集成控制系統(tǒng)在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組中的運(yùn)用

沈勤華

摘要

為了確保汽輪發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，必須配置一套安全、穩(wěn)定、快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)。在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，集成控制系統(tǒng)起著非常重要的作用。本文針對集成控制系統(tǒng)在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組中的運(yùn)用進(jìn)行闡述與分析。

【關(guān)鍵詞】集成控制系統(tǒng) 熱電廠 汽輪發(fā)電機(jī)組 運(yùn)用

隨著自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)儀表已經(jīng)不能滿足熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)化需求。雖然汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）以及輔機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)大量應(yīng)用，發(fā)電機(jī)電氣系統(tǒng)也已經(jīng)從單設(shè)備監(jiān)控發(fā)展到基于微處理器、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的電氣綜保系統(tǒng)控制，但由于儀表控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)互相獨(dú)立，無法實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)地滿足熱電廠安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行要求，越來越需要一套集成控制系統(tǒng)把儀表控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)儀電協(xié)調(diào)控制，這樣能更合理地平衡熱負(fù)荷和電負(fù)荷，并對各項(xiàng)資源進(jìn)行優(yōu)化利用，這種儀表和電氣的結(jié)合將成為一種必然發(fā)展趨勢。以下根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，針對集成控制系統(tǒng)在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用進(jìn)行闡述與分析。

1 集成控制系統(tǒng)的應(yīng)用分析

集成控制系統(tǒng)是一種融合自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、智能儀表、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體的生產(chǎn)控制模式，能夠按照預(yù)設(shè)要求來完成相關(guān)的目標(biāo)。熱電廠以熱電聯(lián)產(chǎn)方式運(yùn)行，既能生產(chǎn)電能又能生產(chǎn)熱能。工廠最關(guān)鍵的設(shè)備是汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)，因此汽輪發(fā)電機(jī)組的集成控制非常重要。熱能的蒸汽源來自抽汽式汽輪機(jī)的可調(diào)抽汽或背壓式汽輪機(jī)的排汽，同時(shí)汽輪機(jī)做功把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。熱能供工業(yè)生產(chǎn)和民用采暖，蒸汽熱效率非常高。電能可以上大電網(wǎng)，也可用于工廠自供電。熱電聯(lián)產(chǎn)這種供熱和供電的運(yùn)行模式，需要一套集成控制系統(tǒng)用于控制熱電平衡，在保證熱負(fù)荷條件下合理發(fā)電，才能即節(jié)能又環(huán)保，并收到良好的綜合效益。集成控制系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)，提高熱電廠的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，并降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。一旦遇到故障問題，也能夠及時(shí)處理，避免安全事故的發(fā)生，因此，在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組中，應(yīng)用集成控制系統(tǒng)具有重要的價(jià)值和意義。

2 熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組集成控制系統(tǒng)組成

2.1 汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）

在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定將影響機(jī)組的正常運(yùn)行。DEH系統(tǒng)在機(jī)組并網(wǎng)前實(shí)現(xiàn)從沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速的自動(dòng)升速控制，并網(wǎng)后DEH系統(tǒng)能控制供熱網(wǎng)的蒸汽壓力（抽汽或排汽），還能控制上網(wǎng)的有功功率。在具體的應(yīng)用過程中，可以根據(jù)熱電廠升速曲線、升速速率等參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，將轉(zhuǎn)速自動(dòng)從零轉(zhuǎn)速升速至暖機(jī)轉(zhuǎn)速，按照程序設(shè)定的暖機(jī)時(shí)間自動(dòng)暖機(jī)，然后再按照設(shè)定的升速率自動(dòng)升速到額定轉(zhuǎn)速。機(jī)組到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，進(jìn)入同期等待。當(dāng)同期裝置自動(dòng)同期，機(jī)組并網(wǎng)后，為了防止機(jī)組逆功率運(yùn)行，DEH程序設(shè)定機(jī)組自動(dòng)帶初負(fù)荷（3%額定負(fù)荷）。操作員可以設(shè)定負(fù)荷給定值，DEH按照設(shè)定的加載負(fù)荷速率和PID系數(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制。負(fù)荷速率和PID系數(shù)可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行在線調(diào)整。當(dāng)機(jī)組達(dá)到一定負(fù)荷后（數(shù)值可以根據(jù)要求調(diào)整），可以投入抽汽或排汽壓力控制?？刂颇Ｊ娇梢允謩?dòng)或者自動(dòng)切換，通過調(diào)整給定值、速率、PID系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效減小了工作人員的操作壓力，且操作簡單、安全、方便。對背壓機(jī)組，考慮到熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組的滯后性與穩(wěn)定性，為了提高負(fù)荷響應(yīng)速度，在汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制回路中設(shè)置串級控制用于控制排汽壓力。

2.2 安全保護(hù)系統(tǒng)（ETS）及輔機(jī)控制系統(tǒng)

對于熱電廠生產(chǎn)而言，安全是第一要素，每臺汽輪發(fā)電機(jī)組必須配置安全保護(hù)系統(tǒng)。對一些關(guān)鍵的保護(hù)信號，還必須配置獨(dú)立的保護(hù)裝置，如獨(dú)立的滿足SIL3要求的電超速保護(hù)裝置。主要的跳閘保護(hù)信號有：轉(zhuǎn)速高高、潤滑油壓低低、抽汽壓力低低（抽汽機(jī)組）或者排汽壓力高高（背壓機(jī)組）、軸位移過大、機(jī)軸振動(dòng)過大、軸瓦溫度高高、發(fā)電機(jī)定子溫度高高、發(fā)電機(jī)保護(hù)停機(jī)等。任何一個(gè)停機(jī)信號產(chǎn)生時(shí)，ETS系統(tǒng)會(huì)輸出停機(jī)信號到停機(jī)電磁閥，停機(jī)電磁閥動(dòng)作，切斷速關(guān)油路，關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門，使整個(gè)機(jī)組緊急停機(jī)，從而避免各種生產(chǎn)安全事故。

輔機(jī)系統(tǒng)包含各種油泵、油箱加熱器、盤車裝置，如果是冷凝機(jī)組還有凝泵及液位調(diào)節(jié)閥等設(shè)備，這些輔機(jī)可以用一套控制系統(tǒng)（PLC）進(jìn)行控制，根據(jù)機(jī)組的操作運(yùn)行要求進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)啟停及自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保整個(gè)機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

2.3 機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)（TSI）

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，必須設(shè)置一套獨(dú)立的軸系監(jiān)測裝置。主要的監(jiān)測參數(shù)為軸位移、軸振動(dòng)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的軸向推力，轉(zhuǎn)子的軸向位置會(huì)偏離原點(diǎn)，即產(chǎn)生軸位移。當(dāng)軸位移過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致推力瓦磨損以及動(dòng)靜設(shè)備間產(chǎn)生摩擦，這樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，因此軸位移過大必須停機(jī)處理。機(jī)組由于啟動(dòng)時(shí)汽缸內(nèi)受熱不勻、轉(zhuǎn)子彎曲等原因都會(huì)導(dǎo)致軸振動(dòng)過大。軸振動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部件損壞、轉(zhuǎn)子更加彎曲等各種嚴(yán)重后果，因此當(dāng)軸振動(dòng)過大時(shí)一定要停機(jī)處理。

2.4 發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置

為了保證電力系統(tǒng)的正常工作以及發(fā)電機(jī)設(shè)備安全，需配置一套繼電保護(hù)裝置。主要保護(hù)功能有：差動(dòng)保護(hù)、零序保護(hù)、失磁保護(hù)、逆功率保護(hù)、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、頻率保護(hù)、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)等。任何一種保護(hù)動(dòng)作都會(huì)引發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)及跳發(fā)電機(jī)出口斷路器。

2.5 自動(dòng)同期裝置

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，同期裝置自動(dòng)檢測發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的頻率、電壓、相位是否到達(dá)同期范圍，如果滿足條件就發(fā)出合閘命令給發(fā)電機(jī)出口斷路器，使之合閘，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。

2.6 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置（AVR）

機(jī)組并網(wǎng)前AVR用于自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。并網(wǎng)后，根據(jù)所選擇的工作模式（恒功率因數(shù)或恒無功），AVR可以自動(dòng)調(diào)節(jié)無功或功率因數(shù)。

2.7 上位監(jiān)控系統(tǒng)

上位監(jiān)控系統(tǒng)由操作員站、工程師站、打印機(jī)組成，配置監(jiān)控軟件、通訊軟件等。儀表控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)所需要的各種監(jiān)控操作畫面集成在同一臺操作員站上，操作員可以同時(shí)監(jiān)視儀表和電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并根據(jù)需要協(xié)調(diào)操作。如背壓機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)DEH控制排汽壓力時(shí)，會(huì)影響有功功率，當(dāng)有功發(fā)生變化時(shí)，AVR必須同時(shí)調(diào)節(jié)無功，才能保證機(jī)組的功率因數(shù)，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。由于是集成控制系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)有功的變化給AVR發(fā)指令調(diào)無功。但對于儀表和電氣互相獨(dú)立的系統(tǒng)，需要操作員之間互相通知，人工給定調(diào)節(jié)無功，這樣不利于系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)及穩(wěn)定運(yùn)行。

3 應(yīng)用項(xiàng)目

泰國熱電廠一臺15MW背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組采用集成控制系統(tǒng)，機(jī)組已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行近5年，狀況良好。

3.1 系統(tǒng)配置

DEH采用Woodward 505，ETS和輔機(jī)控制系統(tǒng)采用Siemens S7-400 PLC系統(tǒng)，電超速保護(hù)裝置采用Woodward GII，TS1采用Bently3500，發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置采用GESR489，同期裝置和AVR采用國產(chǎn)設(shè)備，上位監(jiān)控軟件采用SiemensWinCC軟件。DEH、同期裝置、AVR，這三個(gè)裝置和PLC之間信號采用硬接線。TSI和發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置除了跳閘信號硬接線到PLC外，其它信號通過Modbus RTU通訊到PLC。集成控制系統(tǒng)和工廠DCS之間采用OPC通訊。

操作員站畫面有流程圖監(jiān)視、DEH操作、AVR操作、PID系數(shù)調(diào)整、ETS監(jiān)控、SOE、軸系監(jiān)視、發(fā)電機(jī)保護(hù)信息監(jiān)視、發(fā)電機(jī)單線圖、馬達(dá)操作、數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)報(bào)警、歷史和實(shí)時(shí)趨勢、報(bào)表打印等功能。

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）電氣不單獨(dú)設(shè)置操作員站，所有電氣系統(tǒng)的監(jiān)控操作和儀表系統(tǒng)集成在一起，節(jié)省設(shè)備和人力成本。

（2）PLC系統(tǒng)作為Modbus通訊主站，和發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置及TSI通訊。在PLC中開發(fā)通訊程序，對兩臺從站裝置進(jìn)行輪詢讀寫。

（3）在PLC中開發(fā)負(fù)荷控制程序，通過PLC系統(tǒng)采集的進(jìn)汽參數(shù)、排汽參數(shù)、有功、無功、功率因數(shù)，自動(dòng)對DEH和AVR發(fā)指令進(jìn)行有功、無功調(diào)節(jié)。這樣可以根據(jù)蒸汽參數(shù)的變化盡可能地多發(fā)電，充分利用能源，節(jié)能環(huán)保。獨(dú)立的電氣系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

（4）由于國產(chǎn)AVR只能通過增磁、減磁開關(guān)量信號來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，不能滿足海外用戶對參數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)的需求。在PLC中開發(fā)了設(shè)定值轉(zhuǎn)換功能，操作員站畫面可以輸入目標(biāo)值，PLC內(nèi)部程序轉(zhuǎn)成增、減脈沖量輸出到AVR，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，快速響應(yīng)的要求。

（5）由于集成在一套系統(tǒng)，儀表跳閘信號和電氣跳閘信號采用統(tǒng)一時(shí)鐘，事故追憶更清晰。

4 結(jié)束語

整合了儀表和電氣的集成控制系統(tǒng)在熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用，能夠提高生產(chǎn)率，改進(jìn)工作效能，促進(jìn)熱電廠現(xiàn)代化、自動(dòng)化趨勢的發(fā)展，確保各個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的應(yīng)用前景。

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