重型燃气轮机控制系统的结构研究_夏心磊

第36卷 第4期热力透平Vol 36No 4 2007年12月THE RM ALTU R BINE Dec.2007

重型燃气轮机控制系统的结构研究

夏心磊,谢剑英

(上海交通大学自动化系,上海,200030)

摘 要: 分析介绍了目前应用于电站的重型燃气轮机控制系统的硬件组成,针对西门子燃机控制系统,详细描述了闭环调节回路的各个组成模块以及特点,为燃机控制系统的选择、控制方案的设计提供了技术借鉴。

关键词: 重型燃气轮机;西门子;控制策略;SIM A DY N-D

中图分类号:T K323 文献标识码:A 文章编号:1672-5549(2007)04-0245-06

Research on Stru ctu re of Control S ystem for Heavy-Duty Gas Turbine

X I A X in-lei,X I E J ian-y ing

(Au toma tio n D ep artme nt o f Sh a n gh a i Jia oto n g U nive rsity,Sh a ng h ai200030,Ch in a)

Abstract: T he hardwar e com ponents ar e intr oduced fo r contro l system of heav y-dut y gas tur bine in po wer plants.T he char act eristics of each co nt ro l block for closed-loo p contro l cir cuit ar e giv en in det ail fo r the r efer-ence o f the co nt rol system cho ice of g as tur bine and the design of co ntr ol scheme.

Key words: heav y-duty gas turbine;Siemens;contr ol str ategy;SIM A DY N-D

0 前言

燃气轮机自从1939年成功应用以来,目前以GE、西门子/西屋、三菱和阿尔斯通等主导公司为核心,其他制造公司多数与主导公司结成伙伴关系。燃气轮机的控制系统性能决定着相应的动力装置的变工况性能、经济性和安全性能,正因为控制系统的特殊重要性,各大公司也推出了相应的燃气轮机控制系统,比较著名的硬件有GE公司生产的Speed-tronic TM Mark系列硬件,西门子公司的SIMADYN-D、TELEPERM XP以及SPPA T3000控制系统等等。国内相应的燃气轮机电站也大多直接进口国外的控制系统;但随着国内燃气轮机技术的不断发展,燃气轮机的国产化程度逐步提高,必然对控制系统的可靠性和自动化程度提出更高的要求。本文以西门子燃机为例,对其控制系统进行分析和研究。

1 燃气轮机控制系统的软硬件结构

目前的燃气轮机控制系统普遍采用分布式控制系统,都有界面友好的人机接口,提供监视、调试组态的软件;重要的控制器、网络控制器、网络都采用冗余结构,有些控制系统甚至在I/O级也实现双重冗余。下图为西门子SIM ADYN-D系统在某燃机电站的实际硬件配置图(部分)。

多重网络按照不同的功能划分,Terminal Bus主要用于人机界面、数据的存储、分析;Plant Bus用来实现控制器之间的数据通讯,并提供与Terminal Bus的通讯接口;最底层是I/O级的总线,实时性要求高,负责与执行设备的数据连接。图中的TCS系统负责汽轮机和燃气轮机控制,实际上是整个电站控制系统的一部分。

从燃气轮机控制的软件功能来说,主要是在燃气轮机启动运行过程中实现对燃气轮机的控制与保护,以确保燃气轮机正常工作。

2 西门子燃气轮机控制系统的模块

化设计

由于电力能源目前不能通过一种高效的方式

收稿日期:2007-04-05

作者简介:夏心磊(1975-),男,工程师,大学本科,1997年毕业于江苏理工大学工业电气自动化专业,从事汽轮机控制系统工作,现任上海汽轮机有限公司自动化控制中心调节三组组长,在职就读上海交通大学自动化系工程硕士。

图1 某燃机电站SIM A DYN -D 硬件配置图

储存,所以电站产生的电能必须随时和电网的需求保持一致,这也是燃气轮机控制的基本要求。具体来说,这些功能包括:启/停燃机;电网同期功能;负荷控制;频率控制;甩负荷控制;防止燃机过载;防止压气机过载;对于故障和特殊情况的

保护。

以西门子单轴燃气-蒸汽轮机联合机组为例,燃气轮机控制器采用主从两个控制器,是冗余结构。其控制策略框图见图2、图3,按照不同的功能分别介绍。

图2 控制策略框图

246重型燃气轮机控制系统的结构研究

图3 控制策略框图

2 1 信号测量

2 1 1 实际转速的测量,NT模块

燃机的转速信号是通过分布在燃机转子上的6个探头测量的。转子上均匀分布着一定数量的齿槽,转子转动时,磁阻探头附近的磁场发生变化,从而感应出近似正弦的电压,通过脉冲的频率和每周的齿数,可以计算出转速。

转速信号通过3个通道读入控制器,然后通过优选逻辑筛选出某个通道,作为逻辑中真正使用的实际转速。

2 1 2 实际负荷的测量,PEL模块

电机的有功功率信号通过2个独立的功率变送器测量,每个通道都直接读入控制器,然后采用高选的方式筛选出逻辑中真正使用的负荷值。

2 1

3 燃机排气温度,A TK模块

燃气轮机的进气温度禁止超过限制。但是这些进气温度直接测量比较困难,因为温度太高,直接测量很容易损坏测温元件,因此通常采用相对低的多的排气温度来间接反映上面的参数。排气温度通常使用24个热电偶,均匀排布在燃气轮机的排气口上。每个热电偶都是3个一组装配,其中的2个(共48个)信号用于燃机的开环控制。

24个热电偶中每4个中有一个温度值直接送到控制器,作为当前的动态温度值。一共有6个动态温度,这6个温度的算术平均值,经过压气机的入口温度和燃机转速的校正,作为静态温度值。

ATK模块通过这种方法产生的排气温度,作为排气温度控制模块AT KR以及进口导叶温度控制模块LT R的控制变量。

2 1 4 甩负荷的判断,LAW模块

燃机控制必须能够迅速判断电网上的大波动,以保证机组的稳定运行。控制器通过监视负荷的变化率,判断是否发生了甩负荷,一旦出现这种情况,则会产生一系列逻辑以保护燃机。

2 1 5 停机逻辑,TRIPG模块

所有由燃机保护系统GT SZ产生的停机信号都是通过硬件采集、监视。通过综合各个跳机信号,送到燃机保护系统,最后以硬件的形式实现停机。

2 1 6 燃气轮机的功率计算,PGT模块

在单轴的燃气-蒸汽轮机联合机组中,由于两台气(汽)轮机是通过同一个轴带动发电机的,所以只有一个共用的功率测量装置。

247

第4期 热力透平