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(jī)監(jiān)視儀表(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TSI)一般檢測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)包括轉(zhuǎn)速(電超速保護(hù)用轉(zhuǎn)速和零轉(zhuǎn)速)、軸向位移、脹差、偏心、軸承座絕對(duì)振動(dòng)、軸振動(dòng)、熱膨脹(缸體膨脹)等，在汽輪機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視和分析、運(yùn)行保護(hù)作用上非常重要[1-3]。

由于汽輪機(jī)廠(chǎng)一般會(huì)獨(dú)立配置TSI、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ETS)、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DEH)，極大概率與儀控專(zhuān)業(yè)的DCS系統(tǒng)不同，造成了測(cè)控系統(tǒng)各不相同的現(xiàn)象。

為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及基建投資，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，減輕調(diào)試、維護(hù)人員的工作量及時(shí)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(jìn)行一體化集成。一體化的依據(jù)來(lái)自GB/T 38921—2020[4]的第3.2條：汽輪機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)，由ETS及其相關(guān)的測(cè)量?jī)x表與執(zhí)行設(shè)備組成；第4.4條：汽輪機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的控制裝置宜與機(jī)組其它控制系統(tǒng)一體化配置，控制器應(yīng)獨(dú)立、冗余配置。

1 發(fā)電廠(chǎng)的儀控系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目概況

某生物質(zhì)電廠(chǎng)由河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)正常運(yùn)行超過(guò)18個(gè)月，裝機(jī)容量1×30 MW。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組由東方電氣提供，汽輪機(jī)單缸單排汽，轉(zhuǎn)速為5250 r/min，通過(guò)齒輪箱降速至3000 r/min，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

1.2 分開(kāi)設(shè)計(jì)時(shí)部分儀控系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)

DEH、ETS、TSI一般隨汽輪機(jī)配供，常見(jiàn)是分開(kāi)設(shè)計(jì)。各系統(tǒng)間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)示意圖見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)硬接線(xiàn)信號(hào)繁多，設(shè)計(jì)、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(jī)之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)，包括交換機(jī)、DPU、DPU與I/O卡件間的通信總線(xiàn)、本地及遠(yuǎn)程I/O卡件。NT6000型DCS系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

2.2 NT6000系統(tǒng)的專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)用卡件

2.3 汽輪機(jī)的軸系測(cè)點(diǎn)

根據(jù)汽輪機(jī)廠(chǎng)提供的資料，本機(jī)組軸系有以下測(cè)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)速5點(diǎn)：其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1點(diǎn)，零轉(zhuǎn)速1點(diǎn)，超速3點(diǎn)。另外DEH有3個(gè)測(cè)速點(diǎn)，1個(gè)就地轉(zhuǎn)速表測(cè)點(diǎn)，均不接入TSI。

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

軸向位移4點(diǎn)：其中汽輪機(jī)和齒輪箱各2點(diǎn)，脹差2點(diǎn)。

鍵相3點(diǎn)：偏心1點(diǎn)，缸脹1點(diǎn)。

2.4 集成TSI時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題

2.4.1 分開(kāi)式與集成式設(shè)計(jì)的步序比較

從信號(hào)的處理流程可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較(見(jiàn)圖3)，可見(jiàn)分開(kāi)式設(shè)計(jì)需用6個(gè)步序，而集成式設(shè)計(jì)只用3個(gè)步序就完成了“信號(hào)采集→邏輯判斷→信號(hào)輸出”工作，簡(jiǎn)化了工作流程。

2.4.2 系統(tǒng)安全及獨(dú)立性、實(shí)時(shí)性

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

查ETS有27點(diǎn)DI、26點(diǎn)DO，TSI有32點(diǎn)，因此將TSI信號(hào)接入ETS，除TSI專(zhuān)用卡件外，無(wú)需增加其他的DCS硬件設(shè)施，也毫無(wú)運(yùn)算速度、運(yùn)算量壓力。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)性復(fù)核如下。

查NT6000產(chǎn)品手冊(cè)[5]可知：DPU控制周期為5～200 ms可調(diào)，冗余切換時(shí)間為2 ms。因此DPU控制周期設(shè)定為10 ms，滿(mǎn)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(cè)可知：模擬量控制回路控制周期為10 ms，開(kāi)關(guān)量控制回路控制周期為5 ms。

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

故控制器可在1個(gè)周期(10 ms)內(nèi)采集完所有開(kāi)關(guān)量、模擬量的數(shù)據(jù)，并有判斷信號(hào)越危險(xiǎn)定值的保護(hù)輸出至ETS跳閘繼電器板KB434C，而繼電器板在10 ms內(nèi)動(dòng)作。則TSI/ETS軟件保護(hù)時(shí)長(zhǎng)為20 ms。滿(mǎn)足GB/T 13399—2012《汽輪機(jī)安全監(jiān)視裝置技術(shù)條件》的3.4.7條：對(duì)作為緊急停機(jī)處理的監(jiān)視項(xiàng)目,從信號(hào)的發(fā)生到監(jiān)測(cè)裝置輸出應(yīng)限制在小于50 ms時(shí)間范圍內(nèi)[6]。

2.5 轉(zhuǎn)速硬接線(xiàn)后備保護(hù)回路

DEH的3塊轉(zhuǎn)速測(cè)量卡，每卡輸出1個(gè)110%超速信號(hào)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(jī)。

2.5.1 精度要求

查轉(zhuǎn)速測(cè)量KM533A卡：精度±0.1%(3000 r/min)。滿(mǎn)足GB/T 13399相關(guān)要求。

再查軸振/位移KM534A卡：測(cè)量精度±1%，分辨率1 μm。滿(mǎn)足GB/T 13399相關(guān)要求。

2.5.2 提高機(jī)組運(yùn)行可靠性

由于采用DCS系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，且從現(xiàn)場(chǎng)一次測(cè)量元件到卡件、系統(tǒng)都由同一廠(chǎng)家生產(chǎn)，而全部DCS硬件均通過(guò)了電磁兼容性等嚴(yán)格測(cè)試，質(zhì)量好，減少了不同系統(tǒng)間的電纜接線(xiàn)松動(dòng)、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(wèn)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(hào)可以直接被其他控制器、上位機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上引用，系統(tǒng)的控制和畫(huà)面組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)相當(dāng)方便。

2.6 分開(kāi)式與集成式設(shè)計(jì)的總體比較

分開(kāi)式與集成式TSI的總體比較見(jiàn)表2。

表2 分開(kāi)式與集成式TSI系統(tǒng)的比較

粗略計(jì)算設(shè)計(jì)、調(diào)試的人工費(fèi)用，建筑安裝的直接及間接費(fèi)用，備件及專(zhuān)用工具的費(fèi)用等，分開(kāi)式比集成式設(shè)計(jì)投資高出25～30萬(wàn)元。

2.7 集成式系統(tǒng)的存在問(wèn)題處理

2.7.1 卡件分配不合理

在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，TSI超速保護(hù)用的3塊KM533A轉(zhuǎn)速卡被廠(chǎng)家分配到同一個(gè)分支，不符合風(fēng)險(xiǎn)分散的要求。后更改設(shè)計(jì)，在機(jī)柜正面的每一列分布1塊轉(zhuǎn)速卡，解決了此問(wèn)題。

2.7.2 轉(zhuǎn)速自校準(zhǔn)問(wèn)題

GB/T 13399要求電超速保護(hù)裝置應(yīng)有自校試驗(yàn)功能，試驗(yàn)時(shí)能自動(dòng)切除開(kāi)關(guān)量的輸出[15]。在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)廠(chǎng)家遺漏此設(shè)計(jì)，可通過(guò)技術(shù)改造處理此問(wèn)題。

2.7.3 與TDM聯(lián)系的問(wèn)題

卡件預(yù)留了軸系振動(dòng)、鍵相的緩沖信號(hào)，可直接送原始信號(hào)給旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)分析系統(tǒng)。但由于需要在卡件上接線(xiàn)，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行此工作存在一定的設(shè)備誤動(dòng)隱患。建議以后設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將信號(hào)預(yù)先引至端子排。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本工程規(guī)模較小、系統(tǒng)齊全的特點(diǎn),全廠(chǎng)控制以設(shè)置在機(jī)組集中控制室的DCS操作員站為監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)了常規(guī)的機(jī)、爐、電集中控制, 監(jiān)控平臺(tái)統(tǒng)一，控制系統(tǒng)軟硬件統(tǒng)一。全廠(chǎng)控制DCS一體化的實(shí)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(lèi),簡(jiǎn)化了維護(hù)、運(yùn)行人員的培訓(xùn)。本項(xiàng)目實(shí)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(jì)、調(diào)試、維護(hù)整個(gè)流程上的工作，減少了許多直接和間接費(fèi)用。系統(tǒng)目前運(yùn)行正常，說(shuō)明一體化工作可行，為實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)DCS一體化控制提供參考。