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案例頻道北京國電智深控制技術有限公司
1 項目背景
二次再熱機組發電技術研究在國內尚屬首次。國外從2 0 世紀5 0年代開始，美國、西德、日本等國家均建造了二次再熱發電機組。美國的二次再熱機組投運較早，1957年美國的Philo6號機組（125MW,31MPa/621/565/538℃）是世界上第一臺超超臨界機組，并采用了中間二次再熱；1959年美國Eddystone電廠1號機組（325MW）將蒸汽參數提高到34.5MPa/649/565/565℃，但在后期運行中降為32.4MPa/610/554/554℃，這是因為早期的超臨界二次再熱機組超越了當時的技術水平，在高溫耐熱材料、加工工藝、水處理技術、自動控制等方面不能滿足要求，因而出現了過熱器高溫腐蝕、汽機高壓缸蠕變等問題。據統計，美國投運了25臺二次再熱機組，1973年以后新機組并未采用二次再熱。日本在70年代開始投入二次再熱機組，典型的是1990年投運的川越電廠700MW天然氣二次再熱機組，其參數為31MPa/566/566/566℃。西德在1979年投運了一臺475MW的二次再熱燃煤機組，其參數為25.5MPa/530/540/530℃。1998年丹麥 Nordjylland NO.3的410MW超超臨界燃煤機組（29 MPa/582/580/580℃）也采用了二次再熱，并成為當時世界上效率最高的燃煤電廠。
國電泰州電廠二期超超臨界二次再熱發電項目于2012年5月31日得到國家批準開展前期工作。該項目是國內首次采用二次再熱技術的國家示范項目，也是世界上首次在百萬千瓦火電機組上應用二次再熱技術，主蒸汽壓力為31MPa，主蒸汽溫度600℃、再熱溫度為610℃/610℃，設計發電效率高達47.71%，比國內常規一次再熱機組最高效率高出2.189%，設計發電煤耗257.79g/kW.h，比常規一次再熱超超臨界機組煤耗低12.4g/kW.h，主要技術指標達世界領先水平。可以預見，首臺1000MW超超臨界二次再熱機組投運成功，便會得到快速推廣，成為我國火電行業下一步發展的主流方向。
DCS作為重大技術裝備的“神經中樞”和控制中心，將對機組安全、可靠、高效運行起到至關重要的作用；先進可靠的DCS系統是機組安全高效運行的保障。本項目的控制系統是在常規的百萬千瓦超超臨界機組分散控制系統基礎上，對控制系統功能和性能進行優化和提升，研發應用針對二次再熱機組的控制策略、控制技術以及全激勵仿真技術。
2 項目目標
針對二次再熱機組相對于一次再熱機組運行更復雜、控制難度更大、安全性要求更高的特點和要求，開展百萬千瓦二次再熱超超臨界機組自動化控制系統和控制技術的研發，優化機組自動化控制系統功能和性能，研發二次再熱機組控制策略，形成控制、仿真、一體化平臺、現場總線接口集成、汽輪機保護系統的大容量高可靠性高速總線、安全分析和自診斷等關鍵技術，建立全激勵仿真試驗平臺和控制系統測試平臺，使該項技術成為我國完全自主知識產權的百萬千瓦二次再熱超超臨界技術的成套技術，通過示范工程應用，實現產品定型，進而提升我國相關企業在火電機組控制領域的研發能力和市場競爭力。
3 項目實施及應用
（1）首次建立了二次再熱機組高精度數學模型，開發了集“控制、全激勵仿真、優化研究”的一體化平臺，用于百萬千瓦二次再熱超超臨界機組控制策略的設計、研究、仿真試驗驗證、優化運行、優化控制，為系統研發提供了有效手段，大大縮短了現場調試周期。
（2）開發了一套與控制系統一體化的現場總線接口與集成技術，實現了對設備管理的技術支撐。
（3）開發了負載均衡的高可靠冗余高速總線技術，滿足了系統高度可靠性的要求。
（4）開發了一套主動網絡信息探測和網絡節點設備安全強化結合的安防技術，組成了一個完整的多層次的網絡安全系統。
（5）開發了一套百萬千瓦二次再熱超超臨界機組控制策略與控制技術，主要涵蓋協調、主汽溫、一次再熱和二次再熱氣溫控制策略；三級旁路全程自動控制系統，創新性的提出了“7態”方式的全程旁路控制技術；
（6）研發應用了機組自啟停（APS）技術，首次在二次再熱機組應用機組自啟停控制技術，實現二次再熱機組啟停過程的全程自動化。
1000MW二次再熱超超臨界機組為目前世界上系統結構和動靜態特性最為復雜、控制對象設備數量最多、測控I/O規模最大（比常規一次再熱百萬千瓦機組多10%）的火電機組。本項目的研究成果完全滿足了高性能、大容量、高可靠性，處理能力強的要求，適應了二次再熱機組生產過程智能化、復雜化、大型化、精密化需求，以及實現快速控制、快速保護的運行控制需求。
項目的創新性和先進性表現在多個方面：
（1） 綜合應用最新的CPU技術、創新的I/O總線技術和綜合的I/O卡件嵌入式開發技術，實現了實時數據在控制器、IO總線、I/O卡件上的高效交互，實現了控制系統在高可靠性前提下的快速控制。
（2）深入分析控制網絡上的數據流特點，分別針對數據生產者（控制器）、數據消費者（HMI、歷史站等）以及數據傳輸管道（網絡設備）進行優化設計，綜合應用多種網絡通訊機制和網絡技術，實現實時數據的高效、快速流動，實現節點站負荷、網絡負荷維持在合理的、較低的水平。
將數據生產者的數據廣播機制優化為數據發布訂閱機制，根據數據消費者的要求有選擇的發布實時數據。使無效數據不再占用網絡帶寬。
根據控制系統中存在大量實時數據的復用特點，靈活應用單播、組播技術，實現了發送一份數據，多方使用的功能，有效提高通訊效率，并且能保證實時數據的一致性。
優化網絡結構，根據測算的控制網絡上的數據流量，優化數據流動路徑，設計現場的網絡結構，保證關鍵網絡路徑的流量符合設計要求。
（3）在基于通用的ARM及嵌入式LINUX平臺上，利用純軟件方式實現PROFIBUS協議棧，解決了對國外專用芯片的依賴， 同時降低了產品的成本；在工程實施中，解決了原有卡件帶載能力不足問題，提高了帶載能力到1 2 5個從站，PROFIBUS現場總線主站開發技術，打破西方國家技術壟斷。
（4）針對DCS量身定制的綜合信息管控系統是國內首個集成了網絡拓撲、主機安全、設備管控、策略管理、隔離防護于一體的系統。其安全監管程度可自由設置，從內核到邊界，從主機到網絡，按需管控，靈活易用。根據DCS的要求和運行特點，建立了控制系統預期的網絡拓撲結構數據庫，建立DCS系統安全基線模型。通過對全網范圍內的網絡交換機、安全設備、主機設備進行配置檢查、主動定期輪詢，對通訊鏈路實時監控，進行安全基線比對分析，進行實時監測和評估網絡各節點安全狀態。
（5）創新設計的LOGO，形象簡潔而統一、辨識度高；控制系統I/O卡件體積縮小，系統更為緊湊；控制器和I/O卡件的固定方式可以無工具操作，提升了產品的形象和質感得以提升。
（6）首次研發應用的二次再熱機組控制策略和技術，綜合運用常規控制、預測控制、非線性控制等技術，有效解決了二次再熱機組被控參數多、交叉耦合性強、大時延大時滯突出等控制難題；研發應用機組自啟停（APS）技術，實現二次再熱機組啟停過程的全程自動化，機組自動化水平實現全新的突破；建立了二次再熱機組仿真模型和高精度、全激勵仿真系統平臺，用于控制策略仿真試驗驗證、優化，為控制策略的設計、調試提供了有效手段，大大縮短了現場調試周期。
本項目成果為目前世界發電效率最高、發電煤耗最低、綜合指標最優的燃煤機組安全高效運行提供重要支撐，兩臺示范機組都一次通過168試運行，自動投入率100%、保護投入率100%，一次調頻、AGC均順利通過了電網考核。
4 效益分析
本項目各項研究成果已成功應用于示范工程，為國內首臺1000MW二次再熱超超臨界機組的順利投產提供了重要保證。同時為研究二次再熱超超臨界機組的動態特性、控制策略提供了研究平臺，為二次再熱超超臨界機組的推廣使用打下良好的基礎。
示范機組發電效率47.81%，發電煤耗256.91g/kW.h，供電煤耗為266.57g/kW.h，發電效率比國外最好二次再熱發電機組高0.81個百分點，機組發電煤耗比當今世界最好水平低6g/kW.h，各項環保指標全面優于國家超低排放限值，是目前世界綜合指標最優的火電機組。
2臺二次再熱百萬機組（按年發電5500小時計，與之前世界最好水平機組比較）年節約標煤6萬多噸。CO2排放量減少5個百分點，SO2、NOx、粉塵排放全面優于國家超低排放限值。研究成果促進了我國電力行業的發展，目前正準備建設的二次再熱機組有28臺之多，預計帶動新增投資1000億元以上，有廣闊的應用前景。
本項目的關鍵技術、主要設備都擁有自主知識產權，使我國在高參數、大容量機組方面徹底擺脫國外知識產權束縛，掌握了1000MW二次再熱自主技術，為推動我國行業技術進步，大力推動燃煤清潔高效發電技術的進步和發展作出了重要的貢獻，同時為推動中國制造、中國研發，大力實施走出去戰略，起到了良好的品牌效應。
摘自《自動化博覽》2017年7月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號