燃气-蒸汽联合循环机组中汽轮机DEH系统在调试中的问题及分析处理

燃气-蒸汽联合循环机组中汽轮机DEH系统在调试中的问题
及分析处理
张红侠;陈振山;高爱国
【摘要】介绍了西门子T3000系统在京桥电厂二期燃气-蒸汽联合循环机组汽轮
机控制上的应用,结合工程实际,阐述了数字电液控制系统DEH的控制原理,最后针
对上海汽轮机厂首台169机型汽轮机控制系统启动调试过程中的几个问题,在原因剖析的基础上,提出解决的措施和预防建议.
【期刊名称】《华北电力技术》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】5页(P33-37)
【关键词】燃气-蒸汽联合循环;DEH系统;调试
【作者】张红侠;陈振山;高爱国
【作者单位】华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045;华北电力科学研究
院有限责任公司,北京100045;华北电力科学研究院有限责任公司,北京100045【正文语种】中文
【中图分类】TM611.31
0 引言
燃气-蒸汽联合循环是当今动力工业发展的方向之一。

联合循环电站具有热效率高、
调峰性能好等特点，在世界范围内发展很快。

从本世纪初开始，随着我国沿海地区引进了一些燃气轮机及联合循环蒸汽轮机，我国也开始了自行研制联合循环蒸汽轮机，从25 MW、50 MW到如今的300 MW等级，在设计、制造、运行方面，不断进行积累、创新与探索。

北京草桥燃气蒸汽联合循环热电厂二期工程建设2×350 MW级“二拖一”燃气－蒸汽联合循环热电联产机组。

其中蒸汽轮机组是由上海汽轮机厂制造的LZC266-12.5/0.4/545/540型三压、再热、两缸、两排汽汽轮机，汽机轴系为“低-高中-发”布置，3S联轴器布置在低压缸与高中压缸中间。

本机组可在纯凝、抽汽供热、背压供热、汽轮机全切供热等方式下运行。

1 DEH系统硬件配置
硬件配置如图1所示。

图1 DEH硬件配置图
该厂汽轮机DEH控制硬件系统采用的是西门子公司T3000系统，共有两对冗余
处理器S7-414和FM458，实现双控制器冗余切换，切换时间为毫秒级。

FM458作为超高速汽轮机控制处理器，具有高性能的闭环控制和运算处理，转速控制和紧急遮断时的快速响应能力，位置控制的高分辨率，最小循环周期为0.1 ms，通常
为0.5 ms等诸多特点。

Profibus-DP通信协议用于AS414控制器与ET200M以及FM458与ADDFEM接口间的通信，速度可达12M。

I/O采用汽轮机控制专用的ADDFEM模件和通用的ET200M模件。

西门子T3000不需要专门的阀位控制卡，而是采用快速处理器ADDFEM卡，阀位的控制闭环在FM458处理器中实现。

在FM458中，有一个专用的阀门控制模块，该模块接受DEH的阀门开度指令及
阀门开度反馈信号，计算后输出阀位的控制指令通过ADDFEM卡件去控制电液转换器。

2 机组结构特点
汽机的液压调节系统有两套分别独立的高压抗燃油供油装置:高中压缸控制油系统、低压缸热网抽汽控制油系统。

每一个进汽阀门均有一个执行机构控制其开关，其中高、中压主汽阀、低压主汽阀、低压补汽主汽阀、抽汽关断阀、抽汽逆止阀执行机构为开关型(即关断式)两位式执行机构，高、中压调节阀执行机构、低压调节阀、低压启动阀、低压补汽调节阀、抽汽调节阀油动机为伺服式执行机构，可以接受来自DEH控制系统的4～20 mA的阀位控制信号，控制其开度。

所有阀门执行机构的工作介质均为高压抗燃油，各关断阀、调节阀均由各自油动机油缸液压开启阀门，弹簧力关闭阀门。

关断阀、调节阀油动机上均配备有两个冗余的快关电磁阀，任一个快关电磁阀动作，阀门将快速关闭，每个油动机是独立的、单独动作。

这两个电磁阀由ETS保护系
统不同的输出信号控制，做到从保护通道到电磁阀的冗余配置，以确保安全停机。

高中压侧电磁阀电源采用24 V直流，低压侧电磁阀为220 V交流供电。

3 DEH控制系统
联合循环机组调峰和调频的任务是由燃气轮机来完成的，汽轮机负荷的变化取决于燃气轮机的排烟量和排烟温度，处于被动状态。

为提高效率，在汽轮机正常运行时，进汽阀门处于全开状态，不参与调节，余热锅炉产生的蒸汽全部进入汽轮机，汽机滑压运行。

因此，联合循环中的汽轮机没有传统意义上的负荷控制回路，也没有调频功能。

汽轮机的调门流量指令是由转速/进汽控制、主汽压力控制(限压模式和初压模式)、汽机启动允许限制装置、辅以排汽温度控制，高压缸叶片压力等控制器输出经中央小选控制器形成，功能原理图如图2所示。

此机组的控制特点是采用了通过小选
控制器切换控制模式等控制方法。

汽轮机控制器根据先选控制器输出的指令切换控制方式。

如，小选控制器输出转速指令时，为转速控制方式;输出压力指令时，为
压力控制方式。

汽轮机的启动由转速控制器来完成，汽轮机速度根据速度设定值梯
度和温度限定模块给出的变化率来跟踪转速设定值。

控制器的输出由中央小选功能块选通，并使汽轮机转速升至额定转速，在并网后，自动切换控制器的结构，使转速控制器的运行改为进汽控制器的运行，在带完初负荷后，根据实际工况，转为压力控制，进入滑压运行。

图2 DEH控制功能原理简图
4 调试过程中出现的问题探讨与分析
草桥电厂的汽轮机DEH调试主要分为3个阶段:(1)油动机的静态调试、硬件检查、电源、DPU切换试验、DEH系统限值及调节参数的预设定、辅助系统的控制检查(启停、联锁)、模拟启动试验;(2)启动冲转、摩擦检查、电超速试验、阀门严密性
试验;(3)并网带负荷、压力控制器调节参数的整定、阀门活动试验、甩负荷试验等。

鉴于此系统是上海汽轮机厂的首套适用于二拖一多轴联合循环的DEH系统，在此过程中遇到了诸多问题，针对这些问题进行探讨与分析，并对原设计的控制组态逻辑与控制参数进行了改进与优化。

4.1 ETS复位功能完善
本机组的危急遮断系统有软硬两套回路，其中硬回路是包含了超速保护和盘前打闸，硬回路是通过给控制每个阀门的快关阀的卡件失电，使阀门关闭。

对于上汽机组，不同于传统机组的“挂闸”概念，给AST电磁阀带电即认为复位，本套汽轮机的DEH在给每个阀门的快关电磁阀带电前需要先给卡件复位带电。

原设计有两套复位，分别是机柜复位按钮和程控汽机启动允许装置限值TAB＞12.5%均会实现卡
件带电，并将故障安全性卡件F型卡pass-out复位。

但实际中原有的机组复位必须在DEH电子间机柜背板的S01、S02复位按钮同时按下才能实现相关卡件带电。

程控复位失效，这样机组故障跳闸后恢复时，增加操作，延误汽轮机启动，且与一键自动启动的宗旨相悖。

经过多次静态打闸复位试验，分析后，认为程控TAB＞12.5%不能实现复位的主
要原因是硬回路电源卡件复位后，卡件的pass-out无法复位，而导致无法复位F
型卡pass-out的是控制回路指令发出先后顺序造成的。

在F型卡件内部，存在高电平上升沿检测，只有在卡件电源复位带电后，才开始检测，再将pass-out复位。

依据上述分析，对组态进行了修改，在TAB＞12.5%去给复位硬回路给卡件带电后，加30 s延时，再去复位pass-out。

避免了卡件在无电状态下，导致pass-
out复位失效。

这样，上述问题得到了解决，保证了在开机条件具备时汽轮机及时启动及一键启动的要求。

4.2 存在高排温度高跳机风险
在调试试运过程中，机组热态启动时，汽轮机在定速50.15 Hz后，并网前，随着时间推移，高排温度一直在持续上升，多次险将到达450℃的保护限值，在机务
及时干预采取措施后，避免了多次因高排温度高触发汽机主保护动作跳机风险。

如果是极热态，主汽温度达到500℃，在定速空载下，高排温度即可达到450℃的
保护动作值。

结合多次实际运行中的工况及状态值，发现汽轮机在空载定速50.15 Hz后，高排压力已达到0.92 MPa左右，然而此时的疏扩压力只有0.02～0.04 MPa，差压有0.8 MPa 左右，此差压下，高排温度可以达到390℃，如果汽轮机不并网，继续
空载运行，高排温度继续爬升，到达450℃时，汽轮机跳机，据上述分析，高压
排汽差压大是造成高排温度高的主要原因。

从热工角度考虑，此问题涉及高排通风阀和高排逆止门的控制逻辑，建议研究高排通风阀和高排逆止阀的开启时间和顺序，通过优化控制逻辑实现增大高排处的蒸汽通流量，从而防止高排温度在空载时的上升，避免汽轮机因高排温度高跳机。

关于高压缸通流量，从汽机本体角度考虑，本汽轮机高排通风阀设计的通流量，在差压为0.8 MPa时，应该是30 t/h，但通过实际运行中的压力值比对，流量远远
没有达到此设计值。

因此，需要:(1)机务人员确认汽轮机在定速空载下高压缸的通
流量设计值;(2)检查通风阀是否存在堵塞问题，如割管检查等等。

4.3 X准则与温度测点
在汽轮机程控启动过程中，多次出现SGC第20步，因温度准则中X4准则不能满足，而导致等待时间长，以致在蒸汽品质满足后，还无法快速冲车。

X4温度准则是为了防止湿蒸汽进入高缸主汽门而设定的，具体内容:要求A－B＞0;其中，A:主汽温度1和2的小选值;B:主汽压经过函数f(x)计算;其中:
f(x):［(0，120)，(100，120)，(380，430)，(600，430)］。

图3 汽轮机本体、蒸汽疏水布置图
进入温度计算的DEH主汽温度测点是在设计院布置的疏水管道后，阀门之前，疏水布置如图3所示:顺控执行至此时，阀门未开，蒸汽主要是走疏水管道，因此在
疏水管道与阀门之间的蒸汽是基本不流动的“死气”，温度要比真正的温度低很多，导致X4准则迟迟不能满足。

因此，建议改动温度测点在疏水管路之前，或者，根据机组实际情况在实测温度值上叠加经验偏置。

避免因温度测量值偏低，而导致的启动顺控无法继续，实现汽轮机的快速启动。

西门子联合循环汽轮机启动时温度制约较多，除X－准则和温差限制外，还有高、中压缸上下缸温差限制，高、中、低压缸排汽温度限制，主、再热蒸汽进汽管温度偏差限制，主、再热蒸汽过热度限制等多项温度制约共同确保汽轮机安全运行。

实践证明，温度限制是有效的，但与机组其他设备与系统的配合还需要进一步的探索，在保证安全性的同时，提高机组经济性。

4.4 电源切换引起的阀门波动
不同于汽轮机高中压侧的阀门控制是24 V直流电源，低压侧的阀门及补汽门均是采用了220 V交流电源，在进行DCS 220 V交流电源切换试验时，就地低压侧低压调门和补汽调门均发生波动，其中最大幅度达到全行程的16%。

低压侧电磁阀的硬件供电回路图如图4所示。

图4 低压侧电磁阀的硬件供电回路图
DEH控制系统的处理器DPU均在DEH 1号柜，采用的是24 V供电工作，在系统最初DEH厂家设计时，低压侧是同高中压侧阀门一样，采用的都是与处理器相同的24 V直流供电装置，后应设计院根据抗干扰要求就地低压侧阀门都修改为220 V交流供电。

DCS的双路220V交流电分别是UPS和保安段提供，这两路电源在DCS电源柜内实现自动切换，据此，结合DCS分散控制系统的电源切换时间与当时的阀门反馈曲线趋势图数据分析，虽然满足“25项反措”要求，小于50 ms，但T3000系统的DEH处理器也是毫秒级运算，而且根据电磁阀的动作可得出，从电磁阀失电到泄油开始关门的响应时间大概是20 ms左右，因此切换时间大于电磁阀设计关门时间，是导致跳机电磁阀短时内失电，关门，在切换完成后，迅速带电，恢复原有开度，造成阀门波动的主要原因。

按美国电气及电子工程师学会IEEE定义，小于1 kV为低压系统，一般认为220 V，AC的传输距离应小于100 m，低压动力电缆避免长距离传输。

如不更换供电方式下，可以考虑减少电源至就地电磁阀的传输距离，提高可靠性。

另外，建议更换低压侧所有阀门的供电电源，由220 V交流电改给为最初设计的24 V直流电，避免由于切换时长引起的阀门瞬时失电现象。

4.5 故障安全型卡件
西门子DEH系统所有的保护停机信号及输出到油动机电磁阀的动作信号都采用故障安全型模件FDI/FDO。

故障安全型输入模件每个信号进入卡件的两个通道，这两个通道直接带动电磁阀。

故障安全型卡件具有自诊断功能，包括断线诊断、短路诊断、接地诊断、失电诊断、供电故障诊断、通信故障诊断等。

因此，DEH侧的保护设计是接收所有的保护动作的闭合信号，进入FDI，进入到逻辑跳汽轮机。

但是，现场受到电气侧发电机保护屏的限制，电气送出的发电机保护动作在机组正
常运时是断开信号，事故动作时才是闭合信号，进入DEH系统的FDI，无法发挥F型卡件的断线保护动作功能，与传统西门子设计存在矛盾。

现逻辑为当3线中1线断线时，保护变为2取2;当一保护跳闸卡故障时，变为单保护跳闸卡运行;正常时为双保护跳闸卡运行，且每卡为3取2保护逻辑。

如需发挥传统F型卡件的断线保护动作功能，需在电气侧翻转保护信号，使信号满足要求，在今后的机组设计调试中，在保证功能的同时，应考虑最大程度发挥系统优点。

5 结语
燃气-蒸汽联合循环中的汽轮机具有排汽量大、启动快速、滑参数运行、配合燃机调峰性能要求高等特点，相较于已发展完善的传统燃煤汽轮机，在实践中，设计和运行上存在诸多不足，在将其国产化过程中应吸收改进，借鉴优点，完善不足。

本机组的汽轮机在试运过程中，对汽轮机本体、各辅助系统和控制系统的问题逐一解决，最终保证了整个机组的成功投运，经过整套启动及168试运行验证，各项指标达到优良，机组运行安全可靠，本文期望能对今后的联合循环二拖一机组的汽轮机控制系统的设计及调试提供参考和借鉴。