（电气工程专业论文）燃机电厂生产过程一体化控制研究与实施.pdf

摘要 随着科学技术的进步和人们环境保护意识的日益增强，燃气轮机发电技术和 联合循环效率的提高使其在电力生产中占据重要位置。本文涉及的研究对象是 s t a g l 0 6 型燃气一蒸汽联合循环机组，该机组是1 9 8 8 年从美国g e 公司引进的单压 无补燃型燃气蒸汽联合循环发电机组。随着运行时间的延长，燃气轮机及余热 锅炉的主辅设备性能下降，发电效率远远低于设计值和投产初期值。为恢复其运 行性能，提高联合循环整体效率，提高机组控制系统安全性和稳定性，推动节能 降耗工作，利用燃气轮机生产过程一体化升级技术，对燃气轮机进行配套改造。 为此，本文分析了m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制方式，解决了控制系统从 m a r kv 升级m a r kv i 的一些关键问题，建立理论模型，在理论上对此次改造 的预期效果进行理论评估，为此次改造提供理论依据，也将为今后机组在运行工 况的调整和优化打下良好的基础。 关键词：美国通用公司m a r kv 控制系统m a r kv i 控制系统一体化控制 a b s t r a c t w i t ht h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa n dp e o p l e sg r o w i n ga w a r e n e s so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，g a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l ep o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y a n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fi t se l e c t r i c i t yp r o d u c t i o nt oo c c u p ya ni m p o r t a n tp l a c e t h i sa r t i c l er e l a t e dt om eo b j e c to fs t u d yi ss t a g 10 6t y p eg a s - s t e a mc o m b i n e d c y c l eu n i t t h eu n i ti st h eu n i t e ds t a t e s i n19 8 8f r o mg ec o m p a n i e st oi n t r o d u c ea s i n g l e p r e s s u r e w i t h o u t s u p p l e m e n t a r yb u r n i n gg a s s t e a m c o m b i n e dc y c l e g e n e r a t i n gu n i t s w i t ht h er u n t i m ee x t e n s i o n ，m em a i np e r f o r m a n c eo fg a st u r b i n e a n dh r s gm a i na u x i l i a r ye q u i p m e n tl o w e r e d , t h ep o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yi sf a r b e l o wt h ed e s i g nv a l u ea n dt h ei n i t i a lv a l u eo fp r o d u c t i o n f o rt h er e s t o r a t i o no fi t s o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，e n h a n c et h eo v e r a l le f f i c i e n c yo f c o m b i n e dc y c l e ，i m p r o v et h e s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dp r o m o t ee n e r g ys a v i n g ，t h em a r e u s e o fg a st u r b i n ea p p l i c a t i o nt h ec o n t r o lo fp r o d u c t i o np r o c e s si n t e g r a t i o nu p g r a d et e c h n o l o g y ， a n dt h eg a st u r b i n et os u p p o r t i n gt h et r a n s f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h eu n i ta st h e r e s e a r c ho b j e c to ft h ec o n t r o lw a y sa n dc o n t r o ls y s t e m u p d a t e df r o mm a r kv t om a r kv ia n d h o wm a n yk e vp r o b l e m sa r es o l v e d t h ee s t a b l i s h m e n to f t h e o r e t i c a lm o d e l s ，i nt h e o r y ，f o r t h et r a n s f o r m a t i o no ft h et h e o r e t i c a la s s e s s m e n to ft h ee x p e c t e dr e s u l t s ，n o to n l yf o r t h et r a n s f o r m a t i o nt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i s ，b u ta l s of o rf u t u r eu n i t si nt h ep a r tl o a d o p e r a t i o nc o n d i t i o no f t h ea d j u s t m e n ta n do p t i m i z a t i o no fl a yag o o df o u n d a t i o n k e yw o r d s ：g eo fa m e r i c a n ，m a r kvc o n t r o ls y s t e m ，m a r kv ic o n t r o ls y s t e m ， i n t e g r a t i v ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫连盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢套殇签字隰2 嘭年乡月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 硝年 | 导师签名： 签字日期： 6 目2e l 妖产 损节 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 众所周知，一个国家的经济实力及其发展情况与这个国家占有的能源资源及 其利用情况密切相关，而把能源资源转化为电能，则是能源利用工作中最为重要 的手段。电力是现代社会中经济、科技、社会发展的物质基础，是“百业之源”。 电力工业的发展标志着一个国家的发达程度，它是国民经济的重要基础产业，用 电量和发电量均与g d p 密切相关。“十五”期间，我国电力工业发展迅速，基本 满足了国民经济和社会发展对电力的需求。发电装机容量和年发电量已位居世界 第2 位，电力装备水平有了很大提高。大容量、高参数、环保型的机组快速增长， 电网的覆盖面和现代化程度不断提高。我国电力工业已进入大电网、大机组、西 电东送、南北互济、全国联网的新发展阶段，并正向高效、环保、安全、经济的 更高目标迈进。“十五”期间发电装机增长迅速，全国累计投产装机容量1 8 9 亿 k w ，年均增长9 8 。截止2 0 0 5 年底，全国发电装机达n 5 0 8 亿k w 。其中，水 电1 1 6 亿k w ，占总装机2 2 9 ；火电3 8 4 亿k w ，占总装机7 5 6 ：核电6 8 5 万k w ，占总装机1 3 ；其它6 7 万k w ，占总装机0 1 。2 0 0 6 年，全国电力工业继续 保持快速增长势头。至2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达至u 6 2 2 0 0 万k w ，同比增长 2 0 3 ，新增投运的发电装机1 0 1 1 7 万k w 。其中，水电9 7 1 万k w ，火电9 0 4 8 万k w ， 风电9 2 万k w 。2 0 0 6 年，全围发电量达至1 j 2 8 3 4 4 亿k w h ，同比增长1 3 5 。其中， 水电发电量4 1 6 7 亿k w h ，约占全部发电量1 4 7 ，同比增长5 1 ；火电发电量2 3 5 7 3 亿k w h ，约占全部发电量8 3 1 7 ，同比增长1 5 3 ；核电发电量5 4 3 亿k w h ，约占 全部发电量1 9 2 ，同比增长2 4 。2 0 0 6 年，电力技术、电网基建技术获得突破。 首批国产超临界百万千瓦机组相继投运，标志着我国电力工业技术装备水平和制 造能力进入新的发展阶段n ，。 1 2 燃气蒸汽联合循环发电技术的发展 1 2 1 国内外燃气一蒸汽联合循环发电技术的发展 燃气轮机是从本世纪5 0 年代开始逐渐登上发电工业舞台的。但是由于当时 机组的单机容量小，而热效率又比较低，因而在电力系统中只能作为紧急备用电 第一章绪论 源和调峰机组使用。6 0 年代时欧美的大电网都曾发生过电网瞬时解列的大事故， 这些事故使人们深刻认识到电网中必须配备一定数量的燃气轮机发电机组。因为 燃气轮机具有快速“黑起动 的特性，它能保证电网运行的安全性和可恢复性。 欧美国家的经验表明t 从安全和调峰的目的出发，在电网中安装功率为额外负担 8 - - - 1 2 的燃气轮机发电机组是合适的囝。 从8 0 年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高， 特别是燃气一蒸汽联合循环发电技术渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的 进一步开发，燃气轮机及其联合循环发电机组在世界电力系统中的地位就发生了 明显的变化，它们不仅用作紧急备用电源和尖峰负荷机组，而且还可以携带负荷 发电如。 我国的燃气轮机发电事业始于1 9 5 9 年，当时从瑞士引进两套6 2 0 0 k w 的单 循环燃气轮机列车发电机组，燃料为大庆原油。国家当时也投入了不少力量，开 辟和启动了燃气轮机发电领域，取得了一些研究成果。但由于燃料政策及政治、 经济方面的原因，使兴起不久的这项事业在2 0 世纪6 0 年代末陷入停滞不前的状 况。由于种种原因，我国燃机制造业在2 0 世纪7 0 年代开始萎缩，大部分制造厂停 止生产，只保留南京汽轮电机厂为我国唯一生产燃气轮机的制造厂家。目前，该 厂与美国g e 公司合作，已能批量生产m s 6 0 0 1 系列燃机。改革开放以后，燃气轮 机发电事业也随着国家经济而飞速发展，从7 0 年代至t j 9 0 年代，全国燃气轮机电厂 由2 0 余座发展到8 0 余座，机组台数从2 0 余台( 套) 增加到1 4 0 多台( 套) ，装机 总容量从3 0 万k w 增加到近8 0 0 万k w ，尤以沿海经济发展最快的地区最为迅速， 如广东、福建、上海、浙江、海南、江苏等地。近几年着重发展了p g 9 e 型的联 合循环发电机组，其中浙江镇海、龙湾的两套3 0 0 m w 燃气一蒸汽联合循环机组 为国内最大的机组之一，其燃机技术具有8 0 年代国际先进水平，燃气初温为1 0 9 4 ，单循环热效率达3 2 6 左右，联合循环热效率达4 7 3 左右。由于我国的优 质资源相对缺少，价格相对较高，为降低发电成本，着重发展燃重油燃机，但燃 重油燃机的发电技术难度很大。深圳南山热电股份公司于9 0 年代初开始在 m s 6 0 0 1 系列燃机上进行燃用重油试验，通过多次摸索，长期燃用重油连续发电 获得了成功，取得了可贵的运行经验和较好的经济效益。目前，上海闸北、浙江 镇海和龙湾燃机电厂都逐步掌握并提高 p g 9 e 型燃机用重油运行的经验，不断 提高了机组运行的安全可靠性能。在燃气轮机进气冷却技术方面，利用余热锅炉 的排气余热产生热水、给溴化锂机组提供热能从而生产出低温冷冻水对压气机入 口空气进行冷却，使燃气轮机在大气温度较高时仍处于设计工况下运行的节能技 术，近期在我国也得到了应用四。2 0 世纪9 0 年代初，哈尔滨7 0 3 研究所利用国内 技术和设备对部分原属简单循环的机组进行双工质循环技术改造，提高燃气轮机 2 第一章绪论 机组的出力，而且改善了排烟对环境的污染，取得了明显的效果。我国燃气轮机 联合循环的国产配套水平也有了提高。杭州锅炉厂和南京汽轮机厂在引进、吸收、 消化的基础上，分别在余热锅炉和与之配套的汽轮机方面做到了定程度上的国 产化陆刀。即使如此，我国燃气轮机及联合循环与国外的差距仍旧非常明显，主 要表现在： 至1 1 2 0 0 2 年，我国燃气轮机和联合循环发电容量仅占全国发电总容量的 1 8 ，远低于发达国家的比例，这说明我国的燃气轮机运用还很不普遍。 我国现有的燃气轮机和联合循环机组的性能仅是国；, t - 7 0 、8 0 年代的水 平，比起国外单机功率3 0 0 - 4 0 0 m w ，简单循环效率3 8 左右，联合循环效率5 7 以上还有很大差距。 我国燃气轮机和联合循环装置的制造业生产规模和水平还很低，大部分关 键部件还必须从国外引进。国内联合循环发电设备的市场基本被国外垄断瞎1 。 1 2 2 燃气轮机技术发展趋势 燃气轮机技术及性能的变化主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 透平燃气进口温度由早期的6 0 0 7 0 0 到现在一般水平都已超过1 1 0 0 ，有 些已投入商业运营的机组，燃气进口温度达到1 2 8 8 ，高的甚至达1 4 3 0 。 ( 2 ) 燃气轮机简单循环的热效率已由早期的1 6 2 5 ，现已提高到3 6 以上， 高的达3 8 3 9 5 。 ( 3 ) 燃气轮机高温部件( 喷嘴，动叶) 的材料，由最早的g j 4 5 0 、u 5 0 0 、i n 7 3 8 等一般合金材料，发展到合金金相结构的材料，出现了同向结晶或定向结晶 的g t d l1 1 ，d sg t d l1l k - ；j 料，最新材料已使用单晶工艺。金属材料的进步 还表现在涂层的应用上。涂层减轻了腐蚀和氧化，使用寿命增长了1 0 2 0 倍， 早期有铂铝( p ta 1 ) 涂层，后来又发展等离子保护g t 一2 9 和c t 一2 9 i n p l u s 涂层等。先进材料和涂层的应用使透平前燃气进口温度提高1 5 0 - 2 0 0 左 右。 ( 4 ) 在改进高温部件材料的同时又不断改进冷却技术。早期喷嘴和动叶采用对 流，冲击等空气冷却，现已广泛采用气膜冷却、发散冷却。最新蒸汽闭式循 环冷却技术可使透平前燃气进口温度再提高5 0 0 - 8 0 0 。 ( 5 ) 燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发展到1 0 0m w 以上等级的大 机组，近年来2 5 0 3 0 0m w 的机组也已投入商业运营。 ( 6 ) 燃气轮机发电已广泛实现能量的综合利用，循环方式多样化，特别是燃气一 蒸汽联合循环发电技术更为完善，装置净效率已提高n 5 8 - 6 0 ，出现了 第一章绪论 燃气、蒸汽集于一体的单轴机组。半个多世纪以来，燃气轮机提高性能的传 统途径是：依靠耐热材料和冷却技术来不断提高透平初温，应用气体动力学 的先进设计来相应增大压比以及完善有关部件性能等。从2 0 世纪7 0 年代开 始，充分吸收先进航空技术和传统汽轮机技术，沿着传统的途径不断提高性 能；到了2 0 世纪8 0 年代，已把初温升至8 5 0 1 0 0 0 。目前己开发出一批“f a ”、 “h ”级技术的新产品，它代表着当今工业燃气轮机的最高水平：透平初温 t 3 1 3 0 0 ，压比= 1 5 - 3 0 ，简单循环单机功率p g t ，2 5 0 m w 、效率= 3 6 3 8 ，联合循环功率p c c ，3 5 0 m w 、效率= 5 5 - - 5 8 。正在试运行的新一 代燃气轮机，采用更有效的蒸汽冷却技术，采用定向结晶、单晶叶片等先进 工艺，以保证达到1 4 3 0 以上的初温，单机功率p g t 一2 8 0 m w 、效率3 9 。p c c 4 8 0 m w 、效率6 0 。如g e 9 h 机组，燃机单机功率达到3 2 0 m w ， 单轴联合循环1 0 9 h 功率可达4 8 0 m w 。唧 1 3 本文的主要研究内容 针对大庆油田电力集团燃机电厂现有的两套燃气一蒸汽联合循环机组所使用 的四种不同的控制系统，本文研究并实施了厂级一体化的控制改造。燃机电厂# 1 机组四个主要设备采用了四种不同的控制方式：# 1 燃机为g es p e e d t r o n i cm a r k v 控制系统；# 1 附机为a b b 的f r e e l a n c e 2 0 0 0 控制系统；# l 汽轮机调速系统为 w o o d w a r d 5 0 5 e 控制器：# l 天然气增压压缩机为f o x b o r o 模拟控制p l c 。# 2 燃 机、汽机、h r s g 、天然气增压压缩机均采用g e 公司的m a r kv i 控制系统控制。 改造项目实施后要将# l 燃机的g es p e e d t r o n i cm a r kv 控制系统升级为m a r kv i 控制系统；# 1 天然气增压压缩机的f o x b o r o 模拟控制p l c 升级为m a r k 控 制系统，并将# l 附机的a b bf r e e l a n c e 2 0 0 0 控制系统和# l 汽轮机w o o d w a r d 5 0 5 e 控制器与# l 机组改造后的m a r kv i 控制系统进行互联。最后将整套# l 机组与# 2 燃机、汽机、h r s g 、天然气增压压缩机的m a r kv i 控制系统实现互联。使每一 个操作员站都能监视到两套机组的任意一个部分，实现两套燃气一蒸汽联合循环 机组以m a r kv i 控制系统为基础的厂级一体化控制。本文重点研究g e s p e e d t r o n i cm a r kv 控制系统升级为m a r kv i 控制系统后有哪些特点以及一体 化控制的优越性。 4 第二章大庆油田燃机电厂控制系统的改造需求分析 第二章大庆油田燃机电厂控制系统的改造需求分析 2 1 大庆油田燃机电厂的现有控制系统 大庆油田电力集团燃机电厂现有两套燃气一蒸汽联合循环机组。两套燃机均是g e 公司1 9 8 3 年研制生产的m s 6 0 0 1 系列燃气轮机机组，型号为p g 6 5 3 1 b ，由于p g 6 5 3 1 b 型燃机通流部件的寿命最长为7 2 0 0 0 小时，截至2 0 0 4 年，撑1 机组已经运行了1 1 5 万 小时，撑2 机组运行了1 0 2 万小时，其间 1 燃机经历了1 9 次大中小修，舵燃机经历了 1 7 次大中小修，大部分部件已经接近寿命极限，已无修复价值。并且机组出力和热效 率明显下降，根据实际运行数据进行分析( 以样2 机组为例) ，机组的出力等性能指标 明显下降。压气机排气压力由1 0 9 b a r 下降到9 6 b a r ，效率平均下降5 ：燃机出力由投 产时的3 5 m w 下将到3 1 8 m w 左右，平均下降9 2 。同样撑1 燃机出力下降也在1 0 左右，压气机排气压力相对于 2 机下降幅度更大，每年因性能下降减少的发电量就 在5 5 0 0 万千瓦时左右。从长远和可持续发展角度，大庆油田电力集团决定根据机组实 际情况和现有设备情况，将两台p g 6 5 3 1 b 型燃机升级为p g 6 5 8 1 b ，将两台燃机的本 体部件进行升级改造，2 0 0 6 年燃机电厂两台燃机的本体升级改造工程已经完成。完成 后燃烧温度由1 1 0 4 。c 提高到1 1 4 0 。c ，出力( 在i s o 条件下) 由原来的3 5 0 0 0 k w 提高 到3 7 3 0 0 k w ，热耗率降低3 5 。p g 6 5 8 l b 型通流部件的材质、结构、涂层等方面也 有较大改进，因此燃机取消了小修，大修也由原来的4 8 0 0 0 小时延长到7 2 0 0 0 小时， 提高了机组的可用率。 大庆油田电力集团燃机电厂的燃机控制系统也经历了几次升级改造，社l 燃机在 1 9 8 5 年投产，使用g e 公司的m a r ki i 控制系统。1 9 8 8 年撑2 燃机联合循环机组投产， 使用的是m a r ki v 控制系统。在1 9 9 7 年群l 燃机控制系统升级为m a r kv 控制系统。 2 0 0 2 年为了利用j f j 1 燃机的高温排气投产了国产的汽轮机组，成立了j f j 1 附机，撑1 机组 也成为了联合循环机组，控制系统采用a b b 的f r e e l a n c e 2 0 0 0 控制系统，群1 汽轮机调 速系统为w o o d w a r d 5 0 5 e 控制器。2 0 0 3 年撑2 燃机联合循环机组控制系统升级为m a r kv i 控制系统。 现在# 1 机组四个主要设备采用了四种不同的控制方式：# 1 燃机为g es p e e d g o n i c 第二章大庆油田燃机电厂控制系统的改造需求分析 m a r kv 控制系统：# l 附机为a b b 的f r e e l a n c e 2 0 0 0 控制系统；# 1 汽轮机调速系统为 w o o d w a r d 5 0 5 e 控制器；# l 天然气增压压缩机为f o x b o r o 模拟控制p l c 。# 2 燃机、汽 机、h r s g 、天然气增压压缩机均采用g e 公司的m a r kv i 控制系统控制。 # 1 燃机m a r kv 控制系统工作不稳定且故障频繁，因控制卡件故障造成停机次数 逐年增加。2 0 0 5 年3 、4 月份造成3 次停机，产生电网最大需量电费近3 0 0 万元。m a r k v 控制系统美国g e 公司自2 0 0 2 年已停产，不再提供技术支持和备件供应，电厂库存 备件严重不足，国内无能力研发和制造，并且这种控制系统已经严重落后，适应不了 多系统多机组联合控制的需要。 # 1 天然气增压压缩机f o x b o r o 模拟控制器自1 9 8 6 年投产至今已运行1 9 年，控制 卡件故障频繁，现转为手动控制；现场一次检测设备严重老化，该控制系统1 9 9 2 年已 停产，不再提供技术支持和备件供应，电厂库存备件严重不足国内无能力研发和制造。 # 1 天然气增压压缩机和# 1 燃机每年因控制系统故障造成的直接利益损失近5 0 0 万 元：# 1 增压机或# l 燃机若因控制系统故障造成彻底停运，电厂一半资产将闲置，每年 减少产值近1 亿多元，减少利润2 0 0 0 多万元。 现有控制系统硬件故障频繁、控制功能落后、操作繁琐、误操作较多、一体化协 调操作能力差、人力资源严重浪费、培训工作庞大。因此，实施全厂控制系统一体化 改造项目，进行全厂一体化控制是提高设备控制水平，减少控制设备故障，增加燃机 电厂创效能力的有效途径。本文拟研究燃机电厂控制系统，从而将# 1 机组与# 2 机组控 制联网实现控制一体化，一体化控制系统的可靠性、稳定性将大大提高，控制和保护 功能更为完善和强大，故障率将大为减少：全厂控制终端均集中在同一间中央控制室 内，任意一台操作站均能监视和控制全厂的发电设备和辅助设备，彻底的解决了地域 分散、控制分散、数据分散问题，达到全厂协调操作和事故处理的便利性。同时，研 究燃机的联合循环控制后，还将使# l 机组联合循环热效率和发电效益大幅度的提高； 一体化后通用的控制硬件和软件将使控制系统的维护工作量大为减少。对于大庆油田 燃机电厂而言，若各台机组采用相同的一体化控制系统，可节省近百万控制备件购置 资金。 根据调研情况，目前全世界已有近4 0 0 余套p g 6 5 81 联合循环机组投入商业运行， 我国现有5 0 多套机组，但采用先进的m a r kv i 控制系统进行厂级一体化控制在国内 第一次应用，g e 燃机控制系统与a b b 汽轮机和附机控制系统采用o p c 联网技术形 成一体化控制在国际尚属首次。 6 第二章大庆油田燃机电厂控制系统的改造需求分析 2 2 大庆油田燃机电厂一体化控制的应用需求 大庆油田燃机电厂一体化控制改造项目由于是对两套燃气轮机联合循环机组控制 系统同时进行改造，所以需要研究的课题很多，简单来说有以下几个方面的研究： ( 1 ) 体化主控系统的选择和网络互联协议的研究 研究用于一体化的主控系统的选型及可行性：研究用于一体化互联的硬件的网络 拓扑方案：研究用于一体化互联的网络通讯协议和通讯软件组态方案；研究用于一体 化控制的全厂发电设备及辅助系统的人机监控界面。 ( 2 ) m a r kv i 一体化控制系统与# l 附机a b b 控制系统互联控制的研究 研究与并l 附机a b b 控制系统的软硬件互联方案，编写通讯和控制组态程序。 ( 3 ) # 1 燃机控制系统采用m a r kv i 控制及一体化的研究 研究m a r kv i 用于# 1 燃机控制的可行性：研究# 1 燃机原一次控制仪表与新m a r kv i 的i o 接口匹配问题；研究# 1 燃机原控制设备与新m a r k v i 的i o 接口匹配问题：研 究# 1 燃机原m a r kv 的控制算法、顺控程序和保护程序，用m a r kv i 控制系统重新编 写控制、保护组态程序；研究# 1 燃机由简单循环控制改为进口可转导叶温控的联合循 环的控制和保护逻辑；研究# 1 燃机简单型( 1 3 只排气温度) 的燃烧监测的控制算法程序 和保护逻辑；研究# 1 燃机新负荷齿轮箱的温度和振动监测的i o 接口、h m i 监控画面 和保护逻辑；研究# l 燃机新m a r kv i 控制器与h m i 服务器的网络互连协议与网络连 接拓扑方案。 ( 4 ) # 1 天然气增压压缩机控制系统采用m a r kv i 控制及一体化的研究 研究用m a r kv i 控错t j a l 天然气增压压缩机的控制的可行性；研究现场一次气一气 控制执行器更新为电一气控制执行器的方案；研究现场一次气一气检测仪表更新为气一 电检测仪表的方案；研究原气电和电子检测元件与m a r k v i 控制系统接口的匹配问题； 研究用于增压机的远端i o 柜的i o 端子布局、信号电缆连接和电源供给问题；研究 用于增压机的远端i o 柜与# l m a r kv i 控制系统1 o 网络的连接问题。 ( 5 ) # 1 燃机g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统连入m a r kv i 一体化控制系统的研究 研究# 1 燃机新g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统的硬接线与m a r k v i 的i o 控制接口问题； 研究# 1 燃机新g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统监控变送器与m a r kv i 的i o 接口匹配问题； 研究# l 燃机新g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统与m a r kv i 的网络互连协议与网络拓扑方案； 研究# 1 燃机新g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统与m a r kv ih m i 服务器的网络互连协议与网 7 第一章大庆油田燃机电厂控制系统的改造需求分析 络连接拓扑方案；研究# 1 燃机新g e x - 2 0 0 0 励磁控制系统在m a r kv ih m i 的监控画 面和控制、保护程序。 ( 6 ) # 1 燃机g 6 0 发电机保护系统连入m a r kv i 一体化控制系统的研究 研究# 1 燃机新g 6 0 发电机保护系统的控制硬接线与m a r kv i 的i o 接口问题；研 究# 1 燃机新g 6 0 发电机保护系统与m a r kv ih m i 服务器的网络互连协议与网络连接 拓扑方案；研究# 1 燃机新g 6 0 发电机保护系统在m a r kv ih m i 服务器的监控画面和 控制、保护程序。 ( 7 ) # 2h r s g 新控制元件连入m a r kv i 一体化控制系统的研究 研究# 2 h r s g 新装过热器出口减温气动控制阀t c v l l 6 与m a r kv i 的i o 接口、 h m i 监视画面和控制程序；研究# 2 h r s g 新装8 支排烟热偶与m a r kv i 的i o 接口、 h m i 监视画面和保护逻辑：研究# 2 h r s g 新型号p c v 8 0 、t c v l l 5 、t c v 7 2 气动控制 阀与m a r kv i 的i o 接口匹配；研究# 2 h r s g 新型号2 4 个电动阀与m a r kv i 的i o 接口匹配。 ( 8 ) # 2 燃机新控制元件连入m a r kv i 一体化控制系统的研究 研究# 2 燃机新负荷齿轮箱的温度和振动监测的i o 接口、h m i 监视画面和保护逻 辑；研究# 2 燃机新型火焰探测器的i o 接口、h m i 监视画面和保护逻辑；研究# 2 燃 机透平排气侧新漏气监测热偶的i o 接口、h m i 监视画面和保护逻辑；研究# 2 燃机新 润滑油温度监测热偶的i o 接口、h m i 监视画面和保护逻辑。 ( 9 ) m a r kv i 一体化控制系统历史站的研究 研究基于全厂运行数据、报警、事件的历史站的规划和所需采集点的确定；研究 历史站与# l 、# 2 联合循环系统的e g d 交换例络互联协议和网络拓扑方案；研究历史 站与# 1 附机a b b 控制系统的m o d b u s 网络互联协议和网络拓扑方案。 ( 1 0 ) 内部l m t r a n e t 网w e b 数据显示的研究 研究# l 、# 2 机组基于c g i 技术的运行数据、报警、事件察看w e b 页面；研究# 1 、 # 2 发电机保护控制系统g 6 0 的w e b 监控页面。 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 对燃气轮机的起动过程的研究，以大庆油田燃机电厂撑1 燃机为例，它属于g e 公 司燃气轮机6 b 系列，是轻型的单轴燃气轮机，m a r kv i 控制系统在接收了起动操作 指令后使燃气轮机盘车启动，利用大型起动电动机把单轴轮机带动到清吹转速，然后 降速点火，再把轮机转速提升到额定工作转速，还要控制同期并网，然后把燃气轮机 加负荷到适当的工作点。这一系列过程自动发生和完成，即燃气轮机的顺序启动控制。 3 1m a r kv i 控制系统组成部分 主要系统：自动系统、保护系统、顺序控制系统、电源系统 ( 1 ) 自动系统：有主控系统和其他重要自动系统组成。 主控系统属于连续调节系统，它是系统为了自动改变燃机燃料消耗率而设计的， 它必须完成四项基本控制：设定起动和运行的燃料极限、控制燃气轮机转子的加速、 控制燃气轮机转子的转速、限制燃气轮机的各部分温度。 每个时刻只有一个控制功能或系统能控制决定燃气轮机的燃料流量，这几个控制 系统的采样都输入到“最小值选择门”，该选择门的输出最终作为燃料控制系统的输入。 重要的自动系统有控制空气进气量的进口导叶i g v 调节系统。 ( 2 ) 保护系统： 当重要的参数超过临界值或控制设备故障时通过切断燃料流量遮断燃气轮机。这 些保护系统在起动和运行的整个过程甚至包括盘车过程，随时监视着燃气轮机。一旦 参数达到报警值、临界值或者任何一个保护系统出现故障都发出报警信号并引发相应 保护逻辑。 ( 3 ) 顺序控制： 顺序控制逻辑提供了起动、运行、停机和冷机期间轮机、发电机、起动装置和辅 机的动作顺序。顺序控制系统还监测保护系统和其他主要系统，如燃料和液压油滑油 系统，并发出轮机按预定方式起停的逻辑信号，这些逻辑信号包括转速信号、转速设 定点控制、负荷能力选择、起动设备控制和计时器控制等。 ( 4 ) 电源： 为保证整个控制系统的运行，电源必须是可靠和稳定的。m a r kv i 控制柜不仅可 以选择交流和直流两种供电方式，还配备大功率蓄电池组作为控制主电源。在u p s 给 控制盘供电的同时交流电源经整流以强充或浮充方式向蓄电池充电，以确保控制系统 9 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 的供电不会间断，为保证机组安全，这些u p s 蓄电池还要作为部分泵的供电电源( 如 事故直流润滑油油泵) ，点火器及火灾报警保护系统所需交流电源，则采用d c a c 逆 变器，也由u p s 蓄电池供电。 3 2m a r kv i 控制系统的控制方式 燃机m a r kv i 设置了几种主要的控制系统来调节燃料消耗率： 起动控制系统( s t a r t u p ) ；转速控制系统( s p e e d ) ；温度控制系统( t e m p e r a t u r e ) ； 加速控制系统( a c c e l e r a t i o n ) ；停机控制系统( s h u td o w n ) ；压气机排气压力控制系统 ( c p d ) 它们每个系统输出的燃料冲程基准f s r ( f u e ls t r o k er e f e r e n c e ) 女i 下： 起动控制燃料冲程基准f s r s u ；转速控制燃料冲程基准f s r n ；温度控制燃料冲程 基准f s r - t ；加速控制燃料冲程基准f s r a c c ；停机控制燃料冲程基准f s r s d ；压气机排 气控制燃料冲程基准f s r c p d 另外，系统还设置了手动f s r 控制，输出为f s r m a n ，这7 个系统同时都有输出， 进入到一个最小值选择门，只有最小的f s r 基准量最终作为燃料消耗量的输出指令， f s r 采用最小值可以给轮机提供最安全的运行。 ( 1 ) 起动控制： 燃机起动过程是在顺控系统和起动控制系统共同作用下完成的，主要过程是：通 过h m i 下达起动命令后，顺控系统和保护系统检查准备起动允许条件、遮断闭锁的复 位、开动辅助设备，根据程序去开关相应的阀门、马达、使起动机把轮机带到点火转 速，继而点火再判断点火成功与否，随后进行暖机、加速，直到轮机达到运行转速才 完成起动程序。 起动控制为开环控制，起动控制权仅控制从点火开始直到起动程序完成这一过程 中的燃料量。 1 0 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 图3 1 起动控制燃料冲程基准f s r s u 的变化曲线 当燃机被起动机带到轻吹转速时( 额定转速的1 8 ) j 然后就降速进行点火( 额 定转速的1 6 ) ，火焰探测器探测到点火成功，轮机进入暖机阶段，f s r s u 输出保持 不变，轮机转速则逐渐上升，实际的燃料流量也在增加。暖机一分钟后f s r s u 以预设 的速率随时问斜升到加速值，随后再以另一个预设速率继续斜升。如图3 1 所示 f s r s u 的控制算法：它是用于计算起动f s r 的，即起动燃料冲程基准。 如果系统满足点火条件，则l 8 3 s u f i 置为l ，受其控制的伪触点闭合，控制常数 f s k s uf i 和压气机进气温度系数c q t c 相与最终赋给f s r s u ，建立点火f s r 值。如 果点火成功，起动顺控逻辑给出l 8 3 s u w u = l ，l 8 3 s u f i = 0 ，从而切断点火f s r ( f s k s uf i ) ，同时允许f s k s uw u ( 定值为1 2 0 5 f s r ) 赋给f s r s u ，建立暖机f s r 值。暖机定时6 0 秒，起动顺控逻辑l 2 w x = i 、起动加速逻辑l 8 3 s u a r = l ，受其控制的 四个伪触点动作。使f s k s ui a 控制常数( 定值为0 1 5 f s r s ) 作为斜升速率进入 积分器的输入端，使得f s r s u 值逐渐增加，达到另一个控制常数f s k s u a r ( 定值为 2 6 5 f s r ) ，将使r i s i n g 置0 ，受控触点动作切断积分器输出。f s k s u a r 的常数值通 过n o tm a x 直接作为f s r s u 的输出。通过积分器输入斜升量，f s r s u 继续上升， 其斜升速率为f s k s ui m ( 定值为6 f s r s ) 。最后升到控制常数f s r m a x ( 1 0 0 ) ， 给定的最大的f s r 值作为f s r s u 的输出。这样使机组在进入额定转速时无法进入最 小门输出，从而实现自动退出起动控制。 ( 2 ) 转速控制： 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 燃机m a r kv i 系统备有有差转速控制方式与无差转速控制方式两种控制算法， 可根据需要分别选用。当发电机并网运行时应选用有差转速控制方式，当系统单机运 行时则选用无差转速控制方式。一般情况下只使用有差转速控制。 有差转速控制遵循比例控制规律。即f s r 的变化正比于给定转速t n r 与实际转 速t n h 之差： f s ro c( t n r t n h ) 得到关系式：f s r n = ( t n r - t n h ) k + f s r n 0 式中：f s r n 有差转速控制的输出f s r 值 f s r n o 一轮机全速空载时的f s r 值 k 决定有差控制不等率“的控制常数 控制逻辑如图3 - 2 全速空载f s r n o 转速基准t n r 实际转速t n h 有差增益系数 图3 - 2 转速控制原理 f s r n ( 3 ) 加速控制： 加速控制系统将转子角加速度信号和给定值比较，若角加速度t n h a 实测值超过 了给定值t n h a r ，则减小加速控制f s r 值f s r a c c ，以减小角加速度，直到该值小 于等于给定值为止。若角加速度值小于给定值，则不断增大f s r a c c ，以此使加速控 制系统自动退出控制，由此可见加速控制系统其实质是角加速度限制系统。 角加速度为正值时就是转速增加的动态过程，加速控制系统仅限制转速增加的动 态过程的加速度，对稳态不起作用，对减速过程也不起作用。 加速控制系统主要在两种加速过程中发挥作用： 1 ) 在轮机突然甩去负荷后帮助抑制动态超速，轮机甩去负荷后的过渡过程中， 初期转速还未上升多少，f s r n 减少也不多，但此时加速度却很大，因此计算出的 1 2 第三章m a r kv i 控制系统对燃气轮机的控制原理 f s 蛇c 可能很小，使之被f s r 最小值选择门选中，这样就能在此期间更快地减小 f s r 、减小动态超速。 2 ) 在起动过程中限制轮机的加速率，以减小热部件的热冲击。起动过程中，暖 机完成以后，起动控制系统输出f s r s u ，在暖机值f s k s i m7 ( 1 2 0 5 f s r ) 的基础 上以f s k s ui a ( o 1 5 f s r s ) 的速率斜升到f s k s u a r ( 2 6 5 f s r ) ，然后以更高 的速率f s k s ui m ( 6 f s r s ) 继续斜升，而转速控制系统在起动过程中以控制常数 组t n k r l0 决定的速率斜升t n r ( 直到t n h 达到9 5 ) 。转速控制系统输出f s r n f s r n = ( t n r t n h ) f s k r n 2 + f s k r n l ( 3 一1 ) ( 3 1 ) 式中f s k r n i = 1 9 3 f s r 轮机全在速空载时的f s r 值。若t n h 完全跟 随t n r 的变化，则f s l 矾= f s k r n l 。实际由于转子的惯性，t h i n 总是落后于t n r ， 因此起动过程中f s r n 总是大于f s k r n l 。 在达到运行转速( 9 8 ) 附近，有f s r s u 或f s k n 经最小值选择后的f s r 可能 超过f s k r n l 较多，因此温度将比空载值高较多，也具有较大的加速度。而到达运行 转速，t n r 起动斜升立即停止。f s r 回到全速空载值，温度相应下降。这个温度变化 较剧烈将造成热冲击。以此为切入点加入加速度控制，可通过限制加速度来延缓到达 运行转速前的加速过程，间接地抑制了这个过程中的温度上升，缓和了起动结束阶段 的温度变化。 本文重点对：i f | l 机组控制系统由m a r kv 升级为m a r kv i 进行相关课题的研究。 1 3 第四章燃气轮机生产过程一体化控制研究 第四章燃气轮机生产过程一体化控制研究 4 1 一体化主控系统的选择和网络互联技术协议的技术研究 根据现场控