典型联合循环机组的控制系统
摘要：本文对国内已引进GE、西门子、三菱公司F级燃机联合循环发电机组的自动控制系统的特点、配置和系统功能作了阐述，并对改进设计提出了建议。
本文针对的主要机型是国内已引进技术的GE、西门子、三菱公司的厂级燃机及由此燃机所组成的燃气-蒸汽联合循环发电机组，其典型项目分别为望亭电厂、深圳东部电厂和郑州燃机电站。
一、望亭电厂
每套机组分别为一拖一单轴F级燃气轮机、三压再热无补燃余热锅炉和凝汽式汽轮机。其中，燃气轮机和凝汽式汽轮机由哈尔滨动力设备股份有限公司与GE公司合作生产，余热锅炉由杭州锅炉厂生产。
1.1控制系统和通讯网络
控制系统主要包括分散控制系统（DCS），随机岛主设备成套提供的控制系统MARK-VI以及热力系统辅机控制设备。DCS采用美国EMERSON公司生产的Ovation系统，机岛控制系统MARK-Vl由美国GE公司提供。
1.1.lDCS
电厂的联合循环机组及其辅助系统均为单元制，每套机组配用1套DCS。主要用于燃气-蒸汽联合循环机组的余热锅炉和热力循环系统、电气部分发变组与厂用电系统、高压启动/备用变压器侧断路器及6kV侧开关等监视和控制，并实现燃气-蒸汽联合循环机组的数据采集、处理、显示、报警、制表记录和性能计算，完成燃气-蒸汽联合循环机组所有运行参数的自动控制和调节，满足机组在各种负荷变化条件下的安全可靠运行。不设DCS公用网络段及公用DCS，两台机组公用系统的设备分别接入#1、#2机组DCS。
余热锅炉壁温、烟气温度的检测采用EMERSON的848T温度变送器和3420现场接口模件组成DCS远程I/0控制站，进行数据采集，并通过通信电缆与燃气-蒸汽联合循环机组DCS连接，实现集中监视和管理。
联合循环机组DCS与燃机-汽机控制系统之间通过双冗余的交换器使用带TCP/IP的以太网通讯接口进行连接，实施双向通信。重要的连锁保护信号采用硬接线连接。
1.1.2燃机控制系统
燃机控制采用SPEEDTRONlCMARK-Vl三冗余微处理器的控制系统。3个独立且相同的控制器、和从单传感器、两重冗余和三重冗余传感器获得数据，每个控制器含有自己的电源、处理器、通信以及燃气轮机所有的控制、保护和顺控的I/0。模块
含有、和3个冗余模件，用于燃气轮机的保护；所有用于控制回路和跳闸保护的重要传感器都为三重冗余。
控制系统网络IONET是基于以太网的用于3个控制模块、保护模块的3个部分和任何扩展模块之间通信的网络。机组级数据高速公路（UDH）基于以太网络，提供蒸汽轮机和发电机控制之间的对等通信。在网络上数据能被单播、多播或广播传输到平等控制系统。厂级数据高速公路（PDH）用于和电厂DCS或其它第三方平台的数据通信。
电子设备均模块化。控制、保护和任何扩展模块与操作员接口之间的通信通过以太网，提供1个带浮点数据的实时、多任务操作系统。
系统具有容错控制结构，在没有任何单点故障时，能对输入和输出进行可靠"表决"。每1干接点输入的表决值和每1模拟量输入的中间值均在1个控制模块内计算，而启用作应用软件合成的控制参数。如果发现3个输入值有不一致，诊断算法则监视这些输入并启动诊断报警。每1干接点输入被分配1个毫秒的时间标签，用以提供口个内置的事件顺序（SOE）监视。
操作员接口由GEFanucClMPLICTYR图形显示系统和微软WindowsNT操作系统的PC机组成。
输入/输出（I/0）直接连接到透平和发电机上设备的接口，如直接连接至振动传感器、火焰检测器、LVDTs、磁转速探头、热电偶、热电阻，确保SPEDTRONlCMarkVl诊断功能直接监视机械设备上探头的正常状况。
1.1.3汽轮机控制系统
汽轮机控制采用SPEEDTRONlCMARKVl三重冗余（TMR）微处理器的透平控制系统。3个独立且相同的处理器、和，用于监视冗余传感器和在所有重要控制功能中表决。保护模块
另含、和表决处理器，具有独立的电源和处理器，用于监视重要传感器和提供冗余报警和跳闸保护。
操作员接口由GEFanucClMPLlClTYR图形显示系统和微软WindowsNT操作系统的PC机组成。
SPEEDTRONlCMarkVl和其它GE的控制设备通过UDH在对等层上通讯。其它GE的控制设备包括发电机励磁系统，燃气轮机静态启动器。UDH是口个双冗余的网络。HMl操作员接口隔离UDH和PDH。
MARK一VI与DCS使用带TCP/IP的1个以太网通讯接口，并且通过GSM用于厂级报警和事件的带当地时间标签数据的传送。
1.1.4后备硬接线操作
集控室主控台上设有少量用于机组紧急停机和设备保护的后备操作按钮，包括:调压站入口总阀关、调压站出口至叫燃机关断阀关、停汽机（双按钮）、真空破坏阀开、柴油发电机启动。
1.2控制系统功能
联合循环机组的程序控制层次分为功能组级和子组级，功能组和子组级中所有设备都可以实现顺序起、停控制。控制系统设有自动发电控制（AGO）接口，但目前只能手动控制。
1.2.lDCS功能
DCS的主要功能有:数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）、汽机旁路控制（BPC）、机组的保护与联锁，DCS协调燃机、余热锅炉、旁路系统、汽机和它们辅机的运行，快速、准确和稳定地响应负荷指令，进行有效的生产。
1.2.2MARK-Vl控制系统功能
随机岛整体配套的MARK-Vl控制系统为燃机、汽轮发电机组提供完整的监视、控制和保护，其功能为：控制、顺控和保护。
（1）燃气轮机MARK-VI控制功能
燃机的主要控制有:速度和负荷控制；温度控制；进口导叶控制，燃料冲程控制。
燃机的主要顺控有:启动装置通电；点火；启动装置脱离和断电；加速到同期转速；调整转速进行同期；自动和人工同期；升负荷；卸负荷；停机；减速/自动盘车；吹扫。
燃气轮机的主要保护有:超速；超温；振动；火焰检测；紧急停机和润滑油。
（2）汽轮机MARK-Vl控制功能
汽机的主要控制有:蒸汽流量控制和排汽温度控制。
汽机的主要顺控有:启动、运行和停机；盘车；同期。
汽机的主要保护有:超速；凝汽器真空低；振动大；推力轴承磨损大；润滑油压低。
1.2.3控制系统的主要特点
控制系统的控制处理器、通信总线、电源均采用冗余配置，系统内单一组件故障，不会导致整个控制系统的失效，也不会影响机组的正常运行和保护功能。
硬接线的后备操作设备独立于控制系统。当控制系统发生全局生或重大故障时（如通信故障、电源消失、操作员站全部故障等），确保整个机组能紧急安全停机。
1.2.4控制设备的配置与组态
望亭燃气电厂联合循环机组控制系统组态图，见图1。
二、深圳东部电厂
总体规划建设9台燃气—蒸汽联合循环发电机组，现已建成的一期工程3×350MW级机组。每套机组的配置分别为一拖一单轴F级燃气轮机，三压、再热、无补燃、卧式自然循环余热锅炉和凝汽式汽轮机。其中，燃气轮机和凝汽式汽轮机由东方电气集团与三菱公司合作生产，余热锅炉由杭州锅炉厂生产。
2.1控制系统和通讯网络
电厂控制系统主要有DCS，随机岛主设备成套提供的控制系统和热力系统辅机控制设备。DCS采用美国EMERSON公司的Ovation系统的产品。机岛的控制系统采用日本三菱公司的DIASYS产品。
2.1.1DCS
联合循环机组及其辅助系统均为单元制，每套机组采用1套DCS，主要用于实现余热锅炉及其辅助系统、热力系统、厂用电源的监视和控制，并与燃机-汽机控制系统进行双向冗余通讯，运行人员在集中控制室通过DCS的人机接口可实现对整套联合循环机组的集中监视控制。
DCS的基本设置为:单元机组DCS+公用DCS网络，公用系统的监控可在单元机组操作员站完成，3台单元机组操作员站对公用系统的操作设置安全闭锁，3台单元机组操作员站均能显示公用网络的所有画面，但在同一时刻只能由1台单元机组操作员站对公用系统进行控制操作。
DCS的通讯网络分为两层:机组过程监控级和I/0级。机组过程控制级为快速以太网通讯网络，通讯速率为1OOMb/s。此网络主要用于DCS各控制站、操作员站、打印机等设备之问的通讯，并与全厂SIS网连接。I/0级网络为PCI总线，分布在各个过程控制站内，通讯速率为lOMb/s。此级网络承担同一站内所有I/0模件。
2.1.2燃机-汽机控制系统
燃机-汽机控制采用的是日本三菱公司的DlASYS（TCS+PCS+TPS）系统。TCS机岛控制系统（TurbineControlSystem）主要完成对燃机-汽机-发电机本体的监视和控制；PCS过程控制系统（ProcessControlSystem）主要完成对汽机旁路系统、汽机轴封系统、凝汽器真空系统的监视和控制；TPS机岛保护系统（TurbineProtectionSystem）主要完成对燃机-汽机-发电机的保护。
2.1.3后备硬接线操作
DCS操作台配置的后备硬接线操作有:机组跳闸、发电机停、发变电组停、交流油泵启动、直流油泵启动、开真空破坏门、开高、中、低压紧急放水门、柴油发电机组启动、调压站火警关断阀。这些后备硬接线操作，能确保机组在紧急情况下安全停机。
2.2控制系统功能
2.2.lDCS功能
电厂DCS控制功能设置与望亭电厂相似。
2.2.2TCS+PCS+TPS功能
TCS的主要功能有:
（1）燃机控制功能:包括ALR"自动负荷调节器"，速度控制、负荷控制、温度控制、燃料限制控制、zui小选择控制、燃料流量控制、进口导叶（IGV）控制、燃烧室旁路阀控制。
（2）汽机控制功能:包括HP/IP/LP蒸汽压力控制、OPC（超速保护控制）、ST试验功能。
PCS的主要功能有:
透平旁路控制、透平旁路温度控制、轴封蒸汽压力控制、轴封蒸汽温度控制、ST排放阀控制。
TPS的主要功能有:
燃机/汽机保护有:燃机-汽机超速、轴向位移大、轴振动大、润滑油压过低、抗燃油压过低、烟气压力高、燃烧室火焰消失、手动停机、余热锅炉跳闸、TCS故障和其他跳闸。
2.3控制系统的主要特点
设置了"一键启停"功能（APS），又称电厂自动控制系统。从理论上讲，APS可以完成从抽真空至满负荷的全部自动启动过程，以及从满负荷到机组停止的全部自动停止过程。
机组的整体启动/停止程序被分成若干个断点，每一个断点都会显示在LCD上。操作员可以通过LCD来监视机组运行状态，并且操作员可以选择是否从1个断点执行到下1个断点，或者手动干预机组的启停过程，实现机组的半自动启动和停止操作。
启动过程的主要断点:抽真空、余热锅炉启动、汽机启动、同期及升负荷。
停机过程的主要断点:汽机停止、余热锅炉停止、抽真空破坏。
2.4控制设备的配且与组态
深圳东部燃气电厂联合循环机组控制区系绍逆出态图，见图2。
三、控制系统和通讯网络
新建2×39OMW燃气-蒸汽联合循环机组，其中，机岛设备（燃机、汽机、发电机及其辅助系统）采用上海电气集团-德国西门子联合体提供的单轴燃气-蒸汽联合循环机组，余热锅炉采用武汉锅炉股份有限公司生产的无补燃卧式自然循环锅炉。
3.1控制系统和通讯网络
电站控制系统主要由DCS和TCS两部分组成，均采用德国西门子公司生产的epermXP系统，一体化设计。
3.1.1分散控制系统
DCS嵌入epermXP系统，有如下子系统:（l）模拟量调节系统（MCS），主要完成机组协调控制及余热锅炉、高压旁路等系统的调节控制；（2）顺序控制系统（SCS），主要完成机组级的顺序控制（APS，西门子称作SGCUNlTCOORDlNAT5lON）、余热锅炉及BOP系统的顺序控制；（3）余热锅炉保护系统；（4）数据采集系统（DAS），完成监视控制及数据采集、管理；（5）电气量控制（ECS，G&A），主要完成发变电组电气量监控及单元机组厂用电系统及公用厂用电系统的监控。
公用系统的空压机、天然气调压站控制纳入DCS控制系统，接入公用系统DCS。化学水处理、辅助锅炉以通讯方式接入公用系统DCS。
3.1.2燃机一汽机控制系统
燃机一汽机控制系统TCS（epermXP）由主设备厂家配套供货，与DCS（epermXP）系统集成在一体，设在单元机组环网。
燃机从功能上可分为主控系统和保护系统，两者为不可分割的整体。正常运行时，主控系统在燃机发电机组所要求的参数下按程序运行，出现故障时，保护系统发出报警信号，提醒运行人员排除故障回到安全运行状态；当出现重大故障时，保护系统遮断燃机，保证机组安全。主控系统中的AP自动处理器，主要对温度、压力、振动等各种参数数据采集，燃机程序启、停，天然气、天然气疏气、变频控制、锅炉吹扫以及发电机本体的数据采集和控制等功能；主控系统中的APT主要执行燃机排气温度控制、启动控制、燃料控制、负荷限制控制、超速控制、压气机进口压力限制等。每个系统根据不同的运行阶段输出燃料供应基准，这些燃料供给基准进行zui小选择，其zui小值作为执行命令信号。同一时刻只有zui小的燃料基准起作用，通过燃料基准的改变，控制机组的转速与负荷。通过改变压气机进口可转导叶，控制汽机排气温度以及防止喘振。保护系统分2个部分，常规的部分由AS620完成（包括由APT通过网络来的跳闸信号），快速部分由AG95F（信号、处理器均为冗余结构）完成，其中AS620B中的跳闸信号输出到AG95F系统中，由AG95F系统输出总跳闸信号，完成机组紧急停机。AS620B和AG95F之间的信号传送通过网络完成。
汽轮机的控制范围为:汽轮机本体、离合器、汽轮机辅助系统。纳入TCS控制的汽机辅助系统有:（l）汽机控制油系统；（2）润滑油系统（与燃机、发电机公用供油系统）；（3）汽封系统，门杆漏汽系统；（4）凝汽器系统；（5）汽机密封水系统；（6）真空系统（7）旁路系统。
机组自动化系统设计起点较高，为适应燃气电站两班制运行，满足机组的快速启停的要求，设计机组级的顺序启/停功能，实现一键操作。
epermXP系统的上下层操作，采用客户机/服务器结构，单元机组设冗余的数据服务器（PU）l对，操作员站通过服务器（PU）与控制器进行数据交换，工程师站可以访问服务器，也可以直接访问控制站。系统采用3级网络结；（1）监视操作级网络（TerminalBus）采用基于CSMA/CD的以太1OOMbs/s虚拟环网，向下通过服务器与过程控制级网络连接，通过OPCSERVER上的OfficeLan与外部系统（SIS）相连。（2）过程控制级网络PlantBus）采用1OOMbs/s虚拟环网，以结点方式与主控制单元（APT/AP）相连。（3）现场总线层（FBUs）采用1.5Mbs/s的ProfibusDP现场总线与I/0模件等相连。
1#单元机组DCS、2#单元机组DCS和公用DCS各自设置独立的环网，公用系统环网通过网络接口（Link）分别与1#、2#单元机组网络相连。
机组的全套控制软件由儿组软件组合使用，上层监视系统采用epermXP系统0M650监视软件，对整套机组实行一体化监视。工程师站采用epermXPES680工程工具软件，下层控制DCS、燃机和汽机辅助系统，采用epermXPAP620功能控制软件，燃机和汽机本体采用DigitalControlSystemSIMADYND功能控制软件，DCS和TCS通过过程控制级网络（PlantBus）通讯。
3.1.3后备硬接线操作
集控室主控台的后备硬接线操作有：全厂总燃料跳闸、燃气轮机紧急跳闸、蒸汽轮机紧急跳闸、发电机-变压器组跳闸、润滑油泵启动、发电机灭磁开关跳闸。
3.2控制系统的主要特点
DCS和TCS一体化设计，epermXP基于有ProfibusDP现场总线的结构，DCS进一步分散化。
根据功能不同，机组的闭环控制、开环控制和保护运行设置了3个子系统，SimadynD、S5-95F、AP。
3.3控制设备的配且与组态
郑州燃气电站联合循环机组控制系统组态图，见图3。
四、建议
4.1采用远程I/0已趋成熟
基于DCS在我国大型火电机组应用10多年来所积累的经验和DCS系统性能的不断改进，在我国燃气电厂推进采用远程I/0的时机也已日趋成熟。望亭燃气电厂和东部燃气电厂余热锅炉以及辅助系统等均以工艺系统划分的方式，设计配用远程I/0，进行分散处理单元的设置和分割，实现控制功能分散和物理分散，取得了较为成功的经验。因此，推进国内联合循环机组按功能组或工艺系统要求，是有必要的。
4.2机组自启停功能有待于实践检验
国内对燃气电厂燃气-蒸汽联合循环机组运行设置自启停系统尚有不同看法。设计机组自启停系统并不困难，但要使该系统发挥正常作用却有很多问题需要研究。尤其是联合循环机组主、辅机可控性中还有待需要协调解决的问题。如望亭燃机电厂2×3OOMW联合循环机组、深圳东部燃气电厂的3×35OWM联合循环机组、北京第三热电厂的1×35OMW联合循环机组等均设有自启停系统，但目前没有调试或没有正式启用。由于机组的自启停属于电厂的协调控制范围，它发出指令，用以指挥局部自动控制级的各相关系统（或称功能组），而各相关系统在DCS操作站LCD屏幕上均已设置判据显示与操作手段都很详尽的Help画面，运行人员可以随时掌握这些功能组的工作状况，并能及时向它们发出指挥指令。为尽快使机组投产，目前尚没有认真对机组有自启停功能进行检验。因此，具体工程是否设置机组自启停功能应结合实际情况研究确定。
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