燃气发电机组集成自动化控制系统

张志飞 闫可

[摘    要]瓦斯内燃机作为瓦斯发电行业重要组成部分，其设备效率决定了整个发电工艺流程的生产功耗，作為在高浓瓦斯发电表现出色的进口机组，进口燃气发动机以其高效、低运行成本和高度可靠性而广泛使用。其燃气发动机有机结合了高输出效能、低排放和低建设成本等优点，但是近年来在实际运行中却因国内外系统不兼容造成了设备性能的损失。通过分析现阶段国内外系统差异，研究设计了一种燃气发电机组集成自动化控制系统，属于变频风机运行控制技术领域，该系统可根据散热器中冷水和缸套水出水温度，根据现场情况自动调节启停风机台数和频率等。系统具有很强的实用性和可靠性， 大大提升了机组运行效率，降低发电成本，满足国家对企业节能减排的要求。

[关键词]集成自动化控制;系统兼容;瓦斯发电

[中图分类号]TG333 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]Gas internal combustion engine is an important part of the gas power generation industry. Its equipment efficiency determines the production power consumption of the entire power generation process. As an imported unit that performs well in high-concentration gas power generation， imported gas engines are characterized by their high efficiency， low operating cost and high Reliability is famous all over the world. Its gas engine organically combines the advantages of high output efficiency， low emissions， and low construction costs. However， in recent years， in actual operation， the incompatibility of domestic and foreign systems has caused the loss of equipment performance. Based on the analysis of the differences between domestic and foreign systems at this stage， this paper studies and designs an integrated automation control system for gas generator sets， which belongs to the technical field of variable frequency fan operation control. Adjust the number and frequency of start and stop fans. The system has strong practicability and reliability， which greatly improves the operating efficiency of the unit， reduces the cost of power generation， and meets the national requirements for energy saving and emission reduction of enterprises.

[Keywords]integrated automation control; system compatibility; gas power generation

全球领先反复式燃气发动机、成套发电机组及热电双联供等发电设备制造商GE，该厂商机组可依靠煤矿瓦斯、工业废气等各类可燃气体进行燃烧做功。在高浓瓦斯发电行业内，GE颜巴赫以其将高输出效能、低排放和低建设成本等优点从而占据领先地位。其燃气发动机是按照燃气特性来进行设计的，缸体及曲轴连杆设计更适应于燃气长期运行的要求与特性，其12.5∶1的压缩比远低于柴油机的17∶1，大大提高发动机的使用寿命。GE颜巴赫燃气发动机的大修周期长达60 000～80 000 h就充分说明了这一点。维修间隙长，便于维护的内燃机设计和低燃料消耗确保了效率的最大化

燃气发电机组及其控制系统为奥地利颜巴赫厂家研发生产，为其配套的台散及供电系统为国产设备，两者在控制上难以做到合理对接。经过走访沟通奥地利颜巴赫厂家无法开放其运行参数，国内配套厂家也无法理解燃机运行详情，从而难以投入人力财力去开发一套专门为某公司使用的系统。在实际运行中运行人员发现设备缸套水/中冷水的温度、三通门的开度，台扇的启停混乱且调整不及时，进一步降低设备运行效率。同时台扇变频器只能一软启动，无法根据缸套水/中冷水的温度实时调整变频导致浪费电能，台散变频器也失去了实际意义。在很多火电厂，风机是其运行的主要设备，耗电量占厂用电的30%左右，其运行调节方式通常是通过调节挡板、阀门开度来调节风量。这种调节方式其驱动电动机的输出功率不随机组负荷变化进行调节，大量电能消耗在节流损失中。针对这一情况提出了一种燃气发电机组集成自动化控制系统，属于变频风机运行控制技术领域，该系统可根据散热器中冷水和缸套水出水温度，自动控制各自变频器的启停风机台数和频率，大大提升机组运行效率，降低发电成本。

1 现状分析

某发电公司现有数台进口燃气发电机组，每台燃机配备有两台远程散热器，分别为中冷水冷却系统和缸套水冷却系统，且两路冷却系统各自独立。每台远程散热器配备有三台散热风机，每台风机配备一台变频器。燃机设备启动后，中冷水和缸套水由远程散热器冷却，保证机组受热零件散热功能正常，使其发动机在适合的温度状态下工作。每台风机均配备一台变频器，控制方式为控制命令给出后，风机变频启动，启动后加载至50 Hz运行，启动后频率不能调整。这就导致在实际运行时，风机运行无法根据现场温度变化进行实时调整，造成内部电力损耗，同时启动台数也无法调整，进一步加剧能源消耗。

2 控制目标

（1）将已有控制台散的控制线路拆除，利用燃机启动信号（通过缸套水泵/中冷水泵的启停信号）投入和退出台散自动控制系统，燃机台散集成自动化控制系统投入后，可根据温度测点信号控制启停台散电机数量及频率。

（2）采用型号为PT100的温度传感器测量中冷水和缸套水温度，二者出口处均有温感测点，测定范围从-50～150℃。

（3）启动燃机，PLC模块接收启动台散指令并进行系统预备启动。台散风机的启停是由PLC控制系统投入后收到的测点温度是否达到预设值决定，该温度预设值是可随外设实时调整的。

（4）PLC通过检测温度变化，按既定温度控制缸套水/中冷水各自三台变频器启停台数及频率。当台散风机根据台散出口温度变化启动后，系统会根据测点温度与预设值的偏差调整风机的频率和数量，现场有一台为变频风机，其余两台为工频。

3 运行方式

如图1所示，本系统包括如下步骤：

（1）启动燃机，两套冷却系统的启动由各自水泵控制;

（2）缸套水冷却系统、中冷水冷却系统启动后再根据测点温度通过PLC控制系统自动控制缸套水冷却系统、中冷水冷却系统工作;

（3）PLC控制系统通过缸套水出水口的测点温度和/或燃机负载控制缸套水冷却系统的风机数量和频率，使缸套水出水口温度变化控制在设定范围内;

（4）PLC控制系统通过中冷水出水口的测点温度和/或燃机负载控制缸套水冷却系统的风机数量和频率，使中冷水出水口温度变化控制在设定范围内。

步骤（2）中控制缸套水冷却系统、中冷水冷却系统启动的测点温度分别为缸套水、中冷水出水口处设定的最高温度;缸套水冷却系统、中冷水冷却系统分別设置有三台散热风机，其中至少一台风机为变频风机。其频率由现场运行温度实时采集进行调整。

在温度升高阶段，变频风机根据温度变化调整频率的步骤如下：

设定在运行过程中出水口温度包括包括两个阶段，第一阶段为中低温段，第二阶段为中高温段.变频风机在第一阶段运行过程中保持设定的最低频率运行，变频风机在第二阶段根据温度的升高调整频率升高，直至达到设定的最高运行频率。

在温度降低阶段，变频风机根据温度变化调整频率的步骤如下：

设定在运行过程中出水口温度包括两个阶段，第一阶段为中高温段，第二阶段为中低温段。变频风机在第一阶段根据温度的降低调整频率减小，直至达到设定的最低运行频率，变频风机在第二阶段运行过程中保持设定的最低频率运行。PLC控制系统对每台风机运行的时间做累计，在控制风机启停时每次以累计运行时间最短的优先启动。

本系统提供的燃气发电机组变频风机运行控制方法主要通过散热器中冷水和缸套水出水温度，自动控制各自变频器的启停风机台数和频率。

4 程序要求

程序上要求记录每台设备持续运时间，启动策略优先考虑累计运行时间最短设备将控制模式分为远程和就近两种控制模式，分别设于触摸屏和控制柜上。该系统还拥有手动模式/自动模式两种操作模式，手动模式可以在触摸屏手动启停任何一台风机，变频风机还可以通过手动调整频率转速，对故障进行复位。

5 辅助设备

为保证该系统安全稳定运行，当启动失败时自动启动下一台（如变频器报故障或者其他原因没有启动成功），保证在某台风机或者变频器发生故障时不会影响台散正常启动。整套系统设有触摸屏，功能为监视各风机运行参数;监视散热器测点温度;设备故障录入等。该触摸屏可实现启动、停止、故障复位、频率给定等。

当温度信号故障或丢失后，或者有其他原因导致控制系统失灵，为保证燃机的正常运行，所有风机要全部启动，并发出报警信号。变频设备要加频率至满频率运行，最大化输出散热，保障散热器正常工作。本系统具体采用6台型号为英威腾GD200A-011G/015P-416变频器，分别控制一台风机，采用的PLC控制系统为西门子smart200 sr30。设置了1台温度输入模块AR04，1台模拟量输入模块AE04，1台模拟量输出模块AQ04，24 V电源1台。

6 实例分析

实例一：设定缸套水出口的温度控制为20 ～65 ℃，第一阶段中低温阶段的温度控制在20 ～45 ℃，第二阶段中高温阶段的温度控制在45 ～60 ℃。

当缸套水出口温度达到设定的最高温度65 ℃时，变频控制的风机先行运行，根据两台远程散热器缸套水出口温度变化，变频运行的风机频率达到设定最高运行频率45 HZ时启动一台工频风机运行，此时变频运行的风机继续根据温度变化调整频率;此时变频风机根据温度降低进行变频运行，当温度处于第二阶段时，变频风机的频率根据降温的幅度进行减小，例如在第二阶段从60 ℃逐步将至45 ℃时，温度每下降5 ℃，频率降低5 Hz，当温度降至第一阶段时，保持变频风机的频率为25 Hz运行。

随着两台远程散热器缸套水出口温度再次升高，温度升高部分也包括从第一阶段和第二阶段，同样在第一阶段变频器保持25 Hz运行，在第二阶段逐步升温时，温度煤升高5 ℃，变频风机的频率升高5 Hz，当该变频运行的风机频率再次达到45 Hz时启动第二台工频风机。此时，继续进行降温过程，频率随即降低，当两台远程散热器缸套水出口温度下降时，变频运行风机频率到达25 Hz时停一台工频风机，剩一台变频一台工频运行;当两台远程散热器缸套水出口温度再下降时，变频运行风机频率再次降到25 Hz时再停一台工频风机，只剩一台变频风机运行。启动后根据两台远程散热器缸套水出口温度变化在此要求范围内自动增减工频风机和调整变频转速。

实例二：中冷水两台远程散热器冷却系统，设定缸套水出口的温度控制为20 ～45 ℃，第一阶段中低温阶段的温度控制在20 ～30 ℃，第二阶段中高温阶段的温度控制在30 ～45 ℃。

当中冷水出口温度达到设定的最高温度45 ℃时，根据两台远程散热器中冷水出口温度变化，变频运行的风机频率达到45 Hz时启动一台工频风机运行，此时变频运行的风机继续根据温度变化调整频率;此时变频风机根据温度降低进行变频运行，当温度处于第二阶段时，变频风机的频率根据降温的幅度进行减小，例如在第二阶段从45 ℃逐步将至30 ℃时，温度每下降3 ℃，频率降低5 Hz，当温度将至第一阶段时，保持变频风机的频率為25 Hz运行。

随着两台远程散热器中冷水出口温度再次升高，当该变频运行的风机频率再次达到45 Hz时启动第二台工频风机。温度升高部分也包括从第一阶段和第二阶段，同样在第一阶段变频器保持25 Hz运行，在第二阶段逐步升温时，温度煤升高3 ℃，变频风机的频率升高5 Hz，当该变频运行的风机频率再次达到45 Hz时启动第二台工频风机。此时，继续进行降温过程频率降低，当两台远程散热器中冷水出口温度下降时，变频运行风机频率达到25 Hz时停一台工频风机，剩一台变频一台工频运行;当两台远程散热器中冷水出口温度再下降时，变频运行风机频率再次降到25 Hz时再停一台工频风机，只剩一台变频风机运行。启动后根据两台远程散热器中冷水出口温度变化在此要求范围内自动增减工频风机和调整变频转速。

上述实例中设定的第一阶段、第二阶段的温度范围，及在升温和降温过程中变频风机频率变化幅值均可以根据实际进行设定，该实例仅是作为一个具体的实施例进行解释说明，而关于缸套水、中冷水出口的温度范围，可以根据实际情况设定，中低温阶段的温度范围和中高温阶段的温度范围也可以根据实际燃气发电机组的运行情况及负荷情况进行调整。

关于本系统具体结构需要说明的是，本系统采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，可解决实际运行中风机运行存在的问题。

7 结语

该项系统具备极高集成自动化程度，系统投入使用之后，改善了台散过度启停所带来的设备功率损耗，变频自动化控制技术在高能耗设备上应用之后，减少甚至消除了系统中存在的大量节流损失，在节能降耗方面取得明显的成效。当前，能耗形势日愈严峻，后续优化相应调节系统的控制策略及逻辑，使改造后系统能更好地完成其调节任务，具有深远的开发应用和研究前景。

参考文献

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