武漢漢能電力發展有限公司109E燃機控制系統改造方案

武漢漢能電力發展有限公司 王毅剛 田毅華 文謙

艾默生過程控制有限公司 竺紀定 陸文佳

武漢漢能電力發展有限公司109E燃機控制系統改造方案

武漢漢能電力發展有限公司 王毅剛 田毅華 文謙

艾默生過程控制有限公司 竺紀定 陸文佳

圖1 電廠概貌

1 項目概況

武漢漢能電力有限公司沌口燃機電廠安裝有一套176.5MW燃氣—蒸汽聯合循環機組，其中燃氣輪機于1996年12月投產，額定功率123MW，采用法國阿爾斯通公司生產的PG9171E型燃氣輪機設備，其主要由一臺額定功率1000kW的啟動馬達、一臺17級的軸流式壓氣機、一臺由14個分管式燃燒室組成的燃燒系統和3級透平轉子組成。而汽輪機于1997年10月投產，額定功率53.5MW，采用哈爾濱汽輪機有限責任公司生產的N53.5-4.7型聯合循環單缸、單軸、單排汽、沖動、次高壓、凝汽式汽輪機，其配套鍋爐設備采用美國DELTAK公司生產的DINO4264型自然循環余熱鍋爐。電廠設一個集中控制室和一個燃氣輪機就地控制室，在集中控制室內可以完成整個聯合循環機組的啟動、停止、正常運行及事故處理。

機組投產初期燒＃0～＃20柴油發電，2000年6月改燒重油發電，2005年6月又改燒天然氣發電，為天然氣供氣增壓配置了兩臺美國庫伯公司的往復式壓縮機，2012年5月完成了燃機勵磁系統和發電機保護系統的改造，實現電網要求的雙冗余并增加了PSS功能。機組主要運行在冬季、夏季和用電高峰時段，每年上網電量約1億千瓦時，自天然氣改造至今，累計運行4760小時，累計發電量60148萬千瓦時。

原燃氣輪機控制系統為美國GE公司提供的MARK-V控制系統，配置兩臺接口計算機，分別放置在燃機就地控制室與集中控制室，監視和控制范圍包括燃氣輪機及輔機等。控制系統投運至今已近18年，設備老化、人機界面落后、技術支持響應周期長、備品備件供應困難和運行維護成本高等問題日趨嚴重。此次機組正值低氮燃燒改造的好時機，客戶十分重視控制系統的改造，與各廠家分別進行了多次深入的技術交流和考察，最終艾默生公司憑借完善的技術方案和成熟的應用業績贏得了客戶的信任。

2 改造方案

2.1 硬件方案

此次燃氣輪機控制系統改造采用Windows平臺最新的3.5版Ovation系統軟件以及新一代的OCR1100控制器硬件，共配置1臺服務器兼歷史站和2臺操作員站（集控室和就地燃機控制室各布置1臺），分別采用Windows Sever2008和Win7操作系統，項目系統圖如圖2所示。

圖2 項目系統圖

2.1.1 網絡

Ovation網絡結構為快速以太網，由于應用了全冗余和容錯技術，任何一個站點（工作站、控制器等）故障都不會影響其他站點正常運行。此次改造考慮運行人員日常操作主要在就地燃機控制室完成，所以將網絡柜布置在就地用于以太網連接就地操作員站和Ovation控制器，而集控室的服務器和操作員站則通過光纜和光電轉換器連接到該網絡柜。按此設計，即便集控室與就地網絡柜光纜通訊中斷，也不影響就地燃機正常操作。值得一提的是，網絡柜設計了可拆卸側門，方便用戶日常維護，如圖3所示。

圖3 就地網絡柜

2.1.2 機柜與電纜

原Mark V系統機柜共由一面Mark V系統燃機控制柜，一面Mark V系統就地操作站柜（含打印機設備）和一面端子轉接柜組成。此次改造拆除Mark V系統的燃機控制柜和就地操作站柜，并在其原位安裝新的Ovation系統燃機控制柜（如圖4和圖5所示）。

圖4 Ovation系統燃機控制柜吊裝中

圖5 就位后的Ovation系統燃機控制柜

電纜方面，原就地信號電纜首先連接到端子柜，然后再轉接至Mark V系統燃機控制柜。此次改造保留端子柜和現場信號電纜，僅拆除端子柜至Mark V系統的轉接電纜并按新設計重新敷設。

2.1.3 控制器及I/O卡件

考慮原Mark V系統特有的TMR三冗余功能和某些重要信號就地傳感器無法冗余的設計局限性，此次改造在Ovation系統網絡冗余、供電冗余和控制器冗余的常規冗余設計基礎上，I/O模塊這一級也同樣設計了冗余和三冗余功能，并把原有機組的一部分非冗余傳感器增加為三冗余的傳感器（如CPD傳感器），再加之良好的硬件設計（如就地傳感器冗余的重要信號分散設計在不同卡件等），以增加控制系統的可靠性和安全性，防止在I/O級別上出現的單點故障對機組運行造成嚴重影響，項目測點配置清單見表1。

表1 測點配置清單

圖6 改造前Mark V系統柜內卡件

圖7 改造后Ovation系統柜內卡件

此外，改造后的Ovation系統I/O卡件模塊采用平面布置并且支持熱插拔，較原先Mark V系統的控制卡采用蜂箱式結構更容易安裝和維護（如圖6和圖7所示）。

2.1.4 硬保護跳閘回路

原Mark V系統的

Core是專門用于燃機跳閘保護的，而此次改造在Ovation系統控制器邏輯實現

Core所有跳閘保護功能外，另外設計了一套獨立的硬保護跳閘回路，類似火電機組的MFT（主燃料跳閘）硬回路。當發生以下緊急情況時，硬保護跳閘回路動作，迅速遮斷燃機，保護機組安全。

（1）超速保護跳閘（來源于Ovation轉速模塊超速保護繼電器三取二表決）；

（2）振動大保護跳閘（來源于CSI6500振動保護裝置繼電器輸出）；

（3）邏輯保護跳閘（來源于Ovation控制系統繼電器輸出）；

（4）運行人員緊急跳閘（來源于就地和燃機控制柜緊急跳

閘按鈕）；

（5）外部系統緊急跳閘（來源于火災報警系統和發電機保護系統）。

2.1.5 其他設備

除Ovation系統標準I/O卡件模塊外，此次改造還設計了同期裝置和振動保護設備（如圖8所示），其中同期裝置具備自動同期和手動同期功能，運行人員也可通過Ovation畫面進行相應的監視和操作（如圖9所示）；而CSI6500振動保護裝置直接接收現場8路瓦振信號，該裝置獨立于Ovation系統進行自主診斷和邏輯運算，以便振動大需跳機時，輸出繼電器信號至硬保護跳閘回路遮斷燃機，保護機組安全。同時振動保護裝置也通過冗余通訊模塊將振動信號的模擬量值和裝置故障信息等送至Ovation系統，方便運行人員進行日常監視和維護。

圖8 改造后同期裝置和振動保護設備

圖9 改造后Ovation系統 同期操作畫面

2.2 軟件方案

2.2.1 邏輯控制

2.2.1.1 原機組控制功能

此次Mark V控制系統改造保留除液體燃料和注水系統外的原9E機組以下所有控制功能：

（1）順序控制功能

? 機組啟動允許條件自動檢測Turbine Start Permissive；

? 機組遮斷首出判斷Turbine Trip Conditions；

? 機組啟動和停機順控Start-Up and Shutdown Sequences；

? 其它順序控制等Sequencing Control Functions。

（2）調節控制功能（即各個FSR控制功能）

? 啟動燃料控制Start-up Fuel Control；

? 加速控制Acceleration Control；

? 轉速控制Speed Control；

? 負荷控制Generator Load Control；

? 溫度控制TemperatureControl；

? 停機控制 Shut Down Control。

（3）跳閘保護功能

? 超速保護Overspeed Protection；

? 超溫保護TTXM Protection；

? 熄火保護Loss of Flame Protection；

? 振動保護 Vibration Protection；

? 壓氣機排氣壓力保護 CPD Protection；

? IGV失速保護Stall Protection – Inlet Guide Vanes；

? 燃燒監測保護Combustion Monitor Protection；

? 其他的部分。

2.2.1.2 新增控制功能

考慮到客戶需求和電網要求，此次改造新增了以下控制功能：

（1）一次調頻功能

該功能可以由操作員投入切除，也可以在當前網頻下添加偏置，以檢驗一次調頻的工作性能（如圖10所示）。

圖10 一次調頻功能

（2）啟動泄漏試驗功能

該功能為燃機啟動必檢項目，試驗不能通過，則不允許點火而停機（如圖11所示）。

圖11 泄露試驗進行中

（3）逆功率停機功能

原機組通常由電氣逆功率動作觸發停機，改造后由DCS側判斷有功功率下降到指定值（3MW）時觸發停機動作，糾正了原邏輯的錯誤。

2.2.1.3 低氮燃燒改造

根據LEC-III低氮燃燒改造方案，原單一擴散燃燒方式升級為擴散（低負荷）→預混（高負荷）燃燒。天然氣配給由原先單一閥門控制改為更復雜的配比方式（如圖12所示），燃燒器也由單區燃燒室改為分區燃燒室（如圖13所示），使機組能夠順利地從高排放的擴散燃燒方式進入低排放的預混燃燒模式。

圖12 改造后天然氣配給方式

圖13 燃燒室火檢（一區&二區）

控制系統根據TTRF1決定燃燒方式的切換點，通過對GCV1、GCV2、GCV3的閥位控制實現對燃燒器一區及二區燃料的不同配給，從而保證機組在擴散燃燒及預混燃燒方式之間的平穩切換。燃燒方式由低負荷到高負荷通常有以下幾種燃燒方式：

（1）Diffuse擴散模式（如圖14所示）

（2）Lean-Lean模式（如圖15所示）

（3）Transfer過程（如圖16所示）

（4）Premix預混模式（如圖17所示）

圖14 Diffuse Mode

圖15 Lean-Lean Mode

圖16 Transfer

圖17 Premix Mode

為保證燃燒系統正常工作，燃燒方式能夠平穩的切換，也為了能夠在更低的負荷下進入預混燃燒方式，系統增加了IBH (Inlet Bleed Heat)功能（如圖18所示）。啟用IBH可以提升TTRF1(燃燒參考溫度)，將預混燃燒方式的切換點從80%負荷左右提前至50%負荷左右；IBH同時也兼具了原系統的防冰功能（如圖19所示）。

圖18 IBH管路

圖19 IBH控制

2.2.2 人機界面

原Mark V控制系統人機界面（如圖20所示）受到DOS操作系統的限制不僅畫面差數量也極少，報警功能以及歷史數據功能有限，并且完全沒有漢化，已無法滿足目前客戶的需求。改造后Ovation控制系統基于Windows操作系統的人機界面（如圖21所示）流程圖監視內容更加豐富，分布更加合理，提供了更符合用戶需求的報警功能，更有強大的歷史數據記錄能力，保證了三年以上不間斷的數據、操作記錄、SOE等內容的快速查詢。關鍵內容進行了漢化，使得操作員接口更加友好。

圖20 改造前Mark V系統燃機主畫面

圖21 改造后Ovation系統燃機主畫面（漢化）

另外，此次改造畫面顯示的信號名都尊重電廠的習慣，沿用了原來的信號命名。并且艾默生根據多年改造的經驗也對部分畫面進行了優化，如原Mark V系統的排氣溫度監視畫面（如圖22所示）功能較為單一，而改造后的Ovation系統畫面（如圖23所示）則十分直觀，更易于事故分析和處理。

圖22 改造前Mark V系統排氣溫度監視畫面

圖23 改造后Ovation系統排氣溫度監視畫面

2.3 第三方接口

天然氣增壓站的增壓機監視系統（如圖24所示）并未納入原Mark V控制系統，此次改造Ovation控制系統通過OPC接口接收增壓機監視系統的所有實時數據并組態了相應的監視畫面（如圖25所示）。運行人員可在就地燃機控制室的操作員站直接監視增壓機相關狀態和報警。所有的通訊數據同時也納入Ovation系統歷史站，以便客戶統一進行歷史數據的查看和趨勢曲線的調用。

圖24 改造前增壓機監視系統

圖25 改造后通過OPC通訊并入Ovation系統監視畫面

3 項目小結

作為Ovation國內第一套GE 9E機組的Speedtronic控制系統改造項目，艾默生憑借豐富的燃機控制經驗和項目執行經驗，通過與客戶及總包方等多方團隊合作，最終交出了一份出色的答卷，獲得了客戶的高度贊揚。

通過此次成功改造，艾默生為武漢漢能實現全廠控制一體化提供了優秀的控制系統平臺，同時也為國內面臨GE 9E機組控制系統改造的其它電廠提供了有益參考。