新一代燃气轮机控制系统-Mark Ⅵ介绍
第17卷 第4期2004年12月《燃 气 轮 机 技 术》G AS TURBINE TECHN OLOG Y V ol 117 N o. 4Dec. ,2004
新一代燃气轮机控制系统-Mark Ⅵ介绍
戴云飞, 周 珏
(江苏省电力公司技术中心, 江苏 南京 210036)
摘 要:美国GE 公司在SPEE DTRONIC [T M]Mark V 的基础上于1999年推出了最新研制的Mark Ⅵ。国内未来几年在新的燃气蒸汽联合循环机组上将采用此控制系统。本文介绍该控制系统的概貌、软硬件情况以及它与
MarkV 的主要区别。
关 键 词:燃气轮机; 联合循环; 控制系统
中图分类号:TK47413 文献标识码:B 文章编号:1009-2889(2004) 04-0029-04
0 引 言
SPEE DTRONIC T M Mark Ⅵ燃气轮机控制系统是GE 公司研制的最新先进的控制系统, 它保留了GE
的方式) 。尽管UDH 支持不同控制器之间控制参数
通讯, 但是每个控制回路都在各自的控制器内完成。另外为了确保可靠性, 控制器之间以及来自DCS 的所有跳闸指令都通过硬接线连接。
UDH 与PDH 之间是基于CI MP LICITY 图形界面和Windows NT 操作系统的服务器, 这些服务器作为就地/远程的操作员站或工程师站, 用于人机通讯以及控制维护。
I ONET (如图2) 是以Ethernet T M 为基础的用于Mark Ⅵ控制器内三个控制处理器、三个保护模块以
经过几十年验证的成功的透平控制、保护和序控设
计思想, 同时在如下几个方面作了一些改进, 诸如:系统网络结构、产品的标准化、硬件设备的功能及可靠性、H MI 、系统的开放性和寿命周期、设备故障诊断技术等, 下文将进行逐一介绍。
1 Mark Ⅵ系统结构
Mark Ⅵ控制系统设置有三级数据通讯网络:PDH 网、UDH 网和I ONET 网(如图1、图2所示, 其中
及扩展模块间通讯的网络, 该网络也是三冗余的。
I ONET 使用的是AD L (asynchronous drives language ) 对控制器数据进行表决。
图1虚框中的Mark Ⅵ控制结构图如图2所示) 。PDH 网(Plant Data Highway ) 是系统用来与电厂离散控制系统(DCS ) 或者第三方设备(如不是GE 供货的P LC 等) 之间进行数据通讯的途径。支持其与DCS 通讯的协议有Ethernet TCP -IP G S M ,Ethernet TCP -IP M odbus slave 和RS232/485M odbus RT U 。其中Ethernet TCP -IP G S M 协议可传输就地高分辨率报
2 硬件配置
为了提高性能,Mark Ⅵ控制模块的每块I/O 卡都加了T MS320C32DSP 处理器, 这样I/O 卡的运算能力将更强。另外,Mark V 上的数据是16位的整型数据, 而Mark Ⅵ上的数据是32位的浮点型数据。
作为Mark Ⅵ控制系统心脏的控制模块选用VME (VERS A M odule Eurocard ) 型底板, 它最多可以扩展到21槽, 如果柜内再增加机架则可以继续扩展; 它支持卡件的升级使之具有更强的计算能力和I/O 容量, 这样产品的寿命更长而不必设计新的产品。
Mark Ⅵ和Mark V 一样都采用三冗余控制器结构并对数据进行表决, 但是由于控制平台的差别表决的方法略有不同,Mark V 是在同一块控制器上进
警、S OE 时间标记、事件驱动消息、周期数据包等。
UDH (unit Data Highway ) 是基于Ethernet 网络, 它提供燃机控制器、汽机控制器、余热锅炉控制器、发电机励磁控制器、静态启动器、P LCs 之间高速的端与端对等通讯。该网络使用的是基于消息的协议———EG D (Ethernet G lobal Data ) , 它支持基于UDP/IP 标准协议的多个节点之间的信息共享(广播或点播
Ξ收稿日期:2004207221
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行数据通讯和应用软件的运行, 而Mark Ⅵ
控制在第
图1 9FA
控制网络结构
准,Mark Ⅵ放弃了Mark V 采用的性能优越的Arcnet 网络, 而采用Ethernet 来实现与内部和外部的通讯。
Mark Ⅵ控制系统有扩展的内嵌式诊断模块, 包
括通电自诊断功能、后台诊断、手动设置诊断程序。这些诊断功能能够识别控制盘、传感器、执行机构故障。诊断范围对控制盘而言可以到线路板级, 对传感器和执行机构而言可以到电路级。当故障报警存在时,Mark Ⅵ能够迅速图形化显示报警位置和需要采取的措施, 便于及时维护, 这是较MarkV 改进的地
图2 Mark Ⅵ控制系统结构图
一个槽上有一个VC MI 通讯卡, 它负责与VME 底版上的I/O 卡件进行通讯, 并与其它控制模块的VC MI 卡交换数据, 对数据进行表决; 表决得到的数据被传输到位于第二槽的主控制器上。由于VC MI 卡承担了处理器原来需要承担的通讯功能, 处理器可以只负责应用软件的运行, 所以Mark Ⅵ的I/O 容量增加了至少三倍, 对大系统而言运行速度也由62ms 提高到了40ms 。另外, 每次可以加一个扩展架并最多可以置于185米以外。由于扩展架可以置于不同的地方, 所以采用三冗余的I ONET , 而Mark V 网络采用的是无冗余的网络并在一个柜内。为了符合工业标
方。为了更加清晰区分传感器故障和I/O 卡件故障, 诊断功能分为系统(软件) 限值检查和高/低(硬件) 限值检查。如系统对于每个模拟量输入信号高、低限值进行检查。开关量输出信号的系统检查在数据库里面独立提供; 对每个模拟量输入信号都提供高/低(硬件) 限值检查, 限值范围大于正常的控制量程, 但是位于硬件的线性工作区内。
现场终端的设计方面,Mark V 及之前控制系统的设计思想是把尽可能多的功能放到小的机盒内。但是, 随着现代联合循环机组控制功能的复杂性和相应I/O 点数量的增加要求大空间的机盒来布置终端。所以Mark Ⅵ采用大的板式终端模块(Mark V 采
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用的是嵌入式小盒型终端模块) , 每个终端盘上安装了两个可插拔式终端模块, 其安装的位置离相应的I/O 卡件可长达15米。
立的电源、处理器、通讯、I/O 。一些关键的保护, 如超速保护、同期保护、熄火保护功能由独立的三冗余保护模块
来实现。用于控制回路和遮断保护的关键传感器信号都是三重冗余的。其它传感器则是双备或者单个的。
Mark Ⅵ采用改进的SIFT (软件执行容错) 技术。SIFT 以投票方式在、、控制处理器的VC MI 卡间交换信息。以控制器为例, 它通过其VC MI 卡将数据送到、的VC MI
卡
3 软件的配置
Mark Ⅵ与Mark V 一样, 采用三重冗余的结构(T MR ) , 它有着30多年成功的燃机控制经验。燃机
关键的控制、保护、监视有三套冗余的控制模块、、控制器来实现, 每个控制器有其独
图3 透平典型保护系统
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上, 同时也从其它两个控制器的VC MI 卡上获取数据。VC MI 卡对各模拟量或开关量数据进行取中或表决, 得到的结果可用于后续的控制计算。、亦然。当一个传感器失灵, 诊断系统将发出报警, 与之相连的控制器将收到一个坏信号, 各控制器在表决时将自动剔除该坏信号。因此, 当不在同一个控制回路内的多个模拟量或开关量出现故障时, 控制系统仍能正常运行而不会作出跳闸决定。对于一些更为关键的信号如燃料指令等, 则需要专门的硬件(如伺服阀等) 来实现表决功能。
5 操作接口
Mark Ⅵ的人机界面(H MI ) 的特点是:结构开放,
采用工业标准。它是装有GE CI MP LICITY 、Micros oft Windows NT 操作系统和控制系统工具箱(C ontrol System T oolbox ) 等软件的PC 机, 可作为主操作员界面, 机组DCS 操作员界面的备用界面或用于维护的工程师站。H MI 通过UDH 网络与控制器通讯。它是作为Mark Ⅵ的一部分而设计的, 但也可以应用于较低版本的控制系统, 如Mark Ⅳ、Mark V 等。
H MI 让操作员可以使用友好的用户界面来监视机组运行数据并可以便捷修改设定值、负荷、阀门开度等参数。重要参数在每幅画面上都有显示, 这样操作员在切换画面时可随时监视这些参数。显示画面右侧部分有一个菜单, 分为总览、单元机组选择、控制、监视、辅机、测试等, 其子菜单如表1所示。
表1 典型燃机操作员界面
控制画面
起动干低N0x
FSR 控制
4 控制功能
Mark Ⅵ控制系统的控制算法是对Mark V 的补
充和完善, 它包括自动调节系统、顺序控制系统和保护系统。其中自动调节系统包括如下调节回路:起动控制、加速控制、速度控制、负荷控制、排气温度控制、进口导叶控制、燃料控制、排放控制等。
图3为典型的透平保护系统。主要的保护功能在、、控制模块中实现。后备保护如危急超速和同期检查保护在保护模块
中实现。当保护动作时, 控制系统将把燃料阀关至零位置, 液压跳闸电磁阀失电, 燃料阀、主汽阀、抽气逆止阀迅速关闭。电磁阀由125V 直流蓄电池供电。由于保护对于透平非常重要, 所以关键的跳闸电磁阀都有6个继电器, 以图4中典型的转速保护为例, 一边是来自控制模块的3个继电器进行跳闸表决, 而另一边3个继电器则来自后备保护模块, 这样控制模块和保护模块都可以跳机以确保设备安全。其中后备保护模块中的紧急超速保护代替了传统的机械超速保护机构, 当转速信号大于3360rpm 时, 系统输出后备跳机指令
。
发电机/励磁IG V 控制马达同期
监视画面轴承温度燃机排气温度发电机温度氢气振动轮间温度
辅机火焰发电机性能起动检查静态起动器计时器跳机图表水洗
测试超速试验
控制系统工具箱(C ontrol System T oolbox ) 是对Mark Ⅵ、EX2100和静态起动器等进行维护的通用软件工具包。和MarkV 比较其有如下主要改进:
◇ 基于Windows 界面操作系统◇ 具有放大、缩小(Z oom -in ,Z oom -out ) 功能◇ 提供数学计算模块和宏功能, 编程更方便◇ 支持对模拟量和开关量的强制◇ 可在线对Mark Ⅵ系统下装修改后的组态文件, 不必重新初始化控制器◇ 支持在屏幕上对数据进行投放操作◇ 支持32位浮点型数据Mark Ⅵ采用PI 作为历史站(Historian ) 并做了一些改进使功能更强大; 历史站直接从UDH 网络读取实时模拟量、开关量和高速S OE 数据(采样间隔为千分之一秒) , 其最大容量是20000点。历史站具有如下功能:报警、事件报告、历史二维曲线图、事件扫
(下转第13页) 描、数据趋势图等。
图4 D ouble T MR 超速保护示意图
第4期在分包合同订货的联合循环机组性能验收中供货商的责任划分
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T g4m -C pg5T g5m )
其中:G sim —余热锅炉输出的第i 股蒸汽流量, 试验测得,kg/s ;
h ism —余热锅炉输出的第i 股蒸汽比焓, 试验测得,k J/kg ;
P hrsg. loss —余热锅炉的散热损失、泄漏损失等功
计资料或估计,kW ;
P loss —燃气轮机的散热损失、漏气损失功率, 根据设计资料或估计,kW 。
为了检查上述计算中的取定值是否准确, 可先取全部参数的设计值, 对设计工况特性P G T 。进行模拟计算, 来验证取定参数ηP hrsg. loss 、P aux. m 、P loss f 、等的准确性。
蒸汽轮机的出力是:
P ST m =P m -P G T m
率, 根据设计资料或估计,kW ;
G fwm —余热锅炉给水流量, 试验测得,kg/s
h fwm —余热锅炉给水比焓, 试验测得,k J/kg ; G pg4—燃气轮机出口燃气定压比热, C pg =f (燃
(21)
气成分,T g4m ) ,k J/kg ℃T g4m —燃气轮机出口燃气温度, 试验测得, ℃
C pg5—燃气轮机出口燃气定压比热, C pg5=f (燃
知道燃气轮机与蒸汽轮机的出力以后, 就可以
按第311节相同的方法, 求出燃气轮机与蒸汽轮机各自对机组性能偏差应承担的责任份额了。参考文献:
[1]国电热工研究院. 北京三热350MW 燃气蒸汽联合循环机组性能
气成分,T g5m ) ,k J/kg ℃;
T g5m —余热锅炉出口燃气温度, 试验测得, ℃
P aux. m —燃气轮机主轴带动的辅机功率, 根据设
考核试验方案[Z].西安:国电热工研究院.
[2]Mitsubishi. The Performance T est Scheme for C ombined Cycle P ower T rain of The Shenzhen Eastern P ower Plant[Z].
(上接第32页)
参考文献:
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与电工,1997,17(1) :12—15.
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[5]SPEE DTRONIC T M M ark VI Turbine C ontrol. GE Industrial Systems[Z],
GE A -S1004.
能及可靠性[J].汽轮机技术,1999,41(2) :76—78.
[2]刘尚明等. 从M ark I 到M ark VI 至后M ark VI ———兼谈燃气轮机的
控制技术发展[J].燃气轮机技术,2001,14(1) :22—28.
[3]赖以立. SPEE DTRONIC T M M ark V 燃气轮机控制系统[J].福建电力
The I ntroduction of N e w G as Turbine Control System ———Mark VI
DAI Y un -fei ,ZHOU Jue
(The T echnology Center of Jiangsu Electric P ower C om pany ,Nanjing 210036,China )
Abstract :Mark Ⅵcontrol system was developed by GE company on the base of Mark V in l999, and in the near future this system Will be applied in new combined cycle power units in China. This paper presents the summary of s oftware and hardware ev olution of Mark VI as well as its main distinction compared with Mark V.
K eyw ords :gas turbine ;combined cycle ;control system