ABB公司的汽輪機自動控制及保護系統(tǒng)

1、ABB公司的汽輪機自動控制及保護系統(tǒng)發(fā)表時間:2002-9-9作者：摘要：一、概述    ABB公司曾經是全球知名的汽輪機、燃汽輪機制造商，對上述控制系統(tǒng)的深入研究，使ABB積累了為多種機組提供不同控制系統(tǒng)的豐富實踐經驗。ABB公司又是當今世界上最大的DCS 分散控制系統(tǒng)供應商，其Symphony 產品在許多工業(yè)控制領域得到廣泛應用。近二十年來，ABB旋轉機械控制部 (前美國ETSI公司) 就用Symphony (Infi-90) 分散系統(tǒng)為世界上各大公司配套生產了近700套汽輪機、燃汽輪機控制系統(tǒng)，中國內地約占10%。    為適應

2、我國電力工業(yè)迅速發(fā)展的需要，2001年初，ABB 中國旋轉機械控制部組建，它是ABB公司在中國從事汽輪機、燃汽輪機控制保護系統(tǒng)銷售、設計、總成和現場服務的專業(yè)部門。它以ABB貝利的第四代分散控制系統(tǒng)Symphony 為平臺，以ABB多年設計、生產汽輪機、燃汽輪機及其控制系統(tǒng)為依托，以與國內主機制造廠長期技術合作為經驗借鑒，竭誠為國內外用戶提供先進可靠的汽輪機、燃汽輪機控制保護設備，與ABB之DCS 一道來實現整個電站的一體化自動控制。    十年前，我國東方汽輪機廠率先從ABB貝利引進了大型汽輪機電液控制系統(tǒng)，技術合作逐年發(fā)展和加強。近來，尤其是ABB中國旋轉機械

3、部成立以后，我們又與哈爾濱、上海、北重、杭州和南京等主機廠廣泛接觸，普遍建立了良好的伙伴合作關系，ABB 的Symphony產品開始用于各廠的汽輪機控制。今后，我們將一如既往，與國內各主機廠緊密攜手，共同為用戶提供更好的服務。二、原理及組成    90年代末問世的ABB貝利第四代Symphony 分散控制系統(tǒng)不僅具有其物理位置分散、控制功能分散的優(yōu)點，更在決策過程管理和企業(yè)管理方面實現了集中統(tǒng)一，達到了當代世界分散控制的最高水平。采用Symphony 組成的汽輪機控制保護系統(tǒng)，將以子站的形式融入電站的DCS系統(tǒng)，實現信息和資源的共享，具體結構見圖1。不同用途的汽輪

4、機其控制保護系統(tǒng)各不相同。冷凝機組為轉速和負荷的閉環(huán)控制系統(tǒng)；供熱機組和背壓機組還將增加抽汽壓力和背壓的閉環(huán)控制，發(fā)電和供熱需實現"自治"；空冷機組更加關注排汽壓力的保護和限制等等。下面以冷凝機組為例進行說明。(見圖2)液壓部分有兩種形式：高壓抗燃油系統(tǒng):包括伺服機構、高低壓遮斷模塊和高壓油源三部分。低壓透平油系統(tǒng)：包括DDV直接驅動閥、執(zhí)行機構及低壓遮斷模塊，有的系統(tǒng)還要求提供單獨的低壓油源。高壓系統(tǒng)一般用于大型機組，低壓系統(tǒng)用在中、小機組上居多。    TSI電氣監(jiān)視儀表可方便的用Symphony專用的CMM11狀態(tài)監(jiān)視模件構成，每塊CMM

5、11狀態(tài)監(jiān)視模件構成，每塊CMM11模件有四個監(jiān)視通道，可根據監(jiān)視量的多少選擇所需的模件直接插入DEH的機箱中。這些模件分別采集現場傳感器的信號，轉換處理后輸入冗余的MFP多功能處理器，從而完成整臺機組的監(jiān)視與保護。另外，相應的數據還可通過數據服務器與軸系的專家分析系統(tǒng)聯接，實現機組的故障診斷，詳見圖1。ETS緊急停機裝置也可用冗余的MFP處理器和I/O模件來構成，它匯總所有的停機信號并執(zhí)行停機操作。三 控制保護系統(tǒng)特點    積多年設計和生產各類汽輪機及其控制系統(tǒng)的寶貴經驗，ABB的汽輪機控制與保護系統(tǒng)有以下顯著特點：1. 電站控制一體化設計統(tǒng)一設計和

6、提供汽輪機的DEH控制系統(tǒng)、TSI監(jiān)視儀表、ETS緊急停機裝置和BPS旁路控制系統(tǒng)，并作為ABB DCS控制的子站掛在C-Net網上，可實現整個電站的一體化控制和管理，方便用戶運行維護。2. 先進的控制技術和高度自動化由于熟悉各類汽輪機啟動運行的全過程，ABB擁有大量先進的控制策略，如升速過程防止轉速過沖的"軟著陸"程序、并網過程轉速自動搖擺程序等；針對冷凝機組和供熱機組甩負荷的防超速措施、防中排超溫措施；供熱機組熱電牽連和以熱定電的熱電聯供優(yōu)化設計方案；啟動運行中完善的閥門管理模式；以及對沖動式及反動式機組的熱應力計算及壽命管理經驗等等。凡此種種，保證了機組從沖轉到全負荷

7、可實現全過程平穩(wěn)自動控制。3. 在線試驗及在線維護能力強可按機組實際情況，自動完成所有的在線試驗，如：· 電氣和機械超速試驗· 危急遮斷器噴油試驗· 閥門嚴密性試驗· 閥門活動試驗· 遮斷電磁閥及壓力開關在線試驗· 離線和在線閥門靜態(tài)自動整定等在線維護及修改功能有：· 電氣模件在線插拔及更換· 在線維護單臺油動機的各個部件· 在線更換濾芯· 在線局部修改應用程序4. 人機界面友好，通訊接

8、口便利建立在Windows-NT中文平臺上的人機接口站畫面豐富、操作方便、管理有序、記錄準確。ABB 一體化的系統(tǒng)，內部可自由通訊；對其它系統(tǒng)，如西屋、西門子等，可通過ICI接口站或Modbus實現通訊。5. 軟件透明，硬件可靠以功能碼為基礎的CAD圖形組態(tài)軟件對用戶全透明，解讀容易，編制方便，增強了使用者的信心。小模件、高分散、適度冗余及高品質的硬件保證系統(tǒng)能長期可靠運行。四 控制及保護功能ABB用多對MFP多功能處理器來實現整臺機組的保護與控制。· DEH控制功能劃分為：i. BTC基本控制 - 完成機組的啟動、并網及帶負荷，還可增加主汽壓力保護、負

9、荷限制、快卸負荷等其它控制功能。ii. VMC閥門管理 -  完成多種閥門管理、進行閥門特性修正、實現閥門校驗和試驗及手動控制功能等。iii. ATC自動控制 -  以熱應力計算結果為依據，以軸系監(jiān)視參數為限制條件，去控制機組的啟動運行，并實現壽命管理，還可增加疏水控制等功能。iv. OPC超速保護控制 - 完成用負荷和跳閘停機的控制與保護功能。v. Conductor人機接口 - 實現操作和監(jiān)視。有畫面顯示、報警管理、趨勢預報、歷史記錄、報表日志及操作提示等功能。vi. Composer工程師站 - 用于軟件組態(tài)、系統(tǒng)調試

10、及軟件運行維護。· TSI監(jiān)視儀表的功能為完成機組軸系狀態(tài)的監(jiān)測、保護并可擴展到專家系統(tǒng)進行軸系的故障診斷。· ETS緊急停機裝置的功能為匯總所有的停機信號，執(zhí)行停機操作。下面詳細敘述。1. 全自動啟動功能    ABB公司的DEH可完成從盤車到滿負荷的全程自動啟動。沖轉前，若閥殼及高壓缸溫度低于150°C時，DEH將對其進行預暖，直到金屬溫度超過脆性轉變溫度，以降低熱應力，縮短啟動時間。    機組經過沖轉、暖機、達到定速時，DEH采用"軟著陸"技術，使機組平穩(wěn)到

11、達3000r.p.m，無轉速過沖；在并網時，DEH進入自動搖擺程序，即機組轉速可圍繞電網頻率有規(guī)律的上、下緩慢搖擺，等待機組滿足條件后順利并網。    ABB還可提供TAS自動同期專用模件，由DEH來比較和調節(jié)轉速、相位與電壓實現內部自動同期。2. 多種啟動運行方式    主汽門啟動 對西屋型引進機組，配有主汽門啟動程序，在95%轉速時自動切換到調門控制。    中壓缸啟動 對配有高低壓旁路的機組，可用中壓缸啟動。機組由中調門沖轉、定速、并網，當低旁全關時，DEH漸關中調門，漸開高調門， 

12、60;  并投入調節(jié)級壓力反饋，使機組按要求切換到高、中壓聯合啟動。切換點取決于旁路容量及啟動參數。    高中壓聯合啟動 熱態(tài)、極熱態(tài)工況或旁路不投入時，采用高、中壓聯合啟動方式使機組迅速接帶負荷。    定 滑 定運行 DEH可按用戶的要求完成定 滑 定啟動運行。    機爐協(xié)調 DEH可在啟動結束后，接受來自CCS協(xié)調控制器的信號實現機跟爐、爐跟機和機爐協(xié)調功能。3. 豐富的閥門管理模式    單閥/多閥運行方式 在啟動及負荷變動時，DEH控制調門按單閥方式工

13、作，機組全周進汽，受熱均勻，熱應力減小；在穩(wěn)定負荷工作時，按多閥方式工作，使節(jié)流損失降低，機組熱效率提高。閥門特性線修正    調節(jié)閥流量與升程曲線的非線性影響了機組的靜特性，以往用機械凸輪修正，誤差大，也無法調正。DEH可用軟件對非線性進行補償，使流量和升程線性化。運行中可根據實際情況對曲線進行修正，以獲得最佳的結果。    高中壓調門開度比控制    啟動過程中，為避免中調門節(jié)流，中壓缸總是比高壓缸開得快。當負荷<30%時，高、中壓調門開度比是固定的，譬如1：3，當負荷>30%時，一般情況中調門就全開。但對有

14、旁路的機組，為適應不同的工況，可調正高、中壓調門的開度比。空負荷或低負荷工況，鍋爐蒸發(fā)量大部分流過高旁，高壓缸的流量有限，高排溫度不可避免會升高，此時可適當開大高調門，略關中調門，使進入中壓缸的部分流量轉到高壓缸做功，以減小高排溫度。    當機組甩全負荷，高壓缸在小流量和高背壓(再熱壓力) 下運行一段時間后，高排溫度將上升到一個較高的值，一旦重新并網加負荷，溫度較低的新蒸汽反而會使高壓缸迅速冷卻，增大熱應力。為此，可緩慢開啟高調門，以免高壓缸受到過冷。     冷態(tài)啟動時，通過改變開度比，用中壓缸啟動方式來縮短啟動時間。&

15、#160;   鍋爐低負荷運行時，若再熱壓力難以維持最低值，則可調正開度比減小中調門開度。4. 先進的超速保護控制功能防止超速是汽輪機最重要的保護項目。ABB在深入分析研究并進行控制系統(tǒng)實物仿真后采取了多種有效措施。    油開關跳閘邏輯控制    當機組油開關跳閘后，迅速(0.1s)關閉高/中壓調門，抑止轉速動態(tài)飛升，2秒鐘后，邏輯消失，機組重新受轉速控制。    加速度控制    在油開關未跳的情況下甩負荷時，利用轉子的加速度信號，使機組迅速關閉高/中壓調門，抑止轉速快速

16、飛升。加速度減弱后恢復轉速控制。    功率負荷不平衡    為適應電網故障時電負荷迅速下降的事故工況，用比較汽機實發(fā)功率和發(fā)電機電負荷的辦法，當二者差值超過規(guī)定值時，立即關閉中壓調門2秒鐘，然后恢復轉速控制，使機組不致于加速脫網。超速預警    當機組甩負荷后轉速升高超過預警值103%時，立即關閉高/中壓調門。2秒鐘后邏輯消失，恢復轉速控制。5. 完善的在線實驗能力    ABB可按用戶要求實現機組多種在線試驗功能。    高/中壓調門靜態(tài)自動校驗  &

17、#160; 汽機啟動前必須校正DEH輸出信號與閥位的靜態(tài)關系，而且在運行中由于熱狀態(tài)的變化及其它因素，還需定期校驗靜態(tài)關系。為此，ABB專門設計了自動靜態(tài)校驗程序，可在集控室離線用30秒或60秒完成所有或單個閥門的校驗，也可在運行中用60分鐘完成對單個閥門的位置校驗，從而保證各閥門能夠全開、全關，在全程內受控。    電氣和液壓超速試驗    運行人員在控制室OIS 屏幕上分別選擇電氣或液壓超速試驗，以校驗電氣超速保護回路及機械危急遮斷器(1#, 2#)動作是否正常，并記錄最高動作轉速。    危急遮斷器自動噴油試

18、驗    為防止機組長期運行后危急遮斷器撞擊子卡澀，需定期試驗使其保持靈活。運行人員可在控制室OIS屏幕上完成移動杠桿、噴油進入撞擊子，并記錄和顯示試驗成功與否。    閥門嚴密性試驗    運行人員可在集控室用OIS屏幕分別完成機組的主汽門和調門的嚴密性試驗，并觀察和記錄惰走曲線。    閥門活動試驗    為防止閥門在運行中卡澀，運行人員可在集控室在線用OIS屏幕完成主汽門和調門的定期活動試驗，可選擇單個活動或成組活動，可全程或部分行程活動，并保持負荷穩(wěn)定。    遮斷電磁閥及壓力開關試驗    DEH控制系統(tǒng)中的高壓遮斷模塊的電磁閥均為四個串并聯結構，設計安全可靠。運行人員可在線用OIS屏幕進行單個電磁閥活動試驗，并顯示成功與否；低壓遮斷模塊也可設計成類似結構；壓力開關同樣可在隔離后進行試驗。6. 方便的在線維護能力    DEH控制系