汽輪機監視儀表與主控系統一體化設計及應用

蒙映峰，徐曉晨，張振龍，龍婷婷，蒙俊昆

(1.青島華豐偉業電力科技工程有限公司，山東 青島 266100；2.日照凱迪生態能源有限公司，山東 日照 276800； 3.桂林魯山新型建材有限公司，廣西 桂林 541806；4.華南師范大學數學系，廣東 廣州 510631)

汽輪機監視儀表(以下簡稱TSI)一般檢測汽輪發電機組的參數包括轉速(電超速保護用轉速和零轉速)、軸向位移、脹差、偏心、軸承座絕對振動、軸振動、熱膨脹(缸體膨脹)等，在汽輪機的狀態監視和分析、運行保護作用上非常重要[1-3]。

由于汽輪機廠一般會獨立配置TSI、汽輪機緊急跳閘系統(以下簡稱ETS)、數字式電液控制系統(以下簡稱DEH)，極大概率與儀控專業的DCS系統不同，造成了測控系統各不相同的現象。

為了降低設計的復雜性及基建投資，提高系統運行的可靠性，減輕調試、維護人員的工作量及時間，減少備品備件的數量，有必要將TSI系統與主控系統進行一體化集成。一體化的依據來自GB/T 38921—2020[4]的第3.2條：汽輪機安全保護系統，由ETS及其相關的測量儀表與執行設備組成；第4.4條：汽輪機安全保護系統的控制裝置宜與機組其它控制系統一體化配置，控制器應獨立、冗余配置。

1 發電廠的儀控系統

1.1 項目概況

某生物質電廠由河北省電力勘測設計研究院有限公司設計，目前已經正常運行超過18個月，裝機容量1×30 MW。汽輪機發電機組由東方電氣提供，汽輪機單缸單排汽，轉速為5250 r/min，通過齒輪箱降速至3000 r/min，驅動發電機轉動。

儀控專業方面，DCS、DEH、ETS全部由NT6000型DCS系統監視和控制，除個別外圍的小系統可用編程控制器控制外，基本實現了全廠控制系統的軟硬件一體化。

1.2 分開設計時部分儀控系統間的聯絡信號

DEH、ETS、TSI一般隨汽輪機配供，常見是分開設計。各系統間的信號聯絡示意圖見圖1。可見硬接線信號繁多，設計、施工、調試工作量大。

2 TSI與主控系統一體化的工作

2.1 NT6000系統

NT6000分散控制系統主要有系統軟件、分散處理單元與上位機之間的標準以太網絡，包括交換機、DPU、DPU與I/O卡件間的通信總線、本地及遠程I/O卡件。NT6000型DCS系統架構示意圖見圖2。

2.2 NT6000系統的專用卡件

NT6000系統除了常用的模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、DO數字量輸出等通用卡件外，還研發了專用卡件，為一體化工作奠定了基礎。表1是涉及DEH、TSI、ETS的部分卡件信息。

表1 DEH、TSI、ETS部分專用卡件

2.3 汽輪機的軸系測點

根據汽輪機廠提供的資料，本機組軸系有以下測點。

轉速5點：其中發電機轉速1點，零轉速1點，超速3點。另外DEH有3個測速點，1個就地轉速表測點，均不接入TSI。

軸振16點：其中汽輪機和發電機前、后共4個軸承、齒輪箱高速軸和低速軸共4個軸承，每個軸承X、Y方向各一點。

軸向位移4點：其中汽輪機和齒輪箱各2點，脹差2點。

鍵相3點：偏心1點，缸脹1點。

2.4 集成TSI時考慮的幾個問題

2.4.1 分開式與集成式設計的步序比較

從信號的處理流程可以做一個簡單的比較(見圖3)，可見分開式設計需用6個步序，而集成式設計只用3個步序就完成了“信號采集→邏輯判斷→信號輸出”工作，簡化了工作流程。

2.4.2 系統安全及獨立性、實時性

本項目ETS系統配置了1對KM951A控制器，只負責汽輪機TSI參數的監測，以及ETS跳閘保護，符合GB/T 38921的4.4條的安全及獨立性要求。

查ETS有27點DI、26點DO，TSI有32點，因此將TSI信號接入ETS，除TSI專用卡件外，無需增加其他的DCS硬件設施，也毫無運算速度、運算量壓力。

系統實時性復核如下。

查NT6000產品手冊[5]可知：DPU控制周期為5～200 ms可調，冗余切換時間為2 ms。因此DPU控制周期設定為10 ms，滿足GB/T 38921第6.5.1.1的要求：處理周期應不大于20 ms。

查NT6000產品手冊可知：模擬量控制回路控制周期為10 ms，開關量控制回路控制周期為5 ms。

查軸振/位移KM534A手冊可知：軸振、脹差、軸向位移卡件數據更新時間為2 ms。

故控制器可在1個周期(10 ms)內采集完所有開關量、模擬量的數據，并有判斷信號越危險定值的保護輸出至ETS跳閘繼電器板KB434C，而繼電器板在10 ms內動作。則TSI/ETS軟件保護時長為20 ms。滿足GB/T 13399—2012《汽輪機安全監視裝置技術條件》的3.4.7條：對作為緊急停機處理的監視項目,從信號的發生到監測裝置輸出應限制在小于50 ms時間范圍內[6]。

2.5 轉速硬接線后備保護回路

DEH的3塊轉速測量卡，每卡輸出1個110%超速信號到ETS系統的跳閘繼電器板，做硬件三取二邏輯判斷直接跳機。

2.5.1 精度要求

查轉速測量KM533A卡：精度±0.1%(3000 r/min)。滿足GB/T 13399相關要求。

再查軸振/位移KM534A卡：測量精度±1%，分辨率1 μm。滿足GB/T 13399相關要求。

2.5.2 提高機組運行可靠性

由于采用DCS系統一體化設計，且從現場一次測量元件到卡件、系統都由同一廠家生產，而全部DCS硬件均通過了電磁兼容性等嚴格測試，質量好，減少了不同系統間的電纜接線松動、污染、老化等隱患，避免了不同系統間接口不匹配、有干擾從而造成工作異常問題,極大提高了系統可靠性[7-14]。

2.5.3 減輕工作量

邏輯組態也是集成在NT6000系統中，與DCS系統其他的常規邏輯做法一致。因此TSI信號可以直接被其他控制器、上位機在網絡上引用，系統的控制和畫面組態、調試、維護相當方便。

2.6 分開式與集成式設計的總體比較

分開式與集成式TSI的總體比較見表2。

表2 分開式與集成式TSI系統的比較

粗略計算設計、調試的人工費用，建筑安裝的直接及間接費用，備件及專用工具的費用等，分開式比集成式設計投資高出25～30萬元。

2.7 集成式系統的存在問題處理

2.7.1 卡件分配不合理

在調試時發現，TSI超速保護用的3塊KM533A轉速卡被廠家分配到同一個分支，不符合風險分散的要求。后更改設計，在機柜正面的每一列分布1塊轉速卡，解決了此問題。

2.7.2 轉速自校準問題

GB/T 13399要求電超速保護裝置應有自校試驗功能，試驗時能自動切除開關量的輸出[15]。在調試時發現廠家遺漏此設計，可通過技術改造處理此問題。

2.7.3 與TDM聯系的問題

卡件預留了軸系振動、鍵相的緩沖信號，可直接送原始信號給旋轉機械的振動分析系統。但由于需要在卡件上接線，在機組運行過程中進行此工作存在一定的設備誤動隱患。建議以后設計時應將信號預先引至端子排。

3 結語

針對本工程規模較小、系統齊全的特點,全廠控制以設置在機組集中控制室的DCS操作員站為監控中心,實現了常規的機、爐、電集中控制, 監控平臺統一，控制系統軟硬件統一。全廠控制DCS一體化的實現避免了DCS系統與多種硬件設備接口的麻煩,減少了備品備件種類,簡化了維護、運行人員的培訓。本項目實現了TSI與主控系統(DCS)的軟硬件一體化，降低了系統的復雜性，大大減輕了設計、調試、維護整個流程上的工作，減少了許多直接和間接費用。系統目前運行正常，說明一體化工作可行，為實現全廠DCS一體化控制提供參考。