鄭煒
[摘? ? 要]CGT25-EB燃氣輪發(fā)電機組為在國內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺(套)20~30 MW功率等級應(yīng)用的國產(chǎn)機組,文章從燃機控制系統(tǒng)(TCS)硬、軟件的設(shè)計、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時MACSV6控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃氣輪發(fā)電機組首次應(yīng)用的工程案例,對同類型機組在設(shè)計、建造方面等有很好的借鑒意義。
[關(guān)鍵詞]國產(chǎn)燃機TCS;和利時MACSV6;設(shè)計與應(yīng)用
[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487(2021)11–00–02
Application of Hollysys Macv6 Control System in Domestic Gas Turbine
Zheng Wei
[Abstract]Cgt25-eb gas turbine generator set is the first domestic unit (set) with 20 ~ 30 MW power level applied in a distributed energy station in the domestic energy field. This paper introduces the engineering case of the first application of Hollysys macv6 control system in cgt25-eb gas turbine generator set from the aspects of gas turbine control system (TCS) hardware and software design, fault and exception handling, logic optimization, etc, It has a good reference for the design and construction of the same type of units.
[Keywords]domestic gas turbine TCS; hollysys macv6; design and application
長期以來,我國分布式能源站采用的20~30MW功率等級燃氣輪機發(fā)電機組一直被國外大公司壟斷,存在機組采購及維護成本昂貴、采購周期長、技術(shù)封鎖嚴重,后期的運維也嚴重受制于外方,備件供應(yīng)、技術(shù)服務(wù)受制于人的弊端。CGT25-EB燃氣輪發(fā)電機組為在國內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺(套)20~30 MW功率等級應(yīng)用的國產(chǎn)機組,本文從燃機控制系統(tǒng)(TCS)硬、軟件的設(shè)計、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時MACSV6 DCS控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃氣輪發(fā)電機組的首次應(yīng)用。
本項目工業(yè)發(fā)電采用的國產(chǎn)25 MW燃氣輪機,即CGT25-EB型燃氣輪機的研發(fā)是基于GT25000船用驅(qū)動型燃氣輪機優(yōu)化升級而來,控制系統(tǒng)也需對原船用燃氣輪機所用的PLC進行更換升級。
本項目燃機TCS采用的和利時MACSV6系統(tǒng),是由和利時公司基于先進自動化技術(shù)開發(fā)的集成工業(yè)自動化系統(tǒng),將多年開發(fā)的各種自動化系統(tǒng)和設(shè)備進行有機結(jié)合,技術(shù)更先進,功能更強大。
1 系統(tǒng)硬件配置
燃機TCS控制的最大特點是安全可靠、實時性要求高,圖1為燃機控制系統(tǒng)總體框架。3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包含系統(tǒng)網(wǎng)、POWERLINK內(nèi)部總線和IO-BUS總線。實現(xiàn)背板安裝方式,提高IO-BUS總線速率,增強抗震性能和系統(tǒng)小型化?;赑OWERLINK的內(nèi)部高速總線,解耦現(xiàn)場總線層、內(nèi)部總線層、和控制器連接關(guān)系。滿足快速性和擴容需求。系統(tǒng)配置了兩臺操作員站,由于燃機聯(lián)合循環(huán)機組的汽輪機、鍋爐等也同樣采用和利時MACSV6 DCS,故工程師站、歷史站及通信站等與機組DCS實現(xiàn)共享。
由于計算機時鐘誤差的存在,會造成系統(tǒng)報警、SOE順序事故記錄、趨勢記錄等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時間。所以在DCS內(nèi)加裝了GPS裝置,用于統(tǒng)一TCS與DCS之間的計算機時鐘和SOE模塊的時鐘。
2 基于POWERLINK的高速內(nèi)部總線
目前,雖然燃氣輪機的控制方案各有特色,但對燃機TCS的核心控制器的要求比較統(tǒng)一,對控制精度、響應(yīng)速度和冗余度都提出了很高的要求。
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用DP或軟POWERLINK來實現(xiàn)主卡與分屬設(shè)備之間通信,DP通信效率低不滿足燃機對控制器實時性要求。軟POWERLINK協(xié)議棧的調(diào)用和解析都要通過主控中的任務(wù)實現(xiàn),不能實時解析協(xié)議內(nèi)容,同時又延長了燃機控制器運算控制器的IEC調(diào)度周期,影響了燃機控制器控制系統(tǒng)的實時性。
經(jīng)過對比,本項目燃機TCS采用硬POWERLINK實時以太網(wǎng)處理方法來有效解決通信實時性和主控IEC周期延長的問題,提高了系統(tǒng)實時性,滿足燃機高速轉(zhuǎn)動的控制要求。
原理設(shè)計如圖2所示,采用雙CPU配置,其中主處理器執(zhí)行IEC運算和上位機組態(tài)及服務(wù)器通信;輔處理器采用ZYNQ實現(xiàn)POWERLINK主站功能并支持雙網(wǎng)冗余。
POWERLINK應(yīng)用層則通過以太網(wǎng)控制器獲取當前從站采集到的最新輸入數(shù)據(jù),填充到輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),主控在運行過程中通過并口讀取共享數(shù)據(jù)來獲取輸入數(shù)據(jù)。
主CPU則通過讀取DPRAM中的診斷狀態(tài)來獲取輸入數(shù)據(jù)的有效性,根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成IEC運算,刷新輸出區(qū)數(shù)據(jù);主CPU通過并口將IEC運算的輸出區(qū)數(shù)據(jù)寫入DPRAM,POWERLINK應(yīng)用層通過以太網(wǎng)控制器發(fā)送輸出數(shù)據(jù)至從站。
3 系統(tǒng)軟件APS模塊化設(shè)計
燃機TCS系統(tǒng)中的軟件功能主要是通過相關(guān)參數(shù)和操作流程的設(shè)計,實現(xiàn)燃氣輪機的一鍵啟停(APS)和運行監(jiān)控,并且通過軟件功能對燃氣輪機進行保護,確保燃氣輪機能夠正常工作。同時實現(xiàn)對整個發(fā)電站控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。
①燃氣輪機APS邏輯在設(shè)計上采用模塊化設(shè)計,即根據(jù)機組設(shè)備按系統(tǒng)劃分為若干個功能組,每個功能組邏輯相對獨立,完成的控制功能目標明確。其包括冷吹、啟動、運行再到整個機組加載、減載直到停機的整個啟、停過程。燃機通過APS邏輯沖轉(zhuǎn)點火并帶初負荷的過程中,聯(lián)動余熱鍋爐將低壓、高壓主汽系統(tǒng)升溫升壓回路自動投入,且汽輪機組兩大旁路以及過熱減溫水自動投入。MACSV6系統(tǒng)在CGT25-EB燃氣輪發(fā)電機組的APS模塊化設(shè)計實現(xiàn)了以下功能:燃氣輪機冷吹;燃氣輪機啟動;燃氣輪機高壓壓氣機轉(zhuǎn)速控制;燃氣輪機動力渦輪轉(zhuǎn)速控制;燃氣輪機雙燃料切換控制;燃氣輪機極限燃料調(diào)節(jié);燃氣輪機故障保護功能;燃氣輪機發(fā)電機組有功功率控制;燃氣輪機發(fā)電機組正常停機控制。②燃氣輪機發(fā)電機組靜態(tài)檢查;燃氣輪機超溫、超速保護檢查;燃氣輪機發(fā)電機組預(yù)警、限制處理。③歷史數(shù)據(jù)存儲、讀取以及趨勢曲線顯示;獨立ESD功能。ESD單元對機組重要參數(shù)高高及人為ESD指令等獨立進行判斷并向燃機TCS給出指令,同時執(zhí)行硬件關(guān)斷;與用戶管理層控制系統(tǒng)或其他系統(tǒng)進行通信。
4 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法
4.1 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)
CGT25-EB燃氣輪機采用磁阻式MPU轉(zhuǎn)速傳感器,在試驗時發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時數(shù)值波動較大,一般出現(xiàn)在1 000 r/min以下,用示波器觀察感應(yīng)波形不規(guī)律。檢查電纜敷設(shè)路徑、接地、屏蔽接線等都正確。
經(jīng)分析此現(xiàn)象應(yīng)為低速時感應(yīng)電壓較低,線路衰減加上外部干擾對其影響較大。為此,在控制柜信號輸入端并接一250 Ω電阻,經(jīng)試驗信號輸出穩(wěn)定。
4.2 振動傳感器干擾
CGT25-EB燃氣輪機本體振動傳感器采用本特利330450高溫加速度傳感器,該傳感器探頭安裝表面溫度及整體硬質(zhì)電纜最高達400 ℃。在燃氣輪機運行至高工況時發(fā)現(xiàn)動力渦輪振動傳感器出現(xiàn)不穩(wěn)定尖峰,停機后檢查電纜接頭、接線無松動現(xiàn)象,電纜屏蔽及接地正確,附近無強電及變頻設(shè)備干擾源。
經(jīng)分析可能由于動力渦輪位于燃氣輪機排氣側(cè),此處在高工況下溫度較高,雖然傳感器及整體電纜可耐受400℃高溫,但在高溫下工作仍會存在不穩(wěn)定現(xiàn)場。為此,引一路儀表氣至探頭附近,對其進行冷卻。后經(jīng)啟動運行試驗觀察,此處振動傳感器未出現(xiàn)異常。
4.3 燃機啟動點火流程優(yōu)化
啟動快速是燃氣輪機的一大優(yōu)點,一般從啟動電機拖轉(zhuǎn)至點火的時間不超過200 s。但在聯(lián)合循環(huán)機組中,由于燃氣輪機的排氣接入余熱鍋爐,有時在啟動時為了將排氣系統(tǒng)中的殘余天燃氣吹掃干凈,需要將點火前的拖轉(zhuǎn)時間加長。煙道容積不同,運行及停機情況不同,產(chǎn)生對每次吹掃的時間要求并不一樣。針對此情況,修改了啟動部分的邏輯,使點火前的拖轉(zhuǎn)時間參數(shù)化,此參數(shù)的更改不會影響后續(xù)邏輯的執(zhí)行。
4.4 增加金屬屑信號器自檢邏輯
CGT25-EB燃氣輪機在不同的潤滑油回油管路上設(shè)置了金屬屑信號器檢測器,用于檢測回油中是否含有金屬屑,判斷燃氣輪機內(nèi)部是否有部件損壞情況。由于燃氣輪機出現(xiàn)軸承或內(nèi)部部件損壞的概率很小,因此金屬屑信號器極少動作。在長時間運行后,運行人員無法知道信號器是否還正常工作,一旦該信號器故障,燃氣輪機回油中出現(xiàn)的金屬屑將無法被檢測出來,將會造成嚴重事故。為此,燃機TCS增加了金屬屑信號器自檢邏輯,定時向信號器發(fā)出檢測信號,如果信號器正常工作則會給出反饋信號,否則認為信號器有故障,系統(tǒng)發(fā)出報警。
5 結(jié)束語
本文介紹了和利時MACSV6控制系統(tǒng)在某分布式能源站國產(chǎn)燃氣輪機的典型應(yīng)用,分析調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法,為相關(guān)工程決策、設(shè)計人員提供相應(yīng)的參考,對同類型機組在設(shè)計、建造方面等有很好的借鑒意義。
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