武汉汉能电力发展有限公司109E燃机控制系统改造方案

武汉汉能电力发展有限公司 王毅刚 田毅华 文谦

艾默生过程控制有限公司 竺纪定 陆文佳

武汉汉能电力发展有限公司109E燃机控制系统改造方案

武汉汉能电力发展有限公司 王毅刚 田毅华 文谦

艾默生过程控制有限公司 竺纪定 陆文佳

图1 电厂概貌

1 项目概况

武汉汉能电力有限公司沌口燃机电厂安装有一套176.5MW燃气—蒸汽联合循环机组，其中燃气轮机于1996年12月投产，额定功率123MW，采用法国阿尔斯通公司生产的PG9171E型燃气轮机设备，其主要由一台额定功率1000kW的启动马达、一台17级的轴流式压气机、一台由14个分管式燃烧室组成的燃烧系统和3级透平转子组成。而汽轮机于1997年10月投产，额定功率53.5MW，采用哈尔滨汽轮机有限责任公司生产的N53.5-4.7型联合循环单缸、单轴、单排汽、冲动、次高压、凝汽式汽轮机，其配套锅炉设备采用美国DELTAK公司生产的DINO4264型自然循环余热锅炉。电厂设一个集中控制室和一个燃气轮机就地控制室，在集中控制室内可以完成整个联合循环机组的启动、停止、正常运行及事故处理。

机组投产初期烧＃0～＃20柴油发电，2000年6月改烧重油发电，2005年6月又改烧天然气发电，为天然气供气增压配置了两台美国库伯公司的往复式压缩机，2012年5月完成了燃机励磁系统和发电机保护系统的改造，实现电网要求的双冗余并增加了PSS功能。机组主要运行在冬季、夏季和用电高峰时段，每年上网电量约1亿千瓦时，自天然气改造至今，累计运行4760小时，累计发电量60148万千瓦时。

原燃气轮机控制系统为美国GE公司提供的MARK-V控制系统，配置两台接口计算机，分别放置在燃机就地控制室与集中控制室，监视和控制范围包括燃气轮机及辅机等。控制系统投运至今已近18年，设备老化、人机界面落后、技术支持响应周期长、备品备件供应困难和运行维护成本高等问题日趋严重。此次机组正值低氮燃烧改造的好时机，客户十分重视控制系统的改造，与各厂家分别进行了多次深入的技术交流和考察，最终艾默生公司凭借完善的技术方案和成熟的应用业绩赢得了客户的信任。

2 改造方案

2.1 硬件方案

此次燃气轮机控制系统改造采用Windows平台最新的3.5版Ovation系统软件以及新一代的OCR1100控制器硬件，共配置1台服务器兼历史站和2台操作员站（集控室和就地燃机控制室各布置1台），分别采用Windows Sever2008和Win7操作系统，项目系统图如图2所示。

图2 项目系统图

2.1.1 网络

Ovation网络结构为快速以太网，由于应用了全冗余和容错技术，任何一个站点（工作站、控制器等）故障都不会影响其他站点正常运行。此次改造考虑运行人员日常操作主要在就地燃机控制室完成，所以将网络柜布置在就地用于以太网连接就地操作员站和Ovation控制器，而集控室的服务器和操作员站则通过光缆和光电转换器连接到该网络柜。按此设计，即便集控室与就地网络柜光缆通讯中断，也不影响就地燃机正常操作。值得一提的是，网络柜设计了可拆卸侧门，方便用户日常维护，如图3所示。

图3 就地网络柜

2.1.2 机柜与电缆

原Mark V系统机柜共由一面Mark V系统燃机控制柜，一面Mark V系统就地操作站柜（含打印机设备）和一面端子转接柜组成。此次改造拆除Mark V系统的燃机控制柜和就地操作站柜，并在其原位安装新的Ovation系统燃机控制柜（如图4和图5所示）。

图4 Ovation系统燃机控制柜吊装中

图5 就位后的Ovation系统燃机控制柜

电缆方面，原就地信号电缆首先连接到端子柜，然后再转接至Mark V系统燃机控制柜。此次改造保留端子柜和现场信号电缆，仅拆除端子柜至Mark V系统的转接电缆并按新设计重新敷设。

2.1.3 控制器及I/O卡件

考虑原Mark V系统特有的TMR三冗余功能和某些重要信号就地传感器无法冗余的设计局限性，此次改造在Ovation系统网络冗余、供电冗余和控制器冗余的常规冗余设计基础上，I/O模块这一级也同样设计了冗余和三冗余功能，并把原有机组的一部分非冗余传感器增加为三冗余的传感器（如CPD传感器），再加之良好的硬件设计（如就地传感器冗余的重要信号分散设计在不同卡件等），以增加控制系统的可靠性和安全性，防止在I/O级别上出现的单点故障对机组运行造成严重影响，项目测点配置清单见表1。

表1 测点配置清单

图6 改造前Mark V系统柜内卡件

图7 改造后Ovation系统柜内卡件

此外，改造后的Ovation系统I/O卡件模块采用平面布置并且支持热插拔，较原先Mark V系统的控制卡采用蜂箱式结构更容易安装和维护（如图6和图7所示）。

2.1.4 硬保护跳闸回路

原Mark V系统的

Core是专门用于燃机跳闸保护的，而此次改造在Ovation系统控制器逻辑实现

Core所有跳闸保护功能外，另外设计了一套独立的硬保护跳闸回路，类似火电机组的MFT（主燃料跳闸）硬回路。当发生以下紧急情况时，硬保护跳闸回路动作，迅速遮断燃机，保护机组安全。

（1）超速保护跳闸（来源于Ovation转速模块超速保护继电器三取二表决）；

（2）振动大保护跳闸（来源于CSI6500振动保护装置继电器输出）；

（3）逻辑保护跳闸（来源于Ovation控制系统继电器输出）；

（4）运行人员紧急跳闸（来源于就地和燃机控制柜紧急跳

闸按钮）；

（5）外部系统紧急跳闸（来源于火灾报警系统和发电机保护系统）。

2.1.5 其他设备

除Ovation系统标准I/O卡件模块外，此次改造还设计了同期装置和振动保护设备（如图8所示），其中同期装置具备自动同期和手动同期功能，运行人员也可通过Ovation画面进行相应的监视和操作（如图9所示）；而CSI6500振动保护装置直接接收现场8路瓦振信号，该装置独立于Ovation系统进行自主诊断和逻辑运算，以便振动大需跳机时，输出继电器信号至硬保护跳闸回路遮断燃机，保护机组安全。同时振动保护装置也通过冗余通讯模块将振动信号的模拟量值和装置故障信息等送至Ovation系统，方便运行人员进行日常监视和维护。

图8 改造后同期装置和振动保护设备

图9 改造后Ovation系统 同期操作画面

2.2 软件方案

2.2.1 逻辑控制

2.2.1.1 原机组控制功能

此次Mark V控制系统改造保留除液体燃料和注水系统外的原9E机组以下所有控制功能：

（1）顺序控制功能

• 机组启动允许条件自动检测Turbine Start Permissive；

• 机组遮断首出判断Turbine Trip Conditions；

• 机组启动和停机顺控Start-Up and Shutdown Sequences；

• 其它顺序控制等Sequencing Control Functions。

（2）调节控制功能（即各个FSR控制功能）

• 启动燃料控制Start-up Fuel Control；

• 加速控制Acceleration Control；

• 转速控制Speed Control；

• 负荷控制Generator Load Control；

• 温度控制TemperatureControl；

• 停机控制 Shut Down Control。

（3）跳闸保护功能

• 超速保护Overspeed Protection；

• 超温保护TTXM Protection；

• 熄火保护Loss of Flame Protection；

• 振动保护 Vibration Protection；

• 压气机排气压力保护 CPD Protection；

• IGV失速保护Stall Protection – Inlet Guide Vanes；

• 燃烧监测保护Combustion Monitor Protection；

• 其他的部分。

2.2.1.2 新增控制功能

考虑到客户需求和电网要求，此次改造新增了以下控制功能：

（1）一次调频功能

该功能可以由操作员投入切除，也可以在当前网频下添加偏置，以检验一次调频的工作性能（如图10所示）。

图10 一次调频功能

（2）启动泄漏试验功能

该功能为燃机启动必检项目，试验不能通过，则不允许点火而停机（如图11所示）。

图11 泄露试验进行中

（3）逆功率停机功能

原机组通常由电气逆功率动作触发停机，改造后由DCS侧判断有功功率下降到指定值（3MW）时触发停机动作，纠正了原逻辑的错误。

2.2.1.3 低氮燃烧改造

根据LEC-III低氮燃烧改造方案，原单一扩散燃烧方式升级为扩散（低负荷）→预混（高负荷）燃烧。天然气配给由原先单一阀门控制改为更复杂的配比方式（如图12所示），燃烧器也由单区燃烧室改为分区燃烧室（如图13所示），使机组能够顺利地从高排放的扩散燃烧方式进入低排放的预混燃烧模式。

图12 改造后天然气配给方式

图13 燃烧室火检（一区&二区）

控制系统根据TTRF1决定燃烧方式的切换点，通过对GCV1、GCV2、GCV3的阀位控制实现对燃烧器一区及二区燃料的不同配给，从而保证机组在扩散燃烧及预混燃烧方式之间的平稳切换。燃烧方式由低负荷到高负荷通常有以下几种燃烧方式：

（1）Diffuse扩散模式（如图14所示）

（2）Lean-Lean模式（如图15所示）

（3）Transfer过程（如图16所示）

（4）Premix预混模式（如图17所示）

图14 Diffuse Mode

图15 Lean-Lean Mode

图16 Transfer

图17 Premix Mode

为保证燃烧系统正常工作，燃烧方式能够平稳的切换，也为了能够在更低的负荷下进入预混燃烧方式，系统增加了IBH (Inlet Bleed Heat)功能（如图18所示）。启用IBH可以提升TTRF1(燃烧参考温度)，将预混燃烧方式的切换点从80%负荷左右提前至50%负荷左右；IBH同时也兼具了原系统的防冰功能（如图19所示）。

图18 IBH管路

图19 IBH控制

2.2.2 人机界面

原Mark V控制系统人机界面（如图20所示）受到DOS操作系统的限制不仅画面差数量也极少，报警功能以及历史数据功能有限，并且完全没有汉化，已无法满足目前客户的需求。改造后Ovation控制系统基于Windows操作系统的人机界面（如图21所示）流程图监视内容更加丰富，分布更加合理，提供了更符合用户需求的报警功能，更有强大的历史数据记录能力，保证了三年以上不间断的数据、操作记录、SOE等内容的快速查询。关键内容进行了汉化，使得操作员接口更加友好。

图20 改造前Mark V系统燃机主画面

图21 改造后Ovation系统燃机主画面（汉化）

另外，此次改造画面显示的信号名都尊重电厂的习惯，沿用了原来的信号命名。并且艾默生根据多年改造的经验也对部分画面进行了优化，如原Mark V系统的排气温度监视画面（如图22所示）功能较为单一，而改造后的Ovation系统画面（如图23所示）则十分直观，更易于事故分析和处理。

图22 改造前Mark V系统排气温度监视画面

图23 改造后Ovation系统排气温度监视画面

2.3 第三方接口

天然气增压站的增压机监视系统（如图24所示）并未纳入原Mark V控制系统，此次改造Ovation控制系统通过OPC接口接收增压机监视系统的所有实时数据并组态了相应的监视画面（如图25所示）。运行人员可在就地燃机控制室的操作员站直接监视增压机相关状态和报警。所有的通讯数据同时也纳入Ovation系统历史站，以便客户统一进行历史数据的查看和趋势曲线的调用。

图24 改造前增压机监视系统

图25 改造后通过OPC通讯并入Ovation系统监视画面

3 项目小结

作为Ovation国内第一套GE 9E机组的Speedtronic控制系统改造项目，艾默生凭借丰富的燃机控制经验和项目执行经验，通过与客户及总包方等多方团队合作，最终交出了一份出色的答卷，获得了客户的高度赞扬。

通过此次成功改造，艾默生为武汉汉能实现全厂控制一体化提供了优秀的控制系统平台，同时也为国内面临GE 9E机组控制系统改造的其它电厂提供了有益参考。