1000MW超超临界机组DCS控制系统仿真调试技术研究

第38卷 第12期2010年12

月V o.l38 N o.12 D ec. 2010

1000MW超超临界机组DCS控制系统

仿真调试技术研究

祝建飞,姚 峻,沈丛奇

(华东电力试验研究院有限公司,上海 200437)

摘 要:在控制系统实际投用前进行仿真调试能降低设备实动的风险,缩短实际调试时间。但由于仿真模型搭建困难、组态时间紧张等原因,对新建机组DCS系统进行仿真调试的较少。指出仿真调试的关键是如何建立一套简化的仿真模型,并和常规DCS仿真再现进行了比较。结合工程实践,针对1000MW超超临界火电机组用OVAT ION组态工具在DCS系统内部搭建了主要开关量设备和模拟量控制对象的简化模型,并进行了仿真调试,完成控制功能测试和控制参数初设,从而为DCS系统实际调试和正常投用创造有利条件。

关键词:DCS系统;仿真调试;简化模型;功能测试

作者简介:祝建飞(1972 ),男,硕士,高级工程师,主要从事电厂热工自动化的研究和应用。

中图分类号:TM621.6 文献标志码:B 文章编号:1001 9529(2010)12 1946 05

R esearch on Si m ulation Comm issioni n g Technology of DCS Control Syste m

in1000MW U lt ra supercriticalUnit

Z H U J ian f ei,Y A O Jun,S H EN Cong q i

(East China E lectric Pow er T est and R esea rch Instit ute Co.,L td.,Shangha i200437,Ch i na)

Abstrac t:S i m ulati on comm issi on i ng o f the con tro l syste m befo re the practi ca l ope ra tion cou l d reduce the risk i n the e qu i p m ent prac tica l acti ons and t he practica l comm i ssi on i ng ti m e.H ow ev er,little s i m u l ation co mm ission i ng o f the DCS in the ne w l y bu ilt unit w as m ade because of t he d ifficulties in buil d i ng the si m ulation m ode l s and ti ght confi gurati on ti m e.H ow to buil d a set o f si m plified models w as po i n ted out to be the key of t he si m ulati on comm ission i ng,and the compar i son was m ade w it h no r m al DCS si m u lati on reproduction.Co m bined w it h t he eng i neeri ng prac tice,t he si m pli fi ed m ode ls o f the m ai n s w itch value equ i p m en ts and analog contro l objects w ere bu ilt i n the DCS by usi ng OVAT ION confi gurati on too ls f o r a1000MW u ltra supercritical un it,and the si m u lati on comm ission i ng w as m ade.T he contro l functi on tests and initial setti ngs o f t he contro l para m ete rs w ere realized,wh i ch created favorab le conditions fo r the practi ca l comm ission i ng and nor m a l operati on of t he DCS.

K ey word s:DCS;si m u l a ti on comm i ssi on i ng;si m plifi ed m ode;l f uncti on test

分布式控制系统(D i s tributed Contro l Syste m,简称DCS)是火电机组的 中枢神经系统,它能实现顺序控制、保护跳闸、自动调节、参数监控等功能。随着火电机组自动化程度的提高,对DCS 控制系统提出的要求也越来越高,DCS系统能否正确实现设备保护、自动控制等功能密切关系到机组的安全正常运行,故在逻辑设计和功能组态时对DCS系统进行全方位的控制功能测试是十分必要的。但由于仿真模型搭建困难,测试方法缺乏等原因,在DCS系统出厂前进行全面功能测试存在较大难度,往往要等到现场实际调试时,才能对控制系统进行功能测试,造成设备实动的安全风险和实际调试时间延长。本文主要探讨如何在DCS系统投用前对其进行有效的控制功能测试,即在实际调试前先进行仿真调试,从而尽早发现并解决问题。

仿真调试指在控制系统实际投用前,通过对控制对象进行仿真模拟,实现以下两方面目的。

(1)功能测试,即测试控制策略是否合理、逻辑组态是否正确、前台画面显示和后台控制逻辑是否链接正常,从而尽早发现问题,及时消除逻辑设计、软件组态中的错误,将原先可能要在实际调试时才能暴露的问题消除在萌芽状态,降低设备实动的安全风险。

祝建飞,等 1000MW超超临界机组DCS控制系统仿真调试技术研究1947

(2)参数初设,即在仿真调试中对一些控制参数进行初步设置,这样大部分控制回路已基本可用,待现场调试时根据实际情况进行参数细调,这样可以大大缩短实际调试时间,节约调试费用,使机组早日投入生产,创造经济效益。

1 仿真调试现状及分析

仿真调试在汽轮机DE H和驱动给水泵的小汽机MEH控制系统中已有应用先例,在DCS控制系统中也曾对部分回路进行过仿真调试,例如,燃机联合循环机组AGC功能开发中对燃机和汽机负荷协调控制回路进行的仿真调试,大大缩短了实际试验时间[1]。但在新建火电机组DCS控制系统功能组态工作中,对控制系统进行仿真调试的,国内鲜有文献报道。经分析,其原因主要如下:

(1)DCS组态的时间紧 新建电厂项目DCS 系统组态时间很紧张,甚至有些组态工作要到现场去完成,往往无暇顾及组态完成后的测试工作,只能在现场调试时对DCS系统进行实际测试。

(2)仿真模型搭建难度大,费时费力 在DE H、ME H控制系统中,汽轮机控制对象的模型搭建相对较简单,而在DCS控制系统中,涉及的控制对象数量多,特性复杂,仿真模型的搭建具有相当难度。另外,模型搭建时所用的组态工具只能提供有限的算法模块,如何根据组态工具的特点搭建出简单实用的仿真模型也非易事。

(3)用户不够重视 电厂用户在进行DCS 系统出厂验收时,一般比较重视DCS的硬件设备性能,如控制器的冗余切换是否成功,I O卡件是否工作正常等。而对DCS的软件功能往往只是检查组态画面是否按要求完成,控制对象有否遗漏,而相对容易忽视检验控制功能是否能正常实现。其原因一方面是缺乏有效手段进行验证;另一方面,用户也会寄望于现场调试过程来对控制功能进行实际检验并解决可能存在的问题。这样功能组态中存在的问题往往要等到调试阶段才能发现,其中有些问题的暴露可能需要付出机组跳闸的代价,从而延长实际调试时间,造成电厂一定的经济损失。

2 仿真调试实现方法

进行仿真调试的关键是如何利用DCS组态工具来搭建控制对象的仿真模型,从而实现控制回路的闭环,完成控制功能测试。如果缺乏仿真模型,控制指令发出后不能形成反馈,只能进行静态的回路检查,而很多组态错误和功能缺陷只靠静态检查是根本无法发现的。实际对象和仿真模型的控制回路比较见示意图1。图1的左侧表示有实际对象参与的过程,DCS控制器进行逻辑运算后通过I/O卡件输出执行指令,进行设备启停或者阀门(调门)开关操作,从而改变运行参数,经I/O卡件将参数输入至DCS控制器,由控制器经过分析比较后再发出新的控制指令,从而形成控制闭环。但在仿真调试阶段,不存在实际的设备对象,为了形成闭环需要对控制对象进行仿真,并通过仿真计算来改变运行参数,见图1的右侧部分。在仿真调试过程中,由于仿真模型是搭建在DCS系统内部的,故虚化了实际的I/O输入输

出。

图1 实际对象和仿真模型对比示意图

目前有3种DCS系统仿真方式[2 4],即模拟DCS(S i m ulation DCS)、虚拟DCS(V irtual DCS)和激励DCS(Sti m ulati o n DCS),分别根据DCS的控制设计、离线组态和系统运行等生命周期的不同阶段获取相应资源而实现,见图2。文献[2~4]着重介绍了虚拟DCS实现的方法,文献[4]给出了虚拟DCS的一个应用实例,文献[5]则介绍了基于OVATI O N系统的一个全激励仿真实例。但仿真调试中的模型仿真不同于上述3种仿真形式,

其主要区别有两点。

图2 DCS仿真再现的3种形式

(1)仿真模型建立的物理地址和方法不同

模拟DCS和虚拟DCS均是将实际DCS在非DCS的计算机系统中实现,其控制对象的仿真模型也建立在DCS系统之外;而激励DCS虽然采用了DCS的控制器、组态软件及相关设备,但其控

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制对象的仿真模型也是建立在DCS 系统之外,然后通过某种协议来和DCS 通讯。仿真模型在非DCS 系统中实现,其方法和手段较多,能进行复杂的数学计算,具有较高的模型仿真度。而仿真调试则是利用DCS 组态工具,在DCS 系统内搭建控制对象的仿真模型,由于组态工具只能提供有限的计算模块,无法进行复杂运算,故对一些控制特性复杂的对象很难实现高精度仿真。

(2)进行仿真的目的和要求不同

上述3种仿真形式,主要用于运行人员的操作培训或控制策略的研究分析等,故要求建立的仿真模型具有相当高的仿真度,否则不能满足培训和研究的需要。而仿真调试的目的主要用于功能测试和参数初设,以尽早暴露并解决问题,缩短实际调试时间,故对仿真模型并不要求很高的仿真度,能有效代表对象特性的简化模型即能满足仿真调试的要求。

3 模型搭建及仿真调试过程

上海上电漕泾发电有限公司(以下简称漕泾电厂)新建2台1000MW 超超临界火力发电机组,结合该机组DCS 控制功能设计及软件组态工作,开展了DCS 控制系统仿真调试技术的研究,并用组态工具在DCS 系统内搭建了主要控制对象的简化仿真模型,进行了仿真调试。该机组锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG 2956/27.46 M 534超超临界直流锅炉,单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风。汽轮机为上海汽轮机有限公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机,额定功率1000MW 。机组的DCS 控制系统采用艾默生公司的OVATI O N 系统(UN I X 版本)。

3.1 开关量设备的模型搭建及仿真调试

开关量设备,如二位制电动门、电磁阀、电动辅机等,在火电机组的设备中占有较大比例,这部分控制对象的模型仿真比较容易实现。可以将这些设备类似为一个RS 触发器,设备开关(或启停)指令发给RS 触发器,由触发器将开关反馈(或启停反馈)置位或者复位(经过一定延时)。仿真模型的例子参见图3,适用于双指令输出的电动门、电磁阀或者电动辅机。

开关量设备的模型建立后,可以进行这些设备的仿真调试,

测试前台画面和后台逻辑是否正

图3 适用于双指令输出的开关量设备

常链接,联锁保护动作是否正确,顺控步骤能否正常完成等。在测试过程中发现问题,马上查找原因并加以修改,这样能确保开关量设备的控制功能已正确组态。在现场实际调试过程中,调试人员可以将精力放在DCS 系统和外部接线等环节,而无需费神费时在DCS 系统内部的前后台链接、画面显示等问题上,缩短实际调试时间。3.2 模拟量回路的模型搭建及仿真调试使用组态工具中有限的计算模块来搭建简化适用的控制对象仿真模型,是实现仿真调试的技术难点和技术关键。

3.2.1 汽水系统的仿真模型

(1)给水流量、压力的仿真

给水泵转速设定值经过一个惯性环节形成给水泵实际转速,实际转速再经过惯性环节和量纲转换分别形成给水压力和流量。当然给水压力和流量之间是相互影响的,将两者简化为转速的单值函数并不影响仿真调试效果。

(2)汽水分离器压力、水位的仿真

汽水分离器的压力是按照给水压力来确定的,并简化认为两者只是相差一个固定的压损值,另外还考虑了汽机调门开度的影响。在直流锅炉湿态阶段,分离器水位的对象特性在给水扰动下可以看成一个惯性环节和一个积分环节的并联

[6]

,这里简化为进出分离器工质流量之差的积分,并进行初始值处理。

(3)蒸汽流量的仿真

首先是确定一级过热器入口蒸汽流量,加上

过热喷水流量,再考虑汽机调门开度变化的动态影响,即形成主蒸汽流量。采用质量守恒和能量守恒的原理,并引入工质干度来计算确定一过入口流量,实现直流锅炉在湿态、干态情况下蒸汽流量的全过程仿真,解决了直流锅炉汽水系统仿真调试中的一个难点。

另外,还根据锅炉燃料量、燃料热值、锅炉效率计算出锅炉燃料放热量,在后面的蒸汽温度仿真中会多次用到该值。

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(4)蒸汽温度的仿真

OVATI ON 组态工具提供了工质焓值计算模块,但不能通过焓值和压力计算出温度。采用PI D 的积分功能来实现一种类似迭代的计算,可由蒸汽焓值和压力反算到蒸汽温度,成功实现温度仿真计算,仿真模型见图4

。

图4 由蒸汽压力、焓值反算温度的仿真模型

锅炉燃料放热量乘以一级减温前的受热面吸热系数,再除以一过入口流量,即得出蒸汽焓增。

该焓增加上分离器出口蒸汽焓值,即得到一级减温喷水前的焓值,再结合主蒸汽压力反算出蒸汽温度。将一级减温喷水流量表示为喷水阀门的函数,再由质量平衡和能量平衡公式计算出喷水减温后的蒸汽焓值和温度。

二级减温前后的温度仿真类似于一级减温,最后再计算末级过热器的焓增,得出主蒸汽温度。3.2.2 风烟系统的仿真模型

(1)炉膛负压的仿真

燃料量经过系数转换加上锅炉总风量可以代表烟气量,引风机静叶经过函数转换后代表抽吸能力,两者之差进行积分计算得出炉膛压力。炉膛压力为有自平衡能力的对象,故简化处理为炉膛压力的反馈信号经过系数变换后再去改变积分器入口的差值。炉膛负压仿真计算的简要框图见图5。

(2)二次风量、风压的仿真

二次风压和炉膛负压之差(也即风箱/炉膛差压),经过一个转换系数和惯性环节,得出二次风流量;送风机动叶开度经过函数转换后和二次风流量之差进行积分得出二次风压。因为二次风压具有自平衡能力,故简化处理为二次风压的反馈信号去改变积分器的入口偏差(

与炉膛负压的

图5 炉膛负压仿真计算简要框图

简化处理类似)。

(3)一次风量、风压的仿真

一次风机挡板开度经过函数转换后再和总一次风流量之差进行积分,得到一次风压力,由于一次风压具有自平衡能力,由一次风压的反馈信号

去改变积分器入口偏差(与炉膛负压的简化处理

类似)。一次风压经过系数转换,并考虑磨煤机冷热风门的开度,再经过一个惯性环节,则得到磨煤机一次风流量。所有的磨煤机一次风量相加则得出总一次风流量。

(4)烟气氧量的仿真

烟气的含氧量和风煤比有关,即总燃料量和总风量的比例关系可以表示成省煤器入口的烟气氧量,从而实现对氧量的仿真计算。3.2.3 燃料量、发电机功率等仿真模型

(1)锅炉燃料量的仿真

由给煤机转速设定值经过一个惯性环节,得到给煤机实际转速,再经过函数转换,则得出给煤机煤量的仿真计算值。各台给煤机煤量的累计值即为锅炉总的燃料量。

(2)发电机功率的仿真

发电机功率表示为主蒸汽流量的函数,并考虑一定的惯性环节;或者直接表示为锅炉燃料量的函数,并经过2至3阶的惯性环节。

(3)磨煤机出口温度的仿真

磨煤机出口风粉混合温度表示为磨煤机入口一次风温和给煤机煤量的函数。而磨煤机入口一次风温和冷热风门开度、锅炉负荷有关,采取质量平衡和能量平衡的原理,进行简化计算得出。3.2.4 模拟量回路的仿真调试过程

汽水系统的仿真模型搭建完成后,可以仿真

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12)

计算出给水泵转速、给水流量、分离器水位、分离器出口焓值(温度)等参数,从而可以对直流锅炉湿态、干态下的给水控制及无扰切换进行仿真调试。通过仿真得出各段蒸汽温度和减温喷水流量后,则能对一级、二级喷水减温控制回路进行仿真调试。

风烟系统的仿真模型搭建完成后,可以仿真计算出炉膛负压、二次风量及风压、一次风量及风压,从而可以对引风机炉膛负压控制回路、送风机二次风量控制回路、一次风机一次风压控制回路进行仿真调试。另外,通过烟气含氧量的仿真计算,可以对氧量校正回路进行仿真调试。通过磨煤机出口温度的仿真计算,可以对磨煤机冷、热风门进行仿真调试。

通过仿真计算得出燃料量后,可以对燃料主控F M 进行仿真调试;通过仿真计算得出主汽压和发电机功率后,可以对锅炉主控B M 进行仿真调试,并可以对各种协调控制方式以及方式间的切换进行功能测试。协调控制是机组最上层的自动控制回路,该回路仿真调试成功意味着机组主要的模拟量控制回路已通过测试。在模拟量回路仿真调试的后期,还通过手动停运一台风机等辅机设备而模拟进行了RB 试验,从而对RB 控制功能也进行了测试。

4 结语

在DCS 控制系统仿真调试的具体过程中要对不同的组态工具加以区别研究,对应使用不同

的仿真方法。但不管工具如何,对象模型的搭建方法基本类似。

在仿真调试和功能测试过程中,应未雨绸缪尽早解决功能组态中存在的问题,并对控制参数进行初步设置,提升控制系统软件组态质量,为控制系统实际投用及现场调试打下良好基础。如在漕泾电厂1000MW 机组启动调试中进展顺利,实际调试时间较短,其中1号机组从首次并网到168h 试运结束只用了17d ,期间未发生一次热工保护误动,所有RB 试验均一次成功,并完成了包括AGC 控制在内的全部自动回路投用。取得这个成绩除了电厂有效管理、高质量安装、精心调试和监理到位等因素外,DCS 系统的仿真调试也为之做出了贡献。

参考文献:

[1]祝建飞,沈丛奇,胡 静.多轴布置燃机联合循环机组AGC 功能开放和试验研究[J ].华东电力,2008(3).[2]冷 杉.论虚拟分散控制系统技术[J].中国电力,2003(2).

[3]孙岩松,张 斌.基于先进虚拟DCS 技术的火电厂仿真系统简介[J ].华东电力,2007(7).

[4]韩 璞,王文治,翟永杰.基于虚拟DCS 的混合仿真系统设计与开发[J ].华北电力大学学报,2006(7).

[5]徐晓臻,刘永昌,吴 毅,等.基于OVAT I ON 的电站控制系统仿真方案设计[J].电站系统工程,2004(7).[6]

罗万金.电厂热工过程自动调节[M ].北京:中国电力出版社,2007年8月.

收稿日期:2010 09 14本文编辑:王延婷

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