燃氣－蒸汽聯合循環機組汽輪機控制系統的改造

張 鋼

（鎮海發電有限責任公司，浙江 寧波 315208）

1 系統概況

鎮海聯合發電有限公司燃氣－蒸汽聯合循環機組（9號機）的汽機控制系統為ALSTOM英國公司制造的GEM80系統。該系統為基于PLC的DEH系統，屬于汽輪機電調控制系統的第一代產品，主要實現整個汽機島及其輔機的控制。從系統功能上可分為3個部分：汽機調節系統（STG）、汽機保護系統（STP）、汽機順控系統（SIP）。其中汽機調節系統（STG）實現機組的閥門控制、轉速控制及負荷控制，是整個系統的核心部分；汽機保護系統（STP）類似于其它機組的緊急跳閘系統（ETS），實現對機組的重要保護；汽機順控系統（SIP）則用于實現對汽機側輔機的順控啟停，同時該系統還提供了以觸摸屏為媒介的人機接口，方便操作員對機組運行參數、報警信息及有關輔機的狀態進行監控。系統與DCS通過通信和硬接線方式實現信息交換，可在DCS中實現對9號機部分運行參數、報警信息及相關輔機的監控。

2 改造的必要性及方案選擇

2．1 改造的必要性

9號機控制系統GEM80自1998年投入運行以來，存在運行可靠性差、系統開放性差、維護成本高等問題，影響了機組的安全、穩定運行。為完善、提高系統的安全性和可靠性，有必要進行徹底改造。

（1）STG雖然采用雙通道冗余設計，但從其冗余切換的原理來看，可靠性較差，當切換繼電器接觸不良時，將無法實現控制器切換，甚至導致機組跳閘，而機組正常運行時也無法檢查切換繼電器。而且系統有一個通道通信卡件工作不正常，生產廠家也一直未能提供有效的解決手段。

（2）SIP和STG均出現過看門狗（WATCHDOG）故障，引起控制系統通信瞬時中斷，但由于系統不開放，現場缺乏有效的診斷手段，原因一直無法查明，成為嚴重影響9號機安全、穩定運行的隱患。

（3）備品備件采購周期長，其中通信卡件、觸摸屏、主電源模件等備品已停產，這些設備一旦故障將直接影響9號機的正常運行。

（4）汽機旁路、主汽門、調門控制設計比較陳舊，中間環節多，故障率較高。

（5）保護系統設計比較陳舊，采用硬接線繼電器輸出，保護回路采用失電保護動作方式，繼電器由于長期得電，觸點容易氧化，部分保護取用單點信號，可靠性不高。

（6）模擬量調節系統的調節品質差，基于PLC的調節系統只有簡單的PI調節，無法采用先進的控制策略，且監視手段和歷史趨勢記錄手段缺乏，模擬量調節系統參數整定困難。

（7）控制系統人機界面不夠友好，無記錄手段，故障原因無法查找。

（8）控制軟件開放性差，大部分就地設備不能手動操作；無法進行邏輯強制，進線參數和程序無法修改；部分信號故障后能恢復，但控制系統卻無法復歸，造成機組無法正常啟動，或在運行中被迫停役。

2．2 方案的選擇

結合機組的實際情況，對幾種改造方案進行對比，從控制系統的可靠性、改造費用、綜合泵房等外圍設備一體化控制改造以及今后的日常維護和技術支持等方面考慮，決定采用貝利公司的Symphoney控制系統。

機組DCS系統原設計為貝利公司的INFI-90控制系統，其操作系統已升級為CONDUCTORNT。汽機控制系統改造如果采用同公司的產品，能夠很好地解決和現有DCS控制系統的接口及匹配問題，而且可以利用現有的事件管理站、操作站、工程師工作站和通信環網，能節約資源。電廠對該套控制系統的使用和維護已有一定的經驗，廠家技術服務和備品采購也比較方便，有利于短時間內完成系統的改造。另外，在改造的同時可以考慮把綜合泵房等外圍設備同步改造成DCS控制，以提高外圍設備的可靠性。

3 工程實施

在滿足原汽機控制系統功能和控制參數的基礎上，設計汽機島控制策略，以達到更高的自動化程度和運行可靠性，滿足機組快速啟停功能。

3.1 DEH系統設計

（1）DEH有手動、操作員自動和遠方自動3種控制方式。手動方式時，操作員通過輸入閥位指令增減信號進行控制。操作員自動方式時，操作員可從操作員站設定目標值及速率、負荷率，由DEH系統自動控制汽機，汽機控制采用轉速閉環控制方式。遠方自動方式時，汽機接收協調控制系統的控制信號控制汽機負荷。

（2）DEH的基本控制模式為壓力控制、滑壓控制、轉速控制和閥位控制。滑壓控制模式為運行最經濟的模式，是燃氣－蒸汽聯合循環汽輪機特有的控制方式。閥位控制為新增模式，提高了設備故障情況下機組的抗干擾能力。

（3）增加和完善了DEH在線試驗程序，提高在線試驗的可操作性。

3.2 旁路系統設計

（1）設計旁路系統協調控制邏輯，由原DCS系統根據鍋爐運行狀況和啟停順控進行旁路控制設定值計算，再由汽輪機控制系統加入根據汽輪機運行狀況的條件限制，同時加入汽輪機及旁路保護功能。

（2）將旁路控制由原來的二位式電磁閥控制方式改成更為可靠的伺服閥控制，重新設計液壓集成塊，控制信號由ABB專用的閥門管理卡件直接輸出至旁路伺服閥。

3.3 輔機控制邏輯設計

（1）原來汽輪機輔機只有自動控制方式，本次改造增加運行手操功能，在滿足一鍵啟動的同時，增加必要的手動干擾手段，提高安全可靠性。將被控對象的控制分為3層，即保護控制、自動控制和手動控制，根據原被控對象的邏輯條件重新進行合理組合，為每一層設計不同的觸發條件，同時增加聯鎖投撤功能、自動投撤功能等。

（2）利用新控制系統中順控與DEH等的共享信號，通過對就地控制信號的功能調整，少量增加就地測點，解決單點保護問題，實現重要控制信號冗余配置。

（3）調整原來不合理的控制方式，提高系統可靠性。

3.4 ETS一體化設計

（1）ETS緊急停機裝置集合了汽輪機所有的停機信號，經過邏輯判斷后輸出跳閘信號驅動停機電磁閥，遮斷汽輪機進汽，整個過程要求在20 ms內快速完成。

（2）將ETS納入電廠DCS系統，實現全廠資源與信息共享。通過BRC控制器冗余保證系統的可靠性，輸出遮斷電磁閥采用串并聯形式，以提高可靠性及可試驗性，完善原有單點信號作保護的控制邏輯。

3.5 TSI一體化系統設計

汽輪機TSI監視保護系統取消傳統的由傳感器、前置器、二次表組成，由二次表輸出信號至保護系統的方式，而采用由ABB公司的CMM狀態監視模件及相應的傳感器和前置器組成的一體化設計，在冗余的BRC控制器管理下,連續在線監視和保護汽輪機的安全運行。系統功能由4塊CMM模件完成，經組態后可測量振動、軸位移、脹差、偏心及缸脹等參數，提供一階、二階、三階振動的波形（振幅和相位），提供矢量合成，計算絕對振動、最大振幅及非一階振動。

4 應用效果

鎮海聯合發電有限公司燃氣－蒸汽聯合循環機組汽機控制系統的改造完成后，從目前運行情況看，汽機運行的可靠性得到極大提高，主要體現在以下幾個方面：

（1）改造后控制策略和控制功能得到完善和優化，例如DEH增加OPC超速功能、閥位控制功能、手動打閘功能等。

（2）實現新控制系統與DCS、燃機控制系統的控制邏輯匹配，較好地實現汽輪機和鍋爐、燃機的協調控制，實現全廠順控一鍵啟停、負荷控制等功能。

（3）由于修改了模擬量調節系統的控制策略，解決了原PLC控制器自動調節功能的局限性，大大提高了汽輪機控制系統的自動調節品質。

（4）將ETS納入電廠DCS系統，實現了全廠資源與信息共享。

（5）增加被控對象的運行手操功能，同時設計合理的手操閉鎖條件，保證設備故障情況下運行人員能手動干預，同時通過合理的閉鎖條件來減少人為誤操作的風險。

（6）減少中間控制環節，實現控制系統一體化，如取消汽機旁路、主汽門、調門和汽機盤車等系統的中間控制環節，取消就地PLC，提高系統可靠性。

（7）改造后的控制系統具有較好的開放性，控制軟件具有在線修改、邏輯強制等功能，具有歷史數據查詢功能以方便事故分析。設備監視更加直觀，便于操作。

5 結語

改造工程不同于基建工程，存在工期緊、費用有限、制約條件多等因素，改造的難度更大，需要注意以下幾點：

（1）改造機組工期緊，一般都利用機組大修時間完成，改造前的技術準備工作要做充分。

（2）此類改造對運行人員和維護人員的要求比較高，由于受原設備的限制，必須根據現有設備定制DCS的控制功能，不能簡單照搬其他廠的控制方式，需要精確掌握原來的設備及原控制邏輯。

（3）改造機組一般都經過了長期運行，運行、熱控人員已經養成了一定的運行習慣和操作方式，對原有系統也較為適應，改造時，在邏輯設計、DCS畫面風格和操作方式上應盡量遵循原有系統，以此為基礎，再進行邏輯的優化和控制策略的創新。

[1]朱北恒.浙江省火電機組DCS改造綜述[J].自動化博覽，2003，20（3）:62-65.