TS3000系统在五大机组调速器改造中的应用.doc

TS3000系统在机组调速器改造中的应用一、现状简介： 化肥厂一化五大机组（4111-K1、4111-K2、4117-K1、4118-K1、 0105W1）的驱动汽轮机使用的是调速器WOODWARD PG-PL系列机械式调速器。此机械式调速系统自1985年建厂使用至今已近30年，远远超过其设计使用年限，已经进入故障高发期，成为影响化肥厂一化装置正常运行的瓶颈，继续使用存在较大的安全隐患：1.机械运动部件磨损锈蚀发生卡涩，造成转速波动出现转速呈阶梯状突变，影响到装置的稳定运行。2.转速控制精度降低，对压缩机负荷调节影响较大。尤其是在开、停车期间对转速控制要求较高时难以实现精准控制，在压缩机和透平跨越临界转速时存在安全隐患。3.机械手动调速全为手动开阀，对升速曲线控制人员要求较高，且容易造成升速过快和转速波动，使得压缩机转子受力变化幅度过大，容易造成转子和轴承的损坏。4.由于调速器故障，机组转速波动，极易造成高压蒸汽或者中压蒸汽管网波动，从而对锅炉负荷、工艺蒸汽量产生较大影响，容易发生停车事故。二、TS3000控制器原理CONSEN提供的TS3000硬件基于三重冗余容错（TMR）结构、软件满足IEC1131 SIL3标准要求的透平压缩机组控制系统。 TS3000系统的硬件核心是称之为基于三重模件冗余容错 （TMR）结构的容错控制器，每个系统有三个主处理器，系统中所有的I/O信号都要经过硬件的三取二表决。数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的三路，通过三个独立的通道分别被送到三个主处理器中进行三取二表决；经纠正任何偏差后的数据通过三条I/O总线被送到DO模件，并在DO模件通过获得专利的“方形表决电路”硬件进行再次表决。DI、DO模件均采用与现场光电隔离方式，以及 “STUCK ON、STUCK OFF”检测功能。如下图所示。控制器 TMR结构图 模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的三路，通过AI模块上每一个分电路的模数转换器把模拟量转换成12位的数字量，用32位的协处理器进行处理，每个主处理器采用选取中间值的算法读取正确值，并纠正任何分电路中的偏差，主处理器输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器中进行选择，以确保输出信号的准确。TS3000系统最大的特点是能同时满足高可靠性、高可用性的容错控制能力，控制系统可以识别控制系统元件的故障，自动把故障的元件加以排除，并允许在系统继续完成指定任务的同时，用户操作人员对故障元件进行在线修复而不中断过程的操作。TS3000基于TRICON三冗余硬件平台和专业软件包技术，以实现机组的防喘振控制、调速控制、抽汽控制、 性能控制、超速保护、相关报警、联锁控制、操作监控等机组有关的工艺控制和保护功能。CONSEN将多年安全控制方面的技术与在旋转设备控制方面的经验紧密结合为一体，为用户提供了一套高可靠、专业的ITCC (Integrated Turbine & Compressor Control System) 机组控制系统TS3000（如下图）。TS3000系统将传统上需要多个分立仪表如防喘调节器、联锁自保系统、电子调速器、负荷调节器等实现的功能集成在一套可靠性极高的系统中完成；因此，在减少各个系统间的连接和通信、减少故障发生几率的同时，降低了长周期运行成本，并提供了更加良好的操作监控界面TS3000有高精度的脉冲卡，可直接连接磁阻式无源或无二次放大器的转速探头，脉冲分辨率为1 ms, 采用16位数字处理技术和选择时段内脉冲计数法，使转速测量精度达到0.01%。测速信号以3-2-1-0降级顺序工作，正常时用中选或高选算法选择转速信号，当蒸汽阀开到一定开度而转速未到设定的最小值时机组停机并报警。性能控制器在正常转速控制范围内工作，在这一范围内，工艺参数为主回路，可由性能控制器串级转速控制回路。性能控制的主要功能是控制压缩机入口压力或者出口流量使其满足装置的工艺要求，对串并联压缩机或者抽汽轮机实施负荷分配控制。在涡轮机械控制技术中，为了获得最佳的控制和效益，需要将喘振控制、速度控制、发电机控制、抽汽控制等协调起来，并加入约束控制等算法。 TS3000具有独特的防喘振控制技术，并针对防喘特性开发出标准的功能模块，这些模块包括喘振检测，喘振控制和防喘振控制输出。各模块都可以相互组态连接，并可以组态连接用户输入输出信号以实现机组的防喘控制。详细的工作原理如下图： TS3000防喘控制工作原理方框图三、改造实施方案1、针对机械运动部件磨损锈蚀发生卡涩, 采取更换油动机杜绝出现机械故障；2、转速控制精度降低，改为电子调速控制，采用6支探头测速保证转速控制，3支转速进ITCC指示参与联锁第一级保护；另外3支转速进硬件超速保护为第二级保护，同时增加新增ITCC控制和画面操作。3、机械手动调速采用手动开阀，改为电子调速控制采用自动运行模式：手动启机、暖机、升速，并做相关的趋势便于分析、查找、原因。4、4111K1T 、4111K2T、4117K1T 、4118K1T、0105W1T汽轮机调速系统以及与调速系统有关的连接件，将原系统的全液压调节方式改造成具有先进领先技术、调节更稳定的电液调节方式。5、机组开停车及性能控制、防喘振控制全部由ITCC实现，在机组运行正常后，交由DCS远程根据装置负荷控制透平转速；所有参与防喘振控制运算的参数，通过“一入两出”安全栅同时在ITCC及DCS显示，但DCS仅作显示，不参与防喘振运算。四）、具体实施：4.1 针对机械运动部件磨损锈蚀发生卡涩，本次改造更换了新油动机，新增速关组件一套，增加速关油压远传显示及油压低低“三选二”联锁、二次油压显示，就地盘压力表全部更换。4.2 现场采用技术先进性能可靠的探头（AI-TEK RH1512-027 13J ）,每个机组共有6支转速探头，从根本杜绝原一支转速造成的误差。对转速联锁采取优化处理:采用软件硬件双重保护联锁，其中3支探头直接进ITCC显示转速，在ITCC中对3支正常转速采用以3-2-1-0降级顺序工作，3支转速正常时取中值用于转速控制；当3支转速中有一支故障时，剩下2支转速取高值；当余下2支转速中坏1支时停车属于失速保护。从而避免因为仪表转速回路出现故障误停车；同时避免因转速故障时不能停车的情况，保证任何情况不会出现误动作，还能杜绝因转速拒动作。当ITCC转速达到联锁值时输出动作，若ITCC没有动作，此时转速继续升高，然后由另外三只探头（直接进入硬件超速保护器）一路DO输出去程序软联锁，另一路程序控制现场速关组件阀的电磁阀回路实现硬接线联锁。转速通过软硬件双重联锁共同来保护机组的安全运行。见图1 /2 /3。 图1 改造前的转速探头 图2 改造后转速探头 图3 硬件超速保护4.3 原机械手动调速采用手动开阀，改为电子调速控制。A.启动和停车 有自动/手动两种启动和停车模式，在自动启动模式下机组按照给定的暖机升速曲线启动，在这一过程中操作员可以中断自动程序进入手动操作，并可以重新恢复自动升速方式。手/自动方式可实现无扰动切换。 见图4 图4B.临界转速处理程序可设置多个临界转速区域，无论启停车过程或正常控制过程中速度控制模块都可避免机组工作在临界转速区内，在启动过程中汽轮机将以设置的较快的速率快速通过临界区，如果由于蒸汽系统的原因调节汽阀全开后转速仍然停留在临界转速区内超过一定的时间限制则自动关闭调节阀降低转速。C.转速跟踪 手/自动方式切换，遥控/就地操作切换时，所有关联回路都相互跟踪，以便实现无扰动切换。D.顺序控制模块 方式设定描述见图5启动顺序 图54.4 防喘振控制TRICON防喘控制器工作时，需要以下现场仪表回路： 代号 类型 功能 Ps AI 入口压力 Pd AI 出口压力 Ts AI 入口温度 PV AO 防喘阀 FT AI 压宿机入口或出口流量（或主风机入口喉部压差） 根据压缩机入口流量、入口压力、出口压力及入口和出口温度，利用CONSEN独特的防喘振技术来计算当前工作点，判断是否发生喘振。使用这种技术，气体分子量变化将不会影响喘振检测。下图是不受气体分子量变化影响的通用喘振线：见图6 图6在实际应用中，喘振线和工作点还可以根据情况，选择压比（出口压力/入口压力，Pd/Ps）或压升(出口压力 - 入口压力，Pd Ps)计算法。喘振控制器提供了一种适应性增益特性。当工作点在喘振控制线右方时，该特性减少了比例动作。当工作点在喘振控制线右方的操作裕度超过设定距离，则调用适应性增益特性。 根据比例或积分响应，防喘阀可打开，但STRAIGHT RAMP功能限制了防喘阀的关闭。该特性使得防喘阀响应快。当工作点安全地移到喘振控制线的右方，防喘阀以设定速率慢关，保证将透平驱动机及工况控制器调整到新的工作条件下。4.5 手/自动控制： 有两种控制方式：第一种为自动控制也就是由ITCC输出阀位，它的阀位与手动高选输出。 第二种为手动控制，在这种方式下，手动输出值直接到防喘阀。见图7 图74.6 增加实时趋势画面和历史趋势画面 增加实时趋势画面和历史趋势画面，操作员可选时间段及仪表位号。 按参数的类型分成若干画面，每画面都有各类趋势画面的菜单及功能键，趋势时间间隔设定，起始时间，并显示系统中发生报警或联锁点的位号、名称。发生的时间：年、月、日、时、分、秒，报警或联锁点的值。 见图8图84.7 SOE事件顺序的记录功能，便于停车时分析事故发生的先后顺序，能够及时准确的记录。图9 图9经过调速器改造后，五大机组试车一次成功，工艺反应非常好，操作方便、直观，尤其开车时更为方便，升速有科学依据，更能保护机组的安全运行。本次改造成功解决了化肥厂一化装置五大机组汽轮机的速度控制由以前的机械调速器实现电子超速保护功能,压缩机防喘振控制由DCS实现自动控制,改为ITCC控制，所有机组的联锁保护与装置联锁保护采用一套ESD系统实现,其它一些机组的过程控制参数监控在DCS