鄭煒

[摘? ? 要]CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組為在國(guó)內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺(tái)（套）20～30 MW功率等級(jí)應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)機(jī)組，文章從燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）硬、軟件的設(shè)計(jì)、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時(shí)MACSV6控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組首次應(yīng)用的工程案例，對(duì)同類型機(jī)組在設(shè)計(jì)、建造方面等有很好的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]國(guó)產(chǎn)燃機(jī)TCS;和利時(shí)MACSV6;設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)分布式能源站采用的20～30MW功率等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一直被國(guó)外大公司壟斷，存在機(jī)組采購(gòu)及維護(hù)成本昂貴、采購(gòu)周期長(zhǎng)、技術(shù)封鎖嚴(yán)重，后期的運(yùn)維也嚴(yán)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?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組為在國(guó)內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺(tái)（套）20～30 MW功率等級(jí)應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)機(jī)組，本文從燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）硬、軟件的設(shè)計(jì)、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時(shí)MACSV6 DCS控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的首次應(yīng)用。

本項(xiàng)目工業(yè)發(fā)電采用的國(guó)產(chǎn)25 MW燃?xì)廨啓C(jī)，即CGT25-EB型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)是基于GT25000船用驅(qū)動(dòng)型燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)化升級(jí)而來(lái)，控制系統(tǒng)也需對(duì)原船用燃?xì)廨啓C(jī)所用的PLC進(jìn)行更換升級(jí)。

本項(xiàng)目燃機(jī)TCS采用的和利時(shí)MACSV6系統(tǒng)，是由和利時(shí)公司基于先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)的集成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，將多年開發(fā)的各種自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，技術(shù)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)大。

1 系統(tǒng)硬件配置

燃機(jī)TCS控制的最大特點(diǎn)是安全可靠、實(shí)時(shí)性要求高，圖1為燃機(jī)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(shí)現(xiàn)背板安裝方式，提高IO-BUS總線速率，增強(qiáng)抗震性能和系統(tǒng)小型化。基于POWERLINK的內(nèi)部高速總線，解耦現(xiàn)場(chǎng)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(kuò)容需求。系統(tǒng)配置了兩臺(tái)操作員站，由于燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽輪機(jī)、鍋爐等也同樣采用和利時(shí)MACSV6 DCS，故工程師站、歷史站及通信站等與機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)共享。

由于計(jì)算機(jī)時(shí)鐘誤差的存在，會(huì)造成系統(tǒng)報(bào)警、SOE順序事故記錄、趨勢(shì)記錄等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時(shí)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(jì)算機(jī)時(shí)鐘和SOE模塊的時(shí)鐘。

2 基于POWERLINK的高速內(nèi)部總線

目前，雖然燃?xì)廨啓C(jī)的控制方案各有特色，但對(duì)燃機(jī)TCS的核心控制器的要求比較統(tǒng)一，對(duì)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(lái)實(shí)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(jī)對(duì)控制器實(shí)時(shí)性要求。軟POWERLINK協(xié)議棧的調(diào)用和解析都要通過(guò)主控中的任務(wù)實(shí)現(xiàn)，不能實(shí)時(shí)解析協(xié)議內(nèi)容，同時(shí)又延長(zhǎng)了燃機(jī)控制器運(yùn)算控制器的IEC調(diào)度周期，影響了燃機(jī)控制器控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，本項(xiàng)目燃機(jī)TCS采用硬POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)處理方法來(lái)有效解決通信實(shí)時(shí)性和主控IEC周期延長(zhǎng)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，滿足燃機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的控制要求。

原理設(shè)計(jì)如圖2所示，采用雙CPU配置，其中主處理器執(zhí)行IEC運(yùn)算和上位機(jī)組態(tài)及服務(wù)器通信;輔處理器采用ZYNQ實(shí)現(xiàn)POWERLINK主站功能并支持雙網(wǎng)冗余。

POWERLINK應(yīng)用層則通過(guò)以太網(wǎng)控制器獲取當(dāng)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(yùn)行過(guò)程中通過(guò)并口讀取共享數(shù)據(jù)來(lái)獲取輸入數(shù)據(jù)。

主CPU則通過(guò)讀取DPRAM中的診斷狀態(tài)來(lái)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(yùn)算，刷新輸出區(qū)數(shù)據(jù);主CPU通過(guò)并口將IEC運(yùn)算的輸出區(qū)數(shù)據(jù)寫入DPRAM，POWERLINK應(yīng)用層通過(guò)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(jì)

燃機(jī)TCS系統(tǒng)中的軟件功能主要是通過(guò)相關(guān)參數(shù)和操作流程的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的一鍵啟停（APS）和運(yùn)行監(jiān)控，并且通過(guò)軟件功能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行保護(hù)，確保燃?xì)廨啓C(jī)能夠正常工作。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)電站控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

①燃?xì)廨啓C(jī)APS邏輯在設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)，即根據(jù)機(jī)組設(shè)備按系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能組，每個(gè)功能組邏輯相對(duì)獨(dú)立，完成的控制功能目標(biāo)明確。其包括冷吹、啟動(dòng)、運(yùn)行再到整個(gè)機(jī)組加載、減載直到停機(jī)的整個(gè)啟、停過(guò)程。燃機(jī)通過(guò)APS邏輯沖轉(zhuǎn)點(diǎn)火并帶初負(fù)荷的過(guò)程中，聯(lián)動(dòng)余熱鍋爐將低壓、高壓主汽系統(tǒng)升溫升壓回路自動(dòng)投入，且汽輪機(jī)組兩大旁路以及過(guò)熱減溫水自動(dòng)投入。MACSV6系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的APS模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下功能：燃?xì)廨啓C(jī)冷吹;燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng);燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速控制;燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速控制;燃?xì)廨啓C(jī)雙燃料切換控制;燃?xì)廨啓C(jī)極限燃料調(diào)節(jié);燃?xì)廨啓C(jī)故障保護(hù)功能;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組有功功率控制;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組正常停機(jī)控制。②燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組靜態(tài)檢查;燃?xì)廨啓C(jī)超溫、超速保護(hù)檢查;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組預(yù)警、限制處理。③歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取以及趨勢(shì)曲線顯示;獨(dú)立ESD功能。ESD單元對(duì)機(jī)組重要參數(shù)高高及人為ESD指令等獨(dú)立進(jìn)行判斷并向燃機(jī)TCS給出指令，同時(shí)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(jìn)行通信。

4 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法

4.1 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)采用磁阻式MPU轉(zhuǎn)速傳感器，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時(shí)數(shù)值波動(dòng)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(shí)感應(yīng)電壓較低，線路衰減加上外部干擾對(duì)其影響較大。為此，在控制柜信號(hào)輸入端并接一250 Ω電阻，經(jīng)試驗(yàn)信號(hào)輸出穩(wěn)定。

4.2 振動(dòng)傳感器干擾

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)本體振動(dòng)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(dá)400 ℃。在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行至高工況時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力渦輪振動(dòng)傳感器出現(xiàn)不穩(wěn)定尖峰，停機(jī)后檢查電纜接頭、接線無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象，電纜屏蔽及接地正確，附近無(wú)強(qiáng)電及變頻設(shè)備干擾源。

經(jīng)分析可能由于動(dòng)力渦輪位于燃?xì)廨啓C(jī)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(huì)存在不穩(wěn)定現(xiàn)場(chǎng)。為此，引一路儀表氣至探頭附近，對(duì)其進(jìn)行冷卻。后經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)觀察，此處振動(dòng)傳感器未出現(xiàn)異常。

4.3 燃機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火流程優(yōu)化

啟動(dòng)快速是燃?xì)廨啓C(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，一般從啟動(dòng)電機(jī)拖轉(zhuǎn)至點(diǎn)火的時(shí)間不超過(guò)200 s。但在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，由于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣接入余熱鍋爐，有時(shí)在啟動(dòng)時(shí)為了將排氣系統(tǒng)中的殘余天燃?xì)獯祾吒蓛簦枰獙Ⅻc(diǎn)火前的拖轉(zhuǎn)時(shí)間加長(zhǎng)。煙道容積不同，運(yùn)行及停機(jī)情況不同，產(chǎn)生對(duì)每次吹掃的時(shí)間要求并不一樣。針對(duì)此情況，修改了啟動(dòng)部分的邏輯，使點(diǎn)火前的拖轉(zhuǎn)時(shí)間參數(shù)化，此參數(shù)的更改不會(huì)影響后續(xù)邏輯的執(zhí)行。

4.4 增加金屬屑信號(hào)器自檢邏輯

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)在不同的潤(rùn)滑油回油管路上設(shè)置了金屬屑信號(hào)器檢測(cè)器，用于檢測(cè)回油中是否含有金屬屑，判斷燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部是否有部件損壞情況。由于燃?xì)廨啓C(jī)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(hào)器極少動(dòng)作。在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，運(yùn)行人員無(wú)法知道信號(hào)器是否還正常工作，一旦該信號(hào)器故障，燃?xì)廨啓C(jī)回油中出現(xiàn)的金屬屑將無(wú)法被檢測(cè)出來(lái)，將會(huì)造成嚴(yán)重事故。為此，燃機(jī)TCS增加了金屬屑信號(hào)器自檢邏輯，定時(shí)向信號(hào)器發(fā)出檢測(cè)信號(hào)，如果信號(hào)器正常工作則會(huì)給出反饋信號(hào)，否則認(rèn)為信號(hào)器有故障，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了和利時(shí)MACSV6控制系統(tǒng)在某分布式能源站國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的典型應(yīng)用，分析調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法，為相關(guān)工程決策、設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的參考，對(duì)同類型機(jī)組在設(shè)計(jì)、建造方面等有很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘鑫亮.9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠天然氣調(diào)壓站控制系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)裝備，2019（21）：100-101.

[2] 黃忠源，李進(jìn)，安洪光，等.天然氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)-碳捕獲機(jī)組節(jié)能改造及煙氣余熱利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37（14）：4147-4155.

[3] 薛瑋，張力輝.艦用航改燃?xì)廨啓C(jī)通用控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2016，42（4）：8-11.

[4] 余躍，張?zhí)旌?，盛漢霖，等.微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組快速原型控制器硬件在環(huán)試驗(yàn)研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2019，45（1）：70-75.

[5] 曹應(yīng)明.基于S7—400H的燃機(jī)發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2015，30（3）：53-56.