Ovation控制系统在9E燃气轮机中的应用

田毅华,李永扬,刘鹏飞,王毅刚,文 谦

(武汉汉能电力发展有限公司,武汉430056)

Ovation控制系统在9E燃气轮机中的应用

田毅华,李永扬,刘鹏飞,王毅刚,文 谦

(武汉汉能电力发展有限公司,武汉430056)

介绍了艾默生Ovation控制系统在9E燃气轮机控制中的开发和应用。实践表明：通过硬件、控制软件等方面的设计开发及调试,使基于Ovation硬件的9E燃气轮机控制系统成功应用于某燃气轮机电厂的9E燃气轮机低氮改造机组,该系统的各项性能完全满足控制运行要求,极大地方便了燃气轮机运行和维护。

燃气轮机；控制系统；功能模块

为了适应国家能源结构更好的优化,燃气轮机(简称燃机)在我国的应用不断扩大。控制系统是整个燃机电厂安全运行的灵魂,而国外燃机控制制造厂家技术封闭,只能选用其提供的控制系统［1-3］,这为我国的燃机国产化造成了壁垒。为了打破这个格局,在燃机改造中选用了艾默生Ovation控制系统。笔者分析了Ovation控制系统的应用情况。

1 Ovation控制系统

Ovation系统采用了高速度、高可靠、高开放性的通信网路,具有多任务、多数据采集的控制能力,见图1。

作为控制中心,控制器采用冗余的控制器；各控制器中又各有一对冗余网线连接到冗余的交换机；工作站也是通过冗余网线与交换机相连。工作站含操作员站、工程师站、历史站、OPC站及其他功能站。

图1 Ovation系统网络架构

为了实现不同的控制功能对执行速度的不同要求,Ovation可以设置五个不同的任务区,第一任务区时间为100 ms,第二任务区时间为1 000 ms,后面3个任务区时间可以根据需要设定(设定范围：0.01～30 s)。Ovation控制系统为达到9E燃机控制要求,使用了第二任务区(1 000 ms)、第三任务区(10 ms)、第四任务区(150 ms)。

第二任务区主要实现IGV(压气机进口可转导叶)、SRV(燃气速比阀)、GCV1-3(燃气调节阀)等的控制。

第三任务区主要实现p2压力控制。

第四任务区主要实现以下功能：(1)顺序控制系统；(2)燃料主控系统；(3)IGV、IBH(压气机入口抽气加热)控制；(4)保护系统。

2 Ovation与Mark VIe系统比较

Ovation系统与Mark VIe系统的主要区别见表1。

表1 Ovation与Mark VIe系统比较

3 Ovation系统功能的实现

3.1 硬件上三冗余实现方式

在Mark V中一个信号送到3个控制模块＜R＞、＜S＞和＜T＞后进行运算。而在Ovation系统中,分多种情况：

(1)对于DI测点,每个DI信号被送到3块不同的I/O端子板上,在系统数据库中表现为3个点,然后对这3个点进行“三取二”运算。

(2)对于AI测点,每个AI信号被送到2块不同的I/O端子板上,在系统数据库中表现为2个点,然后对这2个点进行取大或取平均运算；对于一些重要AI点,现场取3个AI信号。

(3)对于SOE、TC、RTD、AO、DO测点,每个信号只对应一块I/O端子板上,在系统数据库中表现为1个点。

3.2 软件中“三取二”的实现

在Ovation中对于一些重要DI点是送到3块I/O卡件上,对这些点需要进行“三取二”处理后再进入控制运算。Ovation“三取二”算法见图2。

图2 信号“三取二”处理

3.3 p2压力的控制

Mark V中对于p2压力控制是通过SRV实现的。

Ovation也是通过SRV来控制p2,与Mark V不同的是：Mark V是计算出p2压力基准值送到SRV中,由SRV内部运算来计算SRV的开度；Ovation是在控制算法中通过一个PID运算的p+I计算出SRV的开度指令送到SRV；同时为了在点火时快速建立p2压力,在点火时给出一个SRV的初始开度指令(见图3)。

图3 SRV控制p 2原理图

在100%TNH(转速信号)前,p2压力基准值为TNH×2.97-24.1；在100%TNH后p2压力基准值固定为272.9 PSI。

3.4 伺服系统工作原理

一套伺服系统有3个独立线圈、2个反馈,见图4。Ovation控制系统为了实现对一套伺服系统的控制,采用3块伺服SVD卡,每块SVD卡为双通道。

图4 伺服卡原理接线图

由图4可见：一套伺服系统用了3块SVD,从阀门上输出的2个反馈分别送到3块卡上(第一个反馈送到了第一、第二SVD卡,第二个反馈送到了第二、第三SVD卡,在第二块SVD卡中对2个反馈取大值)；每块SVD卡送出一个线圈电压来控制伺服卡。

3.5 燃料选择

9E燃机燃料控制分6种类型：启动控制、加速控制、转速控制、负荷控制、温度控制、停机控制。在Mark V控制系统中,由上面6种控制方式得出各自的FSR(燃料行程基准)值,然后选择最小值作为最终FSR值。在Ovation控制系统中,先计算启动控制对应的FSR作为积分块的初始值,然后由后面的5种控制方式得出各自的FSR值的变化率,选择最小值作为FSR的变化率去计算出FSR值,见图5。

图5 燃料主控原理图

3.6 燃料分解

9E燃机低氮改造后1个GCV变为3个GCV,这就存在FSR如何分配到3个阀上的控制。Ovation控制系统中,根据不同的低氮燃烧模式得出GCV1在FSR中所占的比例值,剩余的FSR值由GCV2与GCV3根据需要再次分配。低氮燃烧模式切换时,GCV3会有一个比例值与剩余FSR相乘得出GCV3对应的燃料指令,GCV2的燃料指令由剩余FSR减去GCV3燃料指令算出,见图6。

图6 燃料分解原理图

3.7 IGV、IBH控制

IGV控制的目的是防止压气机喘振,并控制排气温度,见图7。

最小全速角在IBH运行时为42°,在IBH停止时为57°；全开角为84°。

图7 IGV控制原理图

IBH控制目的是对压气机入口进行抽气加热,使燃机在低负荷时就能进入预混模式运行。在IBH功能投入后,IBH开度随IGV角度动作。动作关系见表2。

表2 IGV角度与IBH开度关系 (°)

3.8 LEC-Ⅲ低氮燃烧

汉能电厂低氮改造采用的是阿尔斯通LEC-Ⅲ低氮燃烧技术。低氮燃烧模式分：扩散燃烧“DIFFUSE”、贫-贫燃烧“LEAN-LEAN POS”、二级切换“SECONDARY TRANSFER”、预混切换“PREMIX TRANSFER”、预混燃烧“PREMIX STEAD-STATE”。这几种模式通过TTRF1(燃烧基准温度)来切换,IBH投入与否时,模式切换时的TTRF1也不同。下面以IBH运行模式下的燃烧模式切换为例：

(1)在机组点火到带负荷30 MW左右过程(TTRF1＜890℃),都是“DIFFUSE”燃烧模式, GCV1开,GCV2、GCV3关闭,吹扫投入,一区有火焰。

(2)在TTRF1＞890℃时,燃烧模式切换到“LEAN-LEAN POS”,这时GCV1开,GCV2开,吹扫投入,一区、二区都有火焰。

(3)在“LEAN-LEAN POS”下持续增加负荷,当负荷达到60 MW左右时,TTRF1＞1 071℃,这时燃烧模式进入“SECONDARY TRANSFER”,吹扫退出,GCV3逐渐开大,GCV1逐渐关小至0%,GCV2逐渐关小,这时一区火焰消失,只有二区有火。

(4)“SECONDARY TRANSFER”完成后, GCV1逐渐开大,GCV2逐渐关小,GCV3逐渐关到0%,然后吹扫投入；在一区只有燃料混合,无火焰；二区有火焰。这个过程为“PREMIX TRANSFER”。

(5)“PREMIX TRANSFER”完成后,80%燃料由GCV1进入一区,20%燃料由GCV2进入二区,一区混合,二区燃烧,燃烧进入“PREMIX STEAD-STATE”模式。

4 结语

Ovation控制系统在汉能燃机改造中取得了成功的应用。运行结果表明：该系统的控制精度、响应速度、安全性都达到了燃机控制的要求,系统的各项控制功能满足了燃机运行的需要；且Ovation提供更为人性化的人机界面,强劲的历史功能,为燃机安全运行和系统维护打下了坚实的基础。

［1］中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书：控制系统分册［M］.北京：中国电力出版社,2009.

［2］张文辉,李颖.燃气轮机温度控制与性能试验［J］.上海电力,2006(1)：36-38.

［3］虎煜,陈学文.西门子V94.3A燃气轮机控制系统［J］.上海电力,2006(2)：152-155.

Application of Ovation Control System in 9E Gas Turbines

Tian Yihua,Li Yongyang,Liu Pengfei,Wang Yigang,Wen Qian
(Wuhan Hanneng Electric Power Development Co.,Ltd.,Wuhan 430056,China)

The development and application of Emerson's Ovation control system for 9E gas turbine were presented.An Ovation control system was successfully implemented as an integral part of the low-NOxretrofitting of a 9E gas turbine,involving the design,development,and commissioning of related hardware &software.Testing&commissioning results and operating performances had fully demonstrated the Ovation control system to be satisfactory in every aspect of the control requirements and offered significant convenience in gas turbine operation and maintenance.

gas turbine；control system；function module

TP273

A

1671-086X(2015)03-0212-04

2014-08-15

田毅华(1977-),男,助理工程师,从事电厂生产运行、技术改造、维护检修工作。

E-mail：tyh@meiyawh.com