燃氣機組增壓機控制系統(tǒng)可靠性研究

房之棟，趙永珍，史曉華

（1.北京太陽宮燃氣熱電有限公司，北京 100028；2.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

清潔能源的發(fā)展使燃氣輪機發(fā)電的應用越來越廣泛，燃氣輪機除了對燃氣成分及品質的要求外，對燃氣的進氣壓力及壓力的穩(wěn)定性也有較為嚴格的要求。受燃氣管線的限制，從供方直接來的燃氣壓力一般達不到燃氣輪機的要求，因此，天然氣增壓機成為燃氣電廠不可或缺的重要設備。

目前，國內大多數燃氣電廠均設計有增壓機，增壓機的控制以各種品牌的可編程控制器PLC（Program Lecture Control）控制系統(tǒng)為主流，但由于系統(tǒng)設計及測點配置等問題，其發(fā)生故障導致設備非正常停運的可能性大大增加。北京太陽宮燃氣熱電有限公司從2008年4月起，由增壓機控制系統(tǒng)原因造成機組非正常停運達8次之多，增壓機控制系統(tǒng)較低的可靠性成為制約北京太陽宮燃氣熱電有限公司機組長周期穩(wěn)定運行的瓶頸問題之一。

本文針對北京太陽宮燃氣熱電有限公司（以下簡稱“京陽公司”）增壓機控制系統(tǒng)存在的問題，通過對軟硬件進行綜合考慮，結合集散控制系統(tǒng)DCS（Distribution Control System） 的設計規(guī)范，提出了全面提升增壓機控制系統(tǒng)可靠性的方法，實踐證明對提高其他重要設備的PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有一定的借鑒意義。

1 京陽公司增壓機控制系統(tǒng)存在的問題

北京太陽宮燃氣熱電有限公司天然氣場站包含2臺壓縮機，用于向2臺燃氣輪機提供壓力大約為3.2 MPa的燃料氣體。增壓機控制系統(tǒng)由Allen Bradley ControlLogix邏輯控制器、Allen Bradley操作員界面HMI（Human Machine Interface） 以及其他支持硬件組成。

1.1 就地測點存在的問題

重要保護信號未考慮冗余配置。

增壓機共設有28項停機保護，其中喘振和危險氣體兩項保護采用單點配置。

喘振是通過進氣壓力、排放壓力、壓縮機流量進行計算。其中壓縮機流量信號為單點信號，采用V型錐方式取壓。一旦流量信號出現(xiàn)故障，將直接引發(fā)喘振保護誤動從而導致設備非正常停運。

危險氣體濃度高跳機分A/B兩個區(qū)域，均為單點保護，一旦發(fā)生意外故障，必然給機組帶來不必要的誤動。

1.2 控制系統(tǒng)I/O卡件配置存在的問題

重要I/O點卡件及通道配置不合理，未考慮非同一板件的冗余配置。

京陽公司I/O卡件共分布在3層機架上，每層I/O機架控制網絡的通訊配置均為“單卡雙通道”，即通道冗余，但通訊卡均為單卡配置，一旦通訊卡件故障，跳機將不可避免。

增壓機有軸系保護共18項，其中振動4項，軸位移1項，溫度13項，全部采用二取二的保護方式。就地測點首先進入Bently3500系統(tǒng)，然后由本特利卡件進行判斷后送出跳機信號給PLC，進入Bently3500系統(tǒng)的保護，同項保護分配在同一塊I/O卡上，一旦卡件故障，即造成保護誤動作。

由PLC輸出的數字量輸出點（DO） 主要分為兩類：保護動作DO點及設備操作DO點。由于設備操作DO點均為脈沖型指令，因此卡件故障不會對其帶來影響；需要進行優(yōu)化的是保護動作DO點，由于保護繼電器為失電關斷，一旦發(fā)生機架上通訊卡件故障、自身DO卡故障或機架失去電源將導致保護誤動作。

2 增壓機控制系統(tǒng)的優(yōu)化方向

為提高增壓機控制系統(tǒng)的可靠性，徹底避免因控制系統(tǒng)本身故障造成機組的非計劃停運，技術人員多次進行技術改造優(yōu)化方案論證，根據DCS系統(tǒng)設計規(guī)范，從就地測點、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)軟件、遠程監(jiān)控4個方面進行綜合考慮，提出了相應的優(yōu)化措施。

3 京陽公司增壓機控制系統(tǒng)提高可靠性的優(yōu)化措施

3.1 就地測點的優(yōu)化

3.1.1 增壓機出口流量的改造

增壓機出口流量為單測點配置，如果發(fā)生下面任意一個問題，均可導致喘振保護動作，給機組帶來重大損失。

a）取樣一次元件磨損損壞。

b）流量變送器故障。

c）線路故障。

d）PLC模擬量輸入點AI卡件故障。

為此，進行如下設計方案。

a）增加2對V型錐流量取樣裝置及對應變送器。

b）將新增加的流量信號送入PLC不同機架的不同AI卡件上。

c）在邏輯中將流量信號進行三取中組態(tài)后送入喘振計算回路。

通過改造后，單測點變?yōu)榱巳≈械慕浀浞桨福瑥脑砩贤耆?guī)避了測點故障造成的機組誤動的風險。

3.1.2 危險汽體濃度測點的改造

由于罩殼出口處已沒有燃氣管線，且其上方布置有罩殼風機連續(xù)運轉，因此，該區(qū)域檢測出危險氣體的概率不存在；或者說，在該區(qū)域達到報警值之前，管線上方的探頭如果沒有故障，必然已提前動作。

考慮以上的分析，同時為規(guī)避單測點帶來的風險，做了如下改造方案。

a）取消罩殼出口處燃氣危險氣體探頭。

b）增加增壓機上方危險探頭為2個。

c）保護邏輯改為

探頭1動作 and（探頭2報警or探頭2故障）or

探頭2動作 and（探頭1報警or探頭1故障）

觸發(fā)保護條件。

3.1.3 改造后就地測點的狀況

經過改造后，增壓機控制系統(tǒng)的就地測點均實現(xiàn)了冗余配置。對增壓機出口流量而言，三取中的測點配置，在防止設備誤動的同時，也可以保證保護系統(tǒng)的可靠動作；對危險氣體濃度探頭可靠性也大幅度得以提高。

就地測點的改造完善后，對增壓機系統(tǒng)基本避免了因為單測點故障給設備保護帶來誤動的風險。

3.2 控制系統(tǒng)硬件的優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化方向

根據DCS系統(tǒng)“集中操作，風險分散”的指導思想，重新對I/O測點在控制系統(tǒng)卡件上的通道進行再分布，主要有以下兩方面。

a）所有保護測點分散布置于三層機架上。

b）所有自動測點分散布置于三層機架上。

改造后，將實現(xiàn)任一I/O卡件的故障不會導致機組保護的誤動，同時，不影響機組保護的可靠動作。

3.2.2 模擬量保護項目I/O側的改造

直接進入PLC系統(tǒng)的6套模擬量保護測點已分散布置在不同機架的不同卡件上，有效規(guī)避了通訊卡及單個I/O卡故障帶來的保護誤動風險。增壓機18項軸系保護，由于目前軸系保護的測點分布不合理，為此，進行測點重新分配的改造方案，同時另增加1塊軸位移卡。

改造完成后，可確保所有模擬量卡件的單卡故障不會造成機組保護誤動，同時也可確保保護正確動作的可靠性。

3.2.3 開關量保護的I/O側改造

京陽公司增壓機控制系統(tǒng)重要DI卡件分為兩類：一類直接進入PLC形成跳機指令，此類保護目前只有危險氣體濃度高與主電機故障（啟動指令發(fā)5 s后，電機運行信號未返回）兩項；另一類接受Bently3500系統(tǒng)的跳級與報警信號，目前的配置如表1所示。

表1 重要數字量輸入點測點配置表

表1中I為卡件通道。進行了以下幾項改造。

a）危險氣體濃度高：取消增壓機電機區(qū)危險氣體濃度高報警后，A/B探頭均測量增壓機區(qū)域的危險氣體濃度。采用二取二保護，將其DI信號在卡件上重新分布。

b）主電機運行信號另并一路硬接線進入另一塊I/O卡件。

c）Bently3500系統(tǒng)送入PLC的4路跳機信號，進行卡件號的重新分配。

改造后的配置如表2所示。

改造中原屬于3號機架的第5塊I/O卡重新分配到4號機架的第2塊空槽位上，這樣即可確保無論通訊卡還是I/O卡甚至整個機架失電均不會導致保護條件誤發(fā)。

3.2.4 D/O測點的卡件分散改造

由PLC輸出的數字量輸出點DO主要分為兩類：保護動作DO點及設備操作DO點。由于設備操作DO點均為脈沖型指令，因此卡件故障不會對其帶來影響；需要進行改造的是保護動作DO點，由于保護繼電器為失電關斷，一旦發(fā)生機架上通訊卡件故障、自身DO卡故障或機架電源失去將導致保護誤動。

表2 重要DI測點改造后配置表

目前，PLC側共有DO卡2塊，均分布在3號機架上，將其中1塊DO卡重新分配到機架5上，并利用機架5上新分配的DO卡所余的空通道進行保護輸出優(yōu)化（將3號機架2號DO卡移至5號機架2號空槽位，并利用空余通道10、11重新組態(tài)一路報警及保護通道，與原有信號并聯(lián)后接線至保護繼電器）。由于保護繼電器采用失電關斷的原理，因此，在避免硬件故障導致保護誤動的同時，絲毫未增加保護拒動的風險。同樣，BENTLY3500系統(tǒng)到PLC的4路DO輸出利用已有的2塊DO卡進行分散布置。

3.3 控制系統(tǒng)控制邏輯的改造

3.3.1 模擬量保護的邏輯改造

三取二的溫度保護測點若發(fā)生斷線、干擾導致的溫度異常飛升，組態(tài)中直接予以剔除，保護自動變?yōu)槎《壿?，待熱控人員處理好測點問題后，手動投入該測點的保護以恢復為原有的三取二方式。該組態(tài)用于出口溫度及供油溫度兩項保護。

軸系18項溫度保護均為二取二方式，因此自動剔除問題測點的保護沒有意義，目前的解決方案是利用斷線保護的組態(tài)為報警輸出，同時啟動應急預案，待測點故障解決后，手動復位報警。

3.3.2 自動系統(tǒng)邏輯的改造

出入口壓力及出口流量采用三取中后參與自動控制，若有1測點損壞，或與2測點偏差大時，剔除該測點，采用二取平均控制，同時發(fā)出報警至陰極射線顯示器CRT（Cathode Ray Tube）。待熱工人員處理好測點故障后，手動回復原三取中控制方式，同時復位CRT報警。

3.3.3 AO輸出邏輯改造

對每一路AO輸出，做以下幾項邏輯改造。

a）當通道故障信號發(fā)出時，AO輸出切換至上一周期數值。

b）AO輸出保持時發(fā)出軟光字報警，同時退出協(xié)調系統(tǒng)，保持工況穩(wěn)定。

c）通道正常后，恢復原有AO輸出。

3.4 遠程監(jiān)控改造

a）所有增壓機畫面測點遠傳至DCS畫面，以供運行人員監(jiān)測。

b）保護項目測點在DCS增加軟光子報警。

c）斷線保護、AO通道故障報警及所有卡件報警信號在DCS側增加軟光字報警。

4 結論

北京太陽宮燃氣熱電有限公司自投產以來由增壓機控制系統(tǒng)故障導致機組多次非正常停運的問題，依據控制系統(tǒng)設計的相關規(guī)范、原則，從就地測點、硬件與網絡配置、卡件分布、遠程監(jiān)控4個大的方面提出了提高增壓機控制系統(tǒng)可靠性的優(yōu)化方案。2011年4月進行了增壓機控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。改造后，增壓機控制系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行至今，再未發(fā)生過保護誤動作的事故，取得了良好的效果。

京陽公司提高控制系統(tǒng)可靠性研究的成功實踐，為控制系統(tǒng)在生產投運后如何提高可靠性這一課題提供了良好的范本。