火電廠柴油發電機組啟停過程控制策略研究

閆佩豪

摘要：本研究采用經驗規則探討柴油發電機組啟停過程控制策略。火電廠機電一體化系統的控制部門劃分為3個級別，其中，現場處理級（手動/自動選擇開關）的控制權是系統的最高優先級，軟件程序聯鎖具有操作所有系統設備的第2個優先權，遠程集控室中央監控和數據采集系統（SCADA）是操作所有系統設備的第3個優先事項。不同級別的操作通過遠程控制系統的接口控制器使控制系統的功能與SCADA系統兼容。SCADA系統的控制成為一個統一協調的實體，既提高了柴油機的自動化水平，也提高了柴油發電機組運行的安全性和可靠性。

關鍵詞：過程控制策略；機電一體化；監控與數據采集系統；遠程控制系統

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A 文章編號：2095-6487 （2018） 01-0001-03

0 引言

柴油發電機組由柴油機、發電機、控制系統和公用支架組成。柴油機驅動發電機，柴油的能量轉化為電能。其原理是將燃料直接送入柴油機氣缸內進行壓縮和燃燒。燃燒后的高壓、高溫排氣膨脹推動活塞運動，直線往復運動變成旋轉運動，帶動軸連接發電機發電。

1.系統的體系結構

柴油發電機組控制系統，雖然在應用中有所不同，但大致都可以分為3個部分：在柴油機房就地控制（自動/手動控制開關），在機房通過人機界面控制，通過收集數據用網絡通信的遠程控制。集控室操作員可以通過SCADA系統監控和控制柴油發電機的操作。柴油機房和集控室人機界面的機電一體化控制系統可分為3個層次[1]：系統架構包括硬件和機房現場配置為第1層（LOP內置EDS I/O設備），第2層是發動機接口控制單元（內置冗余PLC控制器、網絡系統和S.0.E），第3層是遠程SCADA系統（包括繼電器、儀表板、控制器、S.0.E.、電力、公用和輔助控制）。

計算機控制監視系統總線連接所有系統模塊。這種冗余的現場總線系統成為模塊之間數據交換的基礎，并允許在傳感器故障的情況下接收來自其他模塊的冗余測量值。

2 柴油發電機組起動/停止控制方式及策略

2.1運行控制方式

控制模式應提供計算機工作站和具有啟/停操作的主控面板，控制模式要求如下：

（1）現場控制層優先控制（手動/自動選擇開關）應該是最高優先級，功能程序應是操作所有設備的第二優先事項，計算機遠程控制應是操作所有設備的第三優先事項。

（2）控制模式和優先級順序應允許控制系統和現場控制驅動器相互支持。現場控制驅動程序應以手動方式接管控制和監視，以確保在控制系統故障時正常運行。

（3）在正常控制狀態下，對系統進行自動控制，實現系統的自動控制。

2.2操作要求和策略

SCADA系統中的負載請求。如果需要，柴油機組可以通過SCADA/人機界面手動或自動啟動。每個請求都需要以下數字信號[2]。啟動請求和請求的功率值。為每個柴油機提供數字信號。可用柴油機，可用負荷和實際負荷。注意：需要一個最低負荷，在此負荷下不允許繼續操作。發電機組的最低負荷是預定為50%。

2.3遠程啟動控制功能特性

柴油機啟動過程：如果條件允許，柴油機可以啟動。如果啟動時出現故障或任何報警消息，則在檢查遠程啟動互鎖條件滿足之后，重置所有信號，然后啟動柴油機。對于遠程柴油機啟動聯鎖條件，如果聯鎖條件有以下問題：外部速度有異，齒輪嚙合不到位，人工急停，遠程停止、柴油機尚未停止，或柴油機控制面板選擇開關設置為“就地運行”，則柴油機啟動將停止并“啟動失敗”。

柴油機遠程啟動序列參數設置：柴油機遠程啟動序列和柴油機的確認（Tl）、開始（T5）、開始（T7）、停止、加載、卸載、油泵驅動（T2）、高壓冷卻水（T3）、起動閥最大（T6）、T/C油壓力表的時間（T4），其中柴油機、潤滑油、冷卻水、高溫壓力、初始點火，柴油機啟動速度是相互關聯的。在最佳參數設置時，應將時間和轉速參數進行相互協調。

柴油機遠程啟動順序如下。

步驟1：啟動聯鎖是否動作，若是，則設備接收SCADA系統指令，中止啟動并復位“遠程啟動”信號。若否，則設備接收SCADA系統指令，發送“遠程啟動”指令并繼續下一個步驟[3]。

步驟2：柴油機靜止時觸發啟動信號，當選擇開關選擇自動時，SCADA系統指令下載到設備上執行“柴油機遠程啟動信號”并繼續。在啟動操作中，故障信號通過傳感器上傳到SCADA系統，并予以顯示。

步驟3：通過控制命令，啟動外部潤滑油泵，冷卻水泵，自動執行缸套潤滑和閥座潤滑功能，并啟動調速器來調節速度。

步驟4：啟動定時器T2、T3和T4，在T2時，初始潤滑油的最低壓力必須足以使用；因此，若初始潤滑油壓達不到這一最低值，低油壓設定報警，并中止啟動。

步驟5：如果渦輪增壓器的潤滑油壓力（定時器T3）和高溫冷卻水壓力（定時器T4）在定時器T2時不符合規定值，則發出故障報警，并中止啟動。

步驟6：在啟動柴油機的初始潤滑壓力時間間隔T5內，必須達到上述潤滑油的最小壓力[4]。柴油機停止時間不超過發動機的最大允許停止時間，或初始潤滑油的最小壓力已達到并且持續超過1min，則不用再關注初始潤滑油壓。

步驟7：如果柴油機的停止時間超過了柴油機最大允許停止時間，并且不是慢轉，則需要慢速啟動。如果柴油機沒有慢啟動，首先需向設備發出一個明確的命令信號；并且操作人員必須打開指示器閥旋塞以排空發動機內部的流體，這意味著在控制面板接收到控制系統的柴油機清理完畢信號之前，中止遠程啟動。然后，繼續到步驟11。

步驟8：如果檢測到慢啟動錯誤，則停止遠程啟動，并將慢啟動信號發送給ECU設備。操作人員必須使用慢轉裝置，指示閥旋塞接通，以便氣缸內有流體，觀察ECU控制面板，并手動轉動發動機。

步驟9：如果在緩慢的啟動過程中沒有發現故障，或者柴油機的清理已經完畢，啟動過程可以正常地驅動主空氣閥，則啟動空氣壓縮機[5]。

步驟10：在啟動過程中發動機轉速增加，如柴油轉速在T6允許的最大時間內不能達到點火速度，則中止啟動過程并關閉啟動閥。

步驟11：如果點火速度隨著時間的推移，不能打開啟動閥，則柴油機定時器T7開始計數。

步驟12：在定時器T7時間內，如果柴油機轉速不能達到啟動所需轉速，則中止啟動程序，停下柴油機。

步驟13：如果柴油機轉速在定時器T7內達到啟動所需轉速，柴油機運行信號通過傳感器上傳到SCADA系統并顯示出來。

步驟14： ECU執行柴油機啟動準備（啟動泵，預壓，清理），操作員必須在啟動程序前檢查顯示在儀器控制面板上的信息，來確定柴油機的工作狀態信息（可以與否），集控室遠程執行步驟5到步驟10。

2.4遠程停止控制功能特性

（1）柴油機遠程停止序列參數設置：遠程發動機停機順序，柴油機的確認（Tl），停止（T8），柴油機停止的速度和旋轉速度項參數是相互關聯的，時間和轉速等參數應相互協調，柴油機可以通過安全系統停止。

（2）柴油機遠程停止順序如下。

步驟1：SCADA操作員將停止指令下發到設備以執行柴油機的停止程序。當安全系統已經確認，柴油機的停止程序繼續執行步驟l到步驟5。

步驟2：當柴油機沒有停止時，自動控制/手動控制選擇開關設置為“自動”時，柴油機通過步驟1到步驟5執行停止程序，當選擇開關設置為“手動”時，柴油機通過步驟1到步驟4執行停止程序。

步驟3：當控制面板中有報警信息時，啟動輔助風機來配合停止柴油機。

步驟4：如果操作員未能在確認時間（Tl）內執行命令確認，則不能執行柴油機的停止程序；如果在確認時間（Tl）內執行命令確認，則可以執行柴油機的停止程序。

步驟5：當氣缸控制裝置的控制閥啟動，啟動外部阻塞減速并且發送一個零信號到調速器儀器控制面板（聯鎖），這將中斷柴油機停止程序。在柴油機減速時，柴油機不能強行啟動，直到柴油機停止運轉。當ECU控制系統確認柴油機已經停止，在停止時間（T8）后，柴油機的停止可以實際確認。如果柴油機停止運轉，安全系統被取消，調速器松開，遙控停止閥在發動機停止之前復位。

步驟6：一旦發動機停止，儀器控制面板顯示“發動機停止”，“缸套潤滑”和“閥座潤滑”功能關閉。

步驟7：取消啟動聯鎖指令，遙控止回閥復位，信息上傳到SCADA系統并顯示。

3.相關討論

我們的研究和實驗結果可以總結為以下幾個特點：

（1）柴油發電機組一旦發生故障，系統的應急電源將受到嚴重影響。因此，如何提高維修人員的故障診斷能力是一個非常重要的課題。

（2）如何提高柴油發電機組運行的安全性、可靠性和經濟性是發電廠經營管理的重要組成部分。

4.結論

根據實際經驗，將柴油發電機組控制機構劃分為3個層次。各加工層的控制面板按功能分類，不同的項目有不同的接口和組合要求，局部控制面板根據個人要求組合或分離。操作界面可以根據預算選擇。通過分析進一步了解機電一體化SCADA系統和ECS軟件應用的實用技術。

參考文獻

[1] Chih-Ju Chou， Kuo-Hsiung Tseng ， To-Cheng Liu， Kang-Chin Liu， A Case Study of Mechatronics Human MachineInterface Technology Development Research for DieselGenerator Engine Power Plant， 9th IEEE Conference onIndustrial Electronics and Applications .2014， ISBN978-1-4799-4316-6.

[2] Francesco Adamo， Filippo Attivissimo ， GiuseppeCavone， and Nicola Giaquinto，

"SCADA/HMI Systemsin Advanced Educational Courses，” IEEE Trans. onInstrumentation and Measurement， vol. 56， No. 1，pp.4 - 10， February 2007

[3] Endi， M.： Elhalwagy， Y.Z.： Hashad， A. “ThreeLayer PLC/SCADA System Architacture in ProcessAutomation and Data Monitoring，” IEEE ConferencesComputer and Automation Engineering （ICCAE）， The 2ndInternational Conference on Volume： 2， pp. 774779， 2010.

[4] 陳煒，楊琪，于振興.火電廠后備柴油發電機監控系統的設計和實現[J].可編程控制器與工廠自動化，2008 （5）：110-113+121.

[5] 雷朝輝.火電廠保安電源柴油發電機組電氣系統改造[J].價值工程，2011， 30 （35）：61-62.