西门子超（超）临界汽轮机DEH 控制系统优化

（浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁波 315612）

DEH（数字电液控制）系统在机组运行期间出现故障直接影响机组的正常运行，控制模式在异常方式下切换会直接导致机组跳闸。某厂二期2×1 000 MW 机组采用了西门子SPPA-TXP3000 DCS（分散控制系统），锅炉采用上海锅炉厂超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉。汽轮机采用了上汽和西门子联合设计制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机。在机组运行期间，发现西门子的控制逻辑存在漏洞，根据机组实际运行情况，有针对性地对西门子的控制逻辑进行了优化，提高了机组运行的安全性。

1 主蒸汽压力回路优化

1.1 事件经过

2020-01-07 T 18:42:19，5 号机组负荷663 MW，主蒸汽压力17.2 MPa，主蒸汽温度594 ℃，机组处于升负荷阶段，DEH 主控画面“BLOCKED STOP”（闭锁负荷）报警、“CONTROLLER NOT OK”（控制器故障）报警。

2020-01-08 T 00:17:47，5 号机组负荷452 MW，主蒸汽压力11.9 MPa，主蒸汽温度550 ℃，机组处于降负荷阶段，DEH 主控画面“BLOCKED STOP”报警、“CONTROLLER NOT OK”报警。

2020-01-08 T 02:34:26，5 号机组负荷405 MW，主蒸汽压力12.7 MPa，主蒸汽温度559.7℃，机组处于降负荷阶段，DEH 主控画面“BLOCKED STOP”报警，负荷闭锁，如图1 所示。

图1 控制器故障负荷闭锁报警

1.2 原因分析

经检查前2 次负荷闭锁是由于“CONTROLLER NOT OK”报警中的“NPR NONCONING”负荷不一致报警引起，变负荷过程中，负荷控制器NPR 输出快速增加至110%，FM458 主控制器数据和从控制器数据偏差绝对值大于0.045，延迟时间超过控制器的超时延迟冗余故障时间TF（1 s）时，校正控制器输出不一致QF 报警，闭锁负荷，如图1 所示。

第三次闭锁负荷的原因是主汽压力偏差大于500 kPa，触发闭锁减负荷，DEH 系统中3 个主汽压力设定值是由DCS 系统送入，3 个压力测点的扫描周期为400 ms，由于扫描步序不一致，压力设定值3 在第一个扫描周期内更新，压力设定值1 与压力设定值2 慢一个扫描周期，导致压力设定值3 与压力设定值2 偏差大于500 kPa，触发闭锁减负荷。

1.3 防范措施

经过与西门子人员讨论商议，对主汽压力回路进行优化：

（1）修改主从控制器数据不一致超时延迟冗余故障时间TF，由目前的1 s 修改为5 s。

（2）修改DCS 送至DEH 系统的3 个主蒸汽压力设定值功能块的扫描步序，让3 个压力设定值扫描步序一致。

（3）闭锁增减负荷的压力偏差（500 kPa）信号增加1 s 延时，消除因扫描周期不一致导致的压力偏差大闭锁负荷信号。

2 压力控制器切初压模式优化

2.1 存在隐患

超超临界机组蓄热能力较差，当机组参与深度调峰后，机组的性能得到了考验。西门子DEH 的控制策略存在隐患，在机组欠压升负荷过程中，可能会出现实际负荷大于负荷设定值的情况，当负荷偏差过大，运行手动将锅炉主控退出自动，协调将会退出，限压模式切换到初压模式，切换的瞬间存在负荷回路跟压力回路共同减小的相互作用，而且负荷控制器中逻辑功能块的运算周期为16 ms，压力控制器中逻辑功能块的运算周期为32 ms，短时间内经过多次切换，调门指令将迅速达到快关保护值，机组跳闸。

2.2 原因分析

西门子的DEH 系统由转速/负荷控制、主蒸汽压力控制、HP（高压缸）排气温度控制、基于HP叶片上游压力对限制压力控制、高压比控制、进汽设定值形成、阀位控制等部分组成，转速/负荷控制回路、主蒸汽压力控制回路和启动装置控制回路换算出指令，经过中央低选功能得到总流量指令，再通过高排温度控制器、高压叶片级压力控制器及阀位限制功能的限制，得出高中压调门及补汽阀的阀门开度，如图2 所示。

当负荷偏差过大，运行手动退出锅炉主控，限压模式切换到初压模式，压力控制器在32 ms内进行无扰切换，压力控制器在32 ms 内跟踪三选值最小输出，32 ms 后压力控制器S=0，压力控制器处于计算模式。当切初压模式后，负荷设定值叠加20.8 MW 偏置，积分时间由1 000 ms切换到250 ms，积分作用增强4 倍，由于负荷实际值还大于负荷设定值，积分作用向下，负荷控制器输出瞬时小于压力控制器输出，三选值选择负荷控制器输出。当初压切换后96 ms，主蒸汽压力控制器FPDPRIE=0，初压模式96 ms 后消失，压力控制器S=1，压力控制器处于32 ms 跟踪模式，压力控制器输出为式（1）所示，OSB 输出跟踪三选最小值，此时YR 跟踪负荷控制器输出YNPR，故SV=YR=YNPR，可计算出此时压力控制器输出值为式（2）所示：

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

由于实际压力仍然小于压力设定值，YFDPR小于YNPR，主蒸汽压力控制器有效FPDPRIE=1，S=0，YI 值为算法模块根据偏差计算的积分值，记为∫XD，此时压力控制器输出值为式（3）所示，初始值为式（2），若XD 持续小于0，则YFDPR在积分模块∫XD 作用下将加快速度减小；96 ms时，负荷控制器的设定值切换为负荷实际值，进入负荷控制器的偏差将大于0，但是由于前期负荷控制器积分的作用，负荷控制器将会有一段时间输出继续下降。负荷控制器和压力控制器的3次切换可能会导致调门开度对应的流量反馈偏差大于25%，调门快关信号触发，跳闸电磁阀动作，高调门全关，最终导致汽机跳闸。

2.3 防范措施

针对上述情况，进行以下逻辑优化：

（1）将快关流量偏差由原设0.25 改为0.31。

（2）建议运行人员在机组退出协调之后，让汽机侧处于限压模式，通过操作员的操作让负荷处于稳定状态。

（3）在非稳定状态下，若机组在切掉协调之后还要切到初压模式，建议在切换过程中将压力设定值切换至跟踪压力实际值。

（4）减小压力控制器比例作用权重。（5）增大限压工况下偏置。

3 负荷控制器和压力控制器切换优化

3.1 存在隐患

超超临界机组蓄热能力较差，当机组参与深度调峰后，欠压升负荷过程中，可能压力控制器输出和转速负荷控制器输出达到上限值，实际负荷大于负荷设定值，压力设定值大于实际压力值，这样压力控制器输出和转速负荷控制器输出均向下，当压力设定值与实际值达到一定的偏差时，2 个控制器将交替作用，指令迅速向下，调门指令迅速达到快关保护值，机组跳闸。

3.2 原因分析

机组投入AGC（自动发电控制），限压模式运行，OSB 输出为转速负荷控制回路输出YNPR，压力控制回路有效FPDPRIE=0，压力控制器S=1，此时压力控制器处于跟踪模式，压力控制器输出如式（2）所示。

当0.9（X-W）+DY＜0 时，转速/负荷符合控制器的输出小于压力控制器的输出，X=PFD/270，W=（FDS-20）/270，其中PFD 为压力当前值，FDS为压力设定值，经过计算当FDS-PFD＞2 060 kPa时，YR=YFDPR。

图2 西门子1 000 MW 汽轮机DEH 控制逻辑

由上述计算可知，对于该厂1 000 MW 机组DEH 控制系统，在限压模式下，负荷控制回路调节时，当压力实际值小于压力设定值2 060 kPa时，将由负荷回路控制切换为压力回路控制。切换后压力控制回路有效FPDPRIE=1，S=0，压力控制器由跟踪状态转为计算状态，其输出值为式（3），此时XD 偏差仍然小于0，YFDPR 在积分模块∫XD 作用下将加快速减小。

在压力控制器起调节作用时，NPRIE=0，转速/负荷控制控制器的上限最大值为：

式中：DY=XDK·XD；DY∈[0.002，0.08]。

由式（4）可知，当压力控制器起作用时，负荷控制器输出上限被限制。

压力控制回路有效PDPRIE=1 时，转速/负荷控制控制器的积分时间由1 s 切换到0.25 s，积分作用增强，由于实际负荷大于负荷设定值，转速/负荷控制控制器的偏差仍然小于0，直到YNPR1＜YFDPR 时，压力控制器切换到转速/负荷控制器。

切换后压力控制器输出继续处于跟踪状态，其输出值为式（2），但此时的负荷跟踪值被YNPR1所替代，如式（5）所示，压力实际值仍持续减小，0.9（X-W）+DY＜0，则下一时刻YFDPR＜YNPR1，即造成转速/负荷控制器与压力控制器来回切换的现象。随着时间的增加，积分模块的负作用越来越强，YFDPR 与YNPR 曲线下降速率越来越快，直到调门开度对应的流量反馈偏差大于25%，调门快关信号触发，跳闸电磁阀动作，高调门全关，最终导致汽轮机跳闸。

3.3 防范措施

当发生由于欠压导致转速/负荷控制器输出超105%，或实际压力达到限压动作条件等触发压力控制器控制权激活时，要密切监测负荷设定值，当AGC 负荷指令小于实际负荷20 MW 时，立即将AGC 撤出遥控，将本地负荷指令设置大于实际负荷20 MW，待实际压力回升后，压力控制器会无扰将控制权交还给转速/负荷控制器。

4 结语

西门子DEH 系统内部逻辑复杂，牵涉到机组的安全调节，压力控制器和转速/负荷控制器频繁切换，存在安全隐患。通过对西门子DEH 系统的主蒸汽压力回路、压力控制器切初压模式、转速/负荷控制器和压力控制器切换方式等优化，增强了机组运行的稳定性，提高了西门子1 000 MW 汽轮机保护的可靠性。