北京國電智深控制技術(shù)有限公司

1　項目背景

二次再熱機組發(fā)電技術(shù)研究在國內(nèi)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(fā)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(shù)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(shù)水平，在高溫耐熱材料、加工工藝、水處理技術(shù)、自動控制等方面不能滿足要求，因而出現(xiàn)了過熱器高溫腐蝕、汽機高壓缸蠕變等問題。據(jù)統(tǒng)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(shù)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(shù)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(fā)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(nèi)首次采用二次再熱技術(shù)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(shù)，主蒸汽壓力為31MPa，主蒸汽溫度600℃、再熱溫度為610℃/610℃，設(shè)計發(fā)電效率高達47.71%，比國內(nèi)常規(guī)一次再熱機組最高效率高出2.189%，設(shè)計發(fā)電煤耗257.79g/kW.h，比常規(guī)一次再熱超超臨界機組煤耗低12.4g/kW.h，主要技術(shù)指標達世界領(lǐng)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(yè)下一步發(fā)展的主流方向。

DCS作為重大技術(shù)裝備的“神經(jīng)中樞”和控制中心，將對機組安全、可靠、高效運行起到至關(guān)重要的作用；先進可靠的DCS系統(tǒng)是機組安全高效運行的保障。本項目的控制系統(tǒng)是在常規(guī)的百萬千瓦超超臨界機組分散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)功能和性能進行優(yōu)化和提升，研發(fā)應用針對二次再熱機組的控制策略、控制技術(shù)以及全激勵仿真技術(shù)。

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(tǒng)和控制技術(shù)的研發(fā)，優(yōu)化機組自動化控制系統(tǒng)功能和性能，研發(fā)二次再熱機組控制策略，形成控制、仿真、一體化平臺、現(xiàn)場總線接口集成、汽輪機保護系統(tǒng)的大容量高可靠性高速總線、安全分析和自診斷等關(guān)鍵技術(shù)，建立全激勵仿真試驗平臺和控制系統(tǒng)測試平臺，使該項技術(shù)成為我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬千瓦二次再熱超超臨界技術(shù)的成套技術(shù)，通過示范工程應用，實現(xiàn)產(chǎn)品定型，進而提升我國相關(guān)企業(yè)在火電機組控制領(lǐng)域的研發(fā)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(shù)學模型，開發(fā)了集“控制、全激勵仿真、優(yōu)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(shè)計、研究、仿真試驗驗證、優(yōu)化運行、優(yōu)化控制，為系統(tǒng)研發(fā)提供了有效手段，大大縮短了現(xiàn)場調(diào)試周期。

（2）開發(fā)了一套與控制系統(tǒng)一體化的現(xiàn)場總線接口與集成技術(shù)，實現(xiàn)了對設(shè)備管理的技術(shù)支撐。

（3）開發(fā)了負載均衡的高可靠冗余高速總線技術(shù)，滿足了系統(tǒng)高度可靠性的要求。

（4）開發(fā)了一套主動網(wǎng)絡信息探測和網(wǎng)絡節(jié)點設(shè)備安全強化結(jié)合的安防技術(shù)，組成了一個完整的多層次的網(wǎng)絡安全系統(tǒng)。

（5）開發(fā)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(shù)，主要涵蓋協(xié)調(diào)、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(tǒng)，創(chuàng)新性的提出了“7態(tài)”方式的全程旁路控制技術(shù)；

（6）研發(fā)應用了機組自啟停（APS）技術(shù)，首次在二次再熱機組應用機組自啟停控制技術(shù)，實現(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)和動靜態(tài)特性最為復雜、控制對象設(shè)備數(shù)量最多、測控I/O規(guī)模最大（比常規(guī)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(chǎn)過程智能化、復雜化、大型化、精密化需求，以及實現(xiàn)快速控制、快速保護的運行控制需求。

項目的創(chuàng)新性和先進性表現(xiàn)在多個方面：

（1） 綜合應用最新的CPU技術(shù)、創(chuàng)新的I/O總線技術(shù)和綜合的I/O卡件嵌入式開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)在控制器、IO總線、I/O卡件上的高效交互，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)在高可靠性前提下的快速控制。

（2）深入分析控制網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)流特點，分別針對數(shù)據(jù)生產(chǎn)者（控制器）、數(shù)據(jù)消費者（HMI、歷史站等）以及數(shù)據(jù)傳輸管道（網(wǎng)絡設(shè)備）進行優(yōu)化設(shè)計，綜合應用多種網(wǎng)絡通訊機制和網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的高效、快速流動，實現(xiàn)節(jié)點站負荷、網(wǎng)絡負荷維持在合理的、較低的水平。

將數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)廣播機制優(yōu)化為數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱機制，根據(jù)數(shù)據(jù)消費者的要求有選擇的發(fā)布實時數(shù)據(jù)。使無效數(shù)據(jù)不再占用網(wǎng)絡帶寬。

根據(jù)控制系統(tǒng)中存在大量實時數(shù)據(jù)的復用特點，靈活應用單播、組播技術(shù)，實現(xiàn)了發(fā)送一份數(shù)據(jù)，多方使用的功能，有效提高通訊效率，并且能保證實時數(shù)據(jù)的一致性。

優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，根據(jù)測算的控制網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)流量，優(yōu)化數(shù)據(jù)流動路徑，設(shè)計現(xiàn)場的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，保證關(guān)鍵網(wǎng)絡路徑的流量符合設(shè)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(xiàn)PROFIBUS協(xié)議棧，解決了對國外專用芯片的依賴， 同時降低了產(chǎn)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(xiàn)場總線主站開發(fā)技術(shù)，打破西方國家技術(shù)壟斷。

（4）針對DCS量身定制的綜合信息管控系統(tǒng)是國內(nèi)首個集成了網(wǎng)絡拓撲、主機安全、設(shè)備管控、策略管理、隔離防護于一體的系統(tǒng)。其安全監(jiān)管程度可自由設(shè)置，從內(nèi)核到邊界，從主機到網(wǎng)絡，按需管控，靈活易用。根據(jù)DCS的要求和運行特點，建立了控制系統(tǒng)預期的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，建立DCS系統(tǒng)安全基線模型。通過對全網(wǎng)范圍內(nèi)的網(wǎng)絡交換機、安全設(shè)備、主機設(shè)備進行配置檢查、主動定期輪詢，對通訊鏈路實時監(jiān)控，進行安全基線比對分析，進行實時監(jiān)測和評估網(wǎng)絡各節(jié)點安全狀態(tài)。

（5）創(chuàng)新設(shè)計的LOGO，形象簡潔而統(tǒng)一、辨識度高；控制系統(tǒng)I/O卡件體積縮小，系統(tǒng)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(chǎn)品的形象和質(zhì)感得以提升。

（6）首次研發(fā)應用的二次再熱機組控制策略和技術(shù)，綜合運用常規(guī)控制、預測控制、非線性控制等技術(shù)，有效解決了二次再熱機組被控參數(shù)多、交叉耦合性強、大時延大時滯突出等控制難題；研發(fā)應用機組自啟停（APS）技術(shù)，實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)平臺，用于控制策略仿真試驗驗證、優(yōu)化，為控制策略的設(shè)計、調(diào)試提供了有效手段，大大縮短了現(xiàn)場調(diào)試周期。

本項目成果為目前世界發(fā)電效率最高、發(fā)電煤耗最低、綜合指標最優(yōu)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(diào)頻、AGC均順利通過了電網(wǎng)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(nèi)首臺1000MW二次再熱超超臨界機組的順利投產(chǎn)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(tài)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(chǔ)。

示范機組發(fā)電效率47.81%，發(fā)電煤耗256.91g/kW.h，供電煤耗為266.57g/kW.h，發(fā)電效率比國外最好二次再熱發(fā)電機組高0.81個百分點，機組發(fā)電煤耗比當今世界最好水平低6g/kW.h，各項環(huán)保指標全面優(yōu)于國家超低排放限值，是目前世界綜合指標最優(yōu)的火電機組。

2臺二次再熱百萬機組（按年發(fā)電5500小時計，與之前世界最好水平機組比較）年節(jié)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(yōu)于國家超低排放限值。研究成果促進了我國電力行業(yè)的發(fā)展，目前正準備建設(shè)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(guān)鍵技術(shù)、主要設(shè)備都擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，使我國在高參數(shù)、大容量機組方面徹底擺脫國外知識產(chǎn)權(quán)束縛，掌握了1000MW二次再熱自主技術(shù)，為推動我國行業(yè)技術(shù)進步，大力推動燃煤清潔高效發(fā)電技術(shù)的進步和發(fā)展作出了重要的貢獻，同時為推動中國制造、中國研發(fā)，大力實施走出去戰(zhàn)略，起到了良好的品牌效應。

摘自《自動化博覽》2017年7月刊