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        汽輪機監(jiān)視儀表與主控系統(tǒng)一體化設(shè)計及應(yīng)用

        2022-10-15 01:25:30蒙映峰徐曉晨張振龍龍婷婷蒙俊昆
        東北電力技術(shù) 2022年9期
        關(guān)鍵詞:卡件集成式汽輪機

        蒙映峰,徐曉晨,張振龍,龍婷婷,蒙俊昆

        (1.青島華豐偉業(yè)電力科技工程有限公司,山東 青島 266100;2.日照凱迪生態(tài)能源有限公司,山東 日照 276800; 3.桂林魯山新型建材有限公司,廣西 桂林 541806;4.華南師范大學(xué)數(shù)學(xué)系,廣東 廣州 510631)

        汽輪機監(jiān)視儀表(以下簡稱TSI)一般檢測汽輪發(fā)電機組的參數(shù)包括轉(zhuǎn)速(電超速保護用轉(zhuǎn)速和零轉(zhuǎn)速)、軸向位移、脹差、偏心、軸承座絕對振動、軸振動、熱膨脹(缸體膨脹)等,在汽輪機的狀態(tài)監(jiān)視和分析、運行保護作用上非常重要[1-3]。

        由于汽輪機廠一般會獨立配置TSI、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)(以下簡稱ETS)、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(以下簡稱DEH),極大概率與儀控專業(yè)的DCS系統(tǒng)不同,造成了測控系統(tǒng)各不相同的現(xiàn)象。

        為了降低設(shè)計的復(fù)雜性及基建投資,提高系統(tǒng)運行的可靠性,減輕調(diào)試、維護人員的工作量及時間,減少備品備件的數(shù)量,有必要將TSI系統(tǒng)與主控系統(tǒng)進行一體化集成。一體化的依據(jù)來自GB/T 38921—2020[4]的第3.2條:汽輪機安全保護系統(tǒng),由ETS及其相關(guān)的測量儀表與執(zhí)行設(shè)備組成;第4.4條:汽輪機安全保護系統(tǒng)的控制裝置宜與機組其它控制系統(tǒng)一體化配置,控制器應(yīng)獨立、冗余配置。

        1 發(fā)電廠的儀控系統(tǒng)

        1.1 項目概況

        某生物質(zhì)電廠由河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司設(shè)計,目前已經(jīng)正常運行超過18個月,裝機容量1×30 MW。汽輪機發(fā)電機組由東方電氣提供,汽輪機單缸單排汽,轉(zhuǎn)速為5250 r/min,通過齒輪箱降速至3000 r/min,驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)動。

        儀控專業(yè)方面,DCS、DEH、ETS全部由NT6000型DCS系統(tǒng)監(jiān)視和控制,除個別外圍的小系統(tǒng)可用編程控制器控制外,基本實現(xiàn)了全廠控制系統(tǒng)的軟硬件一體化。

        1.2 分開設(shè)計時部分儀控系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)信號

        DEH、ETS、TSI一般隨汽輪機配供,常見是分開設(shè)計。各系統(tǒng)間的信號聯(lián)絡(luò)示意圖見圖1??梢娪步泳€信號繁多,設(shè)計、施工、調(diào)試工作量大。

        2 TSI與主控系統(tǒng)一體化的工作

        2.1 NT6000系統(tǒng)

        NT6000分散控制系統(tǒng)主要有系統(tǒng)軟件、分散處理單元與上位機之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò),包括交換機、DPU、DPU與I/O卡件間的通信總線、本地及遠(yuǎn)程I/O卡件。NT6000型DCS系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖2。

        2.2 NT6000系統(tǒng)的專用卡件

        NT6000系統(tǒng)除了常用的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、DO數(shù)字量輸出等通用卡件外,還研發(fā)了專用卡件,為一體化工作奠定了基礎(chǔ)。表1是涉及DEH、TSI、ETS的部分卡件信息。

        表1 DEH、TSI、ETS部分專用卡件

        2.3 汽輪機的軸系測點

        根據(jù)汽輪機廠提供的資料,本機組軸系有以下測點。

        轉(zhuǎn)速5點:其中發(fā)電機轉(zhuǎn)速1點,零轉(zhuǎn)速1點,超速3點。另外DEH有3個測速點,1個就地轉(zhuǎn)速表測點,均不接入TSI。

        軸振16點:其中汽輪機和發(fā)電機前、后共4個軸承、齒輪箱高速軸和低速軸共4個軸承,每個軸承X、Y方向各一點。

        軸向位移4點:其中汽輪機和齒輪箱各2點,脹差2點。

        鍵相3點:偏心1點,缸脹1點。

        2.4 集成TSI時考慮的幾個問題

        2.4.1 分開式與集成式設(shè)計的步序比較

        從信號的處理流程可以做一個簡單的比較(見圖3),可見分開式設(shè)計需用6個步序,而集成式設(shè)計只用3個步序就完成了“信號采集→邏輯判斷→信號輸出”工作,簡化了工作流程。

        2.4.2 系統(tǒng)安全及獨立性、實時性

        本項目ETS系統(tǒng)配置了1對KM951A控制器,只負(fù)責(zé)汽輪機TSI參數(shù)的監(jiān)測,以及ETS跳閘保護,符合GB/T 38921的4.4條的安全及獨立性要求。

        查ETS有27點DI、26點DO,TSI有32點,因此將TSI信號接入ETS,除TSI專用卡件外,無需增加其他的DCS硬件設(shè)施,也毫無運算速度、運算量壓力。

        系統(tǒng)實時性復(fù)核如下。

        查NT6000產(chǎn)品手冊[5]可知:DPU控制周期為5~200 ms可調(diào),冗余切換時間為2 ms。因此DPU控制周期設(shè)定為10 ms,滿足GB/T 38921第6.5.1.1的要求:處理周期應(yīng)不大于20 ms。

        查NT6000產(chǎn)品手冊可知:模擬量控制回路控制周期為10 ms,開關(guān)量控制回路控制周期為5 ms。

        查軸振/位移KM534A手冊可知:軸振、脹差、軸向位移卡件數(shù)據(jù)更新時間為2 ms。

        故控制器可在1個周期(10 ms)內(nèi)采集完所有開關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù),并有判斷信號越危險定值的保護輸出至ETS跳閘繼電器板KB434C,而繼電器板在10 ms內(nèi)動作。則TSI/ETS軟件保護時長為20 ms。滿足GB/T 13399—2012《汽輪機安全監(jiān)視裝置技術(shù)條件》的3.4.7條:對作為緊急停機處理的監(jiān)視項目,從信號的發(fā)生到監(jiān)測裝置輸出應(yīng)限制在小于50 ms時間范圍內(nèi)[6]。

        2.5 轉(zhuǎn)速硬接線后備保護回路

        DEH的3塊轉(zhuǎn)速測量卡,每卡輸出1個110%超速信號到ETS系統(tǒng)的跳閘繼電器板,做硬件三取二邏輯判斷直接跳機。

        2.5.1 精度要求

        查轉(zhuǎn)速測量KM533A卡:精度±0.1%(3000 r/min)。滿足GB/T 13399相關(guān)要求。

        再查軸振/位移KM534A卡:測量精度±1%,分辨率1 μm。滿足GB/T 13399相關(guān)要求。

        2.5.2 提高機組運行可靠性

        由于采用DCS系統(tǒng)一體化設(shè)計,且從現(xiàn)場一次測量元件到卡件、系統(tǒng)都由同一廠家生產(chǎn),而全部DCS硬件均通過了電磁兼容性等嚴(yán)格測試,質(zhì)量好,減少了不同系統(tǒng)間的電纜接線松動、污染、老化等隱患,避免了不同系統(tǒng)間接口不匹配、有干擾從而造成工作異常問題,極大提高了系統(tǒng)可靠性[7-14]。

        2.5.3 減輕工作量

        邏輯組態(tài)也是集成在NT6000系統(tǒng)中,與DCS系統(tǒng)其他的常規(guī)邏輯做法一致。因此TSI信號可以直接被其他控制器、上位機在網(wǎng)絡(luò)上引用,系統(tǒng)的控制和畫面組態(tài)、調(diào)試、維護相當(dāng)方便。

        2.6 分開式與集成式設(shè)計的總體比較

        分開式與集成式TSI的總體比較見表2。

        表2 分開式與集成式TSI系統(tǒng)的比較

        粗略計算設(shè)計、調(diào)試的人工費用,建筑安裝的直接及間接費用,備件及專用工具的費用等,分開式比集成式設(shè)計投資高出25~30萬元。

        2.7 集成式系統(tǒng)的存在問題處理

        2.7.1 卡件分配不合理

        在調(diào)試時發(fā)現(xiàn),TSI超速保護用的3塊KM533A轉(zhuǎn)速卡被廠家分配到同一個分支,不符合風(fēng)險分散的要求。后更改設(shè)計,在機柜正面的每一列分布1塊轉(zhuǎn)速卡,解決了此問題。

        2.7.2 轉(zhuǎn)速自校準(zhǔn)問題

        GB/T 13399要求電超速保護裝置應(yīng)有自校試驗功能,試驗時能自動切除開關(guān)量的輸出[15]。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)廠家遺漏此設(shè)計,可通過技術(shù)改造處理此問題。

        2.7.3 與TDM聯(lián)系的問題

        卡件預(yù)留了軸系振動、鍵相的緩沖信號,可直接送原始信號給旋轉(zhuǎn)機械的振動分析系統(tǒng)。但由于需要在卡件上接線,在機組運行過程中進行此工作存在一定的設(shè)備誤動隱患。建議以后設(shè)計時應(yīng)將信號預(yù)先引至端子排。

        3 結(jié)語

        針對本工程規(guī)模較小、系統(tǒng)齊全的特點,全廠控制以設(shè)置在機組集中控制室的DCS操作員站為監(jiān)控中心,實現(xiàn)了常規(guī)的機、爐、電集中控制, 監(jiān)控平臺統(tǒng)一,控制系統(tǒng)軟硬件統(tǒng)一。全廠控制DCS一體化的實現(xiàn)避免了DCS系統(tǒng)與多種硬件設(shè)備接口的麻煩,減少了備品備件種類,簡化了維護、運行人員的培訓(xùn)。本項目實現(xiàn)了TSI與主控系統(tǒng)(DCS)的軟硬件一體化,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性,大大減輕了設(shè)計、調(diào)試、維護整個流程上的工作,減少了許多直接和間接費用。系統(tǒng)目前運行正常,說明一體化工作可行,為實現(xiàn)全廠DCS一體化控制提供參考。

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