集成控制系统在热电厂汽轮发电机组中的运用

沈勤华

摘要

为了确保汽轮发电机组的正常运行，必须配置一套安全、稳定、快速响应的控制系统。在热电厂汽轮发电机组运行过程中，集成控制系统起着非常重要的作用。本文针对集成控制系统在热电厂汽轮发电机组中的运用进行阐述与分析。

【关键词】集成控制系统 热电厂 汽轮发电机组 运用

随着自动化技术和信息技术的不断发展，传统仪表已经不能满足热电厂汽轮发电机组的自动化需求。虽然汽轮机数字电液调节系统（DEH）以及辅机自动控制系统已经大量应用，发电机电气系统也已经从单设备监控发展到基于微处理器、模块化、网络化的电气综保系统控制，但由于仪表控制系统和电气控制系统互相独立，无法实时、协调地满足热电厂安全、稳定、高效的运行要求，越来越需要一套集成控制系统把仪表控制系统和电气控制系统集成，实现仪电协调控制，这样能更合理地平衡热负荷和电负荷，并对各项资源进行優化利用，这种仪表和电气的结合将成为一种必然发展趋势。以下根据笔者的工作经验，针对集成控制系统在热电厂汽轮发电机组中的应用进行阐述与分析。

1 集成控制系统的应用分析

集成控制系统是一种融合自动控制技术、信息技术、智能仪表、互联网技术于一体的生产控制模式，能够按照预设要求来完成相关的目标。热电厂以热电联产方式运行，既能生产电能又能生产热能。工厂最关键的设备是汽轮机及发电机，因此汽轮发电机组的集成控制非常重要。热能的蒸汽源来自抽汽式汽轮机的可调抽汽或背压式汽轮机的排汽，同时汽轮机做功把机械能转换成电能。热能供工业生产和民用采暖，蒸汽热效率非常高。电能可以上大电网，也可用于工厂自供电。热电联产这种供热和供电的运行模式，需要一套集成控制系统用于控制热电平衡，在保证热负荷条件下合理发电，才能即节能又环保，并收到良好的综合效益。集成控制系统可以替代传统的人工调节，提高热电厂的生产效率与生产质量，并降低工作人员劳动强度。一旦遇到故障问题，也能够及时处理，避免安全事故的发生，因此，在热电厂汽轮发电机组中，应用集成控制系统具有重要的价值和意义。

2 热电厂汽轮发电机组集成控制系统组成

2.1 汽轮机数字电液调节系统（DEH）

在热电厂汽轮发电机组的运行中，转速的不稳定将影响机组的正常运行。DEH系统在机组并网前实现从冲转到额定转速的自动升速控制，并网后DEH系统能控制供热网的蒸汽压力（抽汽或排汽），还能控制上网的有功功率。在具体的应用过程中，可以根据热电厂升速曲线、升速速率等参数来进行调节，将转速自动从零转速升速至暖机转速，按照程序设定的暖机时间自动暖机，然后再按照设定的升速率自动升速到额定转速。机组到达额定转速后，进入同期等待。当同期装置自动同期，机组并网后，为了防止机组逆功率运行，DEH程序设定机组自动带初负荷（3%额定负荷）。操作员可以设定负荷给定值，DEH按照设定的加载负荷速率和PID系数实现负荷控制。负荷速率和PID系数可以根据实际运行情况进行在线调整。当机组达到一定负荷后（数值可以根据要求调整），可以投入抽汽或排汽压力控制。控制模式可以手动或者自动切换，通过调整给定值、速率、PID系数，可实现机组实时监控，有效减小了工作人员的操作压力，且操作简单、安全、方便。对背压机组，考虑到热电厂汽轮发电机组的滞后性与稳定性，为了提高负荷响应速度，在汽机转速控制回路中设置串级控制用于控制排汽压力。

2.2 安全保护系统（ETS）及辅机控制系统

对于热电厂生产而言，安全是第一要素，每台汽轮发电机组必须配置安全保护系统。对一些关键的保护信号，还必须配置独立的保护装置，如独立的满足SIL3要求的电超速保护装置。主要的跳闸保护信号有：转速高高、润滑油压低低、抽汽压力低低（抽汽机组）或者排汽压力高高（背压机组）、轴位移过大、机轴振动过大、轴瓦温度高高、发电机定子温度高高、发电机保护停机等。任何一个停机信号产生时，ETS系统会输出停机信号到停机电磁阀，停机电磁阀动作，切断速关油路，关闭汽轮机主汽门，使整个机组紧急停机，从而避免各种生产安全事故。

辅机系统包含各种油泵、油箱加热器、盘车装置，如果是冷凝机组还有凝泵及液位调节阀等设备，这些辅机可以用一套控制系统（PLC）进行控制，根据机组的操作运行要求进行手动或自动启停及自动调节，确保整个机组的安全可靠运行。

2.3 机械监测系统（TSI）

机组运行时，必须设置一套独立的轴系监测装置。主要的监测参数为轴位移、轴振动。机组运行时会产生比较大的轴向推力，转子的轴向位置会偏离原点，即产生轴位移。当轴位移过大时会导致推力瓦磨损以及动静设备间产生摩擦，这样会导致机械设备严重损坏，因此轴位移过大必须停机处理。机组由于启动时汽缸内受热不匀、转子弯曲等原因都会导致轴振动过大。轴振动过大会导致转动部件损坏、转子更加弯曲等各种严重后果，因此当轴振动过大时一定要停机处理。

2.4 发电机保护装置

为了保证电力系统的正常工作以及发电机设备安全，需配置一套继电保护装置。主要保护功能有：差动保护、零序保护、失磁保护、逆功率保护、过电流保护、过电压保护、频率保护、转子接地保护等。任何一种保护动作都会引发汽轮发电机组停机及跳发电机出口断路器。

2.5 自动同期装置

当汽轮机转速达到额定转速时，同期装置自动检测发电机侧和电网侧的频率、电压、相位是否到达同期范围，如果满足条件就发出合闸命令给发电机出口断路器，使之合闸，机组并网运行。

2.6 发电机励磁装置（AVR）

机组并网前AVR用于自动调节发电机机端电压。并网后，根据所选择的工作模式（恒功率因数或恒无功），AVR可以自动调节无功或功率因数。

2.7 上位监控系统

上位监控系统由操作员站、工程师站、打印机组成，配置监控软件、通讯软件等。仪表控制系统和电气控制系统所需要的各种监控操作画面集成在同一台操作员站上，操作员可以同时监视仪表和电气系统运行状况，并根据需要协调操作。如背压机组并网运行时，当DEH控制排汽压力时，会影响有功功率，当有功发生变化时，AVR必须同时调节无功，才能保证机组的功率因数，确保机组稳定运行。由于是集成控制系统，系统将自动根据有功的变化给AVR发指令调无功。但对于仪表和电气互相独立的系统，需要操作员之间互相通知，人工给定调节无功，这样不利于系统及时响应及稳定运行。

3 应用项目

泰国热电厂一台15MW背压式汽轮发电机组采用集成控制系统，机组已经稳定运行近5年，状况良好。

3.1 系统配置

DEH采用Woodward 505，ETS和辅机控制系统采用Siemens S7-400 PLC系统，电超速保护装置采用Woodward GII，TS1采用Bently3500，发电机保护装置采用GESR489，同期裝置和AVR采用国产设备，上位监控软件采用SiemensWinCC软件。DEH、同期装置、AVR，这三个装置和PLC之间信号采用硬接线。TSI和发电机保护装置除了跳闸信号硬接线到PLC外，其它信号通过Modbus RTU通讯到PLC。集成控制系统和工厂DCS之间采用OPC通讯。

操作员站画面有流程图监视、DEH操作、AVR操作、PID系数调整、ETS监控、SOE、轴系监视、发电机保护信息监视、发电机单线图、马达操作、数据记录、参数报警、历史和实时趋势、报表打印等功能。

3.2 系统特点

（1）电气不单独设置操作员站，所有电气系统的监控操作和仪表系统集成在一起，节省设备和人力成本。

（2）PLC系统作为Modbus通讯主站，和发电机保护装置及TSI通讯。在PLC中开发通讯程序，对两台从站装置进行轮询读写。

（3）在PLC中开发负荷控制程序，通过PLC系统采集的进汽参数、排汽参数、有功、无功、功率因数，自动对DEH和AVR发指令进行有功、无功调节。这样可以根据蒸汽参数的变化尽可能地多发电，充分利用能源，节能环保。独立的电气系统无法实现这个功能。

（4）由于国产AVR只能通过增磁、减磁开关量信号来调节励磁电流，不能满足海外用户对参数连续调节的需求。在PLC中开发了设定值转换功能，操作员站画面可以输入目标值，PLC内部程序转成增、减脉冲量输出到AVR，从而实现连续调节，快速响应的要求。

（5）由于集成在一套系统，仪表跳闸信号和电气跳闸信号采用统一时钟，事故追忆更清晰。

4 结束语

整合了仪表和电气的集成控制系统在热电厂汽轮发电机组中的应用，能够提高生产率，改进工作效能，促进热电厂现代化、自动化趋势的发展，确保各个环节的稳定运行，具有良好的应用前景。

参考文献

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