Ovation控制系統在9E燃氣輪機中的應用

田毅華,李永揚,劉鵬飛,王毅剛,文 謙

(武漢漢能電力發展有限公司,武漢430056)

Ovation控制系統在9E燃氣輪機中的應用

田毅華,李永揚,劉鵬飛,王毅剛,文 謙

(武漢漢能電力發展有限公司,武漢430056)

介紹了艾默生Ovation控制系統在9E燃氣輪機控制中的開發和應用。實踐表明：通過硬件、控制軟件等方面的設計開發及調試,使基于Ovation硬件的9E燃氣輪機控制系統成功應用于某燃氣輪機電廠的9E燃氣輪機低氮改造機組,該系統的各項性能完全滿足控制運行要求,極大地方便了燃氣輪機運行和維護。

燃氣輪機；控制系統；功能模塊

為了適應國家能源結構更好的優化,燃氣輪機(簡稱燃機)在我國的應用不斷擴大?？刂葡到y是整個燃機電廠安全運行的靈魂,而國外燃機控制制造廠家技術封閉,只能選用其提供的控制系統［1-3］,這為我國的燃機國產化造成了壁壘。為了打破這個格局,在燃機改造中選用了艾默生Ovation控制系統。筆者分析了Ovation控制系統的應用情況。

1 Ovation控制系統

Ovation系統采用了高速度、高可靠、高開放性的通信網路,具有多任務、多數據采集的控制能力,見圖1。

作為控制中心,控制器采用冗余的控制器；各控制器中又各有一對冗余網線連接到冗余的交換機；工作站也是通過冗余網線與交換機相連。工作站含操作員站、工程師站、歷史站、OPC站及其他功能站。

圖1 Ovation系統網絡架構

為了實現不同的控制功能對執行速度的不同要求,Ovation可以設置五個不同的任務區,第一任務區時間為100 ms,第二任務區時間為1 000 ms,后面3個任務區時間可以根據需要設定(設定范圍：0.01～30 s)。Ovation控制系統為達到9E燃機控制要求,使用了第二任務區(1 000 ms)、第三任務區(10 ms)、第四任務區(150 ms)。

第二任務區主要實現IGV(壓氣機進口可轉導葉)、SRV(燃氣速比閥)、GCV1-3(燃氣調節閥)等的控制。

第三任務區主要實現p2壓力控制。

第四任務區主要實現以下功能：(1)順序控制系統；(2)燃料主控系統；(3)IGV、IBH(壓氣機入口抽氣加熱)控制；(4)保護系統。

2 Ovation與Mark VIe系統比較

Ovation系統與Mark VIe系統的主要區別見表1。

表1 Ovation與Mark VIe系統比較

3 Ovation系統功能的實現

3.1 硬件上三冗余實現方式

在Mark V中一個信號送到3個控制模塊＜R＞、＜S＞和＜T＞后進行運算。而在Ovation系統中,分多種情況：

(1)對于DI測點,每個DI信號被送到3塊不同的I/O端子板上,在系統數據庫中表現為3個點,然后對這3個點進行“三取二”運算。

(2)對于AI測點,每個AI信號被送到2塊不同的I/O端子板上,在系統數據庫中表現為2個點,然后對這2個點進行取大或取平均運算；對于一些重要AI點,現場取3個AI信號。

(3)對于SOE、TC、RTD、AO、DO測點,每個信號只對應一塊I/O端子板上,在系統數據庫中表現為1個點。

3.2 軟件中“三取二”的實現

在Ovation中對于一些重要DI點是送到3塊I/O卡件上,對這些點需要進行“三取二”處理后再進入控制運算。Ovation“三取二”算法見圖2。

圖2 信號“三取二”處理

3.3 p2壓力的控制

Mark V中對于p2壓力控制是通過SRV實現的。

Ovation也是通過SRV來控制p2,與Mark V不同的是：Mark V是計算出p2壓力基準值送到SRV中,由SRV內部運算來計算SRV的開度；Ovation是在控制算法中通過一個PID運算的p+I計算出SRV的開度指令送到SRV；同時為了在點火時快速建立p2壓力,在點火時給出一個SRV的初始開度指令(見圖3)。

圖3 SRV控制p 2原理圖

在100%TNH(轉速信號)前,p2壓力基準值為TNH×2.97-24.1；在100%TNH后p2壓力基準值固定為272.9 PSI。

3.4 伺服系統工作原理

一套伺服系統有3個獨立線圈、2個反饋,見圖4。Ovation控制系統為了實現對一套伺服系統的控制,采用3塊伺服SVD卡,每塊SVD卡為雙通道。

圖4 伺服卡原理接線圖

由圖4可見：一套伺服系統用了3塊SVD,從閥門上輸出的2個反饋分別送到3塊卡上(第一個反饋送到了第一、第二SVD卡,第二個反饋送到了第二、第三SVD卡,在第二塊SVD卡中對2個反饋取大值)；每塊SVD卡送出一個線圈電壓來控制伺服卡。

3.5 燃料選擇

9E燃機燃料控制分6種類型：啟動控制、加速控制、轉速控制、負荷控制、溫度控制、停機控制。在Mark V控制系統中,由上面6種控制方式得出各自的FSR(燃料行程基準)值,然后選擇最小值作為最終FSR值。在Ovation控制系統中,先計算啟動控制對應的FSR作為積分塊的初始值,然后由后面的5種控制方式得出各自的FSR值的變化率,選擇最小值作為FSR的變化率去計算出FSR值,見圖5。

圖5 燃料主控原理圖

3.6 燃料分解

9E燃機低氮改造后1個GCV變為3個GCV,這就存在FSR如何分配到3個閥上的控制。Ovation控制系統中,根據不同的低氮燃燒模式得出GCV1在FSR中所占的比例值,剩余的FSR值由GCV2與GCV3根據需要再次分配。低氮燃燒模式切換時,GCV3會有一個比例值與剩余FSR相乘得出GCV3對應的燃料指令,GCV2的燃料指令由剩余FSR減去GCV3燃料指令算出,見圖6。

圖6 燃料分解原理圖

3.7 IGV、IBH控制

IGV控制的目的是防止壓氣機喘振,并控制排氣溫度,見圖7。

最小全速角在IBH運行時為42°,在IBH停止時為57°；全開角為84°。

圖7 IGV控制原理圖

IBH控制目的是對壓氣機入口進行抽氣加熱,使燃機在低負荷時就能進入預混模式運行。在IBH功能投入后,IBH開度隨IGV角度動作。動作關系見表2。

表2 IGV角度與IBH開度關系 (°)

3.8 LEC-Ⅲ低氮燃燒

漢能電廠低氮改造采用的是阿爾斯通LEC-Ⅲ低氮燃燒技術。低氮燃燒模式分：擴散燃燒“DIFFUSE”、貧-貧燃燒“LEAN-LEAN POS”、二級切換“SECONDARY TRANSFER”、預混切換“PREMIX TRANSFER”、預混燃燒“PREMIX STEAD-STATE”。這幾種模式通過TTRF1(燃燒基準溫度)來切換,IBH投入與否時,模式切換時的TTRF1也不同。下面以IBH運行模式下的燃燒模式切換為例：

(1)在機組點火到帶負荷30 MW左右過程(TTRF1＜890℃),都是“DIFFUSE”燃燒模式, GCV1開,GCV2、GCV3關閉,吹掃投入,一區有火焰。

(2)在TTRF1＞890℃時,燃燒模式切換到“LEAN-LEAN POS”,這時GCV1開,GCV2開,吹掃投入,一區、二區都有火焰。

(3)在“LEAN-LEAN POS”下持續增加負荷,當負荷達到60 MW左右時,TTRF1＞1 071℃,這時燃燒模式進入“SECONDARY TRANSFER”,吹掃退出,GCV3逐漸開大,GCV1逐漸關小至0%,GCV2逐漸關小,這時一區火焰消失,只有二區有火。

(4)“SECONDARY TRANSFER”完成后, GCV1逐漸開大,GCV2逐漸關小,GCV3逐漸關到0%,然后吹掃投入；在一區只有燃料混合,無火焰；二區有火焰。這個過程為“PREMIX TRANSFER”。

(5)“PREMIX TRANSFER”完成后,80%燃料由GCV1進入一區,20%燃料由GCV2進入二區,一區混合,二區燃燒,燃燒進入“PREMIX STEAD-STATE”模式。

4 結語

Ovation控制系統在漢能燃機改造中取得了成功的應用。運行結果表明：該系統的控制精度、響應速度、安全性都達到了燃機控制的要求,系統的各項控制功能滿足了燃機運行的需要；且Ovation提供更為人性化的人機界面,強勁的歷史功能,為燃機安全運行和系統維護打下了堅實的基礎。

［1］中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書：控制系統分冊［M］.北京：中國電力出版社,2009.

［2］張文輝,李穎.燃氣輪機溫度控制與性能試驗［J］.上海電力,2006(1)：36-38.

［3］虎煜,陳學文.西門子V94.3A燃氣輪機控制系統［J］.上海電力,2006(2)：152-155.

Application of Ovation Control System in 9E Gas Turbines

Tian Yihua,Li Yongyang,Liu Pengfei,Wang Yigang,Wen Qian
(Wuhan Hanneng Electric Power Development Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)

The development and application of Emerson's Ovation control system for 9E gas turbine were presented.An Ovation control system was successfully implemented as an integral part of the low-NOxretrofitting of a 9E gas turbine,involving the design,development,and commissioning of related hardware &software.Testing&commissioning results and operating performances had fully demonstrated the Ovation control system to be satisfactory in every aspect of the control requirements and offered significant convenience in gas turbine operation and maintenance.

gas turbine；control system；function module

TP273

A

1671-086X(2015)03-0212-04

2014-08-15

田毅華(1977-),男,助理工程師,從事電廠生產運行、技術改造、維護檢修工作。

E-mail：tyh@meiyawh.com