汽轮机监视仪表与主控系统一体化设计及应用

蒙映峰，徐晓晨，张振龙，龙婷婷，蒙俊昆

(1.青岛华丰伟业电力科技工程有限公司，山东 青岛 266100；2.日照凯迪生态能源有限公司，山东 日照 276800； 3.桂林鲁山新型建材有限公司，广西 桂林 541806；4.华南师范大学数学系，广东 广州 510631)

汽轮机监视仪表(以下简称TSI)一般检测汽轮发电机组的参数包括转速(电超速保护用转速和零转速)、轴向位移、胀差、偏心、轴承座绝对振动、轴振动、热膨胀(缸体膨胀)等，在汽轮机的状态监视和分析、运行保护作用上非常重要[1-3]。

由于汽轮机厂一般会独立配置TSI、汽轮机紧急跳闸系统(以下简称ETS)、数字式电液控制系统(以下简称DEH)，极大概率与仪控专业的DCS系统不同，造成了测控系统各不相同的现象。

为了降低设计的复杂性及基建投资，提高系统运行的可靠性，减轻调试、维护人员的工作量及时间，减少备品备件的数量，有必要将TSI系统与主控系统进行一体化集成。一体化的依据来自GB/T 38921—2020[4]的第3.2条：汽轮机安全保护系统，由ETS及其相关的测量仪表与执行设备组成；第4.4条：汽轮机安全保护系统的控制装置宜与机组其它控制系统一体化配置，控制器应独立、冗余配置。

1 发电厂的仪控系统

1.1 项目概况

某生物质电厂由河北省电力勘测设计研究院有限公司设计，目前已经正常运行超过18个月，装机容量1×30 MW。汽轮机发电机组由东方电气提供，汽轮机单缸单排汽，转速为5250 r/min，通过齿轮箱降速至3000 r/min，驱动发电机转动。

仪控专业方面，DCS、DEH、ETS全部由NT6000型DCS系统监视和控制，除个别外围的小系统可用编程控制器控制外，基本实现了全厂控制系统的软硬件一体化。

1.2 分开设计时部分仪控系统间的联络信号

DEH、ETS、TSI一般随汽轮机配供，常见是分开设计。各系统间的信号联络示意图见图1。可见硬接线信号繁多，设计、施工、调试工作量大。

2 TSI与主控系统一体化的工作

2.1 NT6000系统

NT6000分散控制系统主要有系统软件、分散处理单元与上位机之间的标准以太网络，包括交换机、DPU、DPU与I/O卡件间的通信总线、本地及远程I/O卡件。NT6000型DCS系统架构示意图见图2。

2.2 NT6000系统的专用卡件

NT6000系统除了常用的模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、DO数字量输出等通用卡件外，还研发了专用卡件，为一体化工作奠定了基础。表1是涉及DEH、TSI、ETS的部分卡件信息。

表1 DEH、TSI、ETS部分专用卡件

2.3 汽轮机的轴系测点

根据汽轮机厂提供的资料，本机组轴系有以下测点。

转速5点：其中发电机转速1点，零转速1点，超速3点。另外DEH有3个测速点，1个就地转速表测点，均不接入TSI。

轴振16点：其中汽轮机和发电机前、后共4个轴承、齿轮箱高速轴和低速轴共4个轴承，每个轴承X、Y方向各一点。

轴向位移4点：其中汽轮机和齿轮箱各2点，胀差2点。

键相3点：偏心1点，缸胀1点。

2.4 集成TSI时考虑的几个问题

2.4.1 分开式与集成式设计的步序比较

从信号的处理流程可以做一个简单的比较(见图3)，可见分开式设计需用6个步序，而集成式设计只用3个步序就完成了“信号采集→逻辑判断→信号输出”工作，简化了工作流程。

2.4.2 系统安全及独立性、实时性

本项目ETS系统配置了1对KM951A控制器，只负责汽轮机TSI参数的监测，以及ETS跳闸保护，符合GB/T 38921的4.4条的安全及独立性要求。

查ETS有27点DI、26点DO，TSI有32点，因此将TSI信号接入ETS，除TSI专用卡件外，无需增加其他的DCS硬件设施，也毫无运算速度、运算量压力。

系统实时性复核如下。

查NT6000产品手册[5]可知：DPU控制周期为5～200 ms可调，冗余切换时间为2 ms。因此DPU控制周期设定为10 ms，满足GB/T 38921第6.5.1.1的要求：处理周期应不大于20 ms。

查NT6000产品手册可知：模拟量控制回路控制周期为10 ms，开关量控制回路控制周期为5 ms。

查轴振/位移KM534A手册可知：轴振、胀差、轴向位移卡件数据更新时间为2 ms。

故控制器可在1个周期(10 ms)内采集完所有开关量、模拟量的数据，并有判断信号越危险定值的保护输出至ETS跳闸继电器板KB434C，而继电器板在10 ms内动作。则TSI/ETS软件保护时长为20 ms。满足GB/T 13399—2012《汽轮机安全监视装置技术条件》的3.4.7条：对作为紧急停机处理的监视项目,从信号的发生到监测装置输出应限制在小于50 ms时间范围内[6]。

2.5 转速硬接线后备保护回路

DEH的3块转速测量卡，每卡输出1个110%超速信号到ETS系统的跳闸继电器板，做硬件三取二逻辑判断直接跳机。

2.5.1 精度要求

查转速测量KM533A卡：精度±0.1%(3000 r/min)。满足GB/T 13399相关要求。

再查轴振/位移KM534A卡：测量精度±1%，分辨率1 μm。满足GB/T 13399相关要求。

2.5.2 提高机组运行可靠性

由于采用DCS系统一体化设计，且从现场一次测量元件到卡件、系统都由同一厂家生产，而全部DCS硬件均通过了电磁兼容性等严格测试，质量好，减少了不同系统间的电缆接线松动、污染、老化等隐患，避免了不同系统间接口不匹配、有干扰从而造成工作异常问题,极大提高了系统可靠性[7-14]。

2.5.3 减轻工作量

逻辑组态也是集成在NT6000系统中，与DCS系统其他的常规逻辑做法一致。因此TSI信号可以直接被其他控制器、上位机在网络上引用，系统的控制和画面组态、调试、维护相当方便。

2.6 分开式与集成式设计的总体比较

分开式与集成式TSI的总体比较见表2。

表2 分开式与集成式TSI系统的比较

粗略计算设计、调试的人工费用，建筑安装的直接及间接费用，备件及专用工具的费用等，分开式比集成式设计投资高出25～30万元。

2.7 集成式系统的存在问题处理

2.7.1 卡件分配不合理

在调试时发现，TSI超速保护用的3块KM533A转速卡被厂家分配到同一个分支，不符合风险分散的要求。后更改设计，在机柜正面的每一列分布1块转速卡，解决了此问题。

2.7.2 转速自校准问题

GB/T 13399要求电超速保护装置应有自校试验功能，试验时能自动切除开关量的输出[15]。在调试时发现厂家遗漏此设计，可通过技术改造处理此问题。

2.7.3 与TDM联系的问题

卡件预留了轴系振动、键相的缓冲信号，可直接送原始信号给旋转机械的振动分析系统。但由于需要在卡件上接线，在机组运行过程中进行此工作存在一定的设备误动隐患。建议以后设计时应将信号预先引至端子排。

3 结语

针对本工程规模较小、系统齐全的特点,全厂控制以设置在机组集中控制室的DCS操作员站为监控中心,实现了常规的机、炉、电集中控制, 监控平台统一，控制系统软硬件统一。全厂控制DCS一体化的实现避免了DCS系统与多种硬件设备接口的麻烦,减少了备品备件种类,简化了维护、运行人员的培训。本项目实现了TSI与主控系统(DCS)的软硬件一体化，降低了系统的复杂性，大大减轻了设计、调试、维护整个流程上的工作，减少了许多直接和间接费用。系统目前运行正常，说明一体化工作可行，为实现全厂DCS一体化控制提供参考。