李國東

（鎮(zhèn)海發(fā)電責任有限公司，浙江 寧波 315208）

隨著能源結(jié)構(gòu)的多樣化，同時為適應當前世界范圍內(nèi)的利用清潔能源及節(jié)能減排的大趨勢，國內(nèi)進口了大量以天然氣為燃料的大型燃氣輪機機組。但燃氣輪機機組的勵磁系統(tǒng)在運行一段時間后，出現(xiàn)備品備件稀缺且價格昂貴，運行維護有技術(shù)壁壘，外方服務(wù)人員難到位等問題。鎮(zhèn)海發(fā)電廠GE產(chǎn)MS9001E型300 MW燃氣輪機機組從2007年開始在國內(nèi)率先對勵磁系統(tǒng)進行改造，首先將聯(lián)合循環(huán)機組的汽機勵磁系統(tǒng)由GE的EX2000靜態(tài)自并勵單通道勵磁系統(tǒng)改造為上海成套所基于ABB UNITROL F雙通道數(shù)字式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，后又于2008年將燃機勵磁系統(tǒng)由GE EX2000靜態(tài)自并勵單通道勵磁系統(tǒng)改造為南瑞RCS-9400系列微機勵磁系統(tǒng)，為9F級燃氣輪機的勵磁系統(tǒng)改造提供了技術(shù)支持。本文針對GE 9F級燃氣輪機勵磁系統(tǒng)進行國產(chǎn)化改造展開探討。

1 國產(chǎn)化改造中設(shè)備交互控制方式的實現(xiàn)

相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化能力是設(shè)備國產(chǎn)化過程的必要基礎(chǔ)。就GE 9F燃氣輪機上所使用的勵磁系統(tǒng)而言，由于機組采用靜態(tài)啟動模式，勵磁系統(tǒng)還涉及多系統(tǒng)交互控制的問題。控制連接方式主要有兩種，一是硬接線控制連接，要求相關(guān)設(shè)備有足夠的輸入、輸出端子；二是通信系統(tǒng)連接，雖無需輸入、輸出端子的支持，但需要實現(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議的統(tǒng)一。GE 9F機組的勵磁系統(tǒng)與LS2100靜態(tài)啟動裝置及MARK VI控制系統(tǒng)進行交互控制的通信系統(tǒng)連接方式是EGD（以太網(wǎng)全局數(shù)據(jù)協(xié)議），支持基于UPD/IP標準協(xié)議的多節(jié)點之間的信息共享，為非國際標準的通信系統(tǒng)協(xié)議。由于在國產(chǎn)化過程中無法獲得GE公司在通信系統(tǒng)方面的支持，國產(chǎn)設(shè)備無法實現(xiàn)與原有設(shè)備基于EGD的通信系統(tǒng)連接，因此要求在改造中拋開原有的EGD連接，建立國產(chǎn)設(shè)備與原有設(shè)備新的交互控制連接。

深入了解靜態(tài)啟動裝置后發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)啟動裝置與勵磁系統(tǒng)之間的交互控制并不多，主要是磁通控制，即在啟動過程中靜態(tài)啟動裝置向勵磁系統(tǒng)提供發(fā)電機勵磁電壓設(shè)定信號。主要的交互控制出現(xiàn)在MARK VI與勵磁系統(tǒng)及靜態(tài)啟動裝置之間，同時由于MARK VI目前還無法實現(xiàn)國產(chǎn)化，因此MARK VI所提供的通信系統(tǒng)方式直接決定了國產(chǎn)化改造所能實現(xiàn)的交互控制通信系統(tǒng)連接方式。

現(xiàn)有的MARK VI控制系統(tǒng)設(shè)置了三級數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)∶廠級網(wǎng)（PDH）、機組網(wǎng)（UDH）及I/O NET網(wǎng)。其中原有的EGD屬于UDH網(wǎng)絡(luò)層級，用來實現(xiàn)相關(guān)控制設(shè)備的連接控制，包括啟動裝置LCI、勵磁系統(tǒng)、人機界面HMI、MARK VI等，同時為保證可靠性，通信系統(tǒng)可實現(xiàn)雙回路冗余切換。PDH網(wǎng)主要用于連接HMI及歷史數(shù)據(jù)記錄裝置、遠程監(jiān)控、打印機等外圍設(shè)備。該層級網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP GSM及Modbus通信系統(tǒng)協(xié)議，前者為GE公司專用的應用層協(xié)議，而Modbus則已成為當前國際通用的事實標準協(xié)議，且為全開放協(xié)議，任何用戶都可免費獲取。

根據(jù)對當前使用的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)實際應用發(fā)現(xiàn)，Modbus/TCP協(xié)議已經(jīng)逐步使用于各種現(xiàn)場，并具有強勁的發(fā)展優(yōu)勢。在系統(tǒng)國產(chǎn)化過程中，如使用Modbus/TCP實現(xiàn)通信系統(tǒng)，由于沒有改變原有的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)物理層硬件，因此由此而產(chǎn)生的傳輸速度的改變是有限的。

勵磁系統(tǒng)的國產(chǎn)化改造中，如果與MARK VI的通信系統(tǒng)由EGD轉(zhuǎn)變?yōu)镸odbus/TCP通信，對MARK VI而言，實際上是將勵磁系統(tǒng)由從屬于UHD層級的設(shè)備提升至PHD層級。

因此，交互控制方式可以通過硬接線控制方式與Modbus通信系統(tǒng)控制相結(jié)合來實現(xiàn)。這樣一方面可以有效減少對于MARK VI輸入/輸出端子的需求，另外可以對重要信號實現(xiàn)硬接線控制并提高設(shè)備運行的可靠性。

另一個問題是如何在控制方式上對各種相關(guān)信號加以區(qū)分。首先可以明確的是，鑒于運行的可靠性需要，所有與保護跳閘相關(guān)的信號必須實現(xiàn)硬接線方式連接。而所有的控制邏輯指令、狀態(tài)反饋及用于顯示的反饋信號則完全可以利用Modbus通信系統(tǒng)來解決。實時控制信號則可以選擇硬接線方式，以避免因網(wǎng)絡(luò)延時而影響對設(shè)備的實時控制。

2 適用于靜態(tài)啟動的勵磁系統(tǒng)功能設(shè)計與要求

2.1 啟動裝置對勵磁系統(tǒng)磁通控制環(huán)節(jié)的設(shè)計

帶有LCI（靜態(tài)啟動裝置）的勵磁系統(tǒng)需要接受來自啟動裝置及燃汽輪機控制兩方面的控制，在控制上略顯復雜。因此在對帶有LCI的燃氣輪機機組勵磁系統(tǒng)改造時，為滿足靜態(tài)啟動的要求，勵磁系統(tǒng)需要額外增加控制通道，即靜態(tài)啟動模式控制通道。GE靜態(tài)啟動控制通道的控制輸入為手動調(diào)節(jié)參考MANREF及靜態(tài)啟動裝置對勵磁電壓的控制信號LS2100_REF，這2個信號經(jīng)過選擇（靜態(tài)啟動模式時選擇LS2100_REF,手動控制模式時選擇MANREF），輸出為勵磁電壓設(shè)定值FVRSETPOINT。典型的帶靜態(tài)啟 動裝置勵磁系統(tǒng)勵磁電壓調(diào)節(jié)回路的程控邏輯見圖1，圖中手動調(diào)節(jié)（即勵磁電壓調(diào)節(jié)FVR）參考值（由手動升降勵磁、FVR啟動預設(shè)值、自動跟蹤值經(jīng)鉗位、限制等控制后產(chǎn)生）與靜態(tài)啟動對勵磁的控制信號經(jīng)信號選擇后成為勵磁電壓調(diào)節(jié)器的勵磁電壓設(shè)定值，該值與勵磁電壓反饋經(jīng)過比較后形成誤差信號輸入調(diào)節(jié)器的比例積分控制回路。

圖1 典型的帶靜態(tài)啟動勵磁回路的調(diào)節(jié)程控邏輯

在改造過程中，如果單一改造勵磁系統(tǒng)，由于保留了原有的靜態(tài)啟動裝置及MARK VI控制系統(tǒng)，且要拋開EGD通信系統(tǒng)聯(lián)系，同時考慮到原有LCI的磁通調(diào)節(jié)模塊帶有硬接線信號輸出，因此建議勵磁系統(tǒng)開通模擬量輸入端子供該勵磁參考信號輸入。在輸入過程中由于涉及對勵磁電壓信號的標幺化，故應將LCI的輸出勵磁信號與新的勵磁系統(tǒng)的LCI設(shè)定輸入進行必要的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的原則是：LCI的輸出是以點數(shù)計的標幺值，數(shù)值10對應的勵磁電壓為1.25倍的空載勵磁電壓。如果國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)與原有勵磁系統(tǒng)的空載勵磁電壓不同，則需加以調(diào)節(jié)?？紤]到控制的需要，應該對LCI輸出的勵磁調(diào)節(jié)信號最大/最小值加以限位，并增加必要的慣性環(huán)節(jié)。國產(chǎn)化改造后，圖1中靜態(tài)啟動設(shè)定（LCI ref）的實際構(gòu)成如圖2所示。圖中K是基于不同標幺化標準及不同的空載勵磁電壓的線性轉(zhuǎn)換比例。最大值限制一般可以設(shè)為2.5倍的空載勵磁電壓，最小值限制一般設(shè)定為0。慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)可以參照原有系統(tǒng)的時間常數(shù)。

圖2 靜態(tài)啟動設(shè)定信號產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)

在LCI與勵磁系統(tǒng)的連接上，由于雙方涉及的控制信號較少，只有LCI的磁通控制信號，故無論是LCI同步改造還是勵磁獨立改造，均建議采用硬接線方式?？紤]到靜態(tài)啟動配置為多對多方式（一般為二對多）,可以在勵磁回路中增加硬接線回路實現(xiàn)選擇控制。實現(xiàn)的方案是：當燃氣輪機控制選擇啟動裝置后，將相應的選擇信息傳送至勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)根據(jù)這一信息選擇所接受的硬接線信號，見圖3。

圖3 磁通控制選擇模塊

2.2 勵磁系統(tǒng)的靜態(tài)啟動模式及TV斷線功能的退出

在國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)中，除了構(gòu)建靜態(tài)啟動裝置勵磁調(diào)節(jié)參考值輸入控制通道外，還必須構(gòu)建針對MARK VI發(fā)出的勵磁靜態(tài)啟動命令的響應及反饋，同時該信號也作為上述勵磁電壓設(shè)定選擇信號即圖1中的靜態(tài)啟動模式信號。因此需增加相應的信號控制回路。

采用靜態(tài)啟動模式的勵磁系統(tǒng)還需要注意的問題是：在靜態(tài)啟動過程中由于初始階段發(fā)電機出口電壓較低，故常規(guī)勵磁系統(tǒng)中的PTUV（電壓互感器斷線）保護將動作。因此靜態(tài)啟動過程中勵磁系統(tǒng)應退出PTUV，從自動AVR模式切換至手動FVR模式，同時發(fā)出相應的報警信號。由于靜態(tài)啟動模式實質(zhì)上是手動FVR模式，因此該控制的退出不會影響勵磁系統(tǒng)的正常工作。

2.3 勵磁系統(tǒng)在靜態(tài)啟動過程中的相關(guān)保護

常規(guī)的國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)一般都設(shè)計有相應的勵磁保護功能，如過磁通即伏赫茲（V/H）限制及保護、過勵磁限制及保護（其中包括空載過勵磁保護及帶載過勵磁保護）和低勵限制等。其中與靜態(tài)啟動相關(guān)的保護涉及過磁通限制及保護、空載過勵磁限制及保護功能。

過磁通限制及保護是為了防止發(fā)電機及主變等設(shè)備過激磁和發(fā)熱。由于勵磁系統(tǒng)在靜態(tài)啟動中的特殊性，因此相關(guān)概念與常規(guī)的勵磁系統(tǒng)有所區(qū)別。首先，常規(guī)的勵磁系統(tǒng)在空載時由于轉(zhuǎn)速維持在額定范圍（一般機組在轉(zhuǎn)速達到95%時自動啟勵），因此不存在類似于靜態(tài)啟動時的低頻運行工況，故動作邏輯常設(shè)置成低于整定頻率（45 Hz或40 Hz）時由勵磁實現(xiàn)逆變滅磁，而在靜態(tài)啟動時需要維持勵磁系統(tǒng)在低頻運行。同時常規(guī)勵磁系統(tǒng)認為空載過磁通限制主要為過電流限制，這也是基于頻率基本不變的常規(guī)運行工況，而靜態(tài)啟動階段由于頻率可變，故涉及發(fā)電機電壓及頻率的共同作用。在靜態(tài)啟動階段，勵磁受靜態(tài)啟動裝置的調(diào)節(jié)控制（即啟動裝置的磁通控制模塊的控制），為防止發(fā)電機在靜態(tài)啟動初期過勵磁及啟動后期過電壓，啟動裝置將控制勵磁以使發(fā)電機按一定的磁通與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線運行，即發(fā)電機在基本轉(zhuǎn)速下維持磁通恒定，大于基本轉(zhuǎn)速后維持電壓恒定。常規(guī)勵磁系統(tǒng)的過磁通限制一般設(shè)定為1.1，涵蓋了靜態(tài)啟動過程的磁通曲線，故不建議單獨增設(shè)靜態(tài)啟動模式下的過磁通限制及保護。

常規(guī)勵磁系統(tǒng)對空載過勵磁限制及保護是為了防止空載誤強勵導致過電壓對發(fā)電機及變壓器的損害及使勵磁系統(tǒng)滅磁功能損壞。在靜態(tài)啟動過程中，雖然靜態(tài)啟動裝置中的勵磁調(diào)節(jié)模塊自帶勵磁電壓限制功能，但仍建議在勵磁回路的保護功能中增加針對靜態(tài)啟動模式的空載過勵磁限制功能，主要用于防止過電壓對啟動裝置的損害。因為啟動裝置的輸出比發(fā)電機的正常額定電壓小得多，如果啟動過程的過勵磁設(shè)定仍然利用常規(guī)勵磁系統(tǒng)的空載過勵磁限制功能，則可能使啟動裝置遭受發(fā)電機反電動勢過電壓的損害。靜態(tài)啟動過勵磁限制功能的定值可按啟動裝置最大可承受的發(fā)電機反電動勢電壓來設(shè)定。

3 結(jié)語

通過對GE 9F燃氣輪機勵磁系統(tǒng)國產(chǎn)化改造所涉及的交互控制模式及國產(chǎn)勵磁系統(tǒng)為適應該類型機組在控制功能上所需要的改進及研究，認為該類型勵磁系統(tǒng)具備國產(chǎn)化改造的可行性。

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