典型聯合循環機組的控制系統
摘要：本文對國內已引進GE、西門子、三菱公司F級燃機聯合循環發電機組的自動控制系統的特點、配置和系統功能作了闡述，并對改進設計提出了建議。
本文針對的主要機型是國內已引進技術的GE、西門子、三菱公司的廠級燃機及由此燃機所組成的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，其典型項目分別為望亭電廠、深圳東部電廠和鄭州燃機電站。
一、望亭電廠
每套機組分別為一拖一單軸F級燃氣輪機、三壓再熱無補燃余熱鍋爐和凝汽式汽輪機。其中，燃氣輪機和凝汽式汽輪機由哈爾濱動力設備股份有限公司與GE公司合作生產，余熱鍋爐由杭州鍋爐廠生產。
1.1控制系統和通訊網絡
控制系統主要包括分散控制系統（DCS），隨機島主設備成套提供的控制系統MARK-VI以及熱力系統輔機控制設備。DCS采用美國EMERSON公司生產的Ovation系統，機島控制系統MARK-Vl由美國GE公司提供。
1.1.lDCS
電廠的聯合循環機組及其輔助系統均為單元制，每套機組配用1套DCS。主要用于燃氣-蒸汽聯合循環機組的余熱鍋爐和熱力循環系統、電氣部分發變組與廠用電系統、高壓啟動/備用變壓器側斷路器及6kV側開關等監視和控制，并實現燃氣-蒸汽聯合循環機組的數據采集、處理、顯示、報警、制表記錄和性能計算，完成燃氣-蒸汽聯合循環機組所有運行參數的自動控制和調節，滿足機組在各種負荷變化條件下的安全可靠運行。不設DCS公用網絡段及公用DCS，兩臺機組公用系統的設備分別接入#1、#2機組DCS。
余熱鍋爐壁溫、煙氣溫度的檢測采用EMERSON的848T溫度變送器和3420現場接口模件組成DCS遠程I/0控制站，進行數據采集，并通過通信電纜與燃氣-蒸汽聯合循環機組DCS連接，實現集中監視和管理。
聯合循環機組DCS與燃機-汽機控制系統之間通過雙冗余的交換器使用帶TCP/IP的以太網通訊接口進行連接，實施雙向通信。重要的連鎖保護信號采用硬接線連接。
1.1.2燃機控制系統
燃機控制采用SPEEDTRONlCMARK-Vl三冗余微處理器的控制系統。3個獨立且相同的控制器、和從單傳感器、兩重冗余和三重冗余傳感器獲得數據，每個控制器含有自己的電源、處理器、通信以及燃氣輪機所有的控制、保護和順控的I/0。模塊
含有、和3個冗余模件，用于燃氣輪機的保護；所有用于控制回路和跳閘保護的重要傳感器都為三重冗余。
控制系統網絡IONET是基于以太網的用于3個控制模塊、保護模塊的3個部分和任何擴展模塊之間通信的網絡。機組級數據高速公路（UDH）基于以太網絡，提供蒸汽輪機和發電機控制之間的對等通信。在網絡上數據能被單播、多播或廣播傳輸到平等控制系統。廠級數據高速公路（PDH）用于和電廠DCS或其它第三方平臺的數據通信。
電子設備均模塊化。控制、保護和任何擴展模塊與操作員接口之間的通信通過以太網，提供1個帶浮點數據的實時、多任務操作系統。
系統具有容錯控制結構，在沒有任何單點故障時，能對輸入和輸出進行可靠"表決"。每1干接點輸入的表決值和每1模擬量輸入的中間值均在1個控制模塊內計算，而啟用作應用軟件合成的控制參數。如果發現3個輸入值有不一致，診斷算法則監視這些輸入并啟動診斷報警。每1干接點輸入被分配1個毫秒的時間標簽，用以提供口個內置的事件順序（SOE）監視。
操作員接口由GEFanucClMPLICTYR圖形顯示系統和微軟WindowsNT操作系統的PC機組成。
輸入/輸出（I/0）直接連接到透平和發電機上設備的接口，如直接連接至振動傳感器、火焰檢測器、LVDTs、磁轉速探頭、熱電偶、熱電阻，確保SPEDTRONlCMarkVl診斷功能直接監視機械設備上探頭的正常狀況。
1.1.3汽輪機控制系統
汽輪機控制采用SPEEDTRONlCMARKVl三重冗余（TMR）微處理器的透平控制系統。3個獨立且相同的處理器、和，用于監視冗余傳感器和在所有重要控制功能中表決。保護模塊
另含、和表決處理器，具有獨立的電源和處理器，用于監視重要傳感器和提供冗余報警和跳閘保護。
操作員接口由GEFanucClMPLlClTYR圖形顯示系統和微軟WindowsNT操作系統的PC機組成。
SPEEDTRONlCMarkVl和其它GE的控制設備通過UDH在對等層上通訊。其它GE的控制設備包括發電機勵磁系統，燃氣輪機靜態啟動器。UDH是口個雙冗余的網絡。HMl操作員接口隔離UDH和PDH。
MARK一VI與DCS使用帶TCP/IP的1個以太網通訊接口，并且通過GSM用于廠級報警和事件的帶當地時間標簽數據的傳送。
1.1.4后備硬接線操作
集控室主控臺上設有少量用于機組緊急停機和設備保護的后備操作按鈕，包括:調壓站入口總閥關、調壓站出口至叫燃機關斷閥關、停汽機（雙按鈕）、真空破壞閥開、柴油發電機啟動。
1.2控制系統功能
聯合循環機組的程序控制層次分為功能組級和子組級，功能組和子組級中所有設備都可以實現順序起、停控制。控制系統設有自動發電控制（AGO）接口，但目前只能手動控制。
1.2.lDCS功能
DCS的主要功能有:數據采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、汽機旁路控制（BPC）、機組的保護與聯鎖，DCS協調燃機、余熱鍋爐、旁路系統、汽機和它們輔機的運行，快速、準確和穩定地響應負荷指令，進行有效的生產。
1.2.2MARK-Vl控制系統功能
隨機島整體配套的MARK-Vl控制系統為燃機、汽輪發電機組提供完整的監視、控制和保護，其功能為：控制、順控和保護。
（1）燃氣輪機MARK-VI控制功能
燃機的主要控制有:速度和負荷控制；溫度控制；進口導葉控制，燃料沖程控制。
燃機的主要順控有:啟動裝置通電；點火；啟動裝置脫離和斷電；加速到同期轉速；調整轉速進行同期；自動和人工同期；升負荷；卸負荷；停機；減速/自動盤車；吹掃。
燃氣輪機的主要保護有:超速；超溫；振動；火焰檢測；緊急停機和潤滑油。
（2）汽輪機MARK-Vl控制功能
汽機的主要控制有:蒸汽流量控制和排汽溫度控制。
汽機的主要順控有:啟動、運行和停機；盤車；同期。
汽機的主要保護有:超速；凝汽器真空低；振動大；推力軸承磨損大；潤滑油壓低。
1.2.3控制系統的主要特點
控制系統的控制處理器、通信總線、電源均采用冗余配置，系統內單一組件故障，不會導致整個控制系統的失效，也不會影響機組的正常運行和保護功能。
硬接線的后備操作設備獨立于控制系統。當控制系統發生全局生或重大故障時（如通信故障、電源消失、操作員站全部故障等），確保整個機組能緊急安全停機。
1.2.4控制設備的配置與組態
望亭燃氣電廠聯合循環機組控制系統組態圖，見圖1。
二、深圳東部電廠
總體規劃建設9臺燃氣—蒸汽聯合循環發電機組，現已建成的一期工程3×350MW級機組。每套機組的配置分別為一拖一單軸F級燃氣輪機，三壓、再熱、無補燃、臥式自然循環余熱鍋爐和凝汽式汽輪機。其中，燃氣輪機和凝汽式汽輪機由東方電氣集團與三菱公司合作生產，余熱鍋爐由杭州鍋爐廠生產。
2.1控制系統和通訊網絡
電廠控制系統主要有DCS，隨機島主設備成套提供的控制系統和熱力系統輔機控制設備。DCS采用美國EMERSON公司的Ovation系統的產品。機島的控制系統采用日本三菱公司的DIASYS產品。
2.1.1DCS
聯合循環機組及其輔助系統均為單元制，每套機組采用1套DCS，主要用于實現余熱鍋爐及其輔助系統、熱力系統、廠用電源的監視和控制，并與燃機-汽機控制系統進行雙向冗余通訊，運行人員在集中控制室通過DCS的人機接口可實現對整套聯合循環機組的集中監視控制。
DCS的基本設置為:單元機組DCS+公用DCS網絡，公用系統的監控可在單元機組操作員站完成，3臺單元機組操作員站對公用系統的操作設置安全閉鎖，3臺單元機組操作員站均能顯示公用網絡的所有畫面，但在同一時刻只能由1臺單元機組操作員站對公用系統進行控制操作。
DCS的通訊網絡分為兩層:機組過程監控級和I/0級。機組過程控制級為快速以太網通訊網絡，通訊速率為1OOMb/s。此網絡主要用于DCS各控制站、操作員站、打印機等設備之問的通訊，并與全廠SIS網連接。I/0級網絡為PCI總線，分布在各個過程控制站內，通訊速率為lOMb/s。此級網絡承擔同一站內所有I/0模件。
2.1.2燃機-汽機控制系統
燃機-汽機控制采用的是日本三菱公司的DlASYS（TCS+PCS+TPS）系統。TCS機島控制系統（TurbineControlSystem）主要完成對燃機-汽機-發電機本體的監視和控制；PCS過程控制系統（ProcessControlSystem）主要完成對汽機旁路系統、汽機軸封系統、凝汽器真空系統的監視和控制；TPS機島保護系統（TurbineProtectionSystem）主要完成對燃機-汽機-發電機的保護。
2.1.3后備硬接線操作
DCS操作臺配置的后備硬接線操作有:機組跳閘、發電機停、發變電組停、交流油泵啟動、直流油泵啟動、開真空破壞門、開高、中、低壓緊急放水門、柴油發電機組啟動、調壓站火警關斷閥。這些后備硬接線操作，能確保機組在緊急情況下安全停機。
2.2控制系統功能
2.2.lDCS功能
電廠DCS控制功能設置與望亭電廠相似。
2.2.2TCS+PCS+TPS功能
TCS的主要功能有:
（1）燃機控制功能:包括ALR"自動負荷調節器"，速度控制、負荷控制、溫度控制、燃料限制控制、zui小選擇控制、燃料流量控制、進口導葉（IGV）控制、燃燒室旁路閥控制。
（2）汽機控制功能:包括HP/IP/LP蒸汽壓力控制、OPC（超速保護控制）、ST試驗功能。
PCS的主要功能有:
透平旁路控制、透平旁路溫度控制、軸封蒸汽壓力控制、軸封蒸汽溫度控制、ST排放閥控制。
TPS的主要功能有:
燃機/汽機保護有:燃機-汽機超速、軸向位移大、軸振動大、潤滑油壓過低、抗燃油壓過低、煙氣壓力高、燃燒室火焰消失、手動停機、余熱鍋爐跳閘、TCS故障和其他跳閘。
2.3控制系統的主要特點
設置了"一鍵啟停"功能（APS），又稱電廠自動控制系統。從理論上講，APS可以完成從抽真空至滿負荷的全部自動啟動過程，以及從滿負荷到機組停止的全部自動停止過程。
機組的整體啟動/停止程序被分成若干個斷點，每一個斷點都會顯示在LCD上。操作員可以通過LCD來監視機組運行狀態，并且操作員可以選擇是否從1個斷點執行到下1個斷點，或者手動干預機組的啟停過程，實現機組的半自動啟動和停止操作。
啟動過程的主要斷點:抽真空、余熱鍋爐啟動、汽機啟動、同期及升負荷。
停機過程的主要斷點:汽機停止、余熱鍋爐停止、抽真空破壞。
2.4控制設備的配且與組態
深圳東部燃氣電廠聯合循環機組控制區系紹逆出態圖，見圖2。
三、控制系統和通訊網絡
新建2×39OMW燃氣-蒸汽聯合循環機組，其中，機島設備（燃機、汽機、發電機及其輔助系統）采用上海電氣集團-德國西門子聯合體提供的單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組，余熱鍋爐采用武漢鍋爐股份有限公司生產的無補燃臥式自然循環鍋爐。
3.1控制系統和通訊網絡
電站控制系統主要由DCS和TCS兩部分組成，均采用德國西門子公司生產的epermXP系統，一體化設計。
3.1.1分散控制系統
DCS嵌入epermXP系統，有如下子系統:（l）模擬量調節系統（MCS），主要完成機組協調控制及余熱鍋爐、高壓旁路等系統的調節控制；（2）順序控制系統（SCS），主要完成機組級的順序控制（APS，西門子稱作SGCUNlTCOORDlNAT5lON）、余熱鍋爐及BOP系統的順序控制；（3）余熱鍋爐保護系統；（4）數據采集系統（DAS），完成監視控制及數據采集、管理；（5）電氣量控制（ECS，G&A），主要完成發變電組電氣量監控及單元機組廠用電系統及公用廠用電系統的監控。
公用系統的空壓機、天然氣調壓站控制納入DCS控制系統，接入公用系統DCS。化學水處理、輔助鍋爐以通訊方式接入公用系統DCS。
3.1.2燃機一汽機控制系統
燃機一汽機控制系統TCS（epermXP）由主設備廠家配套供貨，與DCS（epermXP）系統集成在一體，設在單元機組環網。
燃機從功能上可分為主控系統和保護系統，兩者為不可分割的整體。正常運行時，主控系統在燃機發電機組所要求的參數下按程序運行，出現故障時，保護系統發出報警信號，提醒運行人員排除故障回到安全運行狀態；當出現重大故障時，保護系統遮斷燃機，保證機組安全。主控系統中的AP自動處理器，主要對溫度、壓力、振動等各種參數數據采集，燃機程序啟、停，天然氣、天然氣疏氣、變頻控制、鍋爐吹掃以及發電機本體的數據采集和控制等功能；主控系統中的APT主要執行燃機排氣溫度控制、啟動控制、燃料控制、負荷限制控制、超速控制、壓氣機進口壓力限制等。每個系統根據不同的運行階段輸出燃料供應基準，這些燃料供給基準進行zui小選擇，其zui小值作為執行命令信號。同一時刻只有zui小的燃料基準起作用，通過燃料基準的改變，控制機組的轉速與負荷。通過改變壓氣機進口可轉導葉，控制汽機排氣溫度以及防止喘振。保護系統分2個部分，常規的部分由AS620完成（包括由APT通過網絡來的跳閘信號），快速部分由AG95F（信號、處理器均為冗余結構）完成，其中AS620B中的跳閘信號輸出到AG95F系統中，由AG95F系統輸出總跳閘信號，完成機組緊急停機。AS620B和AG95F之間的信號傳送通過網絡完成。
汽輪機的控制范圍為:汽輪機本體、離合器、汽輪機輔助系統。納入TCS控制的汽機輔助系統有:（l）汽機控制油系統；（2）潤滑油系統（與燃機、發電機公用供油系統）；（3）汽封系統，門桿漏汽系統；（4）凝汽器系統；（5）汽機密封水系統；（6）真空系統（7）旁路系統。
機組自動化系統設計起點較高，為適應燃氣電站兩班制運行，滿足機組的快速啟停的要求，設計機組級的順序啟/停功能，實現一鍵操作。
epermXP系統的上下層操作，采用客戶機/服務器結構，單元機組設冗余的數據服務器（PU）l對，操作員站通過服務器（PU）與控制器進行數據交換，工程師站可以訪問服務器，也可以直接訪問控制站。系統采用3級網絡結；（1）監視操作級網絡（TerminalBus）采用基于CSMA/CD的以太1OOMbs/s虛擬環網，向下通過服務器與過程控制級網絡連接，通過OPCSERVER上的OfficeLan與外部系統（SIS）相連。（2）過程控制級網絡PlantBus）采用1OOMbs/s虛擬環網，以結點方式與主控制單元（APT/AP）相連。（3）現場總線層（FBUs）采用1.5Mbs/s的ProfibusDP現場總線與I/0模件等相連。
1#單元機組DCS、2#單元機組DCS和公用DCS各自設置獨立的環網，公用系統環網通過網絡接口（Link）分別與1#、2#單元機組網絡相連。
機組的全套控制軟件由兒組軟件組合使用，上層監視系統采用epermXP系統0M650監視軟件，對整套機組實行一體化監視。工程師站采用epermXPES680工程工具軟件，下層控制DCS、燃機和汽機輔助系統，采用epermXPAP620功能控制軟件，燃機和汽機本體采用DigitalControlSystemSIMADYND功能控制軟件，DCS和TCS通過過程控制級網絡（PlantBus）通訊。
3.1.3后備硬接線操作
集控室主控臺的后備硬接線操作有：全廠總燃料跳閘、燃氣輪機緊急跳閘、蒸汽輪機緊急跳閘、發電機-變壓器組跳閘、潤滑油泵啟動、發電機滅磁開關跳閘。
3.2控制系統的主要特點
DCS和TCS一體化設計，epermXP基于有ProfibusDP現場總線的結構，DCS進一步分散化。
根據功能不同，機組的閉環控制、開環控制和保護運行設置了3個子系統，SimadynD、S5-95F、AP。
3.3控制設備的配且與組態
鄭州燃氣電站聯合循環機組控制系統組態圖，見圖3。
四、建議
4.1采用遠程I/0已趨成熟
基于DCS在我國大型火電機組應用10多年來所積累的經驗和DCS系統性能的不斷改進，在我國燃氣電廠推進采用遠程I/0的時機也已日趨成熟。望亭燃氣電廠和東部燃氣電廠余熱鍋爐以及輔助系統等均以工藝系統劃分的方式，設計配用遠程I/0，進行分散處理單元的設置和分割，實現控制功能分散和物理分散，取得了較為成功的經驗。因此，推進國內聯合循環機組按功能組或工藝系統要求，是有必要的。
4.2機組自啟停功能有待于實踐檢驗
國內對燃氣電廠燃氣-蒸汽聯合循環機組運行設置自啟停系統尚有不同看法。設計機組自啟停系統并不困難，但要使該系統發揮正常作用卻有很多問題需要研究。尤其是聯合循環機組主、輔機可控性中還有待需要協調解決的問題。如望亭燃機電廠2×3OOMW聯合循環機組、深圳東部燃氣電廠的3×35OWM聯合循環機組、北京第三熱電廠的1×35OMW聯合循環機組等均設有自啟停系統，但目前沒有調試或沒有正式啟用。由于機組的自啟停屬于電廠的協調控制范圍，它發出指令，用以指揮局部自動控制級的各相關系統（或稱功能組），而各相關系統在DCS操作站LCD屏幕上均已設置判據顯示與操作手段都很詳盡的Help畫面，運行人員可以隨時掌握這些功能組的工作狀況，并能及時向它們發出指揮指令。為盡快使機組投產，目前尚沒有認真對機組有自啟停功能進行檢驗。因此，具體工程是否設置機組自啟停功能應結合實際情況研究確定。
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