燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組汽輪機控制系統(tǒng)的改造

張 鋼

（鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208）

1 系統(tǒng)概況

鎮(zhèn)海聯(lián)合發(fā)電有限公司燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組（9號機）的汽機控制系統(tǒng)為ALSTOM英國公司制造的GEM80系統(tǒng)。該系統(tǒng)為基于PLC的DEH系統(tǒng)，屬于汽輪機電調(diào)控制系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品，主要實現(xiàn)整個汽機島及其輔機的控制。從系統(tǒng)功能上可分為3個部分：汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（STG）、汽機保護系統(tǒng)（STP）、汽機順控系統(tǒng)（SIP）。其中汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（STG）實現(xiàn)機組的閥門控制、轉(zhuǎn)速控制及負荷控制，是整個系統(tǒng)的核心部分；汽機保護系統(tǒng)（STP）類似于其它機組的緊急跳閘系統(tǒng)（ETS），實現(xiàn)對機組的重要保護；汽機順控系統(tǒng)（SIP）則用于實現(xiàn)對汽機側(cè)輔機的順控啟停，同時該系統(tǒng)還提供了以觸摸屏為媒介的人機接口，方便操作員對機組運行參數(shù)、報警信息及有關(guān)輔機的狀態(tài)進行監(jiān)控。系統(tǒng)與DCS通過通信和硬接線方式實現(xiàn)信息交換，可在DCS中實現(xiàn)對9號機部分運行參數(shù)、報警信息及相關(guān)輔機的監(jiān)控。

2 改造的必要性及方案選擇

2．1 改造的必要性

9號機控制系統(tǒng)GEM80自1998年投入運行以來，存在運行可靠性差、系統(tǒng)開放性差、維護成本高等問題，影響了機組的安全、穩(wěn)定運行。為完善、提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，有必要進行徹底改造。

（1）STG雖然采用雙通道冗余設(shè)計，但從其冗余切換的原理來看，可靠性較差，當切換繼電器接觸不良時，將無法實現(xiàn)控制器切換，甚至導(dǎo)致機組跳閘，而機組正常運行時也無法檢查切換繼電器。而且系統(tǒng)有一個通道通信卡件工作不正常，生產(chǎn)廠家也一直未能提供有效的解決手段。

（2）SIP和STG均出現(xiàn)過看門狗（WATCHDOG）故障，引起控制系統(tǒng)通信瞬時中斷，但由于系統(tǒng)不開放，現(xiàn)場缺乏有效的診斷手段，原因一直無法查明，成為嚴重影響9號機安全、穩(wěn)定運行的隱患。

（3）備品備件采購周期長，其中通信卡件、觸摸屏、主電源模件等備品已停產(chǎn)，這些設(shè)備一旦故障將直接影響9號機的正常運行。

（4）汽機旁路、主汽門、調(diào)門控制設(shè)計比較陳舊，中間環(huán)節(jié)多，故障率較高。

（5）保護系統(tǒng)設(shè)計比較陳舊，采用硬接線繼電器輸出，保護回路采用失電保護動作方式，繼電器由于長期得電，觸點容易氧化，部分保護取用單點信號，可靠性不高。

（6）模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)差，基于PLC的調(diào)節(jié)系統(tǒng)只有簡單的PI調(diào)節(jié)，無法采用先進的控制策略，且監(jiān)視手段和歷史趨勢記錄手段缺乏，模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定困難。

（7）控制系統(tǒng)人機界面不夠友好，無記錄手段，故障原因無法查找。

（8）控制軟件開放性差，大部分就地設(shè)備不能手動操作；無法進行邏輯強制，進線參數(shù)和程序無法修改；部分信號故障后能恢復(fù)，但控制系統(tǒng)卻無法復(fù)歸，造成機組無法正常啟動，或在運行中被迫停役。

2．2 方案的選擇

結(jié)合機組的實際情況，對幾種改造方案進行對比，從控制系統(tǒng)的可靠性、改造費用、綜合泵房等外圍設(shè)備一體化控制改造以及今后的日常維護和技術(shù)支持等方面考慮，決定采用貝利公司的Symphoney控制系統(tǒng)。

機組DCS系統(tǒng)原設(shè)計為貝利公司的INFI-90控制系統(tǒng)，其操作系統(tǒng)已升級為CONDUCTORNT。汽機控制系統(tǒng)改造如果采用同公司的產(chǎn)品，能夠很好地解決和現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)的接口及匹配問題，而且可以利用現(xiàn)有的事件管理站、操作站、工程師工作站和通信環(huán)網(wǎng)，能節(jié)約資源。電廠對該套控制系統(tǒng)的使用和維護已有一定的經(jīng)驗，廠家技術(shù)服務(wù)和備品采購也比較方便，有利于短時間內(nèi)完成系統(tǒng)的改造。另外，在改造的同時可以考慮把綜合泵房等外圍設(shè)備同步改造成DCS控制，以提高外圍設(shè)備的可靠性。

3 工程實施

在滿足原汽機控制系統(tǒng)功能和控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計汽機島控制策略，以達到更高的自動化程度和運行可靠性，滿足機組快速啟停功能。

3.1 DEH系統(tǒng)設(shè)計

（1）DEH有手動、操作員自動和遠方自動3種控制方式。手動方式時，操作員通過輸入閥位指令增減信號進行控制。操作員自動方式時，操作員可從操作員站設(shè)定目標值及速率、負荷率，由DEH系統(tǒng)自動控制汽機，汽機控制采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式。遠方自動方式時，汽機接收協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制信號控制汽機負荷。

（2）DEH的基本控制模式為壓力控制、滑壓控制、轉(zhuǎn)速控制和閥位控制?；瑝嚎刂颇Ｊ綖檫\行最經(jīng)濟的模式，是燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽輪機特有的控制方式。閥位控制為新增模式，提高了設(shè)備故障情況下機組的抗干擾能力。

（3）增加和完善了DEH在線試驗程序，提高在線試驗的可操作性。

3.2 旁路系統(tǒng)設(shè)計

（1）設(shè)計旁路系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制邏輯，由原DCS系統(tǒng)根據(jù)鍋爐運行狀況和啟停順控進行旁路控制設(shè)定值計算，再由汽輪機控制系統(tǒng)加入根據(jù)汽輪機運行狀況的條件限制，同時加入汽輪機及旁路保護功能。

（2）將旁路控制由原來的二位式電磁閥控制方式改成更為可靠的伺服閥控制，重新設(shè)計液壓集成塊，控制信號由ABB專用的閥門管理卡件直接輸出至旁路伺服閥。

3.3 輔機控制邏輯設(shè)計

（1）原來汽輪機輔機只有自動控制方式，本次改造增加運行手操功能，在滿足一鍵啟動的同時，增加必要的手動干擾手段，提高安全可靠性。將被控對象的控制分為3層，即保護控制、自動控制和手動控制，根據(jù)原被控對象的邏輯條件重新進行合理組合，為每一層設(shè)計不同的觸發(fā)條件，同時增加聯(lián)鎖投撤功能、自動投撤功能等。

（2）利用新控制系統(tǒng)中順控與DEH等的共享信號，通過對就地控制信號的功能調(diào)整，少量增加就地測點，解決單點保護問題，實現(xiàn)重要控制信號冗余配置。

（3）調(diào)整原來不合理的控制方式，提高系統(tǒng)可靠性。

3.4 ETS一體化設(shè)計

（1）ETS緊急停機裝置集合了汽輪機所有的停機信號，經(jīng)過邏輯判斷后輸出跳閘信號驅(qū)動停機電磁閥，遮斷汽輪機進汽，整個過程要求在20 ms內(nèi)快速完成。

（2）將ETS納入電廠DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)全廠資源與信息共享。通過BRC控制器冗余保證系統(tǒng)的可靠性，輸出遮斷電磁閥采用串并聯(lián)形式，以提高可靠性及可試驗性，完善原有單點信號作保護的控制邏輯。

3.5 TSI一體化系統(tǒng)設(shè)計

汽輪機TSI監(jiān)視保護系統(tǒng)取消傳統(tǒng)的由傳感器、前置器、二次表組成，由二次表輸出信號至保護系統(tǒng)的方式，而采用由ABB公司的CMM狀態(tài)監(jiān)視模件及相應(yīng)的傳感器和前置器組成的一體化設(shè)計，在冗余的BRC控制器管理下,連續(xù)在線監(jiān)視和保護汽輪機的安全運行。系統(tǒng)功能由4塊CMM模件完成，經(jīng)組態(tài)后可測量振動、軸位移、脹差、偏心及缸脹等參數(shù)，提供一階、二階、三階振動的波形（振幅和相位），提供矢量合成，計算絕對振動、最大振幅及非一階振動。

4 應(yīng)用效果

鎮(zhèn)海聯(lián)合發(fā)電有限公司燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組汽機控制系統(tǒng)的改造完成后，從目前運行情況看，汽機運行的可靠性得到極大提高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）改造后控制策略和控制功能得到完善和優(yōu)化，例如DEH增加OPC超速功能、閥位控制功能、手動打閘功能等。

（2）實現(xiàn)新控制系統(tǒng)與DCS、燃機控制系統(tǒng)的控制邏輯匹配，較好地實現(xiàn)汽輪機和鍋爐、燃機的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)全廠順控一鍵啟停、負荷控制等功能。

（3）由于修改了模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略，解決了原PLC控制器自動調(diào)節(jié)功能的局限性，大大提高了汽輪機控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)品質(zhì)。

（4）將ETS納入電廠DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了全廠資源與信息共享。

（5）增加被控對象的運行手操功能，同時設(shè)計合理的手操閉鎖條件，保證設(shè)備故障情況下運行人員能手動干預(yù)，同時通過合理的閉鎖條件來減少人為誤操作的風(fēng)險。

（6）減少中間控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)一體化，如取消汽機旁路、主汽門、調(diào)門和汽機盤車等系統(tǒng)的中間控制環(huán)節(jié)，取消就地PLC，提高系統(tǒng)可靠性。

（7）改造后的控制系統(tǒng)具有較好的開放性，控制軟件具有在線修改、邏輯強制等功能，具有歷史數(shù)據(jù)查詢功能以方便事故分析。設(shè)備監(jiān)視更加直觀，便于操作。

5 結(jié)語

改造工程不同于基建工程，存在工期緊、費用有限、制約條件多等因素，改造的難度更大，需要注意以下幾點：

（1）改造機組工期緊，一般都利用機組大修時間完成，改造前的技術(shù)準備工作要做充分。

（2）此類改造對運行人員和維護人員的要求比較高，由于受原設(shè)備的限制，必須根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備定制DCS的控制功能，不能簡單照搬其他廠的控制方式，需要精確掌握原來的設(shè)備及原控制邏輯。

（3）改造機組一般都經(jīng)過了長期運行，運行、熱控人員已經(jīng)養(yǎng)成了一定的運行習(xí)慣和操作方式，對原有系統(tǒng)也較為適應(yīng)，改造時，在邏輯設(shè)計、DCS畫面風(fēng)格和操作方式上應(yīng)盡量遵循原有系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)，再進行邏輯的優(yōu)化和控制策略的創(chuàng)新。

[1]朱北恒.浙江省火電機組DCS改造綜述[J].自動化博覽，2003，20（3）:62-65.