DEH功能设计说明书.docx
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DEH功能设计说明书
L1.工程概况
国电宝庆电厂2×660MW超临界机组系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的国内CH01B660-24.2/566/566型汽轮机、一次中间再热、三缸四排气、单轴、双背压、汽轮发电机组。
国电宝庆电厂2×660MW汽轮机采用高中压联合方式启动，高压主汽门方式冲转，转速达到2900RPM时切换到高压调门控制升速、带负荷。
每台机组配有两个高压主汽门（TV）、四个高压调门（GV）、两个中压主汽门（RSV）和四个中压调门（IV）。
机组启动运行方式：
定－滑－定运行，高中压缸联合启动
周波变化范围：
48.5～50.5Hz
机组额定出力：
660MW
主汽门前蒸汽压力：
24.2MPa
主汽门前蒸汽温度：
566℃
机组工厂编号：
CH01B-04
国电宝庆电厂2×660MW汽轮机调节系统为高压抗燃油型数字电液调节系统（简称DEH），电子设备采用了国电智深控制技术有限公司开发的EDPF-NT+系统，液压系统采用了哈尔滨汽轮机控制工程有限公司成套的高压抗燃油EH装置。
本说明书仅涉及国电宝庆电厂DEH电气部分，液压部分请参考相关资料。
2.系统配置及组成
国电宝庆电厂热工控制系统均采用了国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT+系统，实现了DCS一体化，DEH是一体化DCS的一个组成部分，是机组控制环路上的一个节点。
DEH的功能模件组成两对过程控制单元（DPU），它在控制环路上的代号为41号站和42号站。
国电宝庆电厂DEH由三个控制柜组成。
2个模件柜，一个继电器柜。
从功能上分为两个部分：
汽机基本控制（OA）和汽机自启停（ATC），分别由两对互为冗余的控制器和相应的功能子模件完成。
国电宝庆电厂DEH硬件配置示意图如下所示：
图1.1DEH系统结构配置
2.1模件
国电宝庆电厂DEH一共配置了46块模件，其中4块为多功能处理器，其余40块为功能子模件。
这些模件安装在两个机柜的模件安装单元（MMU）中。
模件
数量
名称
用途
DPU
4
桥式控制器
控制主模件
SD
3
频率计数子模件
转速测量
DI
7
开关量输入子模件
开关量输入
DO
5
开关量输出子模件
开关量输出
AI
7
模拟量输入子模件
模拟量输入（4～20mA）
VC
10
液压伺服子模件
控制电液伺服阀
RTD
3
模拟量输入子模件
温度信号输入（RTD）
AO
4
模拟量输出子模件
模拟量输出（4～20mA）
TC16R
3
模拟量输入子模件
温度信号输入（TC）
SD是DEH专用的转速测量子模件，它将安装在汽轮机前箱内磁阻式转速探头测量出来的脉冲信号调制、整形、采样后变换成电信号，经过控制总线送给控制器。
每块SD卡接受一路转速脉冲信号，因此国电宝庆电厂DEH配置了三块SD子模件。
VC是DEH专用的阀门伺服子模件，它实际上是一块智能I/O模件，通过卡上的处理器完成蒸汽阀门的精确定位控制。
每块VC控制一个可调蒸汽阀门（modulatedsteamvalve），因此国电宝庆电厂DEH配置了10块VC2：
TV×2、GV×4、IV×4。
2.3操作员站
山西大同第二发电厂DEH操作员站为DEH操作画面提供了方便的手段。
运行人员通过操作员站实现对汽轮机的控制。
针对山西大同第二发电厂660MW汽轮机DEH的特点，设计了如下画面，包括总貌、棒图、趋势、报警信息、操作面板等，不仅为运行人员提供了操作手段，还可以通过画面监视汽轮机的运行状态。
2.3.1自动控制
画面名称：
自动控制
图2.1自动控制画面
该画面为运行人员提供了主要的操作手段，并且用棒图和数字显示TV/GV/IV开度。
是汽机运行时操作人员主要面对的画面，这些操作包括：
●汽机远方挂闸
●启动方式选择
●运行
●自动手动选择
●ATC投入/切除
●自动同期投入/切除
●功率闭环投入/切除
●调节级压力闭环投入/切除
●主蒸汽压力限制投入/切除
●CCS方式投入/切除
●目标值设定
●升速率设定
●负荷率设定
●TV/GV阀门切换
●单阀/顺序阀切换
●旁路投切
●阀位限制
●超速试验
●主汽门严密性试验
●调门严密性试验
●阀门活动试验
2.3.2高/中压汽缸温度
画面名称：
汽缸温度
图2.2高/中压温度
该画面显示了高/中汽缸上主要的温度测点分布及实际测量值。
2.4系统软件
国电智深控制技术有限公司的EDPF-NT+系统是一个优秀的集散控制系统，它的系统软件以多功能处理器为核心，具有使用方便、便于调试、容易理解，充分适应了其硬件设计的特点，既满足了从简单到复杂的控制回路、顺控、优化控制的有关策略，便于对控制对象进行设计和组态。
EDPF-NT+系统是专门为过程控制设计的，它以生产过程中多种控制工艺流程和算法、控制技术为依据，经过国电智深控制技术有限公司公司不断优化完善，形成了特殊的功能算法。
功能算法内存放了大量算法和相关参数。
功能算法是一种标准的子程序，按照职能可划分为以下几种：
●函数运算类
●常数设定类
●控制算法类（PID）
●信号转换和选择类
●硬件接口类
●I/O类
●脉冲与定时器类
●模件控制类
●通讯类
●其它类
对多功能处理器的组态，可使用这些功能算法，利用运行在WindowsNT环境下的VISIO2003组态工具，实现DEH控制功能。
3.系统设计原则
●系统符合“故障-安全”设计准则，当系统失电时保证可靠停机，并对可能的误操作应采取有效的防范措施。
●系统具有自诊断、自恢复和抗干扰能力。
●控制系统依据分层、分散控制原则，除了控制器冗余外，对重要的I/O信号和I/O模件也进行冗余配置。
●冗余的高速通讯网络保证信息通畅，并具有与DCS的通讯接口。
●除满足机组启动运行控制要求外，系统具有足够的I/O裕量和能力以便未来进行功能扩展。
●硬件选择力求可靠、先进。
●功能设计应符合标准化、通用化、模块化的原则。
●操作站设计符合人机工程学要求，人机界面友好，信息丰富，操作简便可靠。
4.控制功能
DEH主要控制汽轮机转速和功率，即从汽机挂闸、冲转、暖机、进汽阀切换、同期并网、带初负荷到带全负荷的整个过程，通过TV、GV、IV和RSV实现，同时具备防止汽机超速的保护逻辑。
国电宝庆电厂DEH控制功能分别由两对冗余的控制器实现，即基本控制（ＯＡ）和自启停（包括转子应力计算）（ATC）。
这两部分既相互独立，同时又通过控制总线交换控制信息或状态。
基本控制部分分为超速保护部分和常规基本控制部分。
4.1超速保护部分
超速保护部分的主要作用是提供转速三选二、油开关状态及汽机自动停机挂闸（ASL）状态三选二、超速保护逻辑、超速试验选择逻辑以及DEH跳闸逻辑，它控制着OPC电磁阀，同时汇总DEH相关跳闸信号后通过硬接线送ETS。
4.1.1系统转速选择
转速三选二实际上是三取中逻辑，即由三路转速信号中的两路先分别大选，然后再对三个大选结果进行小选。
图4.1三选二逻辑
当出现以下情况时认为系统转速信号故障：
●任意两路转速故障
●一路转速故障，另外两路转速偏差大
发生系统转速故障后，DEH自动给ETS发送一个超速跳闸命令。
4.1.2油开关状态
DEH判断机组是否并网的唯一根据是油开关状态，因此该信号的重要性不言而喻。
在进行电气假并网试验时，为防止汽机超速要求在程序里对合闸信号进行强制。
试验完毕后要将油开关信号进行恢复。
基于同样的原因，DEH判断汽机是否挂闸也是通过对AST母管压力的三取二实现的。
4.1.3超速保护
超速保护（OPC）通过控制OPC电磁阀快速关闭GV和IV，有效防止汽轮机转速飞升，并将转速维持在3000RPM。
它实际上由两部分组成：
并网前转速大于103％保护和并网后甩负荷预感器（LDA）。
并网前以下条件引起OPC保护动作：
●未进行电气超速或者机械超速试验转速超过3090RPM
●进行OPC动作实验
发电机解列瞬间如果中压缸排汽压力（IEP）大于额定值的15％或者该测点发生故障，则无论此时转速是否超过3090RPM，OPC电磁阀都要动作3秒，这就是甩负荷预感器的功能。
4.1.4DEH跳闸
国电宝庆电厂2×660MW汽轮机跳闸功能是由ETS控制AST电磁阀实现了，DEH只汇总以下的跳闸条件，它并不直接控制AST跳闸电磁阀：
●DEH请求停机（110超速）
●轴瓦温度高
●高压排汽温度高停机
●DEH失电停机
●高压透平压比低跳机
4.1.5超速试验
超速试验必须在3000RPM定速（转速大于2950RPM）、油开关未合闸的情况下进行，它包括OPC超速试验（103％）、电气超速试验（110％）和机械超速试验（111～112％）。
这三项试验在逻辑上相互闭锁，即任何时候只有一项超速试验有效。
对于机械超速试验，除满足上述条件外，DEH手操盘上的“超速保护”钥匙开关必须在“试验”位。
在电气或者机械超速试验过程中，如果汽机转速超过3360RPM仍未跳闸，为安全起见DEH将无条件发出超速跳闸指令送ETS。
4.2基本控制部分
基本控制部分是DEH的核心，它提供与转速和负荷控制相关的逻辑、调节回路，所有闭环控制的PID调节器和伺服阀接口均通过一对冗余的控制器实现。
这部分还包括与自动控制有关的其他功能，如设定值/变化率发生器、限值设定、阀门切换、阀门管理、阀门试验、控制回路切换以及阀门校验等。
与基本控制有关的重要模拟量，如发电机有功功率、主蒸汽压力、中压排汽压力和调节级压力同样也是三取二。
4.2.1远方挂闸
导致汽机跳闸的原因总结起来有两个：
一个是汽机危急保安装置动作后保安油压消失，薄膜阀动作后将AST母管内EH抗燃油排泄掉，所有阀门关闭；另外一个是AST跳闸块上AST电磁阀动作后直接将抗燃油排掉引起阀门全部关闭。
远方挂闸的作用就是复位危急保安机构，即DEH通过控制安装在汽轮机前箱附近的板式气动挂闸电磁阀使得保安油压重新建立起来；远方复位ETS则是指通过DEH送出复位AST跳闸电磁阀指令给ETS，使AST跳闸电磁阀恢复带电状态，从而恢复AST母管油压。
远方挂闸、ETS复位操作都是时间长度为10秒的脉冲信号，即命令发出10秒后自动消失；如果汽机仍未挂闸，则DEH给出“脱扣”指示。
（注：
汽机挂闸也可通过运行人员操纵前箱附近跳闸杠杆手动挂闸；同样，ETS也可通过ETS操作盘上的复位按钮实现。
）
4.2.2转速控制
国电宝庆电厂2×660MW汽轮机是由TV控制冲转的。
汽机挂闸后，GV、RSV全开，TV保持关闭、IV保持关闭。
运行人员通过DEH画面设定目标转速和升速率；一旦目标值发生改变，程序自动进入“保持”状态，当运行人员选择“执行”命令后，转速给定按照事先设定的升速率向目标值爬升，转速PID在偏差的作用下输出增加，按照阀门曲线开启TV、IV汽机实际转速随之上升。
当转速给定与目标值相等时，程序自动进入“保持”状态，等待运行人员发出新的目标值。
升速过程中，运行人员可随时发出“保持”命令（临界区除外），这时，转速给定等于当前实际转速，汽机将停止升速，保持当前转速。
为保证汽机安全通过临界区，当实际转速在600-1000RPM，1400-1800RPM，2100-2300RPM，2650-2850RPM时，转速进入临界区，此时，升速率自动设置为500RPM/min。
转速临界区的范围可通过工程师站在线修改。
当转速达到2900RPM时，程序自动进入“保持”状态，表示进入TV/GV切换阶段。
运行人员发出TV/GV切换命令后，GV开始以1％/s的速率缓缓关闭；当GV已影响到汽机转速时，TV以2％/s开启。
当TV开度达到100％时，汽机转速由GV控制，TV/GV切换结束。
TV/GV切换过程中，汽机转速将保持在2900RPM附近。
切换结束后，GV控制汽机升速到3000RPM。
3000RPM定速后，可以进行自动同期。
DEH对自同期装置发出的增/减脉冲指令进行累加，产生转速目标值，并通过限幅器将累加后的目标值限制在同期转速允许范围内（2950～3050RPM）。
如果自动同期方式无法投入，其原因如下：
●转速超过2950～3050RPM
●汽机跳闸
●发电机并网
●系统转速故障
●自同期装置未发出允许信号
●自同期增/减信号品质坏
4.2.3自动带初负荷
发电机并网后，DEH在现有GV阀位参考值上加3％，这个开度对应于大约3％的初负荷。
初负荷的实际大小决定于当时主蒸汽压力，因此引入了主蒸汽压力进行修正，即主汽压较高时阀门开度小，反之则较大。
初负荷大小可以在工程师站上修改
4.2.4负荷控制
负荷控制一般分为开环和闭环两种方式。
所谓闭环指的是控制过程引入发电机有功功率反馈或者主蒸汽压力反馈，此时汽机GV受负荷PID或者主蒸汽压力PID的控制调节；开环方式则需要运行人员随时注意注意实际负荷的变化，目标负荷与实际负荷的近似程度依赖于GV阀门流量曲线和当前蒸汽参数。
开环负荷控制也称为阀位方式。
此外，协调方式也是负荷控制的一种，只不过它属于协调运行的范畴。
刚投入发电机功率闭环时，目标负荷和负荷给定跟踪当前实际负荷，以便保证功率闭环投入时无扰。
运行人员可根据需要设定负荷目标值和升负荷率，最大升负荷率为100MW/min。
一旦目标负荷发生改变，程序自动进入“保持”状态，当运行人员发出“执行”命令后，负荷给定按照设定好的负荷率向目标值逼近。
当负荷给定等于目标值时，重新进入“保持”状态。
投入功率闭环回路的允许条件如下：
●有功功率变送器没有故障
●汽机负荷在8～660MW之间
●网频波动在50±0.5Hz范围以内
●调节级压力闭环未投入
●阀位限制未动作
●负荷高限未动作
●主汽压限制未动作
●RUNBACK未发生
●汽机未跳闸
●油开关合闸
4.2.5调节级压力控制回路
该控制回路，以操作员设定作为给定值，以实际第一级压力为反馈，通过回路里的PI调节器控制机侧调节级压力。
调节级压力回路可与其它回路进行无扰切换。
投入调节级压力控制回路的允许条件如下：
●第一级压力变送器没有故障
●第一级压力在2～25MPa之间
●网频波动在50±0.5Hz范围以内
●功率闭环未投入
●阀位限制未动作
●负荷高限未动作
●主汽压限制未动作
●RUNBACK未发生
●协调方式未投入
●汽机未跳闸
●油开关合闸
4.2.6阀位控制回路
作为本系统DEH的辅助控制回路，运行人员通过阀位设定操作来改变调节汽门的开度，从而达到调整机组负荷的目的。
它赋予运行人员最大限度的权力与灵活性，同时它又是各闭环控制回路的后备，当这些回路出现故障（如测量信号失效）时，DEH自动切换到手动控制方式，切换为无扰切换。
锅炉稳定燃烧后，DEH可转入协调方式。
国电宝庆电厂协调控制方案为“机跟炉”方式，DEH接收来自机炉主控器的指令自动调整汽机负荷，此时DEH将负荷变化率设定为100MW/min（放开限制），即协调方式下汽机负荷的变化取决于机炉主控器指令的变化，DEH完全按着协调控制来的综合指令控制汽机。
协调方式投入的允许条件如下：
●锅炉控制允许
●阀位限制未动作
●负荷高限未动作
●主汽压限制未动作
●RUNBACK未发生
●自动控制方式
●汽机未跳闸
●油开关合闸
4.2.6主蒸汽压力限制/保护（TPR）
主蒸汽压力限制功能投入后，当机前压力降低到保护限值以下时，GV将以1％/s的速率关闭，直到机前压力恢复到限值之上0.07MPa或GV参考值小于20％为止。
DEH的汽压保护功能主要用于单元制机组在锅炉异常运行工况时恢复稳定燃烧，有助于防止锅炉灭火事故的发生；汽压保护动作过程中，由于GV关闭，主汽压将得以回升，但汽机负荷也会随之下降，因此建议机组在接近额定参数下运行时投入。
投入汽压保护功能必须满足以下条件：
●主蒸汽压力变送器工作正常
●主汽压大于90％额定值
●主汽压大于其保护限值0.35MPa
●油开关合闸
●自动控制方式
4.2.7负荷限制
负荷限制功能分为高负荷限制和低负荷限制。
高负荷限制允许运行人员设定负荷最大值，当实际负荷超过负荷高限时，发出高限报警并自动将负荷降低到限值以下。
高负荷限制功能只有在并网后才起作用，所设定的限值不得低于当前实际负荷。
低负荷限制则是保证实际负荷不低于运行人员设定的负荷最小值，低负荷限制起作用时，DEH只发出低限报警，负荷恢复必须由人工完成。
负荷低限的设定不得高于当前实际负荷。
4.2.8阀位限制
阀位限制功能允许运行人员设定平均阀位的最大值。
当平均阀位超过阀位限制时将产生报警。
汽机跳闸方式下，阀位限值自动设定为100％。
4.2.9频率校正
频率校正实际上就是机组参加电网的一次调频。
只要系统转速没有故障，就可以在并网后参加调频。
为了机组稳定运行，不希望机组因为网频变化频繁调节，因此设置了±2RPM的死区。
当投入协调方式运行时，系统控制系统发送给DEH的负荷指令已经包含了频率修正分量。
国电宝庆电厂660MW汽轮机一次调频不等率为3～6％连续可调。
4.2.10RUNBACK
当接收到外部系统RUNBACK命令后，按照预先设定好的速率减负荷，直到RUNBACK命令消失或者达到减负荷目标终值。
DEH提供三档RUNBACK接口，分别是：
RB1：
以100％/m的速率减负荷至20％
RB2：
以50％/m的速率减负荷至20％
RB3：
以50％/m的速率减负荷至10％
这三档RUNBACK速率和目标值均可根据电厂要求进行修改。
4.2.11单阀/顺序阀切换
单阀/顺序阀切换的目的是为了提高机组的经济性和快速性，实质是通过喷嘴的节流配汽（单阀控制）和喷嘴配汽（顺序阀控制）的无扰切换，解决变负荷过程中均匀加热与部分负荷经济性的矛盾。
单阀方式下，蒸汽通过高压调节阀和喷嘴室，在360°全周进入调节级动叶，调节级叶片加热均匀，有效地改善了调节级叶片的应力分配，使机组可以较快改变负荷；但由于所有调节阀均部分开启，节流损失较大。
顺序阀方式则是让调节阀按照预先设定的次序逐个开启和关闭，在一个调节阀完全开启之前，另外的调节阀保持关闭状态，蒸汽以部分进汽的形式通过调节阀和喷嘴室，节流损失大大减小，机组运行的热经济性得以明显改善，但同时对叶片存在产生冲击，容易形成部分应力区，机组负荷改变速度受到限制。
因此，冷态启动或低参数下变负荷运行期间，采用单阀方式能够加快机组的热膨胀，减小热应力，延长机组寿命；额定参数下变负荷运行时，机组的热经济性是电厂运行水平的考核目标，采用顺序阀方式能有效地减小节流损失，提高汽机热效率。
对于定压运行带基本负荷的工况，调节阀接近全开状态，这时节流调节和喷嘴调节的差别很小，单阀/顺序阀切换的意义不大。
对于滑压运行调峰的变负荷工况，部分负荷对应于部分压力，调节阀也近似于全开状态，这时阀门切换的意义也不大。
对于定压运行变负荷工况，在变负荷过程中希望用节流调节改善均热过程，而当均热完成后，又希望用喷嘴调节来改善机组效率，因此这种工况下要求运行方式采用单阀/顺序阀切换来实现两种调节方式的无扰切换。
假设阀门切换过程中汽机运行工况稳定，即真空和主蒸汽参数不变，不考虑抽汽的影响，汽机的负荷仅由蒸汽流量决定，而各个调节阀所控制的流量也只和阀门开度有关，那么可以认为汽机负荷进仅是阀门开度的单函数。
用
表示汽机负荷，
表示阀门开度，则单阀方式下：
顺序阀方式下：
单阀/顺序阀切换的中间过程任意状态下：
如果要求单阀/顺序阀方式及切换过程中负荷无扰动，则：
即：
由于4个高压调节阀设计相似，理想情况下认为完全相同，并假设经阀门曲线修正后，阀门开度与流量成正比，即阀门开度与汽机负荷成正比，则：
所以，满足阀门无扰切换的条件为：
显然，这个问题有很多解。
为简化问题，可以设定边界条件：
满足该边界条件的最简单解是：
，且
其中，
称为单阀系数，
称为顺序阀系数。
当阀门处于单阀方式时：
，
当阀门处于顺序阀方式时：
，
而阀门处于切换的中间状态时（既非单阀也非顺序阀）：
＜
＜
，
＜
＜
，
单阀/顺序阀切换就是按照上述思想设计的，单阀系数乘以单阀开度指令与顺序阀系数乘以顺序阀开度指令相加后得到的就是各个阀门实际的开度指令。
单阀指令和顺序阀指令是当前负荷指令分别经过单阀曲线和顺序阀曲线转换后得出的。
在实际的阀门切换过程中，上述分析中的假设条件是难以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动；但如果投入闭环控制，负荷扰动在一定程度上可以得到改善。
投入主汽压压力控制回路与此类似。
上述限制过程对运行人员的操作没有任何要求。
这样，阀门切换过程中如果投入功率闭环，则功率控制精度在3%以内；单阀/顺序阀切换也可以开环进行，显然，此时负荷扰动的大小与阀门特性曲线的准确性及汽机运行工况有关。
国电宝庆发电厂660MW汽轮机高压调节阀的顺序阀的开启顺序为GV#1/GV#2→GV#3→GV#4即GV#1和GV#2同时开启，然后是GV#3、GV#4最后开启。
关闭顺序与此相反。
单阀/顺序阀切换时间为10分钟（可调）；当阀位参考值大于99.9％（阀门全开）或小于0.1%（阀门全关）时，切换瞬间完成。
图4.2660MW汽轮机阀门/喷嘴布置
图4.3660MW汽轮机顺序阀流量曲线
图4.4660MW汽轮机单阀流量曲线
在单阀向顺序阀切换过程中或阀门已处于顺序阀方式时，如果汽机跳闸或出现任一个GV紧急状态，即实际阀位和控制系统给出的阀位指令之间偏差大于设定的限值，则强行将阀门置于单阀方式。
这种情况下强制成单阀方式可以减小负荷扰动。
4.2.11阀门试验
阀门试验分为阀门严密性试验和活动试验两部分。
阀门严密性试验在3000RPM定速后油开关合闸前进行，其目的是检验主汽门和调节门的严密程度，保证事故工况下阀门能可靠地关闭，截断蒸汽进入汽缸，防止超速。
严密性试验分别对主汽门（TV/RSV）和调节门（GV/IV）进行试验。
主汽门严密性试验开始时，DEH将TV阀位指令设置为零，同时使RSV试验电磁阀带电，TV/RSV关闭；主汽门关闭后造成汽机转速下降，而目标转速仍为3000RPM，因此产生了转速偏差，转速PID在该偏差的作用下输出增加至100％，使GV和IV全开。
调门严密性试验时，TV/GV已经在3000RPM定速前完成切换，所以TV始终保持全开；RSV试验电磁阀处于失电状态，RSV也是打开的，DEH将GV/IV阀位指令设置为零，关闭GV/IV。
无论是主汽门严密性试验还是调门严密性试验，由于未试验的阀门在全开位置，因此试验结束后，为保证安全运行，防止汽机超速，运行人员必须发出跳闸指令，打闸停机，这就意味着每次严密性试验结束后汽机都需要重新挂闸、升速。
汽机并网后，TV、RSV和IV全部开启，因此必须定期对阀门做活动试验，以防止卡涩。
按照660MW汽轮机运行规程，阀门活动试验单侧分组进行：
TV1和GV1/GV4，TV2和GV2/GV3，RSV1和IV1/IV3，RSV2和IV2/IV4一共四组，任何时候只有一组试验有效，即阀门活动试验必须单侧进行。
高压主汽门活动试验开始时，处于所试验TV侧的两个GV先以1.
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