汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)仿真的開發(fā)和應(yīng)用

李軍紅,降愛琴,劉鎖清

(山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)仿真的開發(fā)和應(yīng)用

李軍紅,降愛琴,劉鎖清

(山西大學(xué)工程學(xué)院,山西太原 030013)

針對(duì)汽輪機(jī)主要保護(hù)系統(tǒng)存在的問題,以國內(nèi)某發(fā)電廠600 MW機(jī)組仿真機(jī)為例,通過對(duì)汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)功能、主要控制邏輯等仿真開發(fā)的研究,提高發(fā)電廠運(yùn)行人員、熱工人員的監(jiān)控能力和運(yùn)行技術(shù)水平,并在設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行與試驗(yàn)等方面提供有益的幫助及參考。

汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng);仿真;保護(hù);邏輯

目前,火力發(fā)電在我國電力工業(yè)中占絕對(duì)主導(dǎo)地位,隨著大容量、高參數(shù)機(jī)組的投入運(yùn)行和新技術(shù)應(yīng)用于火電機(jī)組中,電站系統(tǒng)日趨復(fù)雜。為確保機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性,對(duì)運(yùn)行人員的熟練操作和事故處理能力,以及管理人員的監(jiān)控管理水平都有了更高的要求。因此,針對(duì)具體機(jī)組開發(fā)1∶1全范圍仿真培訓(xùn)系統(tǒng),以培訓(xùn)新的運(yùn)行人員和輪訓(xùn)在職人員顯得越來越重要。汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)ETS(Steam Turbine Emergency Tripping System)作為汽輪發(fā)電機(jī)組的主要保護(hù)系統(tǒng),在電廠的作用越來越重要。為此,ETS系統(tǒng)也就成為全范圍仿真培訓(xùn)系統(tǒng)重要的一部分。

1 ETS系統(tǒng)功能

ETS系統(tǒng)作為汽輪發(fā)電機(jī)組的主要保護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)的主要保護(hù)功能有:汽輪機(jī)電超速保護(hù),軸向位移保護(hù),軸承潤滑油壓低保護(hù),高壓抗燃油EH(Electro-hydraulic oill)油壓低保護(hù),冷凝器真空低保護(hù),振動(dòng)大跳閘;鍋爐故障;數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH(Digital Electro-hydraulic control system)跳閘;DEH失電;汽輪機(jī)差脹大保護(hù);發(fā)電機(jī)故障;手動(dòng)緊急停機(jī)。為了提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性,設(shè)有在線試驗(yàn)功能,在機(jī)組運(yùn)行過程中驗(yàn)證保護(hù)回路和設(shè)備的工作是否正常。ETS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有4項(xiàng)在線保護(hù)試驗(yàn)功能,分別是EH油壓低、軸承潤滑油壓低、1號(hào)冷凝器真空低、2號(hào)冷凝器真空低。某發(fā)電廠的600 MW機(jī)組的ETS監(jiān)控畫面見圖1[1]。

2 ETS系統(tǒng)仿真研究

ETS系統(tǒng)仿真是整個(gè)仿真機(jī)中的一個(gè)子系統(tǒng),仿真機(jī)的硬件主要有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制室臺(tái)屏、輸入/輸出接口系統(tǒng)、教練員臺(tái)、就地設(shè)備操作臺(tái)等。仿真機(jī)的軟件是用自己開發(fā)的支撐軟件,在進(jìn)行ETS系統(tǒng)仿真時(shí),主要工作包括三方面,即ETS監(jiān)控畫面的仿真;ETS系統(tǒng)的控制邏輯仿真建模;畫面與模型通訊的仿真。

2.1 ETS系統(tǒng)控制邏輯的建模

在設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)組熱工控制系統(tǒng)時(shí),采用了分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì),它有個(gè)重要特點(diǎn)就是跳閘邏輯不是采用硬繼電器電路實(shí)現(xiàn),而是用軟件組態(tài)而成,其控制邏輯見圖2。ETS系統(tǒng)控制邏輯的建模是在特定的仿真支撐系統(tǒng)中完成,在仿真支撐系統(tǒng)的算法庫中可找到與原組態(tài)邏輯相匹配的算法模塊,然后按照控制邏輯搭接模塊,模塊間的連接通過變量名傳遞實(shí)現(xiàn),其連接方框圖見圖 3。模塊變量名(EH01、EH02、EH03),算法名 (AND、OR、AND)。第一個(gè)模塊 (EH01)的輸出作為第二個(gè)模塊 (EH02)的輸入,依次往下,直到相關(guān)的模塊都連接好為止。

圖1 ETS畫面

2.2 畫面制作

畫面的繪制是用特有的軟件支持實(shí)現(xiàn)的,關(guān)鍵是要對(duì)畫面上的顯示點(diǎn)進(jìn)行定義,可操作單元定義為動(dòng)態(tài),以便于和模型通訊。操作畫面上的信息有3種類型:模擬量輸出,如實(shí)發(fā)功率、機(jī)組轉(zhuǎn)速;數(shù)字量輸出,如EH油壓低保護(hù);DEH跳閘等;數(shù)字量輸入,如1號(hào)冷凝器真空試驗(yàn)1模塊運(yùn)行員確認(rèn)指令等。

2.3 畫面與模型通訊的仿真

模型與操作畫面之間的數(shù)據(jù)傳送是通訊程序?qū)崿F(xiàn)的,可以將仿真模型的數(shù)據(jù)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式發(fā)送到操作員站,同時(shí),要將操作員站的操作命令反饋到仿真模型,使數(shù)據(jù)能夠雙向交換。通訊程序中有與操作畫面上相同的信息類型:模擬量輸出、數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入[2]。

圖2 EH油壓低跳閘控制邏輯

圖3 ETS系統(tǒng)控制邏輯模塊搭接

3 ETS系統(tǒng)仿真調(diào)試及應(yīng)用

ETS系統(tǒng)控制邏輯模型建立后,要和ETS系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備模型連接,構(gòu)成完整ETS系統(tǒng)仿真模型。聯(lián)盤運(yùn)行仿真模型,通過操作員站操作來調(diào)試仿真模型。可以了解ETS系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作邏輯和在線試驗(yàn)功能邏輯。

3.1 保護(hù)動(dòng)作邏輯

EH油壓低保護(hù)裝置,如圖1所示。以EH油壓低為例介紹保護(hù)動(dòng)作邏輯。

在正常情況下,EH油壓高于跳閘極限值,4只壓力開關(guān) (LP1-LP4)顯示正常。若沒有其他跳閘信號(hào),AST1、AST3、AST2和AST4電磁閥處于帶電狀態(tài),阻塞了圖1中的泄油通道,保持AST母管油壓正常。

由圖2可知,當(dāng)EH油壓低1(LP1)和EH油壓低3(LP3)任何一個(gè)反映低EH油壓時(shí),生成EH通道1油壓低信號(hào) (CH1LP)。當(dāng)EH油壓低2(LP2)和EH油壓低4(LP4)任何一個(gè)反映低EH油壓時(shí),生成EH通道2油壓低信號(hào)(CH2LP)。也就是說每個(gè)通道中的兩個(gè)壓力開關(guān)采用二取一邏輯。當(dāng)實(shí)際 EH油壓值低于整定值時(shí),在每個(gè)通道中只要有1只壓力開關(guān)動(dòng)作,就能生成CH1LPH或CH2LP信號(hào),當(dāng)CH1LPH或CH2LP信號(hào)后,由于采用了與門的邏輯,不會(huì)引起油壓低而停機(jī)。只有當(dāng)CH1LPH和CH2LP信號(hào)同時(shí)生成時(shí),才會(huì)引起油壓低而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)[3]。1號(hào)冷凝器真空保護(hù)、2號(hào)冷凝器真空保護(hù)和軸承潤滑油壓保護(hù)與EH油壓保護(hù)具有完全相同的跳閘邏輯。

3.2 在線試驗(yàn)功能邏輯

在線試驗(yàn)邏輯是保證機(jī)組試驗(yàn)過程中不影響機(jī)組正常運(yùn)行的核心保障措施。以EH油壓在線試驗(yàn)為例介紹在線試驗(yàn)功能邏輯。操作員首先操作“ETS復(fù)位”,選擇 “通道 1試驗(yàn)投入”或 “通道 2試驗(yàn)投入”進(jìn)行試驗(yàn)。按下 “EH 1T EST”或“EH2TEST”按鈕,當(dāng)條件滿足時(shí),ETS發(fā)出動(dòng)作電磁閥的指令,EH油通道CH1或通道CH2電磁閥打開,電磁閥排油,直到壓力開關(guān)元件動(dòng)作,LP1/LP3或LP2/LP4狀態(tài)顯示為紅色,高壓油壓力開關(guān) “ASP1壓力開關(guān)動(dòng)作” 或 “ASP2壓力開關(guān)動(dòng)作”信號(hào)發(fā)出,即ASP1或ASP2狀態(tài)顯示為紅色,DEH系統(tǒng)試驗(yàn)電磁閥 “AST1、AST3”或“AST2、AST4”失電動(dòng)作,則DEH 系統(tǒng)判斷試驗(yàn)成功,通道1試驗(yàn)成功或通道2試驗(yàn)成功指示燈顯示紅色,2 s后復(fù)位顯示為綠色,AST電磁閥復(fù)位,3 s后復(fù)位EH油通道CH1或通道CH2電磁閥,壓力開關(guān)復(fù)位,試驗(yàn)完成。

1號(hào)真空保護(hù),2號(hào)真空保護(hù)和軸承潤滑油壓保護(hù)與EH油壓保護(hù)具有完全相同的結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)塊。

4 600 MW火電機(jī)組仿真的效果及精度

600 MW火電機(jī)組仿真機(jī)采用逼真的數(shù)學(xué)模型,所有數(shù)學(xué)模型都是符合實(shí)際電廠全工況、全物理過程的機(jī)理性模型,遵守質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒定律,而ETS汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)主要控制邏輯正是在600 MW火電機(jī)組仿真機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)1∶1仿真。該系統(tǒng)監(jiān)視汽輪機(jī)的一些重要參數(shù)的靜態(tài)精度在2%以內(nèi),動(dòng)態(tài)精度在5%以內(nèi),完全可滿足仿真培訓(xùn)的要求。當(dāng)其中的任何一個(gè)參數(shù)越限時(shí),ETS仿真系統(tǒng)將正確關(guān)閉汽輪機(jī)的所有主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥,使汽輪機(jī)緊急跳閘停機(jī)。ETS仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確性、快速性和可靠性完全符合現(xiàn)場的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

仿真機(jī)于2008年5月投入試運(yùn)行,現(xiàn)已培訓(xùn)多期學(xué)員,證實(shí)了仿真系統(tǒng)采用的技術(shù)方案的正確性,完全可滿足仿真培訓(xùn)的要求。而ETS汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)主要控制邏輯的仿真,對(duì)機(jī)組投產(chǎn)前驗(yàn)證ETS控制邏輯的完整性與正確性,發(fā)電機(jī)組運(yùn)行人員與熱工人員的培訓(xùn)起到了重要作用,對(duì)機(jī)組投產(chǎn)后設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行與試驗(yàn)等方面發(fā)揮了良好的作用。

[1] 韓中合,田松峰,馬曉芳.火電廠汽機(jī)設(shè)備及運(yùn)行 [M].北京:中國電力出版社,2000:155-158.

[2] 降愛琴,張學(xué)軍,王琦.基于Blink UCC控制系統(tǒng)仿真[J].熱力發(fā)電,2007(1):58-61.

[3] 華東六省一市電機(jī)工程學(xué)會(huì)編.熱工自動(dòng)化 [M].北京:中國電力出版社,2005:130-133.

The Development and Application of the
Simulation of Steam Turbine Emergency Trip System

LI Jun-hong,JIANG Ai-qin,LIU Suo-qing(Engineering College of Shanxi University,Taiyuan,Shanxi 030013,China)

In accordance with the main protection system of steam turbine generator unit,this paper,taking a simulator of a 600M W unit in a domestic power plant as an example,studies the function and the control logic of turbine emergency trip system to improve the thermal monitoring capabilities and operating quality of operation personnel and thermal power staff and to provide some instructions and reference for optimizing the equipment operation.

turbine emergency trip system;simulation;protection;logic

TK264.2,TK267

A

1671-0320(2010)03-0058-03

2009-12-18,

2010-04-23

李軍紅 (1972-),女,山西聞喜人,2009級(jí)太原理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀研究生,工程師,從事集控運(yùn)行和發(fā)電廠汽輪機(jī)的實(shí)時(shí)仿真;

降愛琴 (1967-),女,山西太原人,1989畢業(yè)于西安交通大學(xué)自動(dòng)控制專業(yè),副教授,從事生產(chǎn)過程自動(dòng)化教學(xué)研究;

劉鎖清 (1962-),男,山西榆次人,1991畢業(yè)東北電力學(xué)院發(fā)電廠工程專業(yè),副教授,從事發(fā)電廠仿真研究。