燃气-蒸汽联合循环机组自动控制系统的研究.pdf

第2 9 卷 第5 期 2 0 0 7年 5月 水利 电力机械 WATE R C0NS ERVANC Y & EI 正C RI C P0W ER MACHI NERY V0 1 2 9 No 5 Ma y 2 0 0 7 燃气 一蒸汽联合循环机组自动控制系统的研究 Re s e a r c h o n t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f i n t e g r a t e d g a s s t e a m c o mbi n e d c y c l e u n i t 傅钧， 刘晓玲 ， 徐爱东， 刘卫华， 盖东飞 ( 山东电力工程咨询院， 山东 济南2 5 0 0 1 3 ) 摘要： 燃气一蒸汽联合循环发电技术将是我国电力的发展热点。结合济南钢铁集团总公司燃气发电厂燃 气 一蒸汽联合循环发 电机 组工程 实例 ， 介绍 了联合循环发 电机 组的控 制 系统。 关键词 ： 燃气 一蒸汽联 合循环 ； D C S ； 自动控 制 系统 中图分类号： T K 4 3 ： T P 2 7 3 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 6 6 4 4 6 ( 2 0 0 7 ) 0 5 0 0 3 00 3 0 引言 近些年 ， 随着电力工业的发展 ， 燃气轮机 电厂在 我国得到迅速发展。它具有建设周期短 、 单位投 资 少、 发电效率高及环境污染程度低等优点。大容量 燃气轮机发 电机组既适合带调峰负荷 ， 也适合带基 本负荷和中间负荷。为充分利用燃气轮机发电技术 的优点， 高效的燃气 一蒸汽联合循环电厂在我国也 获得了较大的发展。我国发展燃气轮机发电技术 的 历史不长， 且燃 气 一蒸 汽联合循环发电技术是相对 于简单燃气轮机更为复杂的发电系统， 对控制系统 的安全性和可靠性有着更高的要求。本文结合济南 钢铁集团总公司燃气发 电厂燃气 一蒸汽联合循环发 电机组 工 程实 例 ， 研究 联合 循 环发 电机 组 的控制 系统。 1 燃气 一蒸汽联合循环发电机组的特点 济南钢铁股份有限公司燃气 一蒸汽联合循环发 电机组属于余热利用式机组。首先， 燃气轮机利用 投入的燃料 在燃气涡轮机 中经过绝热膨胀做 功 ， 将 高温高压燃气的能量转换成机械能， 推动燃气轮机 发电机发电； 然后 ， 将在燃气轮机中作功后 的高温排 气引入余热锅炉， 回收其余热， 产生蒸汽， 驱动蒸汽 轮机发电。该机组 的主要特征是热效率高 、 启 动时 间短、 调整负荷快、 燃气轮机所 占出力比较大及单位 出力的温排水量少； 其缺点是汽轮机不能单独运行。 其热力过程主要由燃气轮机的 B r a y t o n ( 布雷顿) 循环 ( 高温 区) 和蒸汽轮 机的 R a n k i n e ( 朗肯 ) 循 环 ( 低 温 区) 构成 ， 通过把工作温度区域 由高温扩展到低温 ， 从而提高综合热效率。 2 控制系统结构介绍 该工程由 1 台 P G 6 5 6 1 B L型燃气轮发电机组， 匹配 1 台煤气压缩机、 1 台余热锅炉和 1 台蒸汽发电 机组 组成 1套“ 1 +l +1 +1 ” 建制 的联合循环发 电 机组 ， 该工程共有 2 套该建制的机组。 鉴于燃料供应 系统较 为独立 ， 各工艺子 系统地 理位置较为分散 ， 该工程的控制 系统采用集控室集 中监控与各子系统就地监控相结合 的控制方式。各 相对独立的控制系统( 除煤气柜、 焦炉煤气净化系统 外) 通过冗余以太网相互连接。焦炉煤气净化系统 的控制采用 G E 9 0 3 0 P L C控制 系统 ， 该部分控制系 统不与主厂区 D C S网络连接。混合站区控制系统采 用横河 C S 1 0 0 0控制系统， 通过冗余以太网与主厂区 D C S 系统互相连接， 在集控室可以进行混合站各工 艺参数的集中监视与控制， 可实现主厂区 D C S 对混 合站 C S 1 0 0 0控制系统的远程读写。压缩机控制 系 统采用 G E F a n u c的 O p e n P r o c e s s 控制 系统 ， 1台压缩 机配置 1 套冗余配置的 P A 7 0 I - 控制器 ， 上位机通讯 采用 以太 网， 实时数据总线为 G e n i u s B U S ， I O模块 ， 收稿 日期 ： 2 0 o 7 0 31 3 作者简介： 傅钧( 1 9 6 3 一) ， 男， 山东济南人， 山东电力工程咨询院高级工程师， 主要从事火电厂控制系统的设计工作。 维普资讯 第 2 9卷第 5期 傅钧 ， 等 ： 燃气 一蒸汽联合循环机组 自动控制 系统的研究 3 1 在控制室和煤压机现场之间信号传输均采用安全栅 进行隔离。煤气压缩机控制系统配有 3台 H MI 和 2 台网络交换机 ， 可进行煤气压缩机的调试操作 ， 通过 冗余以太网， 可在集控室实现对煤压机的监控。 根据工艺要求 ， 控制系统 需对燃气 轮机 、 发 电 机 、 辅助系统实行全 面的监控 ， 并具有完善 的超速 、 振动、 轴位移、 熄火及消防等保护措施， 机组重要信 号采用硬接线与 电厂 D C S系统连接 ， 并留有与 D C S 系统通信的冗余以太网接口。汽轮发电机组采用数 字式电液调节控制系统 ， 主要完成汽轮机转速控制 、 负荷控制 、 超速保护及应 力监测等功能 。电液调节 控制系统留有与电厂 D C S系统的通信接 口。余热 锅炉水位控制采用三冲量调节方式 ， 设置锅炉进水 流量 、 汽包水位计和锅炉 出口蒸 汽流量调节模块 ， 并 与电厂 D C S系统连接 ； 煤气压缩 机组 、 煤气净化输 送系统及电气系统等均采用 D C S 控制。 机组可单循环运行， 也可联合运行。该工程采 用 G E F A N U C分散控制系统作为机组监视控制的核 心， 配以汽机安全监视仪表( T S I ) 、 汽机紧急跳闸系 统 ( E ) 及汽机 电液调节 系统 ( D E H) 构成 1 套完整 的仪表控制系 统。以 C R T显示器 及其键盘为机组 主要 的监视 、 控制 中心 ， 作为主要人 一机接 口。另 外， 机组还配有少量必要的仪表和控制设备， 当 D C S 出 结构如图 1 所示 ： 由图 1 可 以看出， 整个 D C S系统 由 1 3个控制柜 ( 其 中包括 2 个远程控制柜) 、 1 个 电源柜、 5个操作员 站、 1 个工程师站、 1 个值长站、 1 个 G P S 设备、 1 台 M I S 服务器、 4台打印机以及相应的通讯系统等组成。 3 控制 的实现 为保证各机组 的安全运行 和集 中管理 ， 在煤气 压缩机控制室 和燃气轮机控 制室各设 1套控制系 统 ， 独立完成煤气压缩机和燃气轮机的启动、 运行和 停机控制 ， 重要信号送 中央控制系统 。每台蒸 汽轮 机设 1 套调速控制器 ， 仅完成蒸汽轮机的速度控制 ， 其余参数的检测和控制由中央控制系统完成。 3 1 燃气轮机的控制 燃气轮 机的控制 系统 采用 了美 国 G E公 司 的 S p e e d t r o n ic M a r k V， 该系统是一种专门用于透平控 制的计算机控制系统 。系统信息通讯 由 3 种独立 的 网络组成 。级 间通讯 网络是外部通讯 网络 ， 用 于实 现操作接 口与操作盘之间的通讯 ， 采用 A R C N E T协 议 ； 数据交换 网络是控制盘 中的一个 A R C N E T通讯 网络 ， 用于实现控制盘内处理机之间的通讯 ； I O网 络是内部通讯网络 ， 用于实现处理机与保护机柜、 数 据 I O机柜之间 I O信息的通讯。S p e e d t r o n ic M a r k 图 1 控制系统结构图 兀 维普资讯 3 2 水利 电力机械 2 0 0 7年 5月 成， 其工作原理如图 2 所示。 主操作接口I 广 控制盘H主操作接口 圭 竺 兰 !r J I 图 2 S p e e d t r o n i c M a r k V控 制多台透 平方 案 为确保控制的可靠性， S p e e d tr o n i c M a r k V采用 了3 重冗余技术， 即同时采用 3 个冗余的控制处理 器。通过 T M R控制 3个分离但相同的处理器监视 冗余的传感器且对所有关键控制信号进行表决。另 外， 3 个冗余的处理器监视超速、 熄火和同期， 且提 供报警和跳闸指令， 用分离的处理器执行控制、 保护 和 I O等所有功能， 每个处理器都有 自己独立的电 源。同时， 软件容错技术也是 S p e e d t r o n i c Ma r k V可 靠工作的关键。 3 2 蒸汽联合循环 的控制 该工程采用了 G E F A N U C分散控制系统。D C S 系统的监视和控制范围为余热锅炉、 汽轮机、 发电 机 、 热力系统汽机辅机 、 发变组及 高低 压厂用 电系 统 ， 同时对 U P S电源、 2 2 0 V直 流系统 的部分参数进 行数据采集和监视 。D C S系统包括数据采集和处理 系统( D A S ) 、 锅炉和汽机模拟量控制系统( M C S ) 、 锅 炉安全保护( F S S S ) 、 锅炉和汽机的辅机顺序控制系 统( s c s ) 、 电气控制系统( E C S ) 及循环水泵房、 燃油 泵房的控制等。锅炉保护及 M F T在 F S S S中实现， 汽机防进水保护和重要 的辅机保 护( 除氧器 等) 在 S C S中实现 ， 给水泵也在 S C S中实现。 4 系统的通讯 由图 1 可 以看 出， 整个 系统为 2层 网络结 构。 上层管理及控制网采用负荷 T P I P 协议的冗余以 太网， 波特率为 1 0 0 M b p s ， 连接了操作站、 工程师站、 M I S服务器 、 值长站、 打印机 以及控制站等。底层网 络为控制站内部 网络 ， 为 G e n i u s I O总线结构。G E n u C以太网最多可以带 1 0 2 4个节点 ， G e n i u s I O 总线结构最多可以带 3 2个节点。G E F A N U C以太 网采用总线型( 无根树) 或是星型结构， 传输方式为 曼彻斯特编码方式。 通过 G E F A N U C与 S p e e d t r o n i c Ma r k V系统接 口， G E F A N U不但 实现 了对燃气轮机系统运行过程 所有工艺参数的监视 ， 还成功地实现 了 D C S人 一机 接 口对燃气轮机 地系统运行 的控 制 ( 包 括主选、 主 控、 负荷控制、 油料选择、 电压控制、 速度与负荷控 制等) 。 5 结束语 燃气 一 蒸汽联合循环发电以节余的燃气为燃料 发电， 该发电技术以其极强的负荷适应能力， 将成为 我国电力的发展热点。尤其适用于老电厂改造 、 冶 金、 炼油及化工等行业的余热利用。由于燃气 一 蒸 汽联合循环发电技术是相对于简单燃气轮机更为复 杂的发电系统， 对控制的安全性和可靠性有着更高 的要求。本文在对济南钢铁集团总公司燃气发电厂 燃气 一 蒸汽联合循环发电机组工程实例自动控制系 统介绍的基础上， 探讨其 自动控制和通讯系统的实 现。由于该工程燃机控制和 D C S均采用 G E公司的 产品， 因此不存在接 口问题 ( 有 的工程采用 A B B公 司的I N F I 9 0 系统作为 D C S ， 就存在接口问题) 。随着 计算机及网络技术的发展， 分散控制系统性能的不 断提高， 现场总线技术将成为发展的必然趋势。 参考文献 ： 1 崔大勇 燃气 一蒸汽联合循环电厂控制系统的探讨 J 能源技术， 1 9 9 8 ， ( 1 ) ： 1 O 1 2 2