關于PLC汽輪機保護系統的應用

何鑫

摘 要：可編程控制器（PLC）是七十年代發展起來的新一代工業控制裝置，是自動控制、計算機和通信技術相結合的產物，是一種專門用于工業生產過程控制的現場設備。由于控制對象的復雜性，使用環境的特殊性和運行的長期連續性，使PLC 在設計上有自己明顯的特點：可靠性高，適應性廣，具有通信功能，編程方便，結構模塊化。在現代集散控制系統中，PLC 已經成為一種重要的基本控制單元，在工業控制領域中應用前景極其廣泛。

介紹了汽輪機主保護的任務，分析了汽輪機保護系統（ETS）的現狀，對SIEMENS S7—200 PLC進行了詳細介紹，利用S7—200 PLC對該機組保護系統的邏輯編程，并利用PLC設計汽輪保護控制系統，靈活，可靠地實現汽輪機保護跳閘、記憶功能，取得了滿意效果。

關鍵詞：PLC控制；汽輪機；保護系統；安全有效

1 汽輪機的原理

從能量轉換的角度而言，汽輪機是將蒸汽的熱能轉換成機械功的旋轉式動力機械。這些蒸汽可能來自鍋爐燃料燃燒，加熱給水產生的，也可能是其他高溫、高壓的蒸汽發生設備產生的。汽輪機輸出的動能驅動發電機，進一步將動能轉變為電能，供給工業生產和生活需要。與往復式活塞式動力機械相比較，汽輪機具有功率大、轉速高、經濟性好等顯著特點。因此，汽輪機在國民經濟中，起著舉足輕重的作用，在各個領域有著廣泛的應用。如圖1所示汽輪機原理圖。

在汽輪機中，蒸汽的熱能（焓）被轉換成機械功，完成這個能量轉換的基本單元叫做汽輪機的葉片級。

汽輪機的某個級，它主要由靜葉柵（有稱噴嘴）和動葉柵組成。靜葉片安裝在汽輪機靜止的部件上，動葉片安裝在有可旋轉的輪盤上。汽輪機的通流部分是由主進汽閥、調節閥、若干個葉片級和排汽缸所組成，它負擔著把蒸汽的熱能轉換成機械功的任務。

2 汽輪機的自動控制系統

汽輪機的自動控制系統包括調節保安系統和安全監控系統兩部分。

1）.汽輪機的調節保安系統

汽輪機的調節保安系統的功能主要是使機組的被調量（轉速、壓力等）能按一定的規律變化，以適應復核（電功率、熱負荷或驅動功率等）變化的要求；當機組發生故障后外界干擾時，能采取緊急保安措施，以確保機組的安全。

為確保機組安全經濟運行，調節保安系統必須動作正確可靠，性能優良。必要時，可采用冗余技術和自診斷、快速查找故障、方便在線維修、自動/手動的無擾動切換等手段。

2）.汽輪機的安全監控系統

汽輪機的安全監控系統是保護汽輪機安全運行的重要設備。目前，安全監控系統的主要監控項目有：冷凝器低真空、轉子軸向位移和推力軸承磨損、轉子與汽缸間的相對膨脹（脹差）、絕對膨脹、潤滑油壓、機組震動、轉子彎曲、軸承和潤滑油溫度等。

在上述安全監控項目中，又可分為監視項目和保護項目兩款。監控項目只對被監視參數進行連續、有效、準確的監視（包括記錄）。當被監視的參數超過允許極限值時，能發出聲光報警信號，提請運行人員注意，以采取相應的糾正措施。保護項目則要求在被監視的參數超限時，保護裝置能準確、可靠、及時地動作，實現強迫停機，以免事態進一步擴大，確保機組安全。

3 汽輪機保護系統的實現

PLC型汽機保護系統邏輯功能是在原以繼電器為基礎的邏輯功能上加以改進的，通過軟件組態滿足系統工藝要求，當汽輪機發生故障，發出相應的故障報警信號，汽輪機自動跳閘，來保護汽輪機。

1） 汽輪機保護系統的硬件設計

汽機保護PLC控制系統構成如圖2所示，采用西門子S7-200系列模件，整個硬件系統使用了一個PLC主機架，為了提高PLC系統的可靠性，采用雙CPU冗余熱備運行和雙電源模件供電，這樣也大大提高了保護控制系統的安全可靠，同時控制邏輯軟件中能使汽輪進行跳閘保護并付出報警信號，為汽輪機跳閘后事故分析提供了依據。

2） 汽輪機保護系統邏輯功能的實現

PLC型微機保護系統設有：超速14%PLC型汽機保護原理保護、軸向位移及推力軸承回油溫度高保護、高壓缸相對膨脹保護、凝結器真空低保護、支持軸承回油溫度高保護、潤滑油壓低保護、發電機差動保護、手動停機跳閘等條件。以上幾個條件只要有任一條件滿足，則主汽門就關閉并發出相應的報警信號。

4 汽輪機保護系統中的傳感器

在汽輪機保護系統中所應用到的傳感器種類很多，在汽輪機保護中，需要傳感器對其保護，發出相應的信號，對汽輪機組發出報警信號，并對其跳閘保護。電渦流位移傳感器是其主要應用，振動的測量要靠各種振動傳感器，在旋轉機械上使用較多而又成熟的傳感器主要有：電渦流位移傳感器。

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的，它與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。電渦流傳感器的變換原理簡要介紹如下：在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高（一般為1MHz～2MHz）的交變電壓（見圖3），當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應出一渦流ie，而ie所形成的磁通鏈又穿過原線圈，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數的大小又與二者之間的距離及導體的材料有關，當材料給定時，耦合系數K1與距離d有關，K= K1（d），當距離d增加，耦合減弱，K值減小，使等效電感增加，因此，測定等效電感的變化，也就間接測定d的變化。

由于傳感器反饋回的電感電壓是有一定頻率（載波頻率）的調幅信號，需檢波后，才能得到間隙隨時間變化的電壓波形。即根據以上原理所述，為實現電渦流位移測量，必須有一個專用的測量路線。這一測量路線（稱之為前置器）應包括具有一定頻率的穩定的震蕩器和一個檢波電路等。渦流傳感器加上一測量線路（前置器），如框圖4所示：從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓，它可分兩部分：一為直流電壓Vde，對應于平均間隙（或初始間隙），一為交流電壓Vac，對應于振動間隙。

5 汽輪機保護系統的總結與展望

隨著算機技術的不斷發展，可編程序控制器的功能有了很大的提高，它不再僅僅局限于完成順序邏輯控制功能。多數的可編程序控制器采用通用的高性能處理器，在保證快速完成順序邏輯運算的前提下，普遍增加了回路調節功能，代數計算功能等。可編程序控制器己經成為工業控制的標準化設備，在工業企業中應用相當普遍，是自動化的三大技術支柱之一。

在電力統中，電廠的中小型機組一般都是老機組，服役時間長，設備老化。在這些機組中，普遍存在著一些由繼電器回路構成的控制保護系統。這些繼電器控制系統由于連線多，觸點多，故障不容易查找和排除，存在著不少的安全隱患。而可編程序控制器的可靠性高，維護工作量小，適應性強。因此在對火電廠中小型機組進行改造中，利用可編程序控制器對原有的繼電器控制系統進行改造，從而提高控制系統，保護系統的功能以及可靠性，這將是一種必然趨勢。

隨著可編程控制器在電廠機組的順序控制，回路控制等方面的更廣泛應用，設計并實現可編程序控制器系統的實時數據通信網絡，在火電廠分布式計算機監控系統的開發和研制中將占有重要地位。針對控制對象的特點和實際操作的要求，進一步的深入研究通信網絡的通信機制，開發出適應性更強，更靈活的監控軟件將是以可編程序控制器為主的監控系統今后的主要工作和主要趨勢。

參考文獻

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