M701F机组DIASYS控制系统问题分析

李 东 范新宇

（深圳能源集团股份有限公司东部电厂，广东 深圳 518120）

M701F机组DIASYS控制系统问题分析

李 东 范新宇

（深圳能源集团股份有限公司东部电厂，广东 深圳 518120）

本文介绍了M701F燃气轮机控制系统投产以来所存在一些主要问题，并进行分析和探讨，提出一些相关的改进建议和措施，提高了控制保护系统的安全性。

燃气轮机；问题分析；改进对策

某电厂建有三台三菱公司 M701F燃气轮机联合循环发组，该燃气轮机控制系统为三菱公司成套的DIASYS分散控制系统，机组控制系统从投产以来运行基本稳定可靠，但在硬件和软件等方面也发生了一些问题，甚至造成机组误动跳闸的事故，给机组安全稳定运行带来了威胁，为此对这些问题进行了分析和研究，并提出相应的技术改进建议和措施。其中有些已经实施并取得较好效果，有些还需进一步探讨和解决。

1 控制系统简介

1.1 控制系统构成

上层部分：包括工程师站、操作员站、数据站服务器、打印机、CPFM（combustor pressure fluctuation monitor）系统等设备。

通信接口部分：包括机岛控制系统与DCS系统的接口通信等设备。

下层部分：包括TCS（turbine control system）系统、PCS（process control system）系统、TPS（turbine protection system）系统、MPS站（multiple process station）等设备。

机岛控制系统内部的所有系统、设备之间通过高速工业以太网组成了独立的计算机网络，与外部的DCS系统的通信接口则采用了MODBUS通信协议的RS 485串口通信。

1.2 控制系统功能

燃气轮机控制系统按照其功能主要包括以下系统：

1）透平控制系统TCS（turbine control system）：主要完成对燃气轮机-汽轮机-发的起、停以及带负荷正常运行的监控。

2）过程控制系统PCS（process control system）：主要完成对汽轮机旁路、汽轮机轴封、凝汽器真空系统的监控。

3）燃气轮机（汽轮机）保护系统TPS（turbine protection system）：主要完成燃气轮机-汽轮机-发的跳闸连锁保护控制。

4）透平轴系振动监测保护系统 TSI（turbine supervisory instrument）：主要完成对燃气轮机-汽轮机-发轴系的振动、轴向位移、胀差、轴挠度、缸体膨胀、零转速、键相等参数的监视、报警和保护。

5）燃烧自动调整监控保护系统 ACPFM（advanced combustor pressure fluctuation monitor）：主要完成燃气轮机燃烧系统的自动燃烧调节、监视和保护功能。

6）其他系统：机组还配置了 GPS系统（用于时钟的卫星同步）、大气检测站（用于对厂区的大气情况进行监测）。

2 控制系统运行情况及存在问题

燃气轮机控制系统从投运以来基本稳定，硬件比较可靠，模件损坏率相对较低，系统软件、控制逻辑运行也基本稳定。但在运行中也陆续发生了一些故障和问题，下面是发生的主要问题以及针对这些问题的分析和处理。

2.1 燃气轮机叶片通道温度（BPT）偏差大保护误动问题

2008年3月1号、3号机组先后发生燃气轮机叶片通道温度（blade path temperature,BPT）偏差大跳闸，事后经过检查分析确认两次跳闸均为保护误动跳闸，对两次事故情况分析如下。

2008年3月8日1号机组在360 MW负荷运行时突然发生跳闸故障，报警显示为：“11号燃气轮机叶片通道温度（BPT）偏差大跳闸”，事后对历史数据进行了分析。跳闸前，燃气轮机控制系统（TCS系统）的11号BPT温度显示一直正常，没有跳变和波动，其他相关运行参数也未见异常。由于此前燃气轮机保护系统（TPS系统）的BPT测量数据未设计进入到历史站ACS（Accessory Station）系统的历史数据库中，所以对TPS系统的采集数据无法进行检查和分析。根据图 1的 BPT测量原理和 TCS系统历史数据的综合分析，认为此次跳闸时刻机组运行参数是正常的，属于保护系统误动作跳闸。

图1 BPT测量回路原理接线图

2008年3月12日3号机组在67MW负荷时发生跳闸。报警事件记录显示：“20号BPT偏差大跳闸”。检查了TCS系统20号BPT的历史数据，显示温度偏差并没有高于跳闸定值，同时温度测点信号也没有跳变和波动，其他相关运行参数也未见异常。在随后检查 TPS系统保护逻辑中发现，TPS1系统和TPS2系统输出为“1”，而TPS3通道输出为“0”，即此次保护只有2个通道动作，经过3取2逻辑后动作跳闸。3号机组的BPT测量回路与1号机组完全相同，由图2可以看出，温度变送器为1路热电偶输入，2路电压输出，其中输出 1并接成两路分别输入到 TPS1通道和 TPS2通道，输出 2输入到TPS3通道。而此次跳闸保护逻辑为 TPS1和TPS2动作，TPS3没有动作，刚好是温度变送器的输出1回路动作，据此分析结果是，温度变送器的输出 1通道存在问题，从而导致保护误动。

图2 BPT温度保护逻辑改进原理框图

综合上述两次跳闸事故分析，发现燃气轮机控制保护系统存在着不完善之处。主要问题如下:

燃气轮机排气温度、BPT温度、润滑油温度等温度类保护系统的输入回路设计不合理。如图1所示，这些保护信号均为单点信号经过温度变送器转换、后再分别送入3个TPS保护系统。如果温度变送器之前回路中7个环节（如图1中所示：①热电偶；②热电偶元件接线端子；③中间接线端子；④补偿电缆；⑤温度变送器输入端子；⑥温度变送器；⑦温度变送器输出端子）中任一环节出现问题，保护系统就会误动跳闸。虽然在机组的BPT偏差大保护逻辑中已经引入了相邻测点偏差大的关联逻辑，但检查发现，该逻辑基本是无效的。事后于2008年5月16日通过对1号、3号机组的控制逻辑检查发现：1号机组的20个相邻BPT偏差大判断逻辑中有18个已经输出为“1”，3号机组的20个相邻BPT偏差大判断逻辑中有 16个已经输出为“1”（相邻BPT偏差的定值为+2.5℃，−4℃，）。

针对上述保护系统存在的隐患，提出如下改进建议。

在TPS系统BPT保护逻辑中引入TCS系统的温度报警信号作为跳闸逻辑的关联信号，逻辑原理框图如图2所示。由于TPS系统BPT保护逻辑中引入测量信号与TCS系统的控制和温度报警信号为同一个测量点的双只元件，其测量数值和重要等级是完全相同的，在正常情况下，当BPT偏差大保护动作时，TCS系统的BPT必定会提前发出报警信号，所以，两个信号的关联条件是成立的、合理的，可有效的防止因保护回路的信号测量发生问题而误动跳闸，（如果在此前保护逻辑中设计了此关联条件，则3号机组发生的2次跳闸事故均可完全避免）。防止保护拒动：增加的TCS系统的温度报警信号关联跳闸逻辑可设计信号点的质量判断，当该信号出现坏质量时，则自动解除其关联逻辑关系，可有效的防止因信号问题出现保护拒动的情况。由于此改进为控制逻辑的修改，不需对系统的硬件进行改动，所以便于实施。同时对相邻测点偏差大的关联逻辑定值进行优化修改（目前相邻BPT偏差的定值修改为+20℃，−30℃）。

将现有的温度变送器由1个改为3个，将用于保护的温度测量元件分别并接到3个单独的温度变送器的输入端（选型时要考虑并接后对测量误差的影响在可接受的容许范围之内，也可对其误差在逻辑中进行修正）。图3所示为改后的测量回路原理接线图。这样相对改前可以有效分散不安全因素，大大提高保护的可靠性。

图3 温度变送器与TPS系统1/2/3连接的改进原理接线图

为了防止温度测量信号出现问题而导致机组误动作跳闸，在TPS系统中增加设计BPT等保护信号的预报警判断逻辑，如：将BPT温度偏差在跳闸定值前设置一个合适的报警值（保护定值为偏差＞30℃、＜−60℃跳闸，预报警值则可考虑设置为＞20℃和＜−30℃），当某一个温度偏差超过预报警值时，在OPS画面发出声光报警，此时立即通知热控人员对该点信号进行检查和确认，以及时消除误测量的故障。

2.2 ACPFM系统测量回路运行不稳定

ACPFM系统在燃气轮机1号—20号燃烧室分别安装了燃烧压力波动测量探头和4个燃烧加速度测量探头，用于对燃气轮机燃烧室进行监视、控制、报警和保护。测量回路由探头、前置放大器、输入模件组成。

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该系统是燃气轮机用于进行燃烧自动调整和监视报警保护的重要系统，但从运行以来却经常不断的发生故障，主要表现在测量回路的燃烧压力波动传感器探头和前置放大器环节经常发生异常噪声波动干扰的问题，导致控制系统经常误报警。同时，ACPFM 系统是根据这些测量回路所采集的数据进行判断、分析后对燃气轮机的燃烧系统做出自动燃烧调节控制，在出现非正常噪声干扰后，ACPFM系统就会执行错误的调节，致使燃烧工作点偏离正常区域，对燃烧系统带来危害，也可能会造成保护的误动。

通过对此类问题的分析，认为主要是由于测量回路的设备不稳定所致。因此当发生上述问题时，目前处理的方法只能是解除故障测量信号，或更换有问题的探头、前置器。由于 ACPFM系统已经记忆和执行了错误的自动燃烧调节，因此在故障处理完毕后，还需要由热控维护工程师手工清除ACPFM系统有关的燃烧振动数据文件后，ACPFM系统自动调节功能才能完全恢复正常。

通过与同类机组发电厂的调查和了解后得知，存在此问题不是个别现象，而是较为普遍。为此，向三菱公司公司进行了技术咨询，他们也认为可能是质量问题，并正在研究和寻求解决办法，但到目前为止仍未得到彻底解决。针对此类问题，提出以下解决方案：燃烧器探头与电缆之间使用航空插头连接，无特别固定悬空安装于燃机缸外表面，安装和运行条件较差，宜出现故障，需制作固定安装装置，以保证稳定性；在 ACPFM系统中增加低频波段控制逻辑，及时剔除低频段不连续噪声波动，不影响燃机燃烧调整。

2.3 其他问题

控制系统在运行中多次发生大量信号突然坏质量的问题，经更换新的模件和基座后此问题仍时有发生，未能彻底杜绝，给机组安全运行带来了较大的负面影响。研究认为主要是 I/O模件的基座存在接触不良或者有质量问题。

历史数据站是将机组运行历史数据存储的重要设备，常用于对问题或事故分析，但燃气轮机控制系统所配置的历史数据站（ACS站）保存的数据时间比较短，特别是 1s分辨率的历史数据只能保存24h，而对于分析问题或事故来说，1s的分辨率的历史数据最有用的，因此，24h的保存时间太短。在工程安装调试期间，也曾要求三菱公司公司增加数据存储时间，但由于技术原因未能实现，这给机组的事故分析带来了极大的不便。三菱控制系统存储时间设置不合理，可通过通信方式将控制点通信到其他控制系统（譬如OVATION系统），利用别的控制系统存储广的特性进行故障分析。

在工程安装和调试期间，对燃气轮机热电偶温度元件进行校验时，曾发生大量校验超差不合格的问题，而且，在运行期间在本厂的热控试验室进行校验时，也出现元件不合格的问题，在经三菱公司公司确认元件本身没有问题的情况下，对这一问题进行了研究和试验，最后发现是由于燃气轮机本体热电偶温度元件的内部结构较为特殊（与国内使用的普通热电偶元件结构不同），因此，使用通常的校验方法在普通加热炉进行校验其结果就会出现超差不合格的情况。之后，详细了解这种热电偶的内部结构，并对校验系统和校验方法进行了改进，终于使这一难题得到解决，目前，实验室已能对该热电偶进行准确校验。

3 结论

M701F燃气轮机控制保护系统是由三菱公司成套配置，虽然其设计为成熟的标准设计，主要应用于燃机轮机每周起停方式，但由于国内燃气轮机主要为每日进行起停，且系统本身仍然存在着一些不完善之处，如上所述。特别是对于温度类保护采用单测点信号判断跳闸，ACPFM系统元件故障和系统存在不能进行故障判断、控制模件故障以及数据量小等问题，存在着较大的误动风险和控制问题。对于燃气轮机，每误跳一次闸除了带来负荷的损失外，还将减少200h的等效运行小时（EOH），其损失是很大的。通过对温度回路和逻辑改造以及对ACPFM系统部分改进，将提高求控制保护系统的可靠性。

[1]三菱重工业有限公司.三菱公司控制系统使用手册[Z].2003.

一种基于蓝牙通信的电能表数据智能读写装置及方法

近日，国家知识产权局公布专利“一种基于蓝牙通信的电能表数据智能读写装置及方法”，申请人为惠州中城电子科技有限公司。

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本发明还提供一种基于蓝牙通信的电能表数据智能读写方法。本发明提供的基于蓝牙通信的电能表数据智能读写装置作为桥接智能移动终端和电能表的桥梁，智能电表配合低功耗蓝牙透传模块 BLE，便捷地和智能移动设备相互通信，实现通过智能移动终端的应用模块智能化读写和设置电能表数据，大大地节约电能表现场维护的成本与时间，本发明也可以进行电能表测试，便于对电能表进行调校。

Analysis on M701F DIASYS Control System

Li Dong Fan Xinyu
(Shenzhen Energy Group Co.,Ltd，Dongbu Power Plant,Shenzhen,Guangdong 518120)

Some proposals are made in this paper on M701F Gas Turbine DIASYS control system based on the summarization on the major problems have happened from system putting into operation.The conclusion based on these experiences may be a reference for the unit of the same type.

gas turbine control system;proposals analysis;countermeasure

李 东（1981-），男，技术工程师，工学学士，主要从事燃气轮机发电厂检修安全管理工作。