汽輪機DCS系統設計

馬超

摘 要： 汽輪機DCS系統結合汽輪機電液調節控制系統和汽輪機緊急跳閘保護系統，在深入研究汽輪機調速原理，實現汽輪機轉速，熱井水位， 泵類等智能遠程控制，保護系統方面，在發生危險信號時，能及時停機，

關鍵詞：汽輪機；DCS系統；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.036

汽輪機主要用作發電用的原動機，也可直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等，在用途上分成發電汽輪機和工業驅動汽輪機。系統在運行下，參數是不同的，而且彼此之間相互作用，如果參數值超出了正常規范值就要緊急，要立即停止機器運行，才能保證汽輪機的安全。想實現此功能，要求配備自動化裝置，也就是DCS分散控制系統，分散控制，集中管理四個部分，現場控制站、工程師站、操作員站和系統網絡。

1 DCS系統結構設計

汽輪機的安全保護是非常重要的，DCS系統是對汽輪機遠程和集中控制的重要安保措施，通過分析汽輪機的運行數據，判斷機汽輪機的生產管理。系統的設計要求是清晰簡單，易于操作，上位機用計算機，還需要設備占的設置，以及物理參數測量傳感器，操作控制器，變送器等接連，采用信息診斷融合，提高傳感器信號可靠性與融合技術。編寫程序控制器，采用快速傅里葉變換，針對信號的振動進行處理，采用集中遠控的方式，可以直接在上位機的界面操作，控制。

（1）硬件設計。隨著技術的完善 ，人工智能系統對汽輪機的故障進行診斷 ，獲得了很好的效果 ，系統硬件包括汽輪機控制，汽機保護、信號采集和上位機監控幾部分。診斷策略通常是模糊診斷、模式識別、人工神經網絡和專家系統。汽輪機通過調速系統和設備控制來管理，在上位機輸入轉速值，控制器進行比較數值，經過PID運算，再經電液轉換器控制汽輪機的轉速，從而對汽輪機的設備、油泵、風機等設備管理和控制。給定變頻率，頻域變換法是機械設備故障診斷中使用得最為廣泛的處理方法，對原信號進行相關處理，再轉換成頻譜的形式，由控制器通信傳輸，控制遠程設備的運行。汽輪機的保護措施是良好運行的保證，當人按下急停按鈕或者機器故障自動停機的時候，程序的數字量輸出模塊，會輸出信號控制電磁閥高壓油關，再切斷主氣閥停機。飛脫時產生的工頻振動是突發性的，振幅和相位同時增長到固定值。系統采集數據，并計算，分析，傳輸給上位機，實現集中監控和管理所有的分散控制系統。

（2） DCS系統通信網絡。DCS 的通信網絡可以分為兩方面，控制器與上位計算機的通信，控制器與I/O設備站和從站的通信。分別采用工業以太網和ProfibusDP。以太網的特點是傳輸速度快，可達100Mbit/S，采用CP443-1，和CP1613模塊，兩臺交換機，組成上網冗余網絡。 ProfibusDP主站周期讀取和輸出信息，采用RS485中繼器，I/O設備采用IM153-2，也是可靠的雙網絡。

2 DCS系統控制方案設計

汽輪機正常沒有故障時候，振動隨機，出現故障的時候，有周期性沖擊，自相關函數會出現大峰值。蒸汽發生器的高溫高壓蒸汽要通過主汽閥、調節閥進入，汽輪機。工業驅動汽輪機的控制系統核心包括調速系統，熱井水位調節系統。鍋爐制造出蒸汽，轉化成汽輪機所需的熱能，在轉子加熱到一定溫度時，粘附在中心孔壁上的潤滑油發生熱交換，汽輪機轉速信號可以可控制調節閥的開度，轉軸上的摩擦力與旋轉方向相反。控制信號輸出控制電流，經過電液轉換器控制調節閥開度。接觸材料之間存在著能量的吸收和轉移。

位移傳感器測定油動機的行程信號，可以在轉速一定的時候保證不受干擾和負載所造成的影響。通流部分的動靜間隙是受多種因素影響的。熱井水為調節系統控制水量，調節水泵，凝結水量不變時，控制水泵轉速，才能保持水位恒定。

水泵的變頻率由PID計算， 工業汽輪機控制系統方案設計如圖1。

3 汽輪機調速方案設計

汽輪機通過PID控制算法，輸出電信號，汽輪機組轉速、功率的自動調節，以及在DEH遙控下機組調節控制，經電液轉換器變成油壓信號達到汽輪機要求的轉速.有CRT顯示運行參數，PID算法采用級聯控制器，節流調節雙向切換，根據過程變量的錯誤參數影響那個控制器定點.這個過程變量PV1可以通過主控器控制和調節設定點SP1，SP2.實現汽輪機自啟動、監視和自動負荷控制，采用磁阻式轉速傳感器，發出的脈沖信號要求。轉速測量采用幾組獨立的傳感器信號，PLC模擬輸入模塊保證信號的準確，采用三取二邏輯的方法，反映機組運行狀態的信號。這種沉余配置可以避免信號故障，不會發生變跳。接受機組的轉速、調節級壓力，暖機，升速，直至系統穩定。熱井水位調節系統是汽輪機凝汽設備的一個很重要的部分，凝汽設備在汽輪機排氣口保持真空度，用空氣泵抽出空氣，凝汽內壓力升高。隔膜閥使這兩個系統的跳閘母管相連，熱井水為的信號有差變壓器傳送，轉換成4-20ma的電流信號，閥門位置指令增加時PLC程序處理變化成熱井實際水位，再經PID程序算出轉速頻率。采用PI控制水位變化，保持熱井水位的穩定。

4 汽輪機DCS系統保護方案設計

ETS系統是保護汽輪機發生緊急跳閘，在發生危險時，緊急停機，保護汽輪機安全的系統。當緊急事故如真空低，遙控跳閘信號等發生時，由自動保護系統動作AST電磁閥，汽輪機超速運行容易造成事故，導致生產中斷，和機身損壞，當停機值到達，TSI系統的轉速信號由數字量輸出模塊輸出信號，控制解除其，不讓ETS系統復位，保證汽輪機安全。 汽輪機啟動時，DEH裝置發出控制信號通過預啟閥進行升速和暖機，軸向位移信號來自TSI系統，采用電渦流位移傳感檢測，轉速控制精度達到正負1r/min，本系統軸向位移報警值為士0.5mm，自動地迅速沖過臨界轉速區，切至高壓調門控制，直到額定轉速。當發電機跳閘或遙控允許觸點斷開時，控制器會立刻恢復到操作員自動方式運行。汽輪機DCS系統通過 汽輪機電液調節控制系統和汽輪機緊急跳閘保護系統，實時采集機組運行參數，發出轉數、負荷變化率請求，深入研究汽輪機速度調節原理，實現汽輪機轉速、熱井水位、泵類等智能遠程控制，可以外掛式接入，可操作性強，保護系統方面，在發生危險信號時，能及時停機，是良好的人機界面和數據管理系統。