V94_3A燃气轮机控制系统

V94.3A燃气轮机控制系统

阎志敏

（中国联合工程公司，杭州 310022）

摘要 本文介绍了V94.3A燃气轮机控制系统配置、控制流程，注重系统安全性和经济性，以及介绍系统设置的测点。

关键词：燃机控制；控制流程；保护测点

The Control System for V94.3A Gas Turbine

Yan Zhimin

(China United Engineering Corporation, Hangzhou 310022)

Abstract The V94.3A GAS turbine control system and process is introduced, included protection system and the measuring points configuration, and it is considered for security and economy of system.

Key words：gas turbine control system；process；protection measurements

1 引言

近几年，燃气轮机联合循环发电装置迅速发展。V94.3A型燃气轮机是一种新型的发电装置，结构紧凑、工作参数高（温度1228℃）、控制理念及TXP (TELEPERM XP)系列控制系统配置先进。

燃机联合循环流程（图1）：过滤空气经压气机压缩，一部分空气在燃烧室与天然气混合燃烧；一部分空气冷却介质、控制燃气及高温部件温度。高温高压燃气在燃机做功、能量转换，输出电能。燃机尾部温度高（9E，538℃；9F，609℃），经余热锅炉加热水，产生高温高压蒸汽，由常规汽轮发电机组发电。

燃机的2/3额定功率消耗在压气机上。

为了发挥燃机的最大优越性，除了先进的主机设备外，必须配备完善的调节保安控制系统，包括配备性能良好的辅机设备和系统，有如起停系统、燃料供给、系统润滑、空气滤清器、消声器等。

2 V94.3A控制系统硬件的总体配置

控制系统由DCS（TELEPERM XP）执行燃机开环控制、保护、监视和报警。整个系统包括人机界面、控制器、IO模块等，实现机组数据采集、主辅机启停、保护、连锁、顺序控制、闭环控制等功能。

系统控制器按照不同功能采用不同的CPU，一般系统采用普通的控制器（AS620B）；保护系统采用符合国际标准的故障安全型控制器（S5－95F/H）；燃机的闭环控制采用基于微处理功能的快速反应的控制器（AS620T），还配置了如下的检测系统：

（1）燃气火焰监测系统。 （2）机组转速监测系统。 （3）机组轴振动监测系统。 （4）燃机蜂鸣分析系统。

（5）发电机氢气冷却监控系统。 2.1 控制器的配置

AS620自动子系统是TXP的基本子系统，其包括AS620B和AS620F两个子系统。9F型燃机中基本

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图1 燃机联合循环热力系统示意图

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。燃气初温和压气机的压缩比是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温、提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。然而，压气机耗能大，约

产品与应用

子系统采用AS620B子系统，主要用于实现机组的CCS、CLC、SCS及DAS等功能。每台燃机的AS620B子系统配置了7对AP(过程处理器Automation processor)，相应的余热锅炉各辅助系统配置了4对AP。不同单元机组及公用部分的数据交换通过网桥进行通讯，所有AP都是采用冗余配置，以保证可靠的运行。所有的AP通过通讯模件，使用光缆与厂级总线进行数据交换，机柜内部配备了机柜总线，保证AP与下级的过程I/O模件之间的通信。

图2为一个DCS系统网络配置图，图中仅示意了一套单元机组和相应的公用系统，每个单元机组有独立的控制网和管理网，单元机组的控制网和管理网可以通过Link与其他单元机组或公用系统的控制网和管理网相连。

AS620F（S5－95F/H）故障安全子系统用于开环控制和保护系统，遵守SIL3至IEC 61508、AK6至DIN V19250和Cat 4到EN 954-1的安全要求的认证。S5－95F/H控制单元同样是SIMATIC的成员，与TXP可以无缝连接。S5－95F/H具有2取2架构，也就是单个S5－95F/H有两个CPU子单元，彼此之间通过光纤连接，它们的运行为同步且与用户程序一样，CPU管理程序定期发出测试信号来互相监视、比对。若发现之间存在差异，逻辑控制程序立即进入安全停车过程，使燃机安全停车。

为了提高燃机动作的可靠性，减少误动作，所

以系统中并联布置了2对S5－95F/H控制单元。任何一个S5－95F/H单元本身的故障都不会引起停车，若故障发生可以在线更换。采用故障安全系统，不仅CPU为故障安全认证，同时其电源、通讯卡及IO卡也都应有安全认证。

2.2 OM650操作员站及工程师站的配置

每套单元机组配置了2对过程处理单元PU和2对服务单元SU，2台双屏操作员站，所有的操作员站具有“并行冗余”的功能。PU用于对机组的实时操作命令和实时过程信息的处理；SU用于历史数据的处理，形成各类报表，并使用MOD定期存储历史数据。

每套单元机组配置1台工程师站、1台瞬时数据管理站和1台OPC服务器及相应的打印机。工程师站由工程设计与调试子系统由一系列软件包组成，包括对控制器进行组态的软件、对操作员站进行组态的软件、所有代码传送、在线参数修改等功能。 2.3 网络系统

整个网络由3个网络组成，分别是电站控制网、终端管理网及办公局域网(OFFICE LAN)。AS620B/T过程控制器与操作员站和工程师站通过电站控制网通过络相连；处理单元、历史单元与操作员站和工程师站通过终端管理网络相连；通过OFFICE LAN网厂级人员可以浏览和调用各台机组的数据和画面。

图2 DCS系统配置图

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产品与应用

安全故障系统S5－95F/H依据主从原则通过冗余通讯网(SINEC L1)网接入AS620B过程站。整个系统过程的输入输出模块都采用ET200作为数据采集站，DCS系统网络配置示意图中没有详细表示。对于电厂的辅助控制系统如：起动锅炉、锅炉补给水处理及循环水处理等集成度高的机电一体化设备，可由设备厂家成套供应控制系统，如采用Siemens家族的PLC，因为Siemens的PLC可以与其DCS无缝连接。

（3）燃机旋转装置运行子系统

拖动旋转子系统的初始化是由燃机主要子系统来完成的，不同的运行模式有不同的标准化自动控制程序。本子程序的起动步骤为：初始化（关断遮断阀、关断齿轮啮合阀、流量控制阀设定到最小）→起动拖动装置→打开遮断阀→增加流量控制阀的开度→监视液压马达的升速率→调节流量阀的开度等待燃机大齿轮与拖动小齿轮的同步→打开齿轮啮合阀→监视啮合状态→稳定运行。

（4）静态频率转换器——SFC（STATIC FREQU- ENCY CONVERTER）装置（起动变频器拖动装置），此装置是整个燃气轮机的一个重要装置，起动时它是一个变频电动机，正常运行发电时它是一个发电机。静态频率转换器的起动装置把可调频的交变电流加到发电机的定子上，使发电机变成调速电动机方式转动，同轴带动透平按照程序设定的速率加速上升。这种起动装置的优点是起动平稳和调节方便，缺点是结构比较复杂。稳定升转速至发电机额定转速的30%，起动吹扫系统，待吹扫结束后切除变频拖动。 3.2 天然气系统

天然气系统是指燃气轮机燃料供应系统，它包括精细过滤器、燃烧器、速关阀、安全阀、燃气扩散系统、预混合和燃气控制阀系统。天然气系统主要由燃气供应密封系统和管线疏水系统组成。

天然气系统必须能够提供一个安全和可靠的供气系统，一方面要能保证提供合格的燃气，另一方面要确保燃气系统的密封性。为了达到这一目的系统中配置了二套速关阀和一套排放阀。一套双作用的速关阀布置在调压站，另一套是燃机之前设置的控制阀，此控制阀不仅起到扩散、控制及预混合的功能，也能起到快速切断功能。在以上两个阀门之间还设置了一个卸载阀，一旦速关阀动作后，它可以打开排气以降低系统的压力。两套速关阀的控制均由故障安全系统来完成。

天然气管路疏水系统的目的是除掉供气管路中凝结液，该系统的执行应满足下列任一条件：燃机起动前、燃机完全起动后、燃机正常运行时每两小时一次、每次燃机停止和压缩系统离线清冼后。

上述管路疏水通过对天然气扩散疏水阀、母管疏水阀和母管排空阀的控制来完成。 3.3 余热锅炉的吹扫

在余热锅炉起动前必须确保炉内没有可燃性物质，由于燃机在起动失败、点火没有成功或突然跳

3 仪控系统功能介绍

控制系统设置按照模块化架构配置，整个燃机开环控制子系统可划分为如下的子系统：

（1）燃机起动/停止子系统（没有加入燃料时）。 （2）天然气控制子系统。

（3）天然气管线排放子系统。 （4）燃机盘车运行子系统。 （5）发电机氢气干燥子系统。

（6）起动变频器，余热锅炉吹扫系统。 燃机起动/停止子系统是所有子系统中级别最高的子系统，起动/停止程序根据燃料的不同而不同，起动/停止程序依据时间和外界因素分步实施，操作员可以在操作员站监视整个运行过程，任何一个步骤在时间和其他条件上发生错误时，系统马上报警并自动进入停止步骤。

3.1 燃机主要子系统的控制流程

燃机的起动共分16个步骤，1~7步为初始准备步骤：包括冷起动的准备、切换低级子系统为自动模式运行、切除压气机的冷干机、打开压气机进气切断阀，投入进气导叶片的温度调节、转换燃气疏水子系统进入起动程序，打开放散阀；起动发电机的辅助系统如：润滑油液压系统的起动等、起动发电机的冷却系统、起动盘车装置进入起动程序；起动余热锅炉吹扫系统、起动发电机变频控制。第8~16步天然气系统开始起动→监视转速升速率→起动励磁系统→切换同步器到自动状态→并网。

（1）天然气控制子系统 天然气子系统的起动过程如下：准备天然气放散系统→准备天然气混合系统→投入起动变频器→点火→打开天然气紧急切断阀→进入稳定供气状态。

（2）天然气管线疏水系统

激活起动程序→准备疏水系统→扩散环排水→检查冷凝液收集器液位(必要时进行疏水)→减压器母管排空积液→核对起动程序是否完成→激活关闭程序→关闭所有排放系统。

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产品与应用

闸时，天然气不可能完全燃烧，这时在排汽段和炉内可能存有一定量的天然气。因此在再次起动燃机时必须对余热锅炉进行吹扫。

余热锅炉的吹扫是由余热锅炉的保护系统发出命令的。这时发电机按变速方式运行，直到保护系统取消吹扫命令。吹扫时间的长短是根据锅炉的容积来计算的。

余热锅炉的吹扫结束后，按照预定的起动程序整个机组逐步升速至额定转速并带初负荷，这里起动过程结束。

度、机组转速等因素。

在燃机的排气管上布置24个三冗余K分度热电偶，同时在压气机进气口布置4个Pt100热电阻。 （1）对排气温度测量信号在控制系统内按如下方法进行测量值的采集:

1）把24个温度测点中的每个测点内的三冗余热电偶分为A、B和C，涡轮机的温度保护中的信号来自24个测点的B组和C组，燃气轮机过程控制温度信号来自A组的十二取六的信号。

2）求24B和24C的算术平均值，这个平均值进一步处理后作为监视燃烧器的灭火、局部点过热和来校正燃气轮机排气温度。

3）如果其中一支热电偶断信号或漂移值超过允许值，那么该点的信号就用平均值来替代。若超过三支热电偶信号同时超过允许值就发出报警信号。 4）如果出现一支热电偶中的B和C支的热电偶同时坏掉，燃气轮机就进入停车程序。

（2）保护回路的执行原则

1）燃机排气温度保护：①排气温度保护信号采用24B取6原则作为基本信号，保护动作和报警按6取3原则触发；②如果6个信号中有3个信号坏掉，机组进入停机程序。

2）监视灭火的燃烧器：①如果相邻2支热电偶的B和C测量信号超过平均值低值的设定值，发出报警信号；②如果相邻3支热电偶的B和C测量信号超过平均值低值的设定值时，机组进入停机程序；③如果相邻4支热电偶的B和C测量信号超过平均值低值的设定值时，机组进入跳闸程序。

局部点监视的温度信号来自24B和24C热电偶的信号，如果2支热电偶的B和C测量信号超过平均值高值的设定值，发出报警信号。如果超温到第二值机组跳闸。

4.2 发电机冷却气体温度保护

该测点分别布置在发电机励磁端（2个双支热电阻）和发电机汽轮机端（2个双支热电阻）。 4.3 其他设备的保护

（1）单元总体保护（三取二）：总体保护包括DCS系统故障保护、发电机辅助变保护等，保护功能由S5－95F/H完成。

（2）压气机过电压保护（三取二）。 （3）压气机速关门的保护（三取二）：由于当速关门在机组正常运行时突然关闭时，高速气流将会使速关门损坏，甚至造成其它相关设备故障。因

4 燃气轮机机组保护系统

机组保护系统是保证机组在各种危险情况下不使机组及其辅助设备损坏而做出的保护措施。整个机组的保护系统包括：燃机保护系统、汽轮发电机保护系统、余热锅炉保护系统及控制系统自身保护系统。

4.1 燃机的保护系统

燃机的保护系统包括：机组轴承温度保护、机组轴承振动保护、燃机燃烧室和排气的温度保护、发电机冷却气体温度保护、辅助设备和系统综合保护、机组超速保护和火焰检测保护、余热锅炉保护等。

（1）轴承温度保护：轴承保护系统设置并没有严格按机组的组成来划分而是统一设置了一个温度保护系统。轴承温度保护采用三取二的原则，每个轴承装有一个三支K分度热电偶，每支热电偶分别进入单独的卡件中。被保护的对象为燃机、汽机和压气机的轴承温度。

（2）机组轴承振动保护：轴承振动保护系统监测的是燃机、汽轮机、压气机及发电机轴套振动的绝对值，振动信号首先进入TSI(turbine supervisory instruments)监测系统，经过系统对信号进行转换和放大后同时输出一路模拟量和一路数字量信号，模拟量和数字量同时作为报警和保护的信号源，报警采用二取一原则，保护采用二取二原则。

（3）燃机排气温度保护 在燃气轮机正常运行时，燃烧室及排气扩散段的温度及温升必须控制在一定的范围内，否则会对该处的部件的强度和寿命大大减少。

温度保护按三种方式来监控：整个燃烧区域的超温（排汽段温度保护）、燃气轮机叶片的温升（燃烧器灭火会造成局部叶片的快速温升，监视燃烧器灭火）及燃料供应不均局部温度超温（局部点温度监视）。在计算排气温度时同时要考虑压气机进气温

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产品与应用

此当保护系统检测到速关门的“已开”信号消失，保护系统动作停机。

（4）燃机进气压力低保护（三取二）。

（5）压气机放空门保护（三取二）。 （6）液压站压力低保护（三取二）。 （7）空压站压力低（三取二）。 （8）天然气泄漏保护（三取二）。

（9）火灾保护（三取二）：当燃机电站发生火灾时，火灾报警系统将触发燃机保护系统动作停机。火灾报警系统保护命令的发出既可通过火灾自动报警系统又可通过安装在现场的火灾报警按钮，届时，火灾系统将通过三对硬接线连接至燃机控制系统。

（10）发电机周波频率保护（三取二）:燃气轮机正常运行时转速控制在正常转速的95%～103%，如果转速偏离这个允许范围且超过一定的时间，控制系统马上进行调节阻止这种情况继续恶化，如果转速继续超限符合如下的标准机组保护程序动作，机组进入停车程序。

燃气轮机转速超出额定转速的95%～103%且持续时间超过20s，而且发电机出口断路器在30s内没有与电网断开。

燃气轮机转速低于额定转速94%（无需延时）。 燃气轮机转速高于额定转速104%，即使发电机出口断路与电网断开。

（11）燃料紧急关断阀位置保护（三取二）：如在机组正常运行且没有发出速关命令时，发现燃料紧急关断阀“已开”位置消失，此时保护动作首先关断出现问题的阀门，然后机组保护动作停机。

（12）燃料控制器故障保护（二取一）。

。 （13）蒸汽轮机故障保护（三取二）

（14）发电机氢气排大气保护（三取二）。 （15）燃机拖动装置保护（三取二）。 （16）燃机罩壳通风保护（三取二）。 4.4 燃机超速保护

系统设计中设置两个超速检测回路，一个是基于硬件原理即通过继电器模块再到保护回路，另一个是基于软件原理即检测信号直接进入保护回路和

IO(input/output)卡中。每个检测回路各设置3个转速检测探头。

4.5 火焰检测保护系统

2个火检探头布置在燃机的燃烧室内，火焰监视器是监视整个燃烧室的火焰，而不是单个燃烧器的火焰。火焰监视器由火焰传感器、光电转换器和火焰评估模块组成，二次仪表布置在燃机旁边的仪表柜内。火焰检测保护系统采取二取二保护原则。 4.6 手动停机回路

手动停机按钮分别在设在中央控制室、就地电子机柜室和燃气轮机就地（三个不同区域）。手动停机信号直接进入S5－95F/H故障安全系统的DI(digital input)模块，手动停机保护回路采用常闭串联二取二回路（只有任何一个停机按钮的两对常闭触点同时断开，保护才触发），该回路有自动测试功能，若按钮发生故障会在DCS系统中发出声光报警。 4.7 余热锅炉保护引起燃机保护动作

如果在余热锅炉内部发生危险情况要求立即切除燃气轮机，这时会有两路来自于余热锅炉保护系统的硬接线信号，进入燃机S5－95F/H故障安全系统。

5 结论

随着我国天然气规模性开发，作为电力技术构成的大型燃机联合循环正在逐步推广。至今，我国已和世界上主要的大型燃机制造商签订了技术转让合同，投运的大型燃气轮机达十多台，且国内上汽、哈汽及东汽等制造燃机的国产程度相当高。控制系统作为燃气轮机的重要组成部分，熟悉其工艺和控制流程，对于操控机组性能、稳定经济运行就显得特别重要。

参考文献

[1] V94.3型燃机工程资料. Siemens.

作者简介

阎志敏（1973-），男，内蒙古人，现任中国联合工程公司能源院电站自动化控制设计人员。

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