關(guān)于PLC汽輪機保護系統(tǒng)的應用

何鑫

摘 要：可編程控制器（PLC）是七十年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，是自動控制、計算機和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場設備。由于控制對象的復雜性，使用環(huán)境的特殊性和運行的長期連續(xù)性，使PLC 在設計上有自己明顯的特點：可靠性高，適應性廣，具有通信功能，編程方便，結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中，PLC 已經(jīng)成為一種重要的基本控制單元，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應用前景極其廣泛。

介紹了汽輪機主保護的任務，分析了汽輪機保護系統(tǒng)（ETS）的現(xiàn)狀，對SIEMENS S7—200 PLC進行了詳細介紹，利用S7—200 PLC對該機組保護系統(tǒng)的邏輯編程，并利用PLC設計汽輪保護控制系統(tǒng)，靈活，可靠地實現(xiàn)汽輪機保護跳閘、記憶功能，取得了滿意效果。

關(guān)鍵詞：PLC控制；汽輪機；保護系統(tǒng)；安全有效

1 汽輪機的原理

從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，汽輪機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。這些蒸汽可能來自鍋爐燃料燃燒，加熱給水產(chǎn)生的，也可能是其他高溫、高壓的蒸汽發(fā)生設備產(chǎn)生的。汽輪機輸出的動能驅(qū)動發(fā)電機，進一步將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，供給工業(yè)生產(chǎn)和生活需要。與往復式活塞式動力機械相比較，汽輪機具有功率大、轉(zhuǎn)速高、經(jīng)濟性好等顯著特點。因此，汽輪機在國民經(jīng)濟中，起著舉足輕重的作用，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應用。如圖1所示汽輪機原理圖。

在汽輪機中，蒸汽的熱能（焓）被轉(zhuǎn)換成機械功，完成這個能量轉(zhuǎn)換的基本單元叫做汽輪機的葉片級。

汽輪機的某個級，它主要由靜葉柵（有稱噴嘴）和動葉柵組成。靜葉片安裝在汽輪機靜止的部件上，動葉片安裝在有可旋轉(zhuǎn)的輪盤上。汽輪機的通流部分是由主進汽閥、調(diào)節(jié)閥、若干個葉片級和排汽缸所組成，它負擔著把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的任務。

2 汽輪機的自動控制系統(tǒng)

汽輪機的自動控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。

1）.汽輪機的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)

汽輪機的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的功能主要是使機組的被調(diào)量（轉(zhuǎn)速、壓力等）能按一定的規(guī)律變化，以適應復核（電功率、熱負荷或驅(qū)動功率等）變化的要求；當機組發(fā)生故障后外界干擾時，能采取緊急保安措施，以確保機組的安全。

為確保機組安全經(jīng)濟運行，調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)必須動作正確可靠，性能優(yōu)良。必要時，可采用冗余技術(shù)和自診斷、快速查找故障、方便在線維修、自動/手動的無擾動切換等手段。

2）.汽輪機的安全監(jiān)控系統(tǒng)

汽輪機的安全監(jiān)控系統(tǒng)是保護汽輪機安全運行的重要設備。目前，安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控項目有：冷凝器低真空、轉(zhuǎn)子軸向位移和推力軸承磨損、轉(zhuǎn)子與汽缸間的相對膨脹（脹差）、絕對膨脹、潤滑油壓、機組震動、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承和潤滑油溫度等。

在上述安全監(jiān)控項目中，又可分為監(jiān)視項目和保護項目兩款。監(jiān)控項目只對被監(jiān)視參數(shù)進行連續(xù)、有效、準確的監(jiān)視（包括記錄）。當被監(jiān)視的參數(shù)超過允許極限值時，能發(fā)出聲光報警信號，提請運行人員注意，以采取相應的糾正措施。保護項目則要求在被監(jiān)視的參數(shù)超限時，保護裝置能準確、可靠、及時地動作，實現(xiàn)強迫停機，以免事態(tài)進一步擴大，確保機組安全。

3 汽輪機保護系統(tǒng)的實現(xiàn)

PLC型汽機保護系統(tǒng)邏輯功能是在原以繼電器為基礎(chǔ)的邏輯功能上加以改進的，通過軟件組態(tài)滿足系統(tǒng)工藝要求，當汽輪機發(fā)生故障，發(fā)出相應的故障報警信號，汽輪機自動跳閘，來保護汽輪機。

1） 汽輪機保護系統(tǒng)的硬件設計

汽機保護PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，采用西門子S7-200系列模件，整個硬件系統(tǒng)使用了一個PLC主機架，為了提高PLC系統(tǒng)的可靠性，采用雙CPU冗余熱備運行和雙電源模件供電，這樣也大大提高了保護控制系統(tǒng)的安全可靠，同時控制邏輯軟件中能使汽輪進行跳閘保護并付出報警信號，為汽輪機跳閘后事故分析提供了依據(jù)。

2） 汽輪機保護系統(tǒng)邏輯功能的實現(xiàn)

PLC型微機保護系統(tǒng)設有：超速14%PLC型汽機保護原理保護、軸向位移及推力軸承回油溫度高保護、高壓缸相對膨脹保護、凝結(jié)器真空低保護、支持軸承回油溫度高保護、潤滑油壓低保護、發(fā)電機差動保護、手動停機跳閘等條件。以上幾個條件只要有任一條件滿足，則主汽門就關(guān)閉并發(fā)出相應的報警信號。

4 汽輪機保護系統(tǒng)中的傳感器

在汽輪機保護系統(tǒng)中所應用到的傳感器種類很多，在汽輪機保護中，需要傳感器對其保護，發(fā)出相應的信號，對汽輪機組發(fā)出報警信號，并對其跳閘保護。電渦流位移傳感器是其主要應用，振動的測量要靠各種振動傳感器，在旋轉(zhuǎn)機械上使用較多而又成熟的傳感器主要有：電渦流位移傳感器。

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。電渦流傳感器的變換原理簡要介紹如下：在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高（一般為1MHz～2MHz）的交變電壓（見圖3），當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應出一渦流ie，而ie所形成的磁通鏈又穿過原線圈，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數(shù)的大小又與二者之間的距離及導體的材料有關(guān)，當材料給定時，耦合系數(shù)K1與距離d有關(guān)，K= K1（d），當距離d增加，耦合減弱，K值減小，使等效電感增加，因此，測定等效電感的變化，也就間接測定d的變化。

由于傳感器反饋回的電感電壓是有一定頻率（載波頻率）的調(diào)幅信號，需檢波后，才能得到間隙隨時間變化的電壓波形。即根據(jù)以上原理所述，為實現(xiàn)電渦流位移測量，必須有一個專用的測量路線。這一測量路線（稱之為前置器）應包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。渦流傳感器加上一測量線路（前置器），如框圖4所示：從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓，它可分兩部分：一為直流電壓Vde，對應于平均間隙（或初始間隙），一為交流電壓Vac，對應于振動間隙。

5 汽輪機保護系統(tǒng)的總結(jié)與展望

隨著算機技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程序控制器的功能有了很大的提高，它不再僅僅局限于完成順序邏輯控制功能。多數(shù)的可編程序控制器采用通用的高性能處理器，在保證快速完成順序邏輯運算的前提下，普遍增加了回路調(diào)節(jié)功能，代數(shù)計算功能等?？删幊绦蚩刂破骷航?jīng)成為工業(yè)控制的標準化設備，在工業(yè)企業(yè)中應用相當普遍，是自動化的三大技術(shù)支柱之一。

在電力統(tǒng)中，電廠的中小型機組一般都是老機組，服役時間長，設備老化。在這些機組中，普遍存在著一些由繼電器回路構(gòu)成的控制保護系統(tǒng)。這些繼電器控制系統(tǒng)由于連線多，觸點多，故障不容易查找和排除，存在著不少的安全隱患。而可編程序控制器的可靠性高，維護工作量小，適應性強。因此在對火電廠中小型機組進行改造中，利用可編程序控制器對原有的繼電器控制系統(tǒng)進行改造，從而提高控制系統(tǒng)，保護系統(tǒng)的功能以及可靠性，這將是一種必然趨勢。

隨著可編程控制器在電廠機組的順序控制，回路控制等方面的更廣泛應用，設計并實現(xiàn)可編程序控制器系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，在火電廠分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和研制中將占有重要地位。針對控制對象的特點和實際操作的要求，進一步的深入研究通信網(wǎng)絡的通信機制，開發(fā)出適應性更強，更靈活的監(jiān)控軟件將是以可編程序控制器為主的監(jiān)控系統(tǒng)今后的主要工作和主要趨勢。

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