ABB公司的汽輪機(jī)自動(dòng)控制及保護(hù)系統(tǒng)

1、ABB公司的汽輪機(jī)自動(dòng)控制及保護(hù)系統(tǒng)發(fā)表時(shí)間:2002-9-9作者：摘要：一、概述    ABB公司曾經(jīng)是全球知名的汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)制造商，對(duì)上述控制系統(tǒng)的深入研究，使ABB積累了為多種機(jī)組提供不同控制系統(tǒng)的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。ABB公司又是當(dāng)今世界上最大的DCS 分散控制系統(tǒng)供應(yīng)商，其Symphony 產(chǎn)品在許多工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近二十年來，ABB旋轉(zhuǎn)機(jī)械控制部 (前美國(guó)ETSI公司) 就用Symphony (Infi-90) 分散系統(tǒng)為世界上各大公司配套生產(chǎn)了近700套汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，中國(guó)內(nèi)地約占10%。    為適應(yīng)

2、我國(guó)電力工業(yè)迅速發(fā)展的需要，2001年初，ABB 中國(guó)旋轉(zhuǎn)機(jī)械控制部組建，它是ABB公司在中國(guó)從事汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)銷售、設(shè)計(jì)、總成和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的專業(yè)部門。它以ABB貝利的第四代分散控制系統(tǒng)Symphony 為平臺(tái)，以ABB多年設(shè)計(jì)、生產(chǎn)汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)為依托，以與國(guó)內(nèi)主機(jī)制造廠長(zhǎng)期技術(shù)合作為經(jīng)驗(yàn)借鑒，竭誠(chéng)為國(guó)內(nèi)外用戶提供先進(jìn)可靠的汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)控制保護(hù)設(shè)備，與ABB之DCS 一道來實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站的一體化自動(dòng)控制。    十年前，我國(guó)東方汽輪機(jī)廠率先從ABB貝利引進(jìn)了大型汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)，技術(shù)合作逐年發(fā)展和加強(qiáng)。近來，尤其是ABB中國(guó)旋轉(zhuǎn)機(jī)械

3、部成立以后，我們又與哈爾濱、上海、北重、杭州和南京等主機(jī)廠廣泛接觸，普遍建立了良好的伙伴合作關(guān)系，ABB 的Symphony產(chǎn)品開始用于各廠的汽輪機(jī)控制。今后，我們將一如既往，與國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠緊密攜手，共同為用戶提供更好的服務(wù)。二、原理及組成    90年代末問世的ABB貝利第四代Symphony 分散控制系統(tǒng)不僅具有其物理位置分散、控制功能分散的優(yōu)點(diǎn)，更在決策過程管理和企業(yè)管理方面實(shí)現(xiàn)了集中統(tǒng)一，達(dá)到了當(dāng)代世界分散控制的最高水平。采用Symphony 組成的汽輪機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)，將以子站的形式融入電站的DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享，具體結(jié)構(gòu)見圖1。不同用途的汽輪

4、機(jī)其控制保護(hù)系統(tǒng)各不相同。冷凝機(jī)組為轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的閉環(huán)控制系統(tǒng)；供熱機(jī)組和背壓機(jī)組還將增加抽汽壓力和背壓的閉環(huán)控制，發(fā)電和供熱需實(shí)現(xiàn)"自治"；空冷機(jī)組更加關(guān)注排汽壓力的保護(hù)和限制等等。下面以冷凝機(jī)組為例進(jìn)行說明。(見圖2)液壓部分有兩種形式：高壓抗燃油系統(tǒng):包括伺服機(jī)構(gòu)、高低壓遮斷模塊和高壓油源三部分。低壓透平油系統(tǒng)：包括DDV直接驅(qū)動(dòng)閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及低壓遮斷模塊，有的系統(tǒng)還要求提供單獨(dú)的低壓油源。高壓系統(tǒng)一般用于大型機(jī)組，低壓系統(tǒng)用在中、小機(jī)組上居多。    TSI電氣監(jiān)視儀表可方便的用Symphony專用的CMM11狀態(tài)監(jiān)視模件構(gòu)成，每塊CMM

5、11狀態(tài)監(jiān)視模件構(gòu)成，每塊CMM11模件有四個(gè)監(jiān)視通道，可根據(jù)監(jiān)視量的多少選擇所需的模件直接插入DEH的機(jī)箱中。這些模件分別采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)，轉(zhuǎn)換處理后輸入冗余的MFP多功能處理器，從而完成整臺(tái)機(jī)組的監(jiān)視與保護(hù)。另外，相應(yīng)的數(shù)據(jù)還可通過數(shù)據(jù)服務(wù)器與軸系的專家分析系統(tǒng)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的故障診斷，詳見圖1。ETS緊急停機(jī)裝置也可用冗余的MFP處理器和I/O模件來構(gòu)成，它匯總所有的停機(jī)信號(hào)并執(zhí)行停機(jī)操作。三 控制保護(hù)系統(tǒng)特點(diǎn)    積多年設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各類汽輪機(jī)及其控制系統(tǒng)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，ABB的汽輪機(jī)控制與保護(hù)系統(tǒng)有以下顯著特點(diǎn)：1. 電站控制一體化設(shè)計(jì)統(tǒng)一設(shè)計(jì)和

6、提供汽輪機(jī)的DEH控制系統(tǒng)、TSI監(jiān)視儀表、ETS緊急停機(jī)裝置和BPS旁路控制系統(tǒng)，并作為ABB DCS控制的子站掛在C-Net網(wǎng)上，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站的一體化控制和管理，方便用戶運(yùn)行維護(hù)。2. 先進(jìn)的控制技術(shù)和高度自動(dòng)化由于熟悉各類汽輪機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的全過程，ABB擁有大量先進(jìn)的控制策略，如升速過程防止轉(zhuǎn)速過沖的"軟著陸"程序、并網(wǎng)過程轉(zhuǎn)速自動(dòng)搖擺程序等；針對(duì)冷凝機(jī)組和供熱機(jī)組甩負(fù)荷的防超速措施、防中排超溫措施；供熱機(jī)組熱電牽連和以熱定電的熱電聯(lián)供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；啟動(dòng)運(yùn)行中完善的閥門管理模式；以及對(duì)沖動(dòng)式及反動(dòng)式機(jī)組的熱應(yīng)力計(jì)算及壽命管理經(jīng)驗(yàn)等等。凡此種種，保證了機(jī)組從沖轉(zhuǎn)到全負(fù)荷

7、可實(shí)現(xiàn)全過程平穩(wěn)自動(dòng)控制。3. 在線試驗(yàn)及在線維護(hù)能力強(qiáng)可按機(jī)組實(shí)際情況，自動(dòng)完成所有的在線試驗(yàn)，如：· 電氣和機(jī)械超速試驗(yàn)· 危急遮斷器噴油試驗(yàn)· 閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)· 閥門活動(dòng)試驗(yàn)· 遮斷電磁閥及壓力開關(guān)在線試驗(yàn)· 離線和在線閥門靜態(tài)自動(dòng)整定等在線維護(hù)及修改功能有：· 電氣模件在線插拔及更換· 在線維護(hù)單臺(tái)油動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件· 在線更換濾芯· 在線局部修改應(yīng)用程序4. 人機(jī)界面友好，通訊接

8、口便利建立在Windows-NT中文平臺(tái)上的人機(jī)接口站畫面豐富、操作方便、管理有序、記錄準(zhǔn)確。ABB 一體化的系統(tǒng)，內(nèi)部可自由通訊；對(duì)其它系統(tǒng)，如西屋、西門子等，可通過ICI接口站或Modbus實(shí)現(xiàn)通訊。5. 軟件透明，硬件可靠以功能碼為基礎(chǔ)的CAD圖形組態(tài)軟件對(duì)用戶全透明，解讀容易，編制方便，增強(qiáng)了使用者的信心。小模件、高分散、適度冗余及高品質(zhì)的硬件保證系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。四 控制及保護(hù)功能ABB用多對(duì)MFP多功能處理器來實(shí)現(xiàn)整臺(tái)機(jī)組的保護(hù)與控制。· DEH控制功能劃分為：i. BTC基本控制 - 完成機(jī)組的啟動(dòng)、并網(wǎng)及帶負(fù)荷，還可增加主汽壓力保護(hù)、負(fù)

9、荷限制、快卸負(fù)荷等其它控制功能。ii. VMC閥門管理 -  完成多種閥門管理、進(jìn)行閥門特性修正、實(shí)現(xiàn)閥門校驗(yàn)和試驗(yàn)及手動(dòng)控制功能等。iii. ATC自動(dòng)控制 -  以熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，以軸系監(jiān)視參數(shù)為限制條件，去控制機(jī)組的啟動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)壽命管理，還可增加疏水控制等功能。iv. OPC超速保護(hù)控制 - 完成用負(fù)荷和跳閘停機(jī)的控制與保護(hù)功能。v. Conductor人機(jī)接口 - 實(shí)現(xiàn)操作和監(jiān)視。有畫面顯示、報(bào)警管理、趨勢(shì)預(yù)報(bào)、歷史記錄、報(bào)表日志及操作提示等功能。vi. Composer工程師站 - 用于軟件組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試

10、及軟件運(yùn)行維護(hù)。· TSI監(jiān)視儀表的功能為完成機(jī)組軸系狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)并可擴(kuò)展到專家系統(tǒng)進(jìn)行軸系的故障診斷。· ETS緊急停機(jī)裝置的功能為匯總所有的停機(jī)信號(hào)，執(zhí)行停機(jī)操作。下面詳細(xì)敘述。1. 全自動(dòng)啟動(dòng)功能    ABB公司的DEH可完成從盤車到滿負(fù)荷的全程自動(dòng)啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)前，若閥殼及高壓缸溫度低于150°C時(shí)，DEH將對(duì)其進(jìn)行預(yù)暖，直到金屬溫度超過脆性轉(zhuǎn)變溫度，以降低熱應(yīng)力，縮短啟動(dòng)時(shí)間。    機(jī)組經(jīng)過沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、達(dá)到定速時(shí)，DEH采用"軟著陸"技術(shù)，使機(jī)組平穩(wěn)到

11、達(dá)3000r.p.m，無轉(zhuǎn)速過沖；在并網(wǎng)時(shí)，DEH進(jìn)入自動(dòng)搖擺程序，即機(jī)組轉(zhuǎn)速可圍繞電網(wǎng)頻率有規(guī)律的上、下緩慢搖擺，等待機(jī)組滿足條件后順利并網(wǎng)。    ABB還可提供TAS自動(dòng)同期專用模件，由DEH來比較和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、相位與電壓實(shí)現(xiàn)內(nèi)部自動(dòng)同期。2. 多種啟動(dòng)運(yùn)行方式    主汽門啟動(dòng) 對(duì)西屋型引進(jìn)機(jī)組，配有主汽門啟動(dòng)程序，在95%轉(zhuǎn)速時(shí)自動(dòng)切換到調(diào)門控制。    中壓缸啟動(dòng) 對(duì)配有高低壓旁路的機(jī)組，可用中壓缸啟動(dòng)。機(jī)組由中調(diào)門沖轉(zhuǎn)、定速、并網(wǎng)，當(dāng)?shù)团匀P(guān)時(shí)，DEH漸關(guān)中調(diào)門，漸開高調(diào)門， 

12、60;  并投入調(diào)節(jié)級(jí)壓力反饋，使機(jī)組按要求切換到高、中壓聯(lián)合啟動(dòng)。切換點(diǎn)取決于旁路容量及啟動(dòng)參數(shù)。    高中壓聯(lián)合啟動(dòng) 熱態(tài)、極熱態(tài)工況或旁路不投入時(shí)，采用高、中壓聯(lián)合啟動(dòng)方式使機(jī)組迅速接帶負(fù)荷。    定 滑 定運(yùn)行 DEH可按用戶的要求完成定 滑 定啟動(dòng)運(yùn)行。    機(jī)爐協(xié)調(diào) DEH可在啟動(dòng)結(jié)束后，接受來自CCS協(xié)調(diào)控制器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)跟爐、爐跟機(jī)和機(jī)爐協(xié)調(diào)功能。3. 豐富的閥門管理模式    單閥/多閥運(yùn)行方式 在啟動(dòng)及負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，DEH控制調(diào)門按單閥方式工

13、作，機(jī)組全周進(jìn)汽，受熱均勻，熱應(yīng)力減?。辉诜€(wěn)定負(fù)荷工作時(shí)，按多閥方式工作，使節(jié)流損失降低，機(jī)組熱效率提高。閥門特性線修正    調(diào)節(jié)閥流量與升程曲線的非線性影響了機(jī)組的靜特性，以往用機(jī)械凸輪修正，誤差大，也無法調(diào)正。DEH可用軟件對(duì)非線性進(jìn)行補(bǔ)償，使流量和升程線性化。運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)曲線進(jìn)行修正，以獲得最佳的結(jié)果。    高中壓調(diào)門開度比控制    啟動(dòng)過程中，為避免中調(diào)門節(jié)流，中壓缸總是比高壓缸開得快。當(dāng)負(fù)荷<30%時(shí)，高、中壓調(diào)門開度比是固定的，譬如1：3，當(dāng)負(fù)荷>30%時(shí)，一般情況中調(diào)門就全開。但對(duì)有

14、旁路的機(jī)組，為適應(yīng)不同的工況，可調(diào)正高、中壓調(diào)門的開度比?？肇?fù)荷或低負(fù)荷工況，鍋爐蒸發(fā)量大部分流過高旁，高壓缸的流量有限，高排溫度不可避免會(huì)升高，此時(shí)可適當(dāng)開大高調(diào)門，略關(guān)中調(diào)門，使進(jìn)入中壓缸的部分流量轉(zhuǎn)到高壓缸做功，以減小高排溫度。    當(dāng)機(jī)組甩全負(fù)荷，高壓缸在小流量和高背壓(再熱壓力) 下運(yùn)行一段時(shí)間后，高排溫度將上升到一個(gè)較高的值，一旦重新并網(wǎng)加負(fù)荷，溫度較低的新蒸汽反而會(huì)使高壓缸迅速冷卻，增大熱應(yīng)力。為此，可緩慢開啟高調(diào)門，以免高壓缸受到過冷。     冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，通過改變開度比，用中壓缸啟動(dòng)方式來縮短啟動(dòng)時(shí)間。&

15、#160;   鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，若再熱壓力難以維持最低值，則可調(diào)正開度比減小中調(diào)門開度。4. 先進(jìn)的超速保護(hù)控制功能防止超速是汽輪機(jī)最重要的保護(hù)項(xiàng)目。ABB在深入分析研究并進(jìn)行控制系統(tǒng)實(shí)物仿真后采取了多種有效措施。    油開關(guān)跳閘邏輯控制    當(dāng)機(jī)組油開關(guān)跳閘后，迅速(0.1s)關(guān)閉高/中壓調(diào)門，抑止轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)飛升，2秒鐘后，邏輯消失，機(jī)組重新受轉(zhuǎn)速控制。    加速度控制    在油開關(guān)未跳的情況下甩負(fù)荷時(shí)，利用轉(zhuǎn)子的加速度信號(hào)，使機(jī)組迅速關(guān)閉高/中壓調(diào)門，抑止轉(zhuǎn)速快速

16、飛升。加速度減弱后恢復(fù)轉(zhuǎn)速控制。    功率負(fù)荷不平衡    為適應(yīng)電網(wǎng)故障時(shí)電負(fù)荷迅速下降的事故工況，用比較汽機(jī)實(shí)發(fā)功率和發(fā)電機(jī)電負(fù)荷的辦法，當(dāng)二者差值超過規(guī)定值時(shí)，立即關(guān)閉中壓調(diào)門2秒鐘，然后恢復(fù)轉(zhuǎn)速控制，使機(jī)組不致于加速脫網(wǎng)。超速預(yù)警    當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速升高超過預(yù)警值103%時(shí)，立即關(guān)閉高/中壓調(diào)門。2秒鐘后邏輯消失，恢復(fù)轉(zhuǎn)速控制。5. 完善的在線實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?#160;   ABB可按用戶要求實(shí)現(xiàn)機(jī)組多種在線試驗(yàn)功能。    高/中壓調(diào)門靜態(tài)自動(dòng)校驗(yàn)  &

17、#160; 汽機(jī)啟動(dòng)前必須校正DEH輸出信號(hào)與閥位的靜態(tài)關(guān)系，而且在運(yùn)行中由于熱狀態(tài)的變化及其它因素，還需定期校驗(yàn)靜態(tài)關(guān)系。為此，ABB專門設(shè)計(jì)了自動(dòng)靜態(tài)校驗(yàn)程序，可在集控室離線用30秒或60秒完成所有或單個(gè)閥門的校驗(yàn)，也可在運(yùn)行中用60分鐘完成對(duì)單個(gè)閥門的位置校驗(yàn)，從而保證各閥門能夠全開、全關(guān)，在全程內(nèi)受控。    電氣和液壓超速試驗(yàn)    運(yùn)行人員在控制室OIS 屏幕上分別選擇電氣或液壓超速試驗(yàn)，以校驗(yàn)電氣超速保護(hù)回路及機(jī)械危急遮斷器(1#, 2#)動(dòng)作是否正常，并記錄最高動(dòng)作轉(zhuǎn)速。    危急遮斷器自動(dòng)噴油試

18、驗(yàn)    為防止機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后危急遮斷器撞擊子卡澀，需定期試驗(yàn)使其保持靈活。運(yùn)行人員可在控制室OIS屏幕上完成移動(dòng)杠桿、噴油進(jìn)入撞擊子，并記錄和顯示試驗(yàn)成功與否。    閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)    運(yùn)行人員可在集控室用OIS屏幕分別完成機(jī)組的主汽門和調(diào)門的嚴(yán)密性試驗(yàn)，并觀察和記錄惰走曲線。    閥門活動(dòng)試驗(yàn)    為防止閥門在運(yùn)行中卡澀，運(yùn)行人員可在集控室在線用OIS屏幕完成主汽門和調(diào)門的定期活動(dòng)試驗(yàn)，可選擇單個(gè)活動(dòng)或成組活動(dòng)，可全程或部分行程活動(dòng)，并保持負(fù)荷穩(wěn)定。    遮斷電磁閥及壓力開關(guān)試驗(yàn)    DEH控制系統(tǒng)中的高壓遮斷模塊的電磁閥均為四個(gè)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)安全可靠。運(yùn)行人員可在線用OIS屏幕進(jìn)行單個(gè)電磁閥活動(dòng)試驗(yàn)，并顯示成功與否；低壓遮斷模塊也可設(shè)計(jì)成類似結(jié)構(gòu)；壓力開關(guān)同樣可在隔離后進(jìn)行試驗(yàn)。6. 方便的在線維護(hù)能力    DEH控制系