武漢漢能電力發(fā)展有限公司109E燃機控制系統(tǒng)改造方案

武漢漢能電力發(fā)展有限公司 王毅剛 田毅華 文謙

艾默生過程控制有限公司 竺紀定 陸文佳

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武漢漢能電力發(fā)展有限公司 王毅剛 田毅華 文謙

艾默生過程控制有限公司 竺紀定 陸文佳

圖1 電廠概貌

1 項目概況

武漢漢能電力有限公司沌口燃機電廠安裝有一套176.5MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，其中燃氣輪機于1996年12月投產(chǎn)，額定功率123MW，采用法國阿爾斯通公司生產(chǎn)的PG9171E型燃氣輪機設(shè)備，其主要由一臺額定功率1000kW的啟動馬達、一臺17級的軸流式壓氣機、一臺由14個分管式燃燒室組成的燃燒系統(tǒng)和3級透平轉(zhuǎn)子組成。而汽輪機于1997年10月投產(chǎn)，額定功率53.5MW，采用哈爾濱汽輪機有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N53.5-4.7型聯(lián)合循環(huán)單缸、單軸、單排汽、沖動、次高壓、凝汽式汽輪機，其配套鍋爐設(shè)備采用美國DELTAK公司生產(chǎn)的DINO4264型自然循環(huán)余熱鍋爐。電廠設(shè)一個集中控制室和一個燃氣輪機就地控制室，在集中控制室內(nèi)可以完成整個聯(lián)合循環(huán)機組的啟動、停止、正常運行及事故處理。

機組投產(chǎn)初期燒＃0～＃20柴油發(fā)電，2000年6月改燒重油發(fā)電，2005年6月又改燒天然氣發(fā)電，為天然氣供氣增壓配置了兩臺美國庫伯公司的往復(fù)式壓縮機，2012年5月完成了燃機勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機保護系統(tǒng)的改造，實現(xiàn)電網(wǎng)要求的雙冗余并增加了PSS功能。機組主要運行在冬季、夏季和用電高峰時段，每年上網(wǎng)電量約1億千瓦時，自天然氣改造至今，累計運行4760小時，累計發(fā)電量60148萬千瓦時。

原燃氣輪機控制系統(tǒng)為美國GE公司提供的MARK-V控制系統(tǒng)，配置兩臺接口計算機，分別放置在燃機就地控制室與集中控制室，監(jiān)視和控制范圍包括燃氣輪機及輔機等?？刂葡到y(tǒng)投運至今已近18年，設(shè)備老化、人機界面落后、技術(shù)支持響應(yīng)周期長、備品備件供應(yīng)困難和運行維護成本高等問題日趨嚴重。此次機組正值低氮燃燒改造的好時機，客戶十分重視控制系統(tǒng)的改造，與各廠家分別進行了多次深入的技術(shù)交流和考察，最終艾默生公司憑借完善的技術(shù)方案和成熟的應(yīng)用業(yè)績贏得了客戶的信任。

2 改造方案

2.1 硬件方案

此次燃氣輪機控制系統(tǒng)改造采用Windows平臺最新的3.5版Ovation系統(tǒng)軟件以及新一代的OCR1100控制器硬件，共配置1臺服務(wù)器兼歷史站和2臺操作員站（集控室和就地燃機控制室各布置1臺），分別采用Windows Sever2008和Win7操作系統(tǒng)，項目系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 項目系統(tǒng)圖

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)

Ovation網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為快速以太網(wǎng)，由于應(yīng)用了全冗余和容錯技術(shù)，任何一個站點（工作站、控制器等）故障都不會影響其他站點正常運行。此次改造考慮運行人員日常操作主要在就地燃機控制室完成，所以將網(wǎng)絡(luò)柜布置在就地用于以太網(wǎng)連接就地操作員站和Ovation控制器，而集控室的服務(wù)器和操作員站則通過光纜和光電轉(zhuǎn)換器連接到該網(wǎng)絡(luò)柜。按此設(shè)計，即便集控室與就地網(wǎng)絡(luò)柜光纜通訊中斷，也不影響就地燃機正常操作。值得一提的是，網(wǎng)絡(luò)柜設(shè)計了可拆卸側(cè)門，方便用戶日常維護，如圖3所示。

圖3 就地網(wǎng)絡(luò)柜

2.1.2 機柜與電纜

原Mark V系統(tǒng)機柜共由一面Mark V系統(tǒng)燃機控制柜，一面Mark V系統(tǒng)就地操作站柜（含打印機設(shè)備）和一面端子轉(zhuǎn)接柜組成。此次改造拆除Mark V系統(tǒng)的燃機控制柜和就地操作站柜，并在其原位安裝新的Ovation系統(tǒng)燃機控制柜（如圖4和圖5所示）。

圖4 Ovation系統(tǒng)燃機控制柜吊裝中

圖5 就位后的Ovation系統(tǒng)燃機控制柜

電纜方面，原就地信號電纜首先連接到端子柜，然后再轉(zhuǎn)接至Mark V系統(tǒng)燃機控制柜。此次改造保留端子柜和現(xiàn)場信號電纜，僅拆除端子柜至Mark V系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接電纜并按新設(shè)計重新敷設(shè)。

2.1.3 控制器及I/O卡件

考慮原Mark V系統(tǒng)特有的TMR三冗余功能和某些重要信號就地傳感器無法冗余的設(shè)計局限性，此次改造在Ovation系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余、供電冗余和控制器冗余的常規(guī)冗余設(shè)計基礎(chǔ)上，I/O模塊這一級也同樣設(shè)計了冗余和三冗余功能，并把原有機組的一部分非冗余傳感器增加為三冗余的傳感器（如CPD傳感器），再加之良好的硬件設(shè)計（如就地傳感器冗余的重要信號分散設(shè)計在不同卡件等），以增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，防止在I/O級別上出現(xiàn)的單點故障對機組運行造成嚴重影響，項目測點配置清單見表1。

表1 測點配置清單

圖6 改造前Mark V系統(tǒng)柜內(nèi)卡件

圖7 改造后Ovation系統(tǒng)柜內(nèi)卡件

此外，改造后的Ovation系統(tǒng)I/O卡件模塊采用平面布置并且支持熱插拔，較原先Mark V系統(tǒng)的控制卡采用蜂箱式結(jié)構(gòu)更容易安裝和維護（如圖6和圖7所示）。

2.1.4 硬保護跳閘回路

原Mark V系統(tǒng)的

Core是專門用于燃機跳閘保護的，而此次改造在Ovation系統(tǒng)控制器邏輯實現(xiàn)

Core所有跳閘保護功能外，另外設(shè)計了一套獨立的硬保護跳閘回路，類似火電機組的MFT（主燃料跳閘）硬回路。當(dāng)發(fā)生以下緊急情況時，硬保護跳閘回路動作，迅速遮斷燃機，保護機組安全。

（1）超速保護跳閘（來源于Ovation轉(zhuǎn)速模塊超速保護繼電器三取二表決）；

（2）振動大保護跳閘（來源于CSI6500振動保護裝置繼電器輸出）；

（3）邏輯保護跳閘（來源于Ovation控制系統(tǒng)繼電器輸出）；

（4）運行人員緊急跳閘（來源于就地和燃機控制柜緊急跳

閘按鈕）；

（5）外部系統(tǒng)緊急跳閘（來源于火災(zāi)報警系統(tǒng)和發(fā)電機保護系統(tǒng)）。

2.1.5 其他設(shè)備

除Ovation系統(tǒng)標準I/O卡件模塊外，此次改造還設(shè)計了同期裝置和振動保護設(shè)備（如圖8所示），其中同期裝置具備自動同期和手動同期功能，運行人員也可通過Ovation畫面進行相應(yīng)的監(jiān)視和操作（如圖9所示）；而CSI6500振動保護裝置直接接收現(xiàn)場8路瓦振信號，該裝置獨立于Ovation系統(tǒng)進行自主診斷和邏輯運算，以便振動大需跳機時，輸出繼電器信號至硬保護跳閘回路遮斷燃機，保護機組安全。同時振動保護裝置也通過冗余通訊模塊將振動信號的模擬量值和裝置故障信息等送至Ovation系統(tǒng)，方便運行人員進行日常監(jiān)視和維護。

圖8 改造后同期裝置和振動保護設(shè)備

圖9 改造后Ovation系統(tǒng) 同期操作畫面

2.2 軟件方案

2.2.1 邏輯控制

2.2.1.1 原機組控制功能

此次Mark V控制系統(tǒng)改造保留除液體燃料和注水系統(tǒng)外的原9E機組以下所有控制功能：

（1）順序控制功能

? 機組啟動允許條件自動檢測Turbine Start Permissive；

? 機組遮斷首出判斷Turbine Trip Conditions；

? 機組啟動和停機順控Start-Up and Shutdown Sequences；

? 其它順序控制等Sequencing Control Functions。

（2）調(diào)節(jié)控制功能（即各個FSR控制功能）

? 啟動燃料控制Start-up Fuel Control；

? 加速控制Acceleration Control；

? 轉(zhuǎn)速控制Speed Control；

? 負荷控制Generator Load Control；

? 溫度控制TemperatureControl；

? 停機控制 Shut Down Control。

（3）跳閘保護功能

? 超速保護Overspeed Protection；

? 超溫保護TTXM Protection；

? 熄火保護Loss of Flame Protection；

? 振動保護 Vibration Protection；

? 壓氣機排氣壓力保護 CPD Protection；

? IGV失速保護Stall Protection – Inlet Guide Vanes；

? 燃燒監(jiān)測保護Combustion Monitor Protection；

? 其他的部分。

2.2.1.2 新增控制功能

考慮到客戶需求和電網(wǎng)要求，此次改造新增了以下控制功能：

（1）一次調(diào)頻功能

該功能可以由操作員投入切除，也可以在當(dāng)前網(wǎng)頻下添加偏置，以檢驗一次調(diào)頻的工作性能（如圖10所示）。

圖10 一次調(diào)頻功能

（2）啟動泄漏試驗功能

該功能為燃機啟動必檢項目，試驗不能通過，則不允許點火而停機（如圖11所示）。

圖11 泄露試驗進行中

（3）逆功率停機功能

原機組通常由電氣逆功率動作觸發(fā)停機，改造后由DCS側(cè)判斷有功功率下降到指定值（3MW）時觸發(fā)停機動作，糾正了原邏輯的錯誤。

2.2.1.3 低氮燃燒改造

根據(jù)LEC-III低氮燃燒改造方案，原單一擴散燃燒方式升級為擴散（低負荷）→預(yù)混（高負荷）燃燒。天然氣配給由原先單一閥門控制改為更復(fù)雜的配比方式（如圖12所示），燃燒器也由單區(qū)燃燒室改為分區(qū)燃燒室（如圖13所示），使機組能夠順利地從高排放的擴散燃燒方式進入低排放的預(yù)混燃燒模式。

圖12 改造后天然氣配給方式

圖13 燃燒室火檢（一區(qū)&二區(qū)）

控制系統(tǒng)根據(jù)TTRF1決定燃燒方式的切換點，通過對GCV1、GCV2、GCV3的閥位控制實現(xiàn)對燃燒器一區(qū)及二區(qū)燃料的不同配給，從而保證機組在擴散燃燒及預(yù)混燃燒方式之間的平穩(wěn)切換。燃燒方式由低負荷到高負荷通常有以下幾種燃燒方式：

（1）Diffuse擴散模式（如圖14所示）

（2）Lean-Lean模式（如圖15所示）

（3）Transfer過程（如圖16所示）

（4）Premix預(yù)混模式（如圖17所示）

圖14 Diffuse Mode

圖15 Lean-Lean Mode

圖16 Transfer

圖17 Premix Mode

為保證燃燒系統(tǒng)正常工作，燃燒方式能夠平穩(wěn)的切換，也為了能夠在更低的負荷下進入預(yù)混燃燒方式，系統(tǒng)增加了IBH (Inlet Bleed Heat)功能（如圖18所示）。啟用IBH可以提升TTRF1(燃燒參考溫度)，將預(yù)混燃燒方式的切換點從80%負荷左右提前至50%負荷左右；IBH同時也兼具了原系統(tǒng)的防冰功能（如圖19所示）。

圖18 IBH管路

圖19 IBH控制

2.2.2 人機界面

原Mark V控制系統(tǒng)人機界面（如圖20所示）受到DOS操作系統(tǒng)的限制不僅畫面差數(shù)量也極少，報警功能以及歷史數(shù)據(jù)功能有限，并且完全沒有漢化，已無法滿足目前客戶的需求。改造后Ovation控制系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)的人機界面（如圖21所示）流程圖監(jiān)視內(nèi)容更加豐富，分布更加合理，提供了更符合用戶需求的報警功能，更有強大的歷史數(shù)據(jù)記錄能力，保證了三年以上不間斷的數(shù)據(jù)、操作記錄、SOE等內(nèi)容的快速查詢。關(guān)鍵內(nèi)容進行了漢化，使得操作員接口更加友好。

圖20 改造前Mark V系統(tǒng)燃機主畫面

圖21 改造后Ovation系統(tǒng)燃機主畫面（漢化）

另外，此次改造畫面顯示的信號名都尊重電廠的習(xí)慣，沿用了原來的信號命名。并且艾默生根據(jù)多年改造的經(jīng)驗也對部分畫面進行了優(yōu)化，如原Mark V系統(tǒng)的排氣溫度監(jiān)視畫面（如圖22所示）功能較為單一，而改造后的Ovation系統(tǒng)畫面（如圖23所示）則十分直觀，更易于事故分析和處理。

圖22 改造前Mark V系統(tǒng)排氣溫度監(jiān)視畫面

圖23 改造后Ovation系統(tǒng)排氣溫度監(jiān)視畫面

2.3 第三方接口

天然氣增壓站的增壓機監(jiān)視系統(tǒng)（如圖24所示）并未納入原Mark V控制系統(tǒng)，此次改造Ovation控制系統(tǒng)通過OPC接口接收增壓機監(jiān)視系統(tǒng)的所有實時數(shù)據(jù)并組態(tài)了相應(yīng)的監(jiān)視畫面（如圖25所示）。運行人員可在就地燃機控制室的操作員站直接監(jiān)視增壓機相關(guān)狀態(tài)和報警。所有的通訊數(shù)據(jù)同時也納入Ovation系統(tǒng)歷史站，以便客戶統(tǒng)一進行歷史數(shù)據(jù)的查看和趨勢曲線的調(diào)用。

圖24 改造前增壓機監(jiān)視系統(tǒng)

圖25 改造后通過OPC通訊并入Ovation系統(tǒng)監(jiān)視畫面

3 項目小結(jié)

作為Ovation國內(nèi)第一套GE 9E機組的Speedtronic控制系統(tǒng)改造項目，艾默生憑借豐富的燃機控制經(jīng)驗和項目執(zhí)行經(jīng)驗，通過與客戶及總包方等多方團隊合作，最終交出了一份出色的答卷，獲得了客戶的高度贊揚。

通過此次成功改造，艾默生為武漢漢能實現(xiàn)全廠控制一體化提供了優(yōu)秀的控制系統(tǒng)平臺，同時也為國內(nèi)面臨GE 9E機組控制系統(tǒng)改造的其它電廠提供了有益參考。