燃气轮机进气冷却测控系统硬件设计

陈妙芳 柳 斌

（浙江工业职业技术学院 浙江 绍兴 312000）

随着国民经济的持续高速增长，电力供应已出现严重短缺，应用燃机进气冷却技术，可以在气温高用电峰时有效地恢复、提高燃气轮机发电机组的发电能力，增加机组发电量,减缓电网供电压力，充分挖掘现有发电机组的发电潜力。进气冷却系统作为燃机电站的辅助系统，其运行状况将影响燃机的输出功率和电厂的效率，为了确保系统安全经济运行，必须建立一套安全、可靠的监控系统。燃气轮机进气冷却系统在控制单元的协调、控制下运行，控制单元的可靠性、稳定性将直接影响到系统的运行状况，监控软件在保证系统安全、经济运行中起到重要作用。

1 测控系统的控制

测控系统的控制主要是对执行机构的控制，其总体控制流程的设计如下：

（1）低压蒸发器利用余热锅炉的余热对汽包内的循环水进行加热，产生饱和蒸汽。低压蒸发器汽包内的水位要控制在正常水位附近，当汽包水位低于正常水位时，补水调节阀开启，操作人员也可以将其设成手动档人为地调节阀的开度，控制补水的速度；汽包水位达到正常水位之后，循环泵必须打开，以保护低压蒸发器内水的正常循环；汽包内温度达到设定值（一般120℃）或者蒸汽压力达到一定压力值（0.1MPa）时，开启蒸汽电动阀使饱和蒸汽通过管道输送至溴化锂制冷机或低压加热器；当汽包水位过高时，排污电动阀自动开启，排除多余的水以保证系统的正常运行。汽包压力是汽包运行的安全性参数之一（本系统的汽包最高压力为0.3MPa），当汽包压力达到一定设定值（0.28MPa）时，蒸汽排空阀打开，直至压力恢复正常。

（2）在进气冷却工况条件下，低压蒸发器的饱和蒸汽流入溴化锂制冷机组，此时空冷器的冷冻水调节阀打开，在确定其打开之后，启动制冷机组；冷冻水调节阀的关闭应在确定制冷机关闭成功之后；制冷机组在运行期间，从低压蒸发器过来的饱和蒸汽经过热交换凝结成水进入溴化锂制冷机的凝结水箱，凝结水箱水位达到上限时开启凝结水泵，将凝结水送回到低压蒸发器汽包中；当达到下限时，关闭凝结水泵。如果凝结水箱的水位过高，将导致进气冷却工况出现“憋死”情况，由于凝结水来自低压蒸发器输入的蒸汽，必要时应开启排污阀或蒸汽排空阀来排出多余的水或蒸汽；制冷机出来的冷却水流入空气冷却器，冷却空气进口温度，经冷却的空气有一部分形成水蒸汽凝结汇入到水池中，通过水池潜水泵进入冷却塔。当空冷器处于工作状态时，电动旁通门关闭，以最大效率地对进口空气进行冷却；在平时环境温度低时，空冷器不工作的状态下，电动旁通门打开，以更好地促进空气的流通。

（3）在低压加热工况条件下，低压蒸发器的蒸汽进入低压加热器当中，事先对进入汽轮机的供给水进行加热；饱和蒸汽进行热交换后，凝结成水，进入低压加热器的凝结水箱。当凝结水箱的水位达到上限时，凝结水泵开启，将冷凝水送回低压蒸发器的汽包内，进入下一个循环。

2 进气冷却测控系统

进气冷却测控系统可以分为集中监控层、过程控制层（即现场控制站）和现场执行器层三个层次。其结构如图1所示。

图1 进气冷却测控系统结构

（1）集中监控层

集中监控层以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能，位于金华燃机电厂集控室内，如图3-2所示。集中监控层由工业控制PC机和通讯网卡CP5613 2A构成，是面向操作员和控制系统工程师的，不仅需要较大存储容量的硬盘支持，还需要功能强大的软件支持。这里，PC机选用HP工控机，监控软件采用的是西门子公司的工业组态软件WinCC，通过PROFIBUS电缆线与过程控制层实现数据通信。

（2）过程控制层

过程控制层直接面对控制对象，是本测控系统的基础，包括#1低压蒸发器控制系统、#1空冷器和低压加热器控制系统、#2低压蒸发器控制系统、#2空冷器和低压加热器控制系统、单效溴化锂制冷机和双效溴化锂制冷机组成的制冷机组控制系统等五部分。它们均由安装在现场的控制柜中的电源、PLC、输入输出继电器、接线端子排和信号线等组成。过程控制层主要完成直接对工业现场的测控操作。此外，还负责把实时数据返回集中监控层，并随时接受集中监控层的命令，以完成开、关机以及各种紧急情况的处理。过程控制层应具有抗冲击、抗震、抗干扰、保护设备不受损坏的功能。

（3）现场执行器层

现场执行器负责准确地执行来自过程控制层的各种控制指令，并将执行结果返回过程控制层。此外，现场还布置了大量的传感器，用来测量系统必需的各种运行参数，并将其返回现场控制柜，进而写入到集中监控层的实时数据库中，以便数据保存并备查。

1）监控主机的选择

监控主机负责对现场控制站即PLC的通信和管理，并为管理人员和操作人员提供界面服务，其实现功能和自身的可靠性对测控系统的整体性能有着决定性的影响。主机选用了高性能、高可靠性的HP工控机。内存512MB以适应Windows 2000操作系统以及监控软件中动态画面的运行；选用17”液晶显示器，可提供更为清晰的图形界面。硬盘空间80G以满足建立实时数据库的需要；监控主机配以相应的监控软件，通过通信接口实现对现场控制级的管理和监控。

2）检测仪表选型

检测仪表包括变送器和传感器，负责把现场的压力、温度、液位和流量等被测量的物理信号转换成处理的电信号和测控系统可以识别，是整个测控系统的“耳朵”和“眼睛”，要求其能够准确、及时和稳定地反映生产过程的工艺参数，因此必须重视检测仪表的选择。选择时主要根据被测参数的量程、种类、准确度要求以及工艺上对其稳定性和可靠性的要求来确定检测仪表的型号和类型。

（1）温度传感器

根据电厂要求，低压蒸发器部分的温度参数采用K型热电偶，其他部分的温度参数采用PT100热电阻。热电偶选用WRNK2-331型号的固定卡套螺纹装置式铠装K型热电偶，其精度等级属于I级，测量范围-40℃～375℃。热电阻选用WZPK2-338型号的固定卡套螺纹铠装铂热电阻（PT100），其精度等级属于工业A级，测量范围-200℃～500℃。

（2）压力、压差变送器

压力、压差变送器用来测量系统中的压力、压差和液位参数。

低压蒸发器汽包压力的范围是0～0.4MPa，循环泵的出口压力的范围是0～0.4MPa，选用威玛WPTG型压力变送器，其误差范围在0.2%之内。WPTG型变送器具有精度高，温度静压影响小，宽量程比，超压保护，使用方便，容易维护等优点。

（3）电磁流量计

电磁流量计用来测量空气冷却器的冷冻水流量。冷冻水流量的范围是0～1000m3/h，选用上海光华的LDG-350S/LDZ-6，其准确等级是0.3级，误差范围在0.5～1%之间。

A.PLC的选型

PLC的产品有很多，本项目选择Siemens公司的S7-300系列PLC。S7-300系列PLC属于中小型PLC，模块化设计，性能适中，用途广泛。

B.执行机构与PLC的连接

低压蒸发器的补水调节阀以及空气冷却器的冷冻水进口碟阀的开度均通过4～20mA标准直流信号进行控制。其与PLC的连接方式如图2所示。由于系统采用的是带隔离的模拟量输出通道，需要通过在MANA端子和CPU的M端子之间使用一根等电线连接导线，以确保MANA和M端存在的电位差UISO不会超过允许值。如果UISO超过允许值时，会有损模拟信号的精度甚至造成模拟信号的中断。

图2 执行机构与PLC的连接

3 结论

详细论述了进气冷却测控系统的硬件设计。首先介绍了计算机硬件的选择；根据测量参数的控制精度以及工作范围选择检测仪表；分析PLC及模块的选型依据并进行选型；描述系统通信的硬件构成以及连接；最后对现场传感器以及执行机构和PLC的电路连接作了分析。

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