和利時MACSV6控制系統(tǒng)在國產(chǎn)燃機(jī)中的應(yīng)用

鄭煒

[摘? ? 要]CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組為在國內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺（套）20～30 MW功率等級應(yīng)用的國產(chǎn)機(jī)組，文章從燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）硬、軟件的設(shè)計、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時MACSV6控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組首次應(yīng)用的工程案例，對同類型機(jī)組在設(shè)計、建造方面等有很好的借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]國產(chǎn)燃機(jī)TCS;和利時MACSV6;設(shè)計與應(yīng)用

[中圖分類號]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Application of Hollysys Macv6 Control System in Domestic Gas Turbine

Zheng Wei

[Abstract]Cgt25-eb gas turbine generator set is the first domestic unit （set） with 20 ～ 30 MW power level applied in a distributed energy station in the domestic energy field. This paper introduces the engineering case of the first application of Hollysys macv6 control system in cgt25-eb gas turbine generator set from the aspects of gas turbine control system （TCS） hardware and software design， fault and exception handling， logic optimization， etc， It has a good reference for the design and construction of the same type of units.

[Keywords]domestic gas turbine TCS; hollysys macv6; design and application

長期以來，我國分布式能源站采用的20～30MW功率等級燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一直被國外大公司壟斷，存在機(jī)組采購及維護(hù)成本昂貴、采購周期長、技術(shù)封鎖嚴(yán)重，后期的運維也嚴(yán)重受制于外方，備件供應(yīng)、技術(shù)服務(wù)受制于人的弊端。CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組為在國內(nèi)能源領(lǐng)域某分布式能源站的首臺（套）20～30 MW功率等級應(yīng)用的國產(chǎn)機(jī)組，本文從燃機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）硬、軟件的設(shè)計、故障和異常的處理、邏輯優(yōu)化等方面介紹和利時MACSV6 DCS控制系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的首次應(yīng)用。

本項目工業(yè)發(fā)電采用的國產(chǎn)25 MW燃?xì)廨啓C(jī)，即CGT25-EB型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)是基于GT25000船用驅(qū)動型燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)化升級而來，控制系統(tǒng)也需對原船用燃?xì)廨啓C(jī)所用的PLC進(jìn)行更換升級。

本項目燃機(jī)TCS采用的和利時MACSV6系統(tǒng)，是由和利時公司基于先進(jìn)自動化技術(shù)開發(fā)的集成工業(yè)自動化系統(tǒng)，將多年開發(fā)的各種自動化系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，技術(shù)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)大。

1 系統(tǒng)硬件配置

燃機(jī)TCS控制的最大特點是安全可靠、實時性要求高，圖1為燃機(jī)控制系統(tǒng)總體框架。3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包含系統(tǒng)網(wǎng)、POWERLINK內(nèi)部總線和IO-BUS總線。實現(xiàn)背板安裝方式，提高IO-BUS總線速率，增強(qiáng)抗震性能和系統(tǒng)小型化?；赑OWERLINK的內(nèi)部高速總線，解耦現(xiàn)場總線層、內(nèi)部總線層、和控制器連接關(guān)系。滿足快速性和擴(kuò)容需求。系統(tǒng)配置了兩臺操作員站，由于燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽輪機(jī)、鍋爐等也同樣采用和利時MACSV6 DCS，故工程師站、歷史站及通信站等與機(jī)組DCS實現(xiàn)共享。

由于計算機(jī)時鐘誤差的存在，會造成系統(tǒng)報警、SOE順序事故記錄、趨勢記錄等不能正確記錄事件發(fā)生的正確時間。所以在DCS內(nèi)加裝了GPS裝置，用于統(tǒng)一TCS與DCS之間的計算機(jī)時鐘和SOE模塊的時鐘。

2 基于POWERLINK的高速內(nèi)部總線

目前，雖然燃?xì)廨啓C(jī)的控制方案各有特色，但對燃機(jī)TCS的核心控制器的要求比較統(tǒng)一，對控制精度、響應(yīng)速度和冗余度都提出了很高的要求。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用DP或軟POWERLINK來實現(xiàn)主卡與分屬設(shè)備之間通信，DP通信效率低不滿足燃機(jī)對控制器實時性要求。軟POWERLINK協(xié)議棧的調(diào)用和解析都要通過主控中的任務(wù)實現(xiàn)，不能實時解析協(xié)議內(nèi)容，同時又延長了燃機(jī)控制器運算控制器的IEC調(diào)度周期，影響了燃機(jī)控制器控制系統(tǒng)的實時性。

經(jīng)過對比，本項目燃機(jī)TCS采用硬POWERLINK實時以太網(wǎng)處理方法來有效解決通信實時性和主控IEC周期延長的問題，提高了系統(tǒng)實時性，滿足燃機(jī)高速轉(zhuǎn)動的控制要求。

原理設(shè)計如圖2所示，采用雙CPU配置，其中主處理器執(zhí)行IEC運算和上位機(jī)組態(tài)及服務(wù)器通信;輔處理器采用ZYNQ實現(xiàn)POWERLINK主站功能并支持雙網(wǎng)冗余。

POWERLINK應(yīng)用層則通過以太網(wǎng)控制器獲取當(dāng)前從站采集到的最新輸入數(shù)據(jù)，填充到輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，主控在運行過程中通過并口讀取共享數(shù)據(jù)來獲取輸入數(shù)據(jù)。

主CPU則通過讀取DPRAM中的診斷狀態(tài)來獲取輸入數(shù)據(jù)的有效性，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成IEC運算，刷新輸出區(qū)數(shù)據(jù);主CPU通過并口將IEC運算的輸出區(qū)數(shù)據(jù)寫入DPRAM，POWERLINK應(yīng)用層通過以太網(wǎng)控制器發(fā)送輸出數(shù)據(jù)至從站。

3 系統(tǒng)軟件APS模塊化設(shè)計

燃機(jī)TCS系統(tǒng)中的軟件功能主要是通過相關(guān)參數(shù)和操作流程的設(shè)計，實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的一鍵啟停（APS）和運行監(jiān)控，并且通過軟件功能對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行保護(hù)，確保燃?xì)廨啓C(jī)能夠正常工作。同時實現(xiàn)對整個發(fā)電站控制系統(tǒng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

①燃?xì)廨啓C(jī)APS邏輯在設(shè)計上采用模塊化設(shè)計，即根據(jù)機(jī)組設(shè)備按系統(tǒng)劃分為若干個功能組，每個功能組邏輯相對獨立，完成的控制功能目標(biāo)明確。其包括冷吹、啟動、運行再到整個機(jī)組加載、減載直到停機(jī)的整個啟、停過程。燃機(jī)通過APS邏輯沖轉(zhuǎn)點火并帶初負(fù)荷的過程中，聯(lián)動余熱鍋爐將低壓、高壓主汽系統(tǒng)升溫升壓回路自動投入，且汽輪機(jī)組兩大旁路以及過熱減溫水自動投入。MACSV6系統(tǒng)在CGT25-EB燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的APS模塊化設(shè)計實現(xiàn)了以下功能：燃?xì)廨啓C(jī)冷吹;燃?xì)廨啓C(jī)啟動;燃?xì)廨啓C(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速控制;燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪轉(zhuǎn)速控制;燃?xì)廨啓C(jī)雙燃料切換控制;燃?xì)廨啓C(jī)極限燃料調(diào)節(jié);燃?xì)廨啓C(jī)故障保護(hù)功能;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組有功功率控制;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組正常停機(jī)控制。②燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組靜態(tài)檢查;燃?xì)廨啓C(jī)超溫、超速保護(hù)檢查;燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組預(yù)警、限制處理。③歷史數(shù)據(jù)存儲、讀取以及趨勢曲線顯示;獨立ESD功能。ESD單元對機(jī)組重要參數(shù)高高及人為ESD指令等獨立進(jìn)行判斷并向燃機(jī)TCS給出指令，同時執(zhí)行硬件關(guān)斷;與用戶管理層控制系統(tǒng)或其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。

4 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法

4.1 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)采用磁阻式MPU轉(zhuǎn)速傳感器，在試驗時發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時數(shù)值波動較大，一般出現(xiàn)在1 000 r/min以下，用示波器觀察感應(yīng)波形不規(guī)律。檢查電纜敷設(shè)路徑、接地、屏蔽接線等都正確。

經(jīng)分析此現(xiàn)象應(yīng)為低速時感應(yīng)電壓較低，線路衰減加上外部干擾對其影響較大。為此，在控制柜信號輸入端并接一250 Ω電阻，經(jīng)試驗信號輸出穩(wěn)定。

4.2 振動傳感器干擾

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)本體振動傳感器采用本特利330450高溫加速度傳感器，該傳感器探頭安裝表面溫度及整體硬質(zhì)電纜最高達(dá)400 ℃。在燃?xì)廨啓C(jī)運行至高工況時發(fā)現(xiàn)動力渦輪振動傳感器出現(xiàn)不穩(wěn)定尖峰，停機(jī)后檢查電纜接頭、接線無松動現(xiàn)象，電纜屏蔽及接地正確，附近無強(qiáng)電及變頻設(shè)備干擾源。

經(jīng)分析可能由于動力渦輪位于燃?xì)廨啓C(jī)排氣側(cè)，此處在高工況下溫度較高，雖然傳感器及整體電纜可耐受400℃高溫，但在高溫下工作仍會存在不穩(wěn)定現(xiàn)場。為此，引一路儀表氣至探頭附近，對其進(jìn)行冷卻。后經(jīng)啟動運行試驗觀察，此處振動傳感器未出現(xiàn)異常。

4.3 燃機(jī)啟動點火流程優(yōu)化

啟動快速是燃?xì)廨啓C(jī)的一大優(yōu)點，一般從啟動電機(jī)拖轉(zhuǎn)至點火的時間不超過200 s。但在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，由于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣接入余熱鍋爐，有時在啟動時為了將排氣系統(tǒng)中的殘余天燃?xì)獯祾吒蓛簦枰獙Ⅻc火前的拖轉(zhuǎn)時間加長。煙道容積不同，運行及停機(jī)情況不同，產(chǎn)生對每次吹掃的時間要求并不一樣。針對此情況，修改了啟動部分的邏輯，使點火前的拖轉(zhuǎn)時間參數(shù)化，此參數(shù)的更改不會影響后續(xù)邏輯的執(zhí)行。

4.4 增加金屬屑信號器自檢邏輯

CGT25-EB燃?xì)廨啓C(jī)在不同的潤滑油回油管路上設(shè)置了金屬屑信號器檢測器，用于檢測回油中是否含有金屬屑，判斷燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部是否有部件損壞情況。由于燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)軸承或內(nèi)部部件損壞的概率很小，因此金屬屑信號器極少動作。在長時間運行后，運行人員無法知道信號器是否還正常工作，一旦該信號器故障，燃?xì)廨啓C(jī)回油中出現(xiàn)的金屬屑將無法被檢測出來，將會造成嚴(yán)重事故。為此，燃機(jī)TCS增加了金屬屑信號器自檢邏輯，定時向信號器發(fā)出檢測信號，如果信號器正常工作則會給出反饋信號，否則認(rèn)為信號器有故障，系統(tǒng)發(fā)出報警。

5 結(jié)束語

本文介紹了和利時MACSV6控制系統(tǒng)在某分布式能源站國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的典型應(yīng)用，分析調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決辦法，為相關(guān)工程決策、設(shè)計人員提供相應(yīng)的參考，對同類型機(jī)組在設(shè)計、建造方面等有很好的借鑒意義。

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