燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)分析與調(diào)試

王真，祝寶營(yíng)

（華電電力科學(xué)研究院山東分院，濟(jì)南250014）

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)分析與調(diào)試

王真，祝寶營(yíng)

（華電電力科學(xué)研究院山東分院，濟(jì)南250014）

以某電廠M701F型燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為例，介紹采用三菱重工DiasysNetmation和國(guó)電南自美卓maxDNA控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組整套聯(lián)合循環(huán)的控制，詳細(xì)分析了燃機(jī)控制系統(tǒng)的五種主要控制方式：自動(dòng)負(fù)荷控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、進(jìn)口導(dǎo)葉控制和燃料最小選擇限制控制。結(jié)合調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題，如汽包水位調(diào)節(jié)，進(jìn)行相關(guān)分析并給出可行的解決方法。

燃?xì)廨啓C(jī)；控制系統(tǒng)；調(diào)試

0 引言

M701F燃機(jī)采用三菱重工的DiasysNetmation控制系統(tǒng)，由燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS（Turbine Control System）、燃機(jī)保護(hù)系統(tǒng)TPS（Turbine Protection System）和高級(jí)燃燒壓力波動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)ACPFM（Advanced Combustion Pressure Fluctuation Monitor）組成。燃機(jī)／汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）采用東方汽輪機(jī)有限公司配供的BENTLY-3500系統(tǒng)。余熱鍋爐及輔助設(shè)備控制系統(tǒng)（DCS）采用南京國(guó)電南自美卓控制系統(tǒng)maxDNA。

DiasysNetmation由多功能過(guò)程站（MPS）、操作員站（OPS）、工程師站（EMS）和歷史數(shù)據(jù)站（ACS）構(gòu)成。MPS具有運(yùn)算處理、保存短期數(shù)據(jù)（1 h數(shù)據(jù)）、性能計(jì)算、標(biāo)記報(bào)警事件和通過(guò)ControlNet與現(xiàn)場(chǎng)總線相連等功能。OPS具有圖形顯示、設(shè)備操作輸入和改變邏輯參數(shù)等改變部分設(shè)定的處理等功能，它不保存設(shè)備處理數(shù)據(jù)，每當(dāng)需要時(shí)向MPS或ACS調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)（MHI卡通信）。EMS具有修改邏輯組態(tài)、畫面組態(tài)、文檔組態(tài)和操作面板組態(tài)等功能。ACS具有管理長(zhǎng)期數(shù)據(jù)（標(biāo)準(zhǔn)為31 d數(shù)據(jù)）和向Excel輸出數(shù)據(jù)等功能。

為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，MPS具有自診斷功能，并采用雙重系統(tǒng)冗余化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。MPS的CPU卡以設(shè)備控制系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行為優(yōu)先，進(jìn)行了可靠的自我診斷功能設(shè)計(jì)。CPU采用冗余化設(shè)計(jì)，一套系統(tǒng)進(jìn)行控制，另一套處于待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)系統(tǒng)按照一定的周期對(duì)正運(yùn)行系統(tǒng)的必要數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，以便保持與控制系統(tǒng)擁有相同的運(yùn)算結(jié)果，隨時(shí)為系統(tǒng)切換做好準(zhǔn)備。CPU對(duì)系統(tǒng)之間進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)，待機(jī)系統(tǒng)能夠立即檢測(cè)出異常情況，并無(wú)沖擊地從待機(jī)狀態(tài)切換到控制狀態(tài)。CPU通過(guò)系統(tǒng)I／O卡來(lái)監(jiān)視對(duì)方系統(tǒng)的正常／異常情況。

1 TCS系統(tǒng)主要功能

燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）主要有負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)（ALR）、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、燃料限制控制、進(jìn)口導(dǎo)葉控制、燃料分配控制、燃料壓力控制和燃燒室旁路閥控制等功能。

1.1 自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)

自動(dòng)負(fù)荷調(diào)節(jié)（ALR）在帶負(fù)荷運(yùn)行工況下受AGC控制。自動(dòng)負(fù)荷控制在帶負(fù)荷工況下若選擇ALR ON模式，則負(fù)荷基準(zhǔn)信號(hào)（LDREF）自動(dòng)根據(jù)ALR指令信號(hào)改變；若選擇ALR OFF模式，則負(fù)荷基準(zhǔn)信號(hào)可由運(yùn)行人員手動(dòng)輸入。負(fù)荷控制回路通過(guò)比較負(fù)荷基準(zhǔn)信號(hào)和實(shí)際負(fù)荷值，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出負(fù)荷控制信號(hào)（LDCSO）。

1.2 轉(zhuǎn)速控制

速度控制用于發(fā)電機(jī)同期調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前空載的轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)信號(hào)可通過(guò)手動(dòng)增減轉(zhuǎn)速或通過(guò)同期裝置來(lái)調(diào)整。在帶負(fù)荷工況下，若選擇ALR ON運(yùn)行模式且選擇調(diào)速器控制模式，則速度基準(zhǔn)信號(hào)（SPREF）將根據(jù)ALR負(fù)荷設(shè)定值而自動(dòng)改變；若選擇ALR OFF模式，則速度基準(zhǔn)信號(hào)可由運(yùn)行人員手動(dòng)輸入。轉(zhuǎn)速控制回路通過(guò)比較速度基準(zhǔn)信號(hào)（SPREF）和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)（GVCSO）［1］。

1.3 溫度控制

由于燃?xì)廨啓C(jī)的透平葉輪和葉片均在高溫高速下工作，它們承受著巨大的離心力而且透平葉輪和葉片的材料強(qiáng)度隨著溫度的升高會(huì)明顯降低，所以燃機(jī)溫度控制尤為重要。M701F燃?xì)廨啓C(jī)溫度控制包括葉片通道溫度（BPT）控制和排氣溫度（EXT）控制兩類。正常運(yùn)行時(shí)，葉片通道溫度經(jīng)常在1 400℃左右，無(wú)法長(zhǎng)期直接測(cè)量，因此，一般通過(guò)測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和壓氣機(jī)的進(jìn)出口壓力來(lái)推算此溫度，排氣溫度和葉片通道入口溫度的關(guān)系為［2］

式中：T2為燃機(jī)排氣溫度；T1為燃機(jī)葉片通道入口溫度；p2為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力；p1為壓氣機(jī)出口壓力；n為可變參數(shù)。

1.4 進(jìn)口導(dǎo)葉控制

在啟動(dòng)期間，高壓釋放壓力超過(guò)特定的允許值會(huì)在軸流式壓縮機(jī)中產(chǎn)生“喘振”的異常工況，此時(shí)壓縮機(jī)要承受不穩(wěn)定氣流所引起的出口壓力劇烈波動(dòng)。為了防止喘振，啟動(dòng)時(shí)的進(jìn)口氣流速率可通過(guò)控制進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉（IGV）角度加以調(diào)節(jié)。IGV控制可以使燃?xì)廨啓C(jī)處于部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)獲得較高的聯(lián)合循環(huán)效率。在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，IGV受兩部分控制，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度和燃機(jī)負(fù)荷作為前饋控制，而燃機(jī)排氣溫度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。

1.5 燃料最小選擇限制控制

燃料最小選擇限制控制由一個(gè)小選門和一個(gè)大選門構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 燃料最小選擇限制控制

小選門：從多個(gè)功能控制器輸出（GVCSO、LDCSO、BPCSO、EXCSO和FLCSO）中選擇最小的作為燃料控制信號(hào)輸出（CSO）。啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，選擇FLCSO，升速至2 880 r／min時(shí)，選擇GVCSO，并網(wǎng)后若選擇LOAD LIMIT方式則選擇LDCSO，當(dāng)進(jìn)入溫度控制方式時(shí)，選擇BPCSO或EXCSO。并網(wǎng)后，除FLCSO為100%外，其他信號(hào)均跟蹤當(dāng)前的CSO并加上一個(gè)偏置，是通過(guò)動(dòng)態(tài)改變PID高限值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

大選門：點(diǎn)火之前（MD0），CSO為-5%；點(diǎn)火時(shí)（FIRE），維持燃料流量以取得可靠點(diǎn)燃；在加速（WUP）期間，維持燃料流量，防止火焰熄火，并足以加速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速；加速后（MIN）快達(dá)到額定速度時(shí)，維持最低的燃料流量以防止轉(zhuǎn)換操作期間燃燒中斷。高選門的作用是防止CSO過(guò)分降低，而導(dǎo)致在工況變化過(guò)程期間熄火［3］。

2 燃機(jī)調(diào)試中遇到的問(wèn)題及分析

該機(jī)組的高壓汽包、中壓汽包和低壓汽包水位均采用單沖量／三沖量控制，控制系統(tǒng)原理如圖2所示，以高壓汽包為例介紹。

高壓汽包水位測(cè)量采用單室平衡容器，單沖量／三沖量的切換由高壓主蒸汽流量和高壓給水流量大小決定，且利用滯回比較器的工作原理，防止單沖量和三沖量控制頻繁切換。當(dāng)高壓主蒸汽流量大于80 t／h且高壓給水流量大于100 t／h時(shí)，切換至三沖量控制；當(dāng)高壓主蒸汽流量連續(xù)30 s小于62.5 t／h，或高壓給水流量連續(xù)30 s小于90 t／h時(shí)，切換至單沖量控制。南自美卓maxDNA DCS控制系統(tǒng)中邏輯組態(tài)如圖3所示。

圖3中主PID控制器調(diào)節(jié)汽包水位，副PID控制器調(diào)節(jié)給水流量，高壓主蒸汽流量作為前饋?zhàn)饔迷谥鱌ID控制器中。主控、副控均采用比例積分調(diào)節(jié)。為了縮短響應(yīng)時(shí)間，減少超調(diào)，主PID控制器采用變比例增益控制［4］。

圖2 高壓汽包水位的控制系統(tǒng)原理

圖3 高壓汽包水位DCS控制邏輯

在調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題。在高壓給水流量和高壓主給水氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥位均跟蹤良好的情況下，汽包水位在設(shè)定值附近上下劇烈波動(dòng)。首先調(diào)節(jié)主控的比例增益，發(fā)現(xiàn)比例增益不管增大或減小，汽包水位曲線無(wú)明顯改善。檢查邏輯組態(tài)，發(fā)現(xiàn)高壓汽包水位測(cè)量值（PVCtl）的輸入僅對(duì)三個(gè)汽包水位測(cè)點(diǎn)取平均值，未加入Lag濾波模塊。加入Lag濾波模塊后，汽包水位曲線得到明顯改善。正常情況下，汽包水位三沖量副控的設(shè)定值（RSPCtl）變化趨勢(shì)應(yīng)與高壓汽包水位濾波后曲線變化相反，但在調(diào)節(jié)PID參數(shù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)汽包水位偏差大于40mm后，三沖量副控的設(shè)定值一直維持在280，即主PID控制器不再起作用。檢查邏輯組態(tài)后發(fā)現(xiàn)，主PID控制器的輸出（OutCtl）最大值被限制為280，不符合實(shí)際情況。此極限值僅考慮了高壓給水泵的最大給水流量，而實(shí)際高壓給水流量為高壓給水泵流量和TCA泵流量之和，修改主控的輸出（OutCtl）極限值后發(fā)現(xiàn)其曲線變化趨勢(shì)符合實(shí)際要求，汽包水位得到有效控制［5-6］。

圖4 高壓汽包水位50 mm階躍擾動(dòng)曲線

圖5 高壓汽包水位穩(wěn)態(tài)曲線

PID參數(shù)整定后，給汽包水位設(shè)定值一個(gè)50 mm的階躍擾動(dòng)，如圖4所示，經(jīng)過(guò)64 s，高壓汽包水位在設(shè)定值±25 mm范圍內(nèi)波動(dòng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)高壓汽包水位在設(shè)定值±10 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖5所示，滿足DL／T 774—2004《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)M701F型燃?xì)廨啓C(jī)組主控制系統(tǒng)的分析，為后續(xù)進(jìn)一步深入研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。該機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備動(dòng)作可靠，已投入的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能指標(biāo)良好。

［1］席亞賓，李洪濤，馬永光.M701F型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)分析［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2009，22（3）：21-24.

［2］黃建偉.三菱M701F型燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)分析［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2006（5）：64-70.

［3］毛丹，諸粵珊.三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)析［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（6）：76-79.

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［5］朱國(guó)雷，曹陽(yáng).燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽包水位控制優(yōu)化［J］，電力建設(shè)，2011，32（6）：85-89.

［6］周佳，曹小玲，劉永文.鍋爐汽包水位控制策略的現(xiàn)狀分析［J］，鍋爐技術(shù)，2005，36（3）：5-10.

Control System Analysis and Debugging of the Gas-steam Combined Cycle Unit

WANG Zhen，ZHU Baoying
（Shandong Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Jinan 250014，China）

Taking a M701F Gas-Steam combined cycle unit as an example，the whole control system composed of Mitsubishi DiasysNetmation system and Metso maxDNA system was introduced.Five main turbine control modes，namely，automatic load regulation，speed control，temperature control，inlet guide vane control and minimum fuel control were also detailed analyzed.Combined with problems encountered in debugging，such as drum level regulation，feasible solutions were offered in this paper.

gas turbine；control system；debugging

TM611.31

B

1007－9904（2016）11－0066－04

2016-08-08

王真（1978），女，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姀S、化工的DCS控制及優(yōu)化。