北京国电智深控制技术有限公司

1　项目背景

二次再热机组发电技术研究在国内尚属首次。国外从2 0 世纪5 0年代开始，美国、西德、日本等国家均建造了二次再热发电机组。美国的二次再热机组投运较早，1957年美国的Philo6号机组（125MW,31MPa/621/565/538℃）是世界上第一台超超临界机组，并采用了中间二次再热；1959年美国Eddystone电厂1号机组（325MW）将蒸汽参数提高到34.5MPa/649/565/565℃，但在后期运行中降为32.4MPa/610/554/554℃，这是因为早期的超临界二次再热机组超越了当时的技术水平，在高温耐热材料、加工工艺、水处理技术、自动控制等方面不能满足要求，因而出现了过热器高温腐蚀、汽机高压缸蠕变等问题。据统计，美国投运了25台二次再热机组，1973年以后新机组并未采用二次再热。日本在70年代开始投入二次再热机组，典型的是1990年投运的川越电厂700MW天然气二次再热机组，其参数为31MPa/566/566/566℃。西德在1979年投运了一台475MW的二次再热燃煤机组，其参数为25.5MPa/530/540/530℃。1998年丹麦 Nordjylland NO.3的410MW超超临界燃煤机组（29 MPa/582/580/580℃）也采用了二次再热，并成为当时世界上效率最高的燃煤电厂。

国电泰州电厂二期超超临界二次再热发电项目于2012年5月31日得到国家批准开展前期工作。该项目是国内首次采用二次再热技术的国家示范项目，也是世界上首次在百万千瓦火电机组上应用二次再热技术，主蒸汽压力为31MPa，主蒸汽温度600℃、再热温度为610℃/610℃，设计发电效率高达47.71%，比国内常规一次再热机组最高效率高出2.189%，设计发电煤耗257.79g/kW.h，比常规一次再热超超临界机组煤耗低12.4g/kW.h，主要技术指标达世界领先水平。可以预见，首台1000MW超超临界二次再热机组投运成功，便会得到快速推广，成为我国火电行业下一步发展的主流方向。

DCS作为重大技术装备的“神经中枢”和控制中心，将对机组安全、可靠、高效运行起到至关重要的作用；先进可靠的DCS系统是机组安全高效运行的保障。本项目的控制系统是在常规的百万千瓦超超临界机组分散控制系统基础上，对控制系统功能和性能进行优化和提升，研发应用针对二次再热机组的控制策略、控制技术以及全激励仿真技术。

2　项目目标

针对二次再热机组相对于一次再热机组运行更复杂、控制难度更大、安全性要求更高的特点和要求，开展百万千瓦二次再热超超临界机组自动化控制系统和控制技术的研发，优化机组自动化控制系统功能和性能，研发二次再热机组控制策略，形成控制、仿真、一体化平台、现场总线接口集成、汽轮机保护系统的大容量高可靠性高速总线、安全分析和自诊断等关键技术，建立全激励仿真试验平台和控制系统测试平台，使该项技术成为我国完全自主知识产权的百万千瓦二次再热超超临界技术的成套技术，通过示范工程应用，实现产品定型，进而提升我国相关企业在火电机组控制领域的研发能力和市场竞争力。

3　项目实施及应用

（1）首次建立了二次再热机组高精度数学模型，开发了集“控制、全激励仿真、优化研究”的一体化平台，用于百万千瓦二次再热超超临界机组控制策略的设计、研究、仿真试验验证、优化运行、优化控制，为系统研发提供了有效手段，大大缩短了现场调试周期。

（2）开发了一套与控制系统一体化的现场总线接口与集成技术，实现了对设备管理的技术支撑。

（3）开发了负载均衡的高可靠冗余高速总线技术，满足了系统高度可靠性的要求。

（4）开发了一套主动网络信息探测和网络节点设备安全强化结合的安防技术，组成了一个完整的多层次的网络安全系统。

（5）开发了一套百万千瓦二次再热超超临界机组控制策略与控制技术，主要涵盖协调、主汽温、一次再热和二次再热气温控制策略；三级旁路全程自动控制系统，创新性的提出了“7态”方式的全程旁路控制技术；

（6）研发应用了机组自启停（APS）技术，首次在二次再热机组应用机组自启停控制技术，实现二次再热机组启停过程的全程自动化。

1000MW二次再热超超临界机组为目前世界上系统结构和动静态特性最为复杂、控制对象设备数量最多、测控I/O规模最大（比常规一次再热百万千瓦机组多10%）的火电机组。本项目的研究成果完全满足了高性能、大容量、高可靠性，处理能力强的要求，适应了二次再热机组生产过程智能化、复杂化、大型化、精密化需求，以及实现快速控制、快速保护的运行控制需求。

项目的创新性和先进性表现在多个方面：

（1） 综合应用最新的CPU技术、创新的I/O总线技术和综合的I/O卡件嵌入式开发技术，实现了实时数据在控制器、IO总线、I/O卡件上的高效交互，实现了控制系统在高可靠性前提下的快速控制。

（2）深入分析控制网络上的数据流特点，分别针对数据生产者（控制器）、数据消费者（HMI、历史站等）以及数据传输管道（网络设备）进行优化设计，综合应用多种网络通讯机制和网络技术，实现实时数据的高效、快速流动，实现节点站负荷、网络负荷维持在合理的、较低的水平。

将数据生产者的数据广播机制优化为数据发布订阅机制，根据数据消费者的要求有选择的发布实时数据。使无效数据不再占用网络带宽。

根据控制系统中存在大量实时数据的复用特点，灵活应用单播、组播技术，实现了发送一份数据，多方使用的功能，有效提高通讯效率，并且能保证实时数据的一致性。

优化网络结构，根据测算的控制网络上的数据流量，优化数据流动路径，设计现场的网络结构，保证关键网络路径的流量符合设计要求。

（3）在基于通用的ARM及嵌入式LINUX平台上，利用纯软件方式实现PROFIBUS协议栈，解决了对国外专用芯片的依赖， 同时降低了产品的成本；在工程实施中，解决了原有卡件带载能力不足问题，提高了带载能力到1 2 5个从站，PROFIBUS现场总线主站开发技术，打破西方国家技术垄断。

（4）针对DCS量身定制的综合信息管控系统是国内首个集成了网络拓扑、主机安全、设备管控、策略管理、隔离防护于一体的系统。其安全监管程度可自由设置，从内核到边界，从主机到网络，按需管控，灵活易用。根据DCS的要求和运行特点，建立了控制系统预期的网络拓扑结构数据库，建立DCS系统安全基线模型。通过对全网范围内的网络交换机、安全设备、主机设备进行配置检查、主动定期轮询，对通讯链路实时监控，进行安全基线比对分析，进行实时监测和评估网络各节点安全状态。

（5）创新设计的LOGO，形象简洁而统一、辨识度高；控制系统I/O卡件体积缩小，系统更为紧凑；控制器和I/O卡件的固定方式可以无工具操作，提升了产品的形象和质感得以提升。

（6）首次研发应用的二次再热机组控制策略和技术，综合运用常规控制、预测控制、非线性控制等技术，有效解决了二次再热机组被控参数多、交叉耦合性强、大时延大时滞突出等控制难题；研发应用机组自启停（APS）技术，实现二次再热机组启停过程的全程自动化，机组自动化水平实现全新的突破；建立了二次再热机组仿真模型和高精度、全激励仿真系统平台，用于控制策略仿真试验验证、优化，为控制策略的设计、调试提供了有效手段，大大缩短了现场调试周期。

本项目成果为目前世界发电效率最高、发电煤耗最低、综合指标最优的燃煤机组安全高效运行提供重要支撑，两台示范机组都一次通过168试运行，自动投入率100%、保护投入率100%，一次调频、AGC均顺利通过了电网考核。

4　效益分析

本项目各项研究成果已成功应用于示范工程，为国内首台1000MW二次再热超超临界机组的顺利投产提供了重要保证。同时为研究二次再热超超临界机组的动态特性、控制策略提供了研究平台，为二次再热超超临界机组的推广使用打下良好的基础。

示范机组发电效率47.81%，发电煤耗256.91g/kW.h，供电煤耗为266.57g/kW.h，发电效率比国外最好二次再热发电机组高0.81个百分点，机组发电煤耗比当今世界最好水平低6g/kW.h，各项环保指标全面优于国家超低排放限值，是目前世界综合指标最优的火电机组。

2台二次再热百万机组（按年发电5500小时计，与之前世界最好水平机组比较）年节约标煤6万多吨。CO2排放量减少5个百分点，SO2、NOx、粉尘排放全面优于国家超低排放限值。研究成果促进了我国电力行业的发展，目前正准备建设的二次再热机组有28台之多，预计带动新增投资1000亿元以上，有广阔的应用前景。

本项目的关键技术、主要设备都拥有自主知识产权，使我国在高参数、大容量机组方面彻底摆脱国外知识产权束缚，掌握了1000MW二次再热自主技术，为推动我国行业技术进步，大力推动燃煤清洁高效发电技术的进步和发展作出了重要的贡献，同时为推动中国制造、中国研发，大力实施走出去战略，起到了良好的品牌效应。

摘自《自动化博览》2017年7月刊