ABB公司的汽轮机自动控制和保护系统

ABB公司的汽轮机自动控制及保护系统发表时间:2002-9-9作者：摘要：一、概述ABB公司曾经是全球知名的汽轮机、燃汽轮机制造商，对上述控制系统的深入研究，使ABB积累了为多种机组提供不同控制系统的丰富实践经验。

ABB公司又是当今世界上最大的DCS 分散控制系统供应商，其Symphony 产品在许多工业控制领域得到广泛应用。

近二十年来，ABB旋转机械控制部 (前美国ETSI公司) 就用Symphony (Infi-90) 分散系统为世界上各大公司配套生产了近700套汽轮机、燃汽轮机控制系统，中国内地约占10%。

为适应我国电力工业迅速发展的需要，2001年初，ABB 中国旋转机械控制部组建，它是ABB公司在中国从事汽轮机、燃汽轮机控制保护系统销售、设计、总成和现场服务的专业部门。

它以ABB贝利的第四代分散控制系统Symphony 为平台，以ABB多年设计、生产汽轮机、燃汽轮机及其控制系统为依托，以与国内主机制造厂长期技术合作为经验借鉴，竭诚为国内外用户提供先进可靠的汽轮机、燃汽轮机控制保护设备，与ABB之DCS 一道来实现整个电站的一体化自动控制。

十年前，我国东方汽轮机厂率先从ABB贝利引进了大型汽轮机电液控制系统，技术合作逐年发展和加强。

近来，尤其是ABB中国旋转机械部成立以后，我们又与哈尔滨、上海、北重、杭州和南京等主机厂广泛接触，普遍建立了良好的伙伴合作关系，ABB 的Symphony产品开始用于各厂的汽轮机控制。

今后，我们将一如既往，与国内各主机厂紧密携手，共同为用户提供更好的服务。

二、原理及组成90年代末问世的ABB贝利第四代Symphony 分散控制系统不仅具有其物理位置分散、控制功能分散的优点，更在决策过程管理和企业管理方面实现了集中统一，达到了当代世界分散控制的最高水平。

采用Symphony 组成的汽轮机控制保护系统，将以子站的形式融入电站的DCS系统，实现信息和资源的共享，具体结构见图1。

不同用途的汽轮机其控制保护系统各不相同。

冷凝机组为转速和负荷的闭环控制系统；供热机组和背压机组还将增加抽汽压力和背压的闭环控制，发电和供热需实现"自治"；空冷机组更加关注排汽压力的保护和限制等等。

下面以冷凝机组为例进行说明。

(见图2)液压部分有两种形式：高压抗燃油系统:包括伺服机构、高低压遮断模块和高压油源三部分。

低压透平油系统：包括DDV直接驱动阀、执行机构及低压遮断模块，有的系统还要求提供单独的低压油源。

高压系统一般用于大型机组，低压系统用在中、小机组上居多。

TSI电气监视仪表可方便的用Symphony专用的CMM11状态监视模件构成，每块CMM11状态监视模件构成，每块CMM11模件有四个监视通道，可根据监视量的多少选择所需的模件直接插入DEH的机箱中。

这些模件分别采集现场传感器的信号，转换处理后输入冗余的MFP多功能处理器，从而完成整台机组的监视与保护。

另外，相应的数据还可通过数据服务器与轴系的专家分析系统联接，实现机组的故障诊断，详见图1。

ETS紧急停机装置也可用冗余的MFP处理器和I/O模件来构成，它汇总所有的停机信号并执行停机操作。

三控制保护系统特点积多年设计和生产各类汽轮机及其控制系统的宝贵经验，ABB的汽轮机控制与保护系统有以下显著特点：1. 电站控制一体化设计统一设计和提供汽轮机的DEH控制系统、TSI监视仪表、ETS紧急停机装置和BPS旁路控制系统，并作为ABB DCS控制的子站挂在C-Net网上，可实现整个电站的一体化控制和管理，方便用户运行维护。

2. 先进的控制技术和高度自动化由于熟悉各类汽轮机启动运行的全过程，ABB拥有大量先进的控制策略，如升速过程防止转速过冲的"软着陆"程序、并网过程转速自动摇摆程序等；针对冷凝机组和供热机组甩负荷的防超速措施、防中排超温措施；供热机组热电牵连和以热定电的热电联供优化设计方案；启动运行中完善的阀门管理模式；以及对冲动式及反动式机组的热应力计算及寿命管理经验等等。

凡此种种，保证了机组从冲转到全负荷可实现全过程平稳自动控制。

3. 在线试验及在线维护能力强可按机组实际情况，自动完成所有的在线试验，如：·电气和机械超速试验·危急遮断器喷油试验·阀门严密性试验·阀门活动试验·遮断电磁阀及压力开关在线试验·离线和在线阀门静态自动整定等在线维护及修改功能有：·电气模件在线插拔及更换·在线维护单台油动机的各个部件·在线更换滤芯·在线局部修改应用程序4. 人机界面友好，通讯接口便利建立在Windows-NT中文平台上的人机接口站画面丰富、操作方便、管理有序、记录准确。

ABB 一体化的系统，内部可自由通讯；对其它系统，如西屋、西门子等，可通过ICI接口站或Modbus实现通讯。

5. 软件透明，硬件可靠以功能码为基础的CAD图形组态软件对用户全透明，解读容易，编制方便，增强了使用者的信心。

小模件、高分散、适度冗余及高品质的硬件保证系统能长期可靠运行。

四控制及保护功能ABB用多对MFP多功能处理器来实现整台机组的保护与控制。

·DEH控制功能划分为：i. BTC基本控制 - 完成机组的启动、并网及带负荷，还可增加主汽压力保护、负荷限制、快卸负荷等其它控制功能。

ii. VMC阀门管理 - 完成多种阀门管理、进行阀门特性修正、实现阀门校验和试验及手动控制功能等。

iii. ATC自动控制 - 以热应力计算结果为依据，以轴系监视参数为限制条件，去控制机组的启动运行，并实现寿命管理，还可增加疏水控制等功能。

iv. OPC超速保护控制 - 完成用负荷和跳闸停机的控制与保护功能。

v. Conductor人机接口 - 实现操作和监视。

有画面显示、报警管理、趋势预报、历史记录、报表日志及操作提示等功能。

vi. Composer工程师站 - 用于软件组态、系统调试及软件运行维护。

·TSI监视仪表的功能为完成机组轴系状态的监测、保护并可扩展到专家系统进行轴系的故障诊断。

·ETS紧急停机装置的功能为汇总所有的停机信号，执行停机操作。

下面详细叙述。

1. 全自动启动功能ABB公司的DEH可完成从盘车到满负荷的全程自动启动。

冲转前，若阀壳及高压缸温度低于150°C时，DEH将对其进行预暖，直到金属温度超过脆性转变温度，以降低热应力，缩短启动时间。

机组经过冲转、暖机、达到定速时，DEH采用"软着陆"技术，使机组平稳到达3000r.p.m，无转速过冲；在并网时，DEH进入自动摇摆程序，即机组转速可围绕电网频率有规律的上、下缓慢摇摆，等待机组满足条件后顺利并网。

ABB还可提供TAS自动同期专用模件，由DEH来比较和调节转速、相位与电压实现内部自动同期。

2. 多种启动运行方式主汽门启动― 对西屋型引进机组，配有主汽门启动程序，在95%转速时自动切换到调门控制。

中压缸启动― 对配有高低压旁路的机组，可用中压缸启动。

机组由中调门冲转、定速、并网，当低旁全关时，DEH渐关中调门，渐开高调门，并投入调节级压力反馈，使机组按要求切换到高、中压联合启动。

切换点取决于旁路容量及启动参数。

高中压联合启动― 热态、极热态工况或旁路不投入时，采用高、中压联合启动方式使机组迅速接带负荷。

定― 滑― 定运行―― DEH可按用户的要求完成定― 滑― 定启动运行。

机炉协调― DEH可在启动结束后，接受来自CCS协调控制器的信号实现机跟炉、炉跟机和机炉协调功能。

3. 丰富的阀门管理模式单阀/多阀运行方式― 在启动及负荷变动时，DEH控制调门按单阀方式工作，机组全周进汽，受热均匀，热应力减小；在稳定负荷工作时，按多阀方式工作，使节流损失降低，机组热效率提高。

阀门特性线修正―调节阀流量与升程曲线的非线性影响了机组的静特性，以往用机械凸轮修正，误差大，也无法调正。

DEH可用软件对非线性进行补偿，使流量和升程线性化。

运行中可根据实际情况对曲线进行修正，以获得最佳的结果。

高中压调门开度比控制―启动过程中，为避免中调门节流，中压缸总是比高压缸开得快。

当负荷<30%时，高、中压调门开度比是固定的，譬如1：3，当负荷>30%时，一般情况中调门就全开。

但对有旁路的机组，为适应不同的工况，可调正高、中压调门的开度比。

空负荷或低负荷工况，锅炉蒸发量大部分流过高旁，高压缸的流量有限，高排温度不可避免会升高，此时可适当开大高调门，略关中调门，使进入中压缸的部分流量转到高压缸做功，以减小高排温度。

当机组甩全负荷，高压缸在小流量和高背压(再热压力) 下运行一段时间后，高排温度将上升到一个较高的值，一旦重新并网加负荷，温度较低的新蒸汽反而会使高压缸迅速冷却，增大热应力。

为此，可缓慢开启高调门，以免高压缸受到过冷。

冷态启动时，通过改变开度比，用中压缸启动方式来缩短启动时间。

锅炉低负荷运行时，若再热压力难以维持最低值，则可调正开度比减小中调门开度。

4. 先进的超速保护控制功能防止超速是汽轮机最重要的保护项目。

ABB在深入分析研究并进行控制系统实物仿真后采取了多种有效措施。

油开关跳闸逻辑控制―当机组油开关跳闸后，迅速(≤0.1s)关闭高/中压调门，抑止转速动态飞升，2秒钟后，逻辑消失，机组重新受转速控制。

加速度控制―在油开关未跳的情况下甩负荷时，利用转子的加速度信号，使机组迅速关闭高/中压调门，抑止转速快速飞升。

加速度减弱后恢复转速控制。

功率负荷不平衡―为适应电网故障时电负荷迅速下降的事故工况，用比较汽机实发功率和发电机电负荷的办法，当二者差值超过规定值时，立即关闭中压调门2秒钟，然后恢复转速控制，使机组不致于加速脱网。

超速预警―当机组甩负荷后转速升高超过预警值103%时，立即关闭高/中压调门。

2秒钟后逻辑消失，恢复转速控制。

5. 完善的在线实验能力ABB可按用户要求实现机组多种在线试验功能。

高/中压调门静态自动校验―汽机启动前必须校正DEH输出信号与阀位的静态关系，而且在运行中由于热状态的变化及其它因素，还需定期校验静态关系。

为此，ABB专门设计了自动静态校验程序，可在集控室离线用30秒或60秒完成所有或单个阀门的校验，也可在运行中用60分钟完成对单个阀门的位置校验，从而保证各阀门能够全开、全关，在全程内受控。

电气和液压超速试验―运行人员在控制室OIS 屏幕上分别选择电气或液压超速试验，以校验电气超速保护回路及机械危急遮断器(1#, 2#)动作是否正常，并记录最高动作转速。

危急遮断器自动喷油试验―为防止机组长期运行后危急遮断器撞击子卡涩，需定期试验使其保持灵活。

运行人员可在控制室OIS屏幕上完成移动杠杆、喷油进入撞击子，并记录和显示试验成功与否。