关于PLC汽轮机保护系统的应用

何鑫

摘 要：可编程控制器（PLC）是七十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC 在设计上有自己明显的特点：可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。在现代集散控制系统中，PLC 已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。

介绍了汽轮机主保护的任务，分析了汽轮机保护系统（ETS）的现状，对SIEMENS S7—200 PLC进行了详细介绍，利用S7—200 PLC对该机组保护系统的逻辑编程，并利用PLC设计汽轮保护控制系统，灵活，可靠地实现汽轮机保护跳闸、记忆功能，取得了满意效果。

关键词：PLC控制；汽轮机；保护系统；安全有效

1 汽轮机的原理

从能量转换的角度而言，汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械功的旋转式动力机械。这些蒸汽可能来自锅炉燃料燃烧，加热给水产生的，也可能是其他高温、高压的蒸汽发生设备产生的。汽轮机输出的动能驱动发电机，进一步将动能转变为电能，供给工业生产和生活需要。与往复式活塞式动力机械相比较，汽轮机具有功率大、转速高、经济性好等显著特点。因此，汽轮机在国民经济中，起着举足轻重的作用，在各个领域有着广泛的应用。如图1所示汽轮机原理图。

在汽轮机中，蒸汽的热能（焓）被转换成机械功，完成这个能量转换的基本单元叫做汽轮机的叶片级。

汽轮机的某个级，它主要由静叶栅（有称喷嘴）和动叶栅组成。静叶片安装在汽轮机静止的部件上，动叶片安装在有可旋转的轮盘上。汽轮机的通流部分是由主进汽阀、调节阀、若干个叶片级和排汽缸所组成，它负担着把蒸汽的热能转换成机械功的任务。

2 汽轮机的自动控制系统

汽轮机的自动控制系统包括调节保安系统和安全监控系统两部分。

1）.汽轮机的调节保安系统

汽轮机的调节保安系统的功能主要是使机组的被调量（转速、压力等）能按一定的规律变化，以适应复核（电功率、热负荷或驱动功率等）变化的要求；当机组发生故障后外界干扰时，能采取紧急保安措施，以确保机组的安全。

为确保机组安全经济运行，调节保安系统必须动作正确可靠，性能优良。必要时，可采用冗余技术和自诊断、快速查找故障、方便在线维修、自动/手动的无扰动切换等手段。

2）.汽轮机的安全监控系统

汽轮机的安全监控系统是保护汽轮机安全运行的重要设备。目前，安全监控系统的主要监控项目有：冷凝器低真空、转子轴向位移和推力轴承磨损、转子与汽缸间的相对膨胀（胀差）、绝对膨胀、润滑油压、机组震动、转子弯曲、轴承和润滑油温度等。

在上述安全监控项目中，又可分为监视项目和保护项目两款。监控项目只对被监视参数进行连续、有效、准确的监视（包括记录）。当被监视的参数超过允许极限值时，能发出声光报警信号，提请运行人员注意，以采取相应的纠正措施。保护项目则要求在被监视的参数超限时，保护装置能准确、可靠、及时地动作，实现强迫停机，以免事态进一步扩大，确保机组安全。

3 汽轮机保护系统的实现

PLC型汽机保护系统逻辑功能是在原以继电器为基础的逻辑功能上加以改进的，通过软件组态满足系统工艺要求，当汽轮机发生故障，发出相应的故障报警信号，汽轮机自动跳闸，来保护汽轮机。

1） 汽轮机保护系统的硬件设计

汽机保护PLC控制系统构成如图2所示，采用西门子S7-200系列模件，整个硬件系统使用了一个PLC主机架，为了提高PLC系统的可靠性，采用双CPU冗余热备运行和双电源模件供电，这样也大大提高了保护控制系统的安全可靠，同时控制逻辑软件中能使汽轮进行跳闸保护并付出报警信号，为汽轮机跳闸后事故分析提供了依据。

2） 汽轮机保护系统逻辑功能的实现

PLC型微机保护系统设有：超速14%PLC型汽机保护原理保护、轴向位移及推力轴承回油温度高保护、高压缸相对膨胀保护、凝结器真空低保护、支持轴承回油温度高保护、润滑油压低保护、发电机差动保护、手动停机跳闸等条件。以上几个条件只要有任一条件满足，则主汽门就关闭并发出相应的报警信号。

4 汽轮机保护系统中的传感器

在汽轮机保护系统中所应用到的传感器种类很多，在汽轮机保护中，需要传感器对其保护，发出相应的信号，对汽轮机组发出报警信号，并对其跳闸保护。电涡流位移传感器是其主要应用，振动的测量要靠各种振动传感器，在旋转机械上使用较多而又成熟的传感器主要有：电涡流位移传感器。

电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。电涡流传感器的变换原理简要介绍如下：在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz～2MHz）的交变电压（见图3），当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流ie，而ie所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。而耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数K1与距离d有关，K= K1（d），当距离d增加，耦合减弱，K值减小，使等效电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间接测定d的变化。

由于传感器反馈回的电感电压是有一定频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能得到间隙随时间变化的电压波形。即根据以上原理所述，为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量路线。这一测量路线（称之为前置器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。涡流传感器加上一测量线路（前置器），如框图4所示：从前置器输出的电压Vd是正比于间隙d的电压，它可分两部分：一为直流电压Vde，对应于平均间隙（或初始间隙），一为交流电压Vac，对应于振动间隙。

5 汽轮机保护系统的总结与展望

随着算机技术的不断发展，可编程序控制器的功能有了很大的提高，它不再仅仅局限于完成顺序逻辑控制功能。多数的可编程序控制器采用通用的高性能处理器，在保证快速完成顺序逻辑运算的前提下，普遍增加了回路调节功能，代数计算功能等。可编程序控制器己经成为工业控制的标准化设备，在工业企业中应用相当普遍，是自动化的三大技术支柱之一。

在电力统中，电厂的中小型机组一般都是老机组，服役时间长，设备老化。在这些机组中，普遍存在着一些由继电器回路构成的控制保护系统。这些继电器控制系统由于连线多，触点多，故障不容易查找和排除，存在着不少的安全隐患。而可编程序控制器的可靠性高，维护工作量小，适应性强。因此在对火电厂中小型机组进行改造中，利用可编程序控制器对原有的继电器控制系统进行改造，从而提高控制系统，保护系统的功能以及可靠性，这将是一种必然趋势。

随着可编程控制器在电厂机组的顺序控制，回路控制等方面的更广泛应用，设计并实现可编程序控制器系统的实时数据通信网络，在火电厂分布式计算机监控系统的开发和研制中将占有重要地位。针对控制对象的特点和实际操作的要求，进一步的深入研究通信网络的通信机制，开发出适应性更强，更灵活的监控软件将是以可编程序控制器为主的监控系统今后的主要工作和主要趋势。

参考文献

1.S7—200可编程控制器系统手册[M/CD]，2004

2.郝久清，肖立.PLC控制系统的可靠性设计[J]，自动化仪表，2005

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6. 厉 鹏，可编程控制器在汽轮机保护系统中的应用，辽宁：技术论坛，2008