Wintech-01-1720）在DEH阀门静态试验中需要手动调节电位器的方式整定输出电压，从而进行进汽阀门零度与满度的整定，随着卡件的老化，其控制精度及可靠性明显下降。

同时转速输入模块（Wintech-01-0836）在近年来可靠性也明显下降，多次出现单个转速突变的问题，不仅影响一次调频功能，还为机组安全运行埋下较大隐患。

3）A/B/D机以及各板卡之间由37芯D型插座预制电缆连接，多年运行以来存在插头金属针氧化、电缆内部连接点接触不良的情况，曾经因为电缆通讯异常造成A/B机不跟踪无法冗余备用的故障，控制器单机运行无法为机组安全运行提供可靠保障。

4）DEH系统控制机（A/B机）的各项基本控制功能，软件逻辑采用C语言编制，通过编译后生成执行代码固化在A/B机中，电厂热工维护人员根本无法查看及修改，十分不利于DEH系统的逻辑隐患排查及维护。

图2改造前DEH工控机及柜内卡件

3.DEH系统改造主要内容

该165MW供热机组改造后的DEH系统为艾默生Ovation系统，DEH作为DCS系统中的一个过程控制站并入DCS系统网络。Ovation系统利用当前最新的分布式、全局型的相关数据库完成对系统的组态。全局分布式数据库将功能分散到多个可并行运行的独立站点，而非集中到一个中央处理器上，不因其他事件的干扰而影响系统性能。

3.1DEH控制系统改造技术要求

本次改造原汽机数字电液控制系统（DEH）拆除，重新设计新的DEH系统及机柜（包括柜内所需硬件）。DCS与DEH之间采用双向冗余数据通讯接口，DCS系统的操作员站可完成汽机的全部控制和监视功能，即共享操作员站。

软件组态方面，根据原DEH逻辑重新设计新系统的控制策略及逻辑组态，能够实现原有的各项控制功能，对于原先不符合当前技术要求的控制方式进行优化完善。DEH程序扫描周期应小于50ms。

DEH系统的接地满足国家、行业相关规范的要求。

3.2改造后DEH控制系统硬件配置及功能

本次改造DEH配置独立的控制柜，柜内主要硬件信息如下：

1）DEH控制系统供电由DCS系统电源柜提供，分别为AC220V的UPS电源与保安段电源双路冗余供电，DCS电源柜内具备双路电源无扰切换功能及电源报警功能，充分保证系统电源的可靠性。同时DEH系统直流24VDC电源由DEH柜内转换提供，对三路供电电源进行监视，任意一路失电应有报警，当进入DEH柜的两路工作电源全失电时应开出停机信号至ETS系统，同时动作停机电磁阀。

2）两个冗余配置的控制器（ORC400/ORC1100）：

其主要功能为实时控制，扫描、刻度变换、监测全部的过程输入，输出控制信号给过程站，同时在Ovation网或以太网上广播点信息。每一个控制器分为CPU单元和通讯单元两部分。两个控制器能够实现无扰切换。

3）三个转速输入卡件（1C31189G01/1C31192G01）：

每个卡件输入一路独立的汽轮机转速信号。满足《火电厂热控系统可靠性配置及事故预控》及《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》。

4）三对阀门控制VP卡件（1C31194G03/1C31197G01）：

没对VP卡冗余配置，分别实现对高压油动机、中压油动机、低位采暖油动机的冗余控制。每个VP卡件接收现场来的一路六线制LVDT油动机行程反馈信号，VP卡件到伺服阀的控制信号由柜内硬件完成电压/电流转换和切换后输出。

5）一个模拟量输出卡件（5X00062G01/5X00063G01）：

实现对高位采暖油动机的指令输出。

6）两个16通道模拟量输入卡件（5X00501G01/5X00502G01）：

完成电功率、高位采暖油动机行程、CCS给定、各段抽汽压力、主汽门前蒸汽压力、主汽流量、凝汽器真空、调节级压力、热网回水压力等信号的采集。

7）一个8通道热电偶卡件（5X00070G04/1C31116G04）：

完成主汽温度、高压缸上壁金属温度等信号的采集。

8）一个8通道热电阻卡件（5X00119G01/5X00121G01）：

完成热网加热器出口水温、热网回水温度等信号的采集。

9）两个16通道开关量输入卡件（1C31234G01/1C31238H01）：

完成外部停机、主汽门全开、发电机并网、危机保安器挂闸及复位等信号的采集。

10）两个16通道继电器输出卡件（1C31219G01/1C31223G01）：

实现开主汽门、DEH停机、各电磁阀的动作及复位等控制信号的输出。

11）其他电源分配单元及I/O通讯单元。

图3改造后DEH控制柜内控制器及卡件

3.3DEH控制系统改造后的优点：

1）改造后DEH系统并入DCS系统，其A/B工控机由Ovation控制器取代，由于使用开放的工业标准，Ovation控制器在工厂过程控制中功能强大，其使用多任务商用实时操作系统（RTOS）处理数据，能够执行和协调多应用区域的控制、与网络通讯以及对控制器内部统一管理。其具备完全无扰切换、功耗低无风扇运行、兼容第三方产品数据通讯、集成SOE功能、RTOS存储和启动使用闪存（无需电池固化）等特点。

2）人机接口共享Ovation系统的工作站，包括操作员站、数据库服务器、工程师站、历史站和其他功能站。能够通过以上工作站实现多过程画面（最多为8个）监控、多趋势组（4幅实时趋势+4幅历史趋势，每幅8个历史点）监控、任一窗口无极缩放、数据库和控制逻辑组态、各种图像和操作面板组态、报表和历史点组态、SOE记录、操作员记录等各种强大功能。

3）每台油动机阀门控制VP卡件冗余配置，出现软硬件故障都可自动切换，具备DEH阀门静态试验自动整定功能，精度高、可靠性高，能够保证汽轮机调节的安全性及稳定性。

4）通讯网络采用快速以太网，单网多层星形拓扑结构，冗余方式工作，每层由冗余的交换机作为通讯设备。Ovation采用的IEEE802.3协议的CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带冲突检测的载波监听多路访问）机制，能够有效的避免数据冲突。

4．改造后的实际效果

DEH控制系统改造完成后，经过电源检查、接地信号测试等初步的检查顺利上电调试。同时在机组启动前及启动过程中严格进行了相关试验，包括挂闸、开主汽门等基本操作功能试验、DEH静态阀门试验、升速及超速试验、严密性试验、同期及并网、功率回路投入、CCS投入等，各项试验中DEH系统控制性能良好，进汽阀门控制精度高。

改造后近一年以来机组运行稳定，未发生一次因DEH系统故障造成的不安全事件，能够满足各种工况下汽轮机的控制及危急情况下的保护功能。

5．结论

通过对DEH控制系统的改造，解决了由于设备老化以及功能受限而引起的诸多影响正常运行维护的缺点及安全隐患，提升了DEH系统的整体运行性能。Ovation系统是集过程控制及企业管理信息技术为一体的融合了当今世界最先进的计算机与通讯技术的典范。其采用了高速度、高可靠性、高开放性的通讯网络，具有多任务、所数据采集的控制能力，明显优于Wintech-01系列工业控制系统，产品质量可靠。从而有效的避免了由于DEH系统控制回路故障而导致的汽轮机非计划停运事件。

参考文献：

[1]《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》DL/T774-2004，国家发展和改革委员会，2004年

[2]《DEH控制系统逻辑图册》RN142A/SM06-1t，德阳瑞能电力科技有限公司

[3]《DEH控制系统说明书》RN142A/SM01-3t，德阳瑞能电力科技有限公司