祝廣場(chǎng) 彭紹偉 高水華 李志

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)采用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器。PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線與人機(jī)交互界面（觸摸屏）、汽輪機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)綜合控制與保護(hù)裝置等進(jìn)行信息交換。PLC通過(guò)觸摸屏接收機(jī)組運(yùn)行人員的操作指令，對(duì)機(jī)組各部件和子系統(tǒng)進(jìn)行集中協(xié)調(diào)控制，對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各類故障進(jìn)行分類處理，完成啟動(dòng)、停機(jī)、并網(wǎng)、報(bào)警、保護(hù)等功能。機(jī)組運(yùn)行人員可通過(guò)人機(jī)交互界面（觸摸屏）隨時(shí)查詢機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)以及電能計(jì)量顯示。機(jī)組電氣控制系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)操作按鈕，以便于緊急事故狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)手動(dòng)安全停機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要功能有：自動(dòng)啟停，無(wú)人值守；自動(dòng)并網(wǎng)/解列；有功、無(wú)功控制；自動(dòng)報(bào)警，保護(hù)功能；數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄等。

1 人機(jī)接口

通過(guò)用戶友好的觸摸屏，操作人員能夠從一個(gè)顯示屏上瀏覽和選擇多種控制方式及設(shè)定給定值。觸摸屏的操作界面由操作畫面、記錄制表、歷史事件信息、相關(guān)參數(shù)顯示畫面等部分組成。在觸摸屏的操作畫面中，可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)啟機(jī)、停機(jī)等控制功能，可顯示各種參數(shù)狀態(tài)及故障記錄。

1.1 顯示信息

從觸摸屏的監(jiān)控畫面中不僅可以直觀地看到整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組的工藝流程，還可以顯示以下機(jī)組的運(yùn)行信息：

系統(tǒng)信息顯示；

監(jiān)測(cè)量顯示；

控制參數(shù)信息；

汽輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)信息顯示；

報(bào)警和停機(jī)邏輯顯示。

1.2 制表記錄

使用人機(jī)界面組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)定期記錄、運(yùn)行操作記錄、事件順序記錄（SOE）、事故追憶記錄、設(shè)備運(yùn)行記錄、跳閘一覽記錄等功能。

1.3 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索功能

對(duì)于系統(tǒng)測(cè)量、機(jī)組運(yùn)行等歷史數(shù)據(jù)，觸摸屏具有存儲(chǔ)和檢索功能。觸摸屏和 PLC通過(guò)RS232通信，可以根據(jù)觸摸屏定義的PLC端口自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件，并可以下載至PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要是對(duì)機(jī)組的監(jiān)測(cè)量、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組的運(yùn)行模式等進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)測(cè)和顯示，為控制系統(tǒng)進(jìn)行邏輯計(jì)算、協(xié)調(diào)控制、報(bào)警保護(hù)等打好基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組的無(wú)人值守功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在機(jī)組運(yùn)行中，PLC主要對(duì)工質(zhì)、熱源、潤(rùn)滑油、冷卻水、汽輪機(jī)進(jìn)/排汽等進(jìn)行溫度和壓力測(cè)量，對(duì)工質(zhì)泵、冷卻水泵、潤(rùn)滑油泵的運(yùn)行/停止、故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)相關(guān)閥門的開(kāi)/關(guān)、位置反饋進(jìn)行采集，確保能夠準(zhǔn)確地顯示出機(jī)組狀況和各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及報(bào)警輸出

PLC接收現(xiàn)場(chǎng)變送器和各類開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算和邏輯處理，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，送至監(jiān)控畫面顯示；對(duì)預(yù)設(shè)的報(bào)警定值，及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。

3 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 汽輪機(jī)啟/?？刂?/h3>

汽輪機(jī)控制采用505 調(diào)速器，505主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)的啟?？刂?，汽輪機(jī)有功功率控制，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力限制，汽輪機(jī)超速保護(hù)等。

505調(diào)速器提供了三種不同啟動(dòng)方式的選擇：自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)。

調(diào)速器能組態(tài)成采用順序自動(dòng)啟動(dòng)操作方式來(lái)啟動(dòng)汽輪機(jī)。該順序邏輯使505 調(diào)速器能完成從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的完整的系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程。采用這一功能，汽輪機(jī)的啟動(dòng)升速率和暖機(jī)轉(zhuǎn)速的保持時(shí)間取決于機(jī)組停機(jī)時(shí)間的長(zhǎng)短。該順序邏輯能與三種起動(dòng)方式中的任意一種一起使用。

3.2 轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在汽輪機(jī)啟動(dòng)階段，控制從靜止升至額定轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之后，能滿足電網(wǎng)升降負(fù)荷的要求，維持電網(wǎng)頻率不變。

在啟動(dòng)階段，兩路轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)505調(diào)速器處理后作為控制的實(shí)際值，設(shè)定值通過(guò)505設(shè)定或者PLC遠(yuǎn)程設(shè)定，偏差經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)度指令，由505送至調(diào)節(jié)閥。

在并網(wǎng)階段，505調(diào)速器根據(jù)發(fā)電機(jī)斷路器和電網(wǎng)斷路器的閉合信號(hào)，自動(dòng)切換至負(fù)荷控制。

工質(zhì)壓力由505檢測(cè)，引入串級(jí)控制回路，用于不同壓力時(shí)的功率輸出控制。

3.3 汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)

汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)包括超速保護(hù)、潤(rùn)滑油壓力低保護(hù)、潤(rùn)滑油溫度高保護(hù)等。

505用來(lái)檢測(cè)和計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)緊急停機(jī)設(shè)定值時(shí)，505發(fā)出緊急停機(jī)指令給PLC，同時(shí)發(fā)關(guān)閉指令給調(diào)節(jié)閥；PLC收到緊急停機(jī)指令時(shí)，立即將主汽門關(guān)閉并給發(fā)電機(jī)發(fā)解列指令，實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)。

潤(rùn)滑油壓力低保護(hù)和潤(rùn)滑油溫度高保護(hù)由PLC的控制邏輯來(lái)判斷，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，PLC通過(guò)505的外部跳閘輸入功能，共同完成緊急停機(jī)。

4 發(fā)電機(jī)綜合控制與保護(hù)系統(tǒng)

4.1 測(cè)量顯示

發(fā)電機(jī)綜合控制與保護(hù)裝置對(duì)發(fā)電機(jī)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、發(fā)電累計(jì)電能、逆功率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和顯示。綜合控制器通過(guò)邏輯計(jì)算和控制功能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)頻、逆功等保護(hù)。

4.2 并網(wǎng)/解列

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之前，綜合控制器檢測(cè)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位、相序，輸出控制信號(hào)給發(fā)電機(jī)調(diào)壓器和汽輪機(jī)調(diào)速器，判斷機(jī)組是否滿足同期條件，若滿足就可以直接自動(dòng)合上并網(wǎng)斷路器。不滿足時(shí)，發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出調(diào)節(jié)指令給505調(diào)速器和發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器，使其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)自動(dòng)的調(diào)節(jié)以滿足同期條件并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障或者需要停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)電機(jī)綜合控制與保護(hù)裝置自動(dòng)將發(fā)電機(jī)跟電網(wǎng)解列，確保機(jī)組處在安全的狀態(tài)。

4.3 功率因數(shù)及無(wú)功功率控制

發(fā)電機(jī)綜合保護(hù)與控制裝置檢測(cè)發(fā)電機(jī)電壓、電流計(jì)算系統(tǒng)功率因數(shù)，通過(guò)輸出控制信號(hào)給發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR），調(diào)整發(fā)電機(jī)無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)恒功率因數(shù)控制。

4.4 發(fā)電機(jī)保護(hù)

發(fā)電機(jī)綜合控制與保護(hù)裝置完成以下項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)保護(hù)，動(dòng)作時(shí)將發(fā)電機(jī)解列并反饋至汽輪機(jī)控制器和PLC控制器：

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)；

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)；

發(fā)電機(jī)過(guò)流保護(hù)；

發(fā)電機(jī)欠壓保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于有機(jī)工質(zhì)的余熱發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以完善的數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，結(jié)合高穩(wěn)定性、高可靠性的控制邏輯，使得機(jī)組在運(yùn)行中不必投入大量人力資源，即便在故障狀態(tài)下，也能夠避免事故的發(fā)生。

[1]WOODWARD. WOODWARD 505數(shù)字式調(diào)速器說(shuō)明書.

[2]吉銘. 西門子 S7- 300 在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 科技論壇, 83.