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320MW机组DEH逻辑缺陷引发的非停事件分析与处理

  • 来源: 大发彩票华中电力试验研究所
  • 作者: 董建朋
  • 发布时间: 2017-07-12


1  概述

1.1 机组概述

某发电有限责任公司2号机组为320MW燃煤发电机组。锅炉为东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-II6型亚临界,一次中间再热、自然循环、四角切圆燃烧、固态排渣、单炉膛平衡通风、Π型布置、全钢构架悬吊结构、露天布置。

汽机主机设备由东方汽轮机厂提供,汽轮机的型式为亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、凝汽式汽轮机,型号为N320-16.7/537/537。

分散控制系统(DCS)采用上海新华公司的XDPS-400型分散控制系统,汽轮机控制系统由#11DPU和#12DPU两个站组成,#11DPU为BTC站,主要负责汽轮机的基本控制,#12DPU为ATC站,主要负责汽轮机的自启动及热应力等辅助控制。

1.2 事件过程概述

2015年10月21日13:00,#2机组负荷200MW,主汽压力11.75MPa,给水流量566t/h,两台汽泵、引风机、送风机、一次风机运行,B、C、D磨运行,锅炉煤量106t/h,汽机顺序阀方式运行I(II)→III→IV,汽机主控投入(机跟随方式)。

13:10:21, #1高调门、#2高调门指令由69.4%降至23%,实际开度由43.7mm降至15.6mm,#3高调门指令由10%降至0,实际开度由10mm关至0,负荷由200MW快速下降,最低40MW,“汽机主控”运行方式切至基本方式。

13:10:30,小机进汽压力低至0.1MPa,给水泵转速下降至2050 r/min,给水流量快速降至50t/h, B汽泵切至“转速自动”,A汽泵跳闸(最小流量保护动作),电泵联启,立即加电泵转速提高给水流量。

13:10:33,汽包水位下降至-150mm,“汽包水位低二值”报警,立即执行停炉不停机预案。

通过事故数据分析,我们最终确定此次事件是一起因DEH控制系统伺服卡故障和DEH逻辑缺陷所共同造成的锅炉灭火事件。

此次事故诱因是IV1(#1中压调门)、IV2(#2中压调门)伺服卡故障,导致DEH手动、自动控制方式出现反复切换,DEH流量跟踪回路动作,又由于该机组顺阀方式下,DEH流量跟踪值与流量指令值存在较大偏差,DEH流量跟踪回路动作后,DEH流量指令不断减小,机组负荷快速下降,最终锅炉侧因负荷大幅扰动灭火。

2  事件过程分析

通过历史数据及相关操作记录,我们对事件过程进行了还原,整个事件从发生到结束经历了三个阶段。

第一阶段:IV1、IV2伺服卡切手动,诱发DEH模式由“自动”切换到“手动”,由于DEH跟踪逻辑的缺陷,导致FDEM(流量指令)跟踪到一个错误值,但由于DEH处于“手动”模式,GV1、GV2、GV3、GV4出口指令跟踪当前值,所以,此刻四个高调门开度并未发生改变,机组负荷未受到影响。

2015年10月21日13时10分17秒:IV1、IV2伺服卡状态发生改变,由“自动”切到“手动”状态,触发DEH控制方式由“自动”切到“手动”。

结果:DEH控制方式切到“手动”方式后,将DEH逻辑中的REFDMD(给定值)回路切到流量跟踪回路,跟踪FDEMTRKC(流量跟踪值),FDEM(流量指令)由74.72%降到50.7%。

动作前:FDEMTRKC值为50.7%,FDEM值为74.72%,此时流量跟踪值和实际流量指令有很大差值。

动作后:FDEMTRKC值为50.7%,FDEM值为50.7%;

当时阀位:GV1 69.44%,GV2 69.44%,GV3 10.35%,GV4 0。

2015年10月21日13时10分18秒:IV1伺服卡状态发生改变,由“手动”恢复到“自动”状态,但由于IV2仍然处于“手动”状态,DEH控制方式依旧在“手动”,阀位未发生改变。

第二阶段:IV2伺服卡报故障,DEH控制方式由“手动”切到“自动”方式,DEH执行了错误的FDEM(流量指令)数值,导致汽轮机高压调门大幅关小,负荷突降。

2015年10月21日13时10分20秒:IV2伺服卡报故障,根据控制逻辑,IV2伺服卡报故障信号屏蔽自身的手动状态信号,因此,DEH控制方式由“手动”切到“自动”方式,GV1、GV2、GV3、GV4出口指令跟踪回路释放,接收REFDMD(给定值)值,GV大幅关小,负荷突降。

当时阀位:GV1 23.43%,GV2 23.43%,GV3 0%,GV4 0。

第三阶段:IV2伺服卡手动状态发生反转,导致DEH跟踪回路再次动作,FDEM(流量指令)由50.7%降到31.574%,机组负荷继续下降。

2015年10月21日13时10分24秒:从历史数据分析,IV2手动状态和故障状态在同一秒消失,但从报警记录来,此时间段出现了DEH控制模式由“自动”切到“手动”,又由“手动”切到“自动”,而此刻一秒内,REFDMD(给定值)又一次发生改变,由50.7%降到31.574%,GV1、GV2再次关门,又23.43%关到14.527%。综合分析,是在同一秒内IV2手动状态和故障状态先后消失,造成了跟踪回路再次动作和恢复,但历史数据分辨率为1S,所以未能区分出来。

3  原因分析

通过上面事件过程的分析,我们发现造成机组负荷突降的原因是因为“流量指令”的突降,“流量指令”突降是因为IV1、IV2伺服卡故障引发DEH跟踪回路动作,在DEH跟踪回路动作过程中,由于“流量跟踪值”始终小于当前“流量指令”,一旦跟踪回路动作,“流量指令”总是一直在大幅度减小,从而导致汽轮机高压调门快速关闭,机组负荷突降。

为什么会产生“流量跟踪值”与“流量指令”的不一致?通过分析该机组DEH控制逻辑,我们发现该机组“流量跟踪值”计算回路有严重缺陷,下面我们将对该机组DEH逻辑跟踪回路进行介绍。

4  DEH控制逻辑分析

4.1 DEH跟踪逻辑控制原理

在机组并网后,DEH通过控制方式的选择,可以实现在基本方式、功率闭环方式、协调方式之间的切换,但无论在哪一种运行方式下,DEH控制回路都会把负荷需求最终转换为DEH“流量指令”。图1为DEH流量分配逻辑框图,机组在单阀方式运行时,DEH流量指令通过单阀函数计算后作用到四个高压调门伺服卡,驱动汽轮机阀门动作;当机组在顺阀方式运行时,DEH流量指令通过顺阀函数计算后作用到四个高压调门伺服卡,驱动汽轮机阀门动作。

 

图1 DEH流量分配逻辑

所以,“流量指令”控制着四个高压调门的开度,从而实现控制机组的负荷。在DEH控制回路切换时,会触发DEH跟踪回路动作,“流量跟踪值”会传递给“流量指令”作为新的DEH控制指令,其目的是实现回路切换过程的无扰。

图2为DEH跟踪回路切换,当DEH控制方式由自动切换到手动方式时,跟踪回路就会动作,将DEH流量指令跟踪值送到DEH给定值回路,这时,一旦DEH控制方式又切回到自动方式,DEH给定值回路就会把上次接收到的DEH流量指令跟踪值送到流量指令回路去。 

 

图2 DEH跟踪回路切换

上海新华公司的DEH组态,其FDEMTRKC(流量跟踪值)是依据伺服卡指令通过函数反算出来的总流量指令,用于DEH控制回路切换跟踪,确保切换过程中上层控制回路与实际阀门指令保持一致,避免扰动。图3为DEH流量指令跟踪逻辑,在DEH控制方案中,流量指令跟踪值是通过伺服卡指令反算成跟踪值,这就要求反算回路的中的函数能够完整反映流量分配逻辑中的数据关系,才能确保切换过程上层控制回路与实际阀门指令保持一致,避免扰动。

 

图3 DEH流量指令跟踪逻辑



4.2 原跟踪逻辑顺阀方式下仿真

为验证该机组DEH控制逻辑中的流量指令跟踪值是否正确反映流量分配关系,我们对该机组DEH逻辑进行了仿真试验。在原DEH控制逻辑的基础上,我们搭建了汽轮机的转速、负荷控制模型,并通过修改相关链接,将该模型与原DEH逻辑构成完整闭环控制。利用上海新华公司的虚拟控制器技术,将组态下装、运行,模拟机组的完整启动过程和带负荷过程。

通过仿真试验,我们得到了该机组顺阀控制方式下“流量指令”与“GV流量指令跟踪值”对比数据。图4为该机组顺阀方式下的仿真曲线,表明“流量指令”与“GV流量指令跟踪值”偏差大,存在切换扰动风险。通过数据分析,“流量指令”与“GV流量指令跟踪值”最大差值为27.175%。

 

图4 该机组顺阀方式下的仿真曲线

4.3 DEH跟踪回路存在的问题

4.3.1 FDEMTRKC(流量跟踪值)计算回路不完整。

机组FDEMTRKC(流量跟踪值)反算回路函数只考虑了单阀方式,缺少顺阀方式下的反算回路,如图5。该机组就是因为缺少顺阀方式下的跟踪回路函数修正,才导致跟踪值上下不一致,切换过程中出现扰动。

 

图5 缺少顺阀方式下的跟踪修正函数

4.3.2 FDEMTRKC(流量跟踪值)计算回路函数不正确。

DEH流量跟踪值反算回路共涉及10个函数块,任何一个函数设计有误,都将导致DEH跟踪回路出现。部分机组的DEH跟踪计算回路逻辑架构是完整的,但实际函数从来没有进行过验证,我们收集了多个同类型机组的DEH组态进行仿真试验,发现多台机组的DEH跟踪函数均存在问题。

5  优化方案

对于此类上海新华公司的DEH组态,其跟踪回路不仅要考虑单阀方式下的跟踪函数,而且必须增加顺阀方式下的反算函数,并对其所有跟踪函数进行拟合,确保该回路的正确性,图6是增加顺阀方式后的跟踪回路逻辑框图。

 

图6 增加顺阀方式下的跟踪回路切换

对于某些机组,跟踪回路多处函数整定不正确,这就需要全面分析流量分配函数,对跟踪回路每个函数进行重新整定。通过逻辑优化及函数拟合,最终要确保机组无论在单阀还是顺阀方式下,流量指令跟踪值与理论计算的流量指令值相同,才能够确保机组运行安全。

图7为该机组优化后,顺阀方式下的仿真曲线,表明“流量指令”与“GV流量指令跟踪值”偏差已完全消除,“流量指令”与“GV流量指令跟踪值”最大差值为0.15%。并通过模拟DEH手自动方式切换、伺服卡故障、伺服卡手动等工况,充分验证了该逻辑的正确性。

 

图7 该机组优化后顺阀方式下的仿真曲线

5  结束语

此次发现的DEH控制逻辑跟踪问题,从目前来看具有普遍性,对于机组安全运行是个重大安全隐患。DEH是汽轮机的控制核心,即使很小的逻辑瑕疵都可能造成严重后果,且很多问题具有隐秘性,并不易于发现。而且,很多在调试期或后期运行中发现的问题,很多情况都是各厂独立解决,发现的问题并没有通过设备厂家或兄弟企业之间进行有效交流,从而导致很多问题重复出现。

建议存在此类DEH跟踪逻辑问题的机组,尽快完成相关逻辑优化工作,其他机组也应该从此次事件中吸取教训,整理、盘查相关重要控制回路逻辑,确保机组运行安全。

参考文献:

[1]王文宽.大型汽轮机阀门管理参数的现场整定[J].汽轮机技术,2008,55(2):156一158.

[2]张曦,黄卫剑,朱亚清,张红福.汽轮机阀门流量特性分析与优化[J].南方电同技术,2010,4(增刊1):72—75.

[3]李劲柏,刘复平.汽轮机阔门流量特性函数优化和对机组安全性经济性影响[J].中国电力,2008,4l(12):50—53.

[4]肖曾弘,徐丰.汽轮机数字式电液调节系统[M].北京:中国电力出版社

[5]新华控制工程有限公司.XDPS400分散型控制系统工程师手册



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