燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)

張志飛 閆可

[摘 ? ?要]瓦斯內(nèi)燃機(jī)作為瓦斯發(fā)電行業(yè)重要組成部分，其設(shè)備效率決定了整個(gè)發(fā)電工藝流程的生產(chǎn)功耗，作為在高濃瓦斯發(fā)電表現(xiàn)出色的進(jìn)口機(jī)組，進(jìn)口燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以其高效、低運(yùn)行成本和高度可靠性而廣泛使用。其燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)結(jié)合了高輸出效能、低排放和低建設(shè)成本等優(yōu)點(diǎn)，但是近年來在實(shí)際運(yùn)行中卻因國內(nèi)外系統(tǒng)不兼容造成了設(shè)備性能的損失。通過分析現(xiàn)階段國內(nèi)外系統(tǒng)差異，研究設(shè)計(jì)了一種燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)，屬于變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)可根據(jù)散熱器中冷水和缸套水出水溫度，根據(jù)現(xiàn)場情況自動(dòng)調(diào)節(jié)啟停風(fēng)機(jī)臺數(shù)和頻率等。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性， 大大提升了機(jī)組運(yùn)行效率，降低發(fā)電成本，滿足國家對企業(yè)節(jié)能減排的要求。

[關(guān)鍵詞]集成自動(dòng)化控制;系統(tǒng)兼容;瓦斯發(fā)電

[中圖分類號]TG333 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]Gas internal combustion engine is an important part of the gas power generation industry. Its equipment efficiency determines the production power consumption of the entire power generation process. As an imported unit that performs well in high-concentration gas power generation， imported gas engines are characterized by their high efficiency， low operating cost and high Reliability is famous all over the world. Its gas engine organically combines the advantages of high output efficiency， low emissions， and low construction costs. However， in recent years， in actual operation， the incompatibility of domestic and foreign systems has caused the loss of equipment performance. Based on the analysis of the differences between domestic and foreign systems at this stage， this paper studies and designs an integrated automation control system for gas generator sets， which belongs to the technical field of variable frequency fan operation control. Adjust the number and frequency of start and stop fans. The system has strong practicability and reliability， which greatly improves the operating efficiency of the unit， reduces the cost of power generation， and meets the national requirements for energy saving and emission reduction of enterprises.

[Keywords]integrated automation control; system compatibility; gas power generation

全球領(lǐng)先反復(fù)式燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、成套發(fā)電機(jī)組及熱電雙聯(lián)供等發(fā)電設(shè)備制造商GE，該廠商機(jī)組可依靠煤礦瓦斯、工業(yè)廢氣等各類可燃?xì)怏w進(jìn)行燃燒做功。在高濃瓦斯發(fā)電行業(yè)內(nèi)，GE顏巴赫以其將高輸出效能、低排放和低建設(shè)成本等優(yōu)點(diǎn)從而占據(jù)領(lǐng)先地位。其燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)是按照燃?xì)馓匦詠磉M(jìn)行設(shè)計(jì)的，缸體及曲軸連桿設(shè)計(jì)更適應(yīng)于燃?xì)忾L期運(yùn)行的要求與特性，其12.5∶1的壓縮比遠(yuǎn)低于柴油機(jī)的17∶1，大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。GE顏巴赫燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的大修周期長達(dá)60 000～80 000 h就充分說明了這一點(diǎn)。維修間隙長，便于維護(hù)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和低燃料消耗確保了效率的最大化

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)為奧地利顏巴赫廠家研發(fā)生產(chǎn)，為其配套的臺散及供電系統(tǒng)為國產(chǎn)設(shè)備，兩者在控制上難以做到合理對接。經(jīng)過走訪溝通奧地利顏巴赫廠家無法開放其運(yùn)行參數(shù)，國內(nèi)配套廠家也無法理解燃機(jī)運(yùn)行詳情，從而難以投入人力財(cái)力去開發(fā)一套專門為某公司使用的系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備缸套水/中冷水的溫度、三通門的開度，臺扇的啟?；靵y且調(diào)整不及時(shí)，進(jìn)一步降低設(shè)備運(yùn)行效率。同時(shí)臺扇變頻器只能一軟啟動(dòng)，無法根據(jù)缸套水/中冷水的溫度實(shí)時(shí)調(diào)整變頻導(dǎo)致浪費(fèi)電能，臺散變頻器也失去了實(shí)際意義。在很多火電廠，風(fēng)機(jī)是其運(yùn)行的主要設(shè)備，耗電量占廠用電的30%左右，其運(yùn)行調(diào)節(jié)方式通常是通過調(diào)節(jié)擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量。這種調(diào)節(jié)方式其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率不隨機(jī)組負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，大量電能消耗在節(jié)流損失中。針對這一情況提出了一種燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)，屬于變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)可根據(jù)散熱器中冷水和缸套水出水溫度，自動(dòng)控制各自變頻器的啟停風(fēng)機(jī)臺數(shù)和頻率，大大提升機(jī)組運(yùn)行效率，降低發(fā)電成本。

1 現(xiàn)狀分析

某發(fā)電公司現(xiàn)有數(shù)臺進(jìn)口燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，每臺燃機(jī)配備有兩臺遠(yuǎn)程散熱器，分別為中冷水冷卻系統(tǒng)和缸套水冷卻系統(tǒng)，且兩路冷卻系統(tǒng)各自獨(dú)立。每臺遠(yuǎn)程散熱器配備有三臺散熱風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)配備一臺變頻器。燃機(jī)設(shè)備啟動(dòng)后，中冷水和缸套水由遠(yuǎn)程散熱器冷卻，保證機(jī)組受熱零件散熱功能正常，使其發(fā)動(dòng)機(jī)在適合的溫度狀態(tài)下工作。每臺風(fēng)機(jī)均配備一臺變頻器，控制方式為控制命令給出后，風(fēng)機(jī)變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)后加載至50 Hz運(yùn)行，啟動(dòng)后頻率不能調(diào)整。這就導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行無法根據(jù)現(xiàn)場溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，造成內(nèi)部電力損耗，同時(shí)啟動(dòng)臺數(shù)也無法調(diào)整，進(jìn)一步加劇能源消耗。

2 控制目標(biāo)

（1）將已有控制臺散的控制線路拆除，利用燃機(jī)啟動(dòng)信號（通過缸套水泵/中冷水泵的啟停信號）投入和退出臺散自動(dòng)控制系統(tǒng)，燃機(jī)臺散集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)投入后，可根據(jù)溫度測點(diǎn)信號控制啟停臺散電機(jī)數(shù)量及頻率。

（2）采用型號為PT100的溫度傳感器測量中冷水和缸套水溫度，二者出口處均有溫感測點(diǎn)，測定范圍從-50～150℃。

（3）啟動(dòng)燃機(jī)，PLC模塊接收啟動(dòng)臺散指令并進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)備啟動(dòng)。臺散風(fēng)機(jī)的啟停是由PLC控制系統(tǒng)投入后收到的測點(diǎn)溫度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值決定，該溫度預(yù)設(shè)值是可隨外設(shè)實(shí)時(shí)調(diào)整的。

（4）PLC通過檢測溫度變化，按既定溫度控制缸套水/中冷水各自三臺變頻器啟停臺數(shù)及頻率。當(dāng)臺散風(fēng)機(jī)根據(jù)臺散出口溫度變化啟動(dòng)后，系統(tǒng)會根據(jù)測點(diǎn)溫度與預(yù)設(shè)值的偏差調(diào)整風(fēng)機(jī)的頻率和數(shù)量，現(xiàn)場有一臺為變頻風(fēng)機(jī)，其余兩臺為工頻。

3 運(yùn)行方式

如圖1所示，本系統(tǒng)包括如下步驟：

（1）啟動(dòng)燃機(jī)，兩套冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)由各自水泵控制;

（2）缸套水冷卻系統(tǒng)、中冷水冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)后再根據(jù)測點(diǎn)溫度通過PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)控制缸套水冷卻系統(tǒng)、中冷水冷卻系統(tǒng)工作;

（3）PLC控制系統(tǒng)通過缸套水出水口的測點(diǎn)溫度和/或燃機(jī)負(fù)載控制缸套水冷卻系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量和頻率，使缸套水出水口溫度變化控制在設(shè)定范圍內(nèi);

（4）PLC控制系統(tǒng)通過中冷水出水口的測點(diǎn)溫度和/或燃機(jī)負(fù)載控制缸套水冷卻系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量和頻率，使中冷水出水口溫度變化控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

步驟（2）中控制缸套水冷卻系統(tǒng)、中冷水冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)的測點(diǎn)溫度分別為缸套水、中冷水出水口處設(shè)定的最高溫度;缸套水冷卻系統(tǒng)、中冷水冷卻系統(tǒng)分別設(shè)置有三臺散熱風(fēng)機(jī)，其中至少一臺風(fēng)機(jī)為變頻風(fēng)機(jī)。其頻率由現(xiàn)場運(yùn)行溫度實(shí)時(shí)采集進(jìn)行調(diào)整。

在溫度升高階段，變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度變化調(diào)整頻率的步驟如下：

設(shè)定在運(yùn)行過程中出水口溫度包括包括兩個(gè)階段，第一階段為中低溫段，第二階段為中高溫段.變頻風(fēng)機(jī)在第一階段運(yùn)行過程中保持設(shè)定的最低頻率運(yùn)行，變頻風(fēng)機(jī)在第二階段根據(jù)溫度的升高調(diào)整頻率升高，直至達(dá)到設(shè)定的最高運(yùn)行頻率。

在溫度降低階段，變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度變化調(diào)整頻率的步驟如下：

設(shè)定在運(yùn)行過程中出水口溫度包括兩個(gè)階段，第一階段為中高溫段，第二階段為中低溫段。變頻風(fēng)機(jī)在第一階段根據(jù)溫度的降低調(diào)整頻率減小，直至達(dá)到設(shè)定的最低運(yùn)行頻率，變頻風(fēng)機(jī)在第二階段運(yùn)行過程中保持設(shè)定的最低頻率運(yùn)行。PLC控制系統(tǒng)對每臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間做累計(jì)，在控制風(fēng)機(jī)啟停時(shí)每次以累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的優(yōu)先啟動(dòng)。

本系統(tǒng)提供的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制方法主要通過散熱器中冷水和缸套水出水溫度，自動(dòng)控制各自變頻器的啟停風(fēng)機(jī)臺數(shù)和頻率。

4 程序要求

程序上要求記錄每臺設(shè)備持續(xù)運(yùn)時(shí)間，啟動(dòng)策略優(yōu)先考慮累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短設(shè)備將控制模式分為遠(yuǎn)程和就近兩種控制模式，分別設(shè)于觸摸屏和控制柜上。該系統(tǒng)還擁有手動(dòng)模式/自動(dòng)模式兩種操作模式，手動(dòng)模式可以在觸摸屏手動(dòng)啟停任何一臺風(fēng)機(jī)，變頻風(fēng)機(jī)還可以通過手動(dòng)調(diào)整頻率轉(zhuǎn)速，對故障進(jìn)行復(fù)位。

5 輔助設(shè)備

為保證該系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)啟動(dòng)失敗時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)下一臺（如變頻器報(bào)故障或者其他原因沒有啟動(dòng)成功），保證在某臺風(fēng)機(jī)或者變頻器發(fā)生故障時(shí)不會影響臺散正常啟動(dòng)。整套系統(tǒng)設(shè)有觸摸屏，功能為監(jiān)視各風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù);監(jiān)視散熱器測點(diǎn)溫度;設(shè)備故障錄入等。該觸摸屏可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、故障復(fù)位、頻率給定等。

當(dāng)溫度信號故障或丟失后，或者有其他原因?qū)е驴刂葡到y(tǒng)失靈，為保證燃機(jī)的正常運(yùn)行，所有風(fēng)機(jī)要全部啟動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號。變頻設(shè)備要加頻率至滿頻率運(yùn)行，最大化輸出散熱，保障散熱器正常工作。本系統(tǒng)具體采用6臺型號為英威騰GD200A-011G/015P-416變頻器，分別控制一臺風(fēng)機(jī)，采用的PLC控制系統(tǒng)為西門子smart200 sr30。設(shè)置了1臺溫度輸入模塊AR04，1臺模擬量輸入模塊AE04，1臺模擬量輸出模塊AQ04，24 V電源1臺。

6 實(shí)例分析

實(shí)例一：設(shè)定缸套水出口的溫度控制為20 ～65 ℃，第一階段中低溫階段的溫度控制在20 ～45 ℃，第二階段中高溫階段的溫度控制在45 ～60 ℃。

當(dāng)缸套水出口溫度達(dá)到設(shè)定的最高溫度65 ℃時(shí)，變頻控制的風(fēng)機(jī)先行運(yùn)行，根據(jù)兩臺遠(yuǎn)程散熱器缸套水出口溫度變化，變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率達(dá)到設(shè)定最高運(yùn)行頻率45 HZ時(shí)啟動(dòng)一臺工頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)繼續(xù)根據(jù)溫度變化調(diào)整頻率;此時(shí)變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度降低進(jìn)行變頻運(yùn)行，當(dāng)溫度處于第二階段時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)的頻率根據(jù)降溫的幅度進(jìn)行減小，例如在第二階段從60 ℃逐步將至45 ℃時(shí)，溫度每下降5 ℃，頻率降低5 Hz，當(dāng)溫度降至第一階段時(shí)，保持變頻風(fēng)機(jī)的頻率為25 Hz運(yùn)行。

隨著兩臺遠(yuǎn)程散熱器缸套水出口溫度再次升高，溫度升高部分也包括從第一階段和第二階段，同樣在第一階段變頻器保持25 Hz運(yùn)行，在第二階段逐步升溫時(shí)，溫度煤升高5 ℃，變頻風(fēng)機(jī)的頻率升高5 Hz，當(dāng)該變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率再次達(dá)到45 Hz時(shí)啟動(dòng)第二臺工頻風(fēng)機(jī)。此時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行降溫過程，頻率隨即降低，當(dāng)兩臺遠(yuǎn)程散熱器缸套水出口溫度下降時(shí)，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)頻率到達(dá)25 Hz時(shí)停一臺工頻風(fēng)機(jī)，剩一臺變頻一臺工頻運(yùn)行;當(dāng)兩臺遠(yuǎn)程散熱器缸套水出口溫度再下降時(shí)，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)頻率再次降到25 Hz時(shí)再停一臺工頻風(fēng)機(jī)，只剩一臺變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行。啟動(dòng)后根據(jù)兩臺遠(yuǎn)程散熱器缸套水出口溫度變化在此要求范圍內(nèi)自動(dòng)增減工頻風(fēng)機(jī)和調(diào)整變頻轉(zhuǎn)速。

實(shí)例二：中冷水兩臺遠(yuǎn)程散熱器冷卻系統(tǒng)，設(shè)定缸套水出口的溫度控制為20 ～45 ℃，第一階段中低溫階段的溫度控制在20 ～30 ℃，第二階段中高溫階段的溫度控制在30 ～45 ℃。

當(dāng)中冷水出口溫度達(dá)到設(shè)定的最高溫度45 ℃時(shí)，根據(jù)兩臺遠(yuǎn)程散熱器中冷水出口溫度變化，變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率達(dá)到45 Hz時(shí)啟動(dòng)一臺工頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，此時(shí)變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)繼續(xù)根據(jù)溫度變化調(diào)整頻率;此時(shí)變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度降低進(jìn)行變頻運(yùn)行，當(dāng)溫度處于第二階段時(shí)，變頻風(fēng)機(jī)的頻率根據(jù)降溫的幅度進(jìn)行減小，例如在第二階段從45 ℃逐步將至30 ℃時(shí)，溫度每下降3 ℃，頻率降低5 Hz，當(dāng)溫度將至第一階段時(shí)，保持變頻風(fēng)機(jī)的頻率為25 Hz運(yùn)行。

隨著兩臺遠(yuǎn)程散熱器中冷水出口溫度再次升高，當(dāng)該變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率再次達(dá)到45 Hz時(shí)啟動(dòng)第二臺工頻風(fēng)機(jī)。溫度升高部分也包括從第一階段和第二階段，同樣在第一階段變頻器保持25 Hz運(yùn)行，在第二階段逐步升溫時(shí)，溫度煤升高3 ℃，變頻風(fēng)機(jī)的頻率升高5 Hz，當(dāng)該變頻運(yùn)行的風(fēng)機(jī)頻率再次達(dá)到45 Hz時(shí)啟動(dòng)第二臺工頻風(fēng)機(jī)。此時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行降溫過程頻率降低，當(dāng)兩臺遠(yuǎn)程散熱器中冷水出口溫度下降時(shí)，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)頻率達(dá)到25 Hz時(shí)停一臺工頻風(fēng)機(jī)，剩一臺變頻一臺工頻運(yùn)行;當(dāng)兩臺遠(yuǎn)程散熱器中冷水出口溫度再下降時(shí)，變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)頻率再次降到25 Hz時(shí)再停一臺工頻風(fēng)機(jī)，只剩一臺變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行。啟動(dòng)后根據(jù)兩臺遠(yuǎn)程散熱器中冷水出口溫度變化在此要求范圍內(nèi)自動(dòng)增減工頻風(fēng)機(jī)和調(diào)整變頻轉(zhuǎn)速。

上述實(shí)例中設(shè)定的第一階段、第二階段的溫度范圍，及在升溫和降溫過程中變頻風(fēng)機(jī)頻率變化幅值均可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)行設(shè)定，該實(shí)例僅是作為一個(gè)具體的實(shí)施例進(jìn)行解釋說明，而關(guān)于缸套水、中冷水出口的溫度范圍，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，中低溫階段的溫度范圍和中高溫階段的溫度范圍也可以根據(jù)實(shí)際燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況及負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)于本系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)需要說明的是，本系統(tǒng)采用的各部件模塊相互之間的連接關(guān)系是確定的、可實(shí)現(xiàn)的，除實(shí)施例中特殊說明的以外，其特定的連接關(guān)系可以帶來相應(yīng)的技術(shù)效果，并基于不依賴相應(yīng)軟件程序執(zhí)行的前提下，可解決實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)機(jī)運(yùn)行存在的問題。

7 結(jié)語

該項(xiàng)系統(tǒng)具備極高集成自動(dòng)化程度，系統(tǒng)投入使用之后，改善了臺散過度啟停所帶來的設(shè)備功率損耗，變頻自動(dòng)化控制技術(shù)在高能耗設(shè)備上應(yīng)用之后，減少甚至消除了系統(tǒng)中存在的大量節(jié)流損失，在節(jié)能降耗方面取得明顯的成效。當(dāng)前，能耗形勢日愈嚴(yán)峻，后續(xù)優(yōu)化相應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略及邏輯，使改造后系統(tǒng)能更好地完成其調(diào)節(jié)任務(wù)，具有深遠(yuǎn)的開發(fā)應(yīng)用和研究前景。

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