汽輪機監(jiān)視儀表與主控系統(tǒng)一體化設(shè)計及應(yīng)用

蒙映峰，徐曉晨，張振龍，龍婷婷，蒙俊昆

(1.青島華豐偉業(yè)電力科技工程有限公司，山東 青島 266100；2.日照凱迪生態(tài)能源有限公司，山東 日照 276800； 3.桂林魯山新型建材有限公司，廣西 桂林 541806；4.華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)系，廣東 廣州 510631)

汽輪機監(jiān)視儀表(以下簡稱TSI)一般檢測汽輪發(fā)電機組的參數(shù)包括轉(zhuǎn)速(電超速保護(hù)用轉(zhuǎn)速和零轉(zhuǎn)速)、軸向位移、脹差、偏心、軸承座絕對振動、軸振動、熱膨脹(缸體膨脹)等，在汽輪機的狀態(tài)監(jiān)視和分析、運行保護(hù)作用上非常重要[1-3]。

由于汽輪機廠一般會獨立配置TSI、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)(以下簡稱ETS)、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(以下簡稱DEH)，極大概率與儀控專業(yè)的DCS系統(tǒng)不同，造成了測控系統(tǒng)各不相同的現(xiàn)象。

為了降低設(shè)計的復(fù)雜性及基建投資，提高系統(tǒng)運行的可靠性，減輕調(diào)試、維護(hù)人員的工作量及時間，減少備品備件的數(shù)量，有必要將TSI系統(tǒng)與主控系統(tǒng)進(jìn)行一體化集成。一體化的依據(jù)來自GB/T 38921—2020[4]的第3.2條：汽輪機安全保護(hù)系統(tǒng)，由ETS及其相關(guān)的測量儀表與執(zhí)行設(shè)備組成；第4.4條：汽輪機安全保護(hù)系統(tǒng)的控制裝置宜與機組其它控制系統(tǒng)一體化配置，控制器應(yīng)獨立、冗余配置。

1 發(fā)電廠的儀控系統(tǒng)

1.1 項目概況

某生物質(zhì)電廠由河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司設(shè)計，目前已經(jīng)正常運行超過18個月，裝機容量1×30 MW。汽輪機發(fā)電機組由東方電氣提供，汽輪機單缸單排汽，轉(zhuǎn)速為5250 r/min，通過齒輪箱降速至3000 r/min，驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動。

儀控專業(yè)方面，DCS、DEH、ETS全部由NT6000型DCS系統(tǒng)監(jiān)視和控制，除個別外圍的小系統(tǒng)可用編程控制器控制外，基本實現(xiàn)了全廠控制系統(tǒng)的軟硬件一體化。

1.2 分開設(shè)計時部分儀控系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)信號

DEH、ETS、TSI一般隨汽輪機配供，常見是分開設(shè)計。各系統(tǒng)間的信號聯(lián)絡(luò)示意圖見圖1?？梢娪步泳€信號繁多，設(shè)計、施工、調(diào)試工作量大。

2 TSI與主控系統(tǒng)一體化的工作

2.1 NT6000系統(tǒng)

NT6000分散控制系統(tǒng)主要有系統(tǒng)軟件、分散處理單元與上位機之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)，包括交換機、DPU、DPU與I/O卡件間的通信總線、本地及遠(yuǎn)程I/O卡件。NT6000型DCS系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖2。

2.2 NT6000系統(tǒng)的專用卡件

NT6000系統(tǒng)除了常用的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、DO數(shù)字量輸出等通用卡件外，還研發(fā)了專用卡件，為一體化工作奠定了基礎(chǔ)。表1是涉及DEH、TSI、ETS的部分卡件信息。

表1 DEH、TSI、ETS部分專用卡件

2.3 汽輪機的軸系測點

根據(jù)汽輪機廠提供的資料，本機組軸系有以下測點。

轉(zhuǎn)速5點：其中發(fā)電機轉(zhuǎn)速1點，零轉(zhuǎn)速1點，超速3點。另外DEH有3個測速點，1個就地轉(zhuǎn)速表測點，均不接入TSI。

軸振16點：其中汽輪機和發(fā)電機前、后共4個軸承、齒輪箱高速軸和低速軸共4個軸承，每個軸承X、Y方向各一點。

軸向位移4點：其中汽輪機和齒輪箱各2點，脹差2點。

鍵相3點：偏心1點，缸脹1點。

2.4 集成TSI時考慮的幾個問題

2.4.1 分開式與集成式設(shè)計的步序比較

從信號的處理流程可以做一個簡單的比較(見圖3)，可見分開式設(shè)計需用6個步序，而集成式設(shè)計只用3個步序就完成了“信號采集→邏輯判斷→信號輸出”工作，簡化了工作流程。

2.4.2 系統(tǒng)安全及獨立性、實時性

本項目ETS系統(tǒng)配置了1對KM951A控制器，只負(fù)責(zé)汽輪機TSI參數(shù)的監(jiān)測，以及ETS跳閘保護(hù)，符合GB/T 38921的4.4條的安全及獨立性要求。

查ETS有27點DI、26點DO，TSI有32點，因此將TSI信號接入ETS，除TSI專用卡件外，無需增加其他的DCS硬件設(shè)施，也毫無運算速度、運算量壓力。

系統(tǒng)實時性復(fù)核如下。

查NT6000產(chǎn)品手冊[5]可知：DPU控制周期為5～200 ms可調(diào)，冗余切換時間為2 ms。因此DPU控制周期設(shè)定為10 ms，滿足GB/T 38921第6.5.1.1的要求：處理周期應(yīng)不大于20 ms。

查NT6000產(chǎn)品手冊可知：模擬量控制回路控制周期為10 ms，開關(guān)量控制回路控制周期為5 ms。

查軸振/位移KM534A手冊可知：軸振、脹差、軸向位移卡件數(shù)據(jù)更新時間為2 ms。

故控制器可在1個周期(10 ms)內(nèi)采集完所有開關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù)，并有判斷信號越危險定值的保護(hù)輸出至ETS跳閘繼電器板KB434C，而繼電器板在10 ms內(nèi)動作。則TSI/ETS軟件保護(hù)時長為20 ms。滿足GB/T 13399—2012《汽輪機安全監(jiān)視裝置技術(shù)條件》的3.4.7條：對作為緊急停機處理的監(jiān)視項目,從信號的發(fā)生到監(jiān)測裝置輸出應(yīng)限制在小于50 ms時間范圍內(nèi)[6]。

2.5 轉(zhuǎn)速硬接線后備保護(hù)回路

DEH的3塊轉(zhuǎn)速測量卡，每卡輸出1個110%超速信號到ETS系統(tǒng)的跳閘繼電器板，做硬件三取二邏輯判斷直接跳機。

2.5.1 精度要求

查轉(zhuǎn)速測量KM533A卡：精度±0.1%(3000 r/min)。滿足GB/T 13399相關(guān)要求。

再查軸振/位移KM534A卡：測量精度±1%，分辨率1 μm。滿足GB/T 13399相關(guān)要求。

2.5.2 提高機組運行可靠性

由于采用DCS系統(tǒng)一體化設(shè)計，且從現(xiàn)場一次測量元件到卡件、系統(tǒng)都由同一廠家生產(chǎn)，而全部DCS硬件均通過了電磁兼容性等嚴(yán)格測試，質(zhì)量好，減少了不同系統(tǒng)間的電纜接線松動、污染、老化等隱患，避免了不同系統(tǒng)間接口不匹配、有干擾從而造成工作異常問題,極大提高了系統(tǒng)可靠性[7-14]。

2.5.3 減輕工作量

邏輯組態(tài)也是集成在NT6000系統(tǒng)中，與DCS系統(tǒng)其他的常規(guī)邏輯做法一致。因此TSI信號可以直接被其他控制器、上位機在網(wǎng)絡(luò)上引用，系統(tǒng)的控制和畫面組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)相當(dāng)方便。

2.6 分開式與集成式設(shè)計的總體比較

分開式與集成式TSI的總體比較見表2。

表2 分開式與集成式TSI系統(tǒng)的比較

粗略計算設(shè)計、調(diào)試的人工費用，建筑安裝的直接及間接費用，備件及專用工具的費用等，分開式比集成式設(shè)計投資高出25～30萬元。

2.7 集成式系統(tǒng)的存在問題處理

2.7.1 卡件分配不合理

在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，TSI超速保護(hù)用的3塊KM533A轉(zhuǎn)速卡被廠家分配到同一個分支，不符合風(fēng)險分散的要求。后更改設(shè)計，在機柜正面的每一列分布1塊轉(zhuǎn)速卡，解決了此問題。

2.7.2 轉(zhuǎn)速自校準(zhǔn)問題

GB/T 13399要求電超速保護(hù)裝置應(yīng)有自校試驗功能，試驗時能自動切除開關(guān)量的輸出[15]。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)廠家遺漏此設(shè)計，可通過技術(shù)改造處理此問題。

2.7.3 與TDM聯(lián)系的問題

卡件預(yù)留了軸系振動、鍵相的緩沖信號，可直接送原始信號給旋轉(zhuǎn)機械的振動分析系統(tǒng)。但由于需要在卡件上接線，在機組運行過程中進(jìn)行此工作存在一定的設(shè)備誤動隱患。建議以后設(shè)計時應(yīng)將信號預(yù)先引至端子排。

3 結(jié)語

針對本工程規(guī)模較小、系統(tǒng)齊全的特點,全廠控制以設(shè)置在機組集中控制室的DCS操作員站為監(jiān)控中心,實現(xiàn)了常規(guī)的機、爐、電集中控制, 監(jiān)控平臺統(tǒng)一，控制系統(tǒng)軟硬件統(tǒng)一。全廠控制DCS一體化的實現(xiàn)避免了DCS系統(tǒng)與多種硬件設(shè)備接口的麻煩,減少了備品備件種類,簡化了維護(hù)、運行人員的培訓(xùn)。本項目實現(xiàn)了TSI與主控系統(tǒng)(DCS)的軟硬件一體化，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，大大減輕了設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)整個流程上的工作，減少了許多直接和間接費用。系統(tǒng)目前運行正常，說明一體化工作可行，為實現(xiàn)全廠DCS一體化控制提供參考。