abb-汽轮机控制和保护系统

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1、 ABB Turbine Automation Turbine 典型 300MW 汽轮机 DEH 控制系统具体结构见图 1-A,1-B,1-C: 6 7 ABB 公司生产过各种型号的汽轮机、燃汽轮机、联合循环和核电汽轮机，对上述控制对象的深 入研究，使 ABB 有能力提供适合于不同对象的控制保护系统，十余年来，仅 ABB 旋转机械控制部就累 计为世界各大公司配套提供了 600 多套汽轮机和燃气轮机的控制系统，在中国内地与主机厂联合设计 生产了 70 多套大型机组控制产品，因此 ABB 中国旋转机械控制部将继承 ABB 本部的丰富实践经验， 和国内主机厂携手，共同为电站用户提供最好的服务。 1.

2、1 DEH 控制系统原理 不同用途的汽轮机其控制系统各不相同。冷凝机组为转速和负荷的闭环控制系统 ；供热机组和 背压机组还将增加抽汽压力和背压的闭环控制，发电和供热还要“自治”；空冷机组更加关注排汽压 力的保护和限制等等。下面以冷凝机组为例（参见图 2）。 电网中承担主力负荷的大功率汽轮机满足冲转前提后，升速阶段为转速闭环控制，机组将依据升 速指令，通过汽轮机 DEH 控制系统驱动进汽调节阀，按一定的规律自动升速、摩擦检查、过临界转 速、暖机直到 3000rpm 等待并网。在同期并网带初负荷后，机组改为阀位或负荷闭环控制，机组将依 据阀位指令或负荷指令通过 DEH 控制系统自动控制机组升降负荷

3、以满足电网的要求。这种基本控制功 能被称为 BTC 控制。 大机组的进汽部分处于高温、高压蒸汽区域，在启动及负荷剧烈变动时将在转子和汽缸的相应部 件产生较大的热应力，使金属材料疲劳而累计损耗寿命。为此，要通过测量进汽压力和温度、转速、 功率等参数计算出转子表面和中心孔温度，进而计算出转子关键部位的热应力值并给出升速率或升负 荷率，进行寿命管理；此外，汽轮机轴系各运行参数，如主轴的位移、胀差、振动等也需要在线监视 和控制。这种依据热应力大小和机组运行参数来自动监视和控制汽轮机的功能被称为 ATC 控制。 当机组脱网甩负荷（尤其是供热机组甩负荷）及机组跳闸时，转速将很快飞升，为保证甩负荷后 机组转

4、速飞升小于机组跳闸转速，专门设置有能在 20ms 内快速反应的超速保护控制装置，包括 103 超速预警、加速度控制、油开关跳闸控制、功率负荷不平衡控制以及 110电超速停机等功能；所有 这些被称为 OPC 超速保护控制。 8 另外，DEH 为满足机组不同的启动运行工况，按运行规程要求来管理和分别调节高、中压调节阀门， 这种功能叫阀门管理功能。 1.2 DEH 控制系统组成 汽轮机控制系统由电气和液压两部分组成，两者之间用电液伺服阀（高压抗燃油系统），或直接 驱动阀（低压透平油系统）接口。 电气部分采用 ABB-SYMPHONY 硬件，分别由多功能处理器(或 BRC 控制器)、I/O 模件及专用

5、模件组 成 BTC 站、ATC 站和 OPC 等站，这些硬件集装在模件柜和端子柜中。此外，为运行维护方便，还配置 了人机接口站和工程师站等工具。 液压部分有两种形式： 1). 高压抗燃油系统：包括伺服执行机构、高低压遮断模块和高压油源三部分。见图 3. 9 10 2). 低压透平油系统：包括 DDV 直接驱动阀、执行机构及低压遮断模块，有的系统还要求提供单独 的低压油源。见图 4. 带差压发信器双联滤油器(可 在线清洗) 高压调节 阀油动机 回油危急保安油 卸荷阀3 卸荷阀2 卸荷阀1 #3可变节流孔装置 #2可变节流孔装置 中压抽汽 旋转隔板 油动机 #3DDV伺服阀 低压抽汽 旋转隔板 油

6、动机 #2DDV伺服阀 #1可变节流孔装置 #1DDV伺服阀 压力油供油 1-4: 高压系统一般用于大型机组控制系统，低压透平油系统在中小机组上应用较多。 1.3 DEH 控制系统功能 DEH 的功能可视用户的要求来配置，大致可分为： (1) BTC 基本控制 实现机组冲转前准备、升速、并网、升负荷及正常负荷调节，还可增加主汽压力保护、快卸负荷 11 （RB）、在线试验及阀门校验等功能。 (2) VM 阀门管理 实现阀门控制、阀门特性曲线修正，阀门校验及试验，主汽阀与调节阀切换、高中压调门切换、 单阀与顺序阀切换、高中压调门开度比调正等功能。 (3) ATC 自动启动及控制功能 以热应力计算为

7、基础，实现热应力启动运行、控制及寿命管理；以轴系状态监视参数如振动、胀 差、轴向位移等为依据，实现机组启动和加减负荷的监控，还有疏水控制及其他。 (4) OPC 超速保护控制功能 包括 103超速预警、加速度控制、功率负荷不平衡控制及 110超速跳闸等功能。 (5) 功能齐全的中文人机接口 Conductor 和简单易用的组态工具 Composer Conductor 包括画面操作及显示、趋势显示、报警管理、报表日志及历史记录、操作提示等功能。 Composer 可完成应用软件组态、系统调试和维护等任务。 (6) 完善的通讯能力 与 ABB 公司的 DCS 可自由通讯，共享资源与信息； 与其他

8、 DCS 可通过 ICI 计算机接口连接。 与 PLC 可通过 Modbus 等接口。 1.4 DEH 控制系统性能 性能达到 IEC 相应标准： 转速波动：不大于正负 1rpm 负荷波动：不大于正负 1MW 转速不等率：35可调 迟缓率：不大于 0.06 可用率：大于或等于 99.9% MTBF: 大于或等于 20000 小时 甩负荷转速飞升不大于 7% 1.5 DEH 控制系统特点 积多年设计和生产各类汽轮机及其控制系统的宝贵经验，ABB 汽轮机控制有如下显著特点: (1) 电站控制一体化设计 统一设计和提供汽轮机的 DEH 控制系统、TSI 监视仪表、ETS 紧急停机装置，还有 BPS

9、旁路控制 系统，并作为 ABB-DCS 控制的一员，挂在 C-NET 网上，可实现整个电站的一体化控制和管理，方便用 户运行维护。 (2) 先进的控制技术和高度自动化 由于熟悉各种汽轮机组的启停全过程，ABB 拥有大量颇具特色的先进控制策略，如升速过程中防 止转速过冲的“软着陆“，并网过程转速自动缓慢摇摆程序等;启动运行过程中完善的阀门管理模式； 可靠的超速保护控制功能，尤其是针对大型汽轮机及供热机组的防超速措施；供热机组热电牵连和以 热定电的热电联供设计及防中排超温措施；对冲动式及反动式机组的热应力计算及寿命管理经验等 等；凡此种种，保证了机组从冲转到全负荷可实现全过程平稳自动控制。 (3)

10、 在线试验及在线维护能力强 可根据机组的实际情况自动完成所有的在线试验，如： 电气和机械超速试验； 危急遮断器喷油试验； 12 阀门严密性试验； 阀门活动试验； 遮断电磁阀及压力开关在线试验； 离线或在线的阀门静态自动整定，可确保阀门运行位置正常； 在线维护及修改能力包括： 电气模件在线插拔更换 在线维护单只油动机部件 在线更换滤芯 在线局部修改应用程序 (4) 人机界面友好、通讯接口便利 建立在 WindowsNT/Windows-2000 中文平台上的人机接口站画面丰富，操作方便，管理有序， 记录准确。ABB 系统内可自由通讯；与其它系统可通过 ICI 专用接口站等方式实现通讯。 (5)

11、软件透明、硬件可靠 以功能码为基础的 CAD 图形组态软件对用户全透明，解读容易，编制方便，增强了使用者的信 心。 小模件、高分散、适度的硬件冗余措施及高品质的硬件质量确保了系统能长期可靠地运行。 1.6 TSI 监测系统和故障诊断分析 为保证汽轮机的安全可靠运行，TSI 汽轮机监视仪表作为机组的保护系统是必不可少的。所 以，ABB 公司在提供汽轮机 DEH 控制系统的同时，也配套生产相应的保护系统。 近年来，ABB 公司开发了多功能的四通道 CMM 状态监视模件，用它组成 TSI 汽轮机保护系统， 统一集成在 ABB 的 SYMPHONY 系统中，去监测汽轮机轴系除转速外的各项参数，如轴承振

12、动、大轴振 动、偏心、串轴、胀差和绝对膨胀，并输出报警和停机信号。CMM 从其端子单元采集涡流传感器、加 速度传感器、速度传感器、直流 LVDT 及声波传感器等工业标准传感器的现场信号。经过滤波，鉴别 和计算后，通过模件扩展总线与 BRC 控制器实现通讯，使机组有关的状态参数送到统一的数据库中， 这样不仅在 DCS（或 DEH）的操作员站上可提供机组的各种轴系参数，产生于与 DCS 时标同步的报警 清单，还可借助贮存在上级计算机中的振动分析软件和专家系统生成多种振动分析报表，并完成汽轮 机的故障诊断，在指导机组安全可靠运行的同时，预测机组的健康状况，为状态检修作准备。 13 第二部分 汽轮机控

13、制系统硬件 2.1 主控制器 SYMPHONY 系统的主要控制器有两种，一种是 IMMFP；另一种是 BRC-100。这两种控制器都属于 SYMPHONY 系统的成员，广泛应用于电厂控制系统中，包括旋转机械的 DEH、MEH。这两种控制器的主 要区别是容量及速度上有一点差别，所以我们在配置中，DEH 一般用 IMMFP 有的也用 BRC-100，而在 给水泵小机的 MEH 中一般采用 IMMFP。主要是 MEH 不管是从信号量，还是从功能上来讲都较小，采用 BRC-100 是一种资源的浪费。这两种控制器的组态软件是完全兼容的，在 SYMPHONY 系统工具 （Composer ）组态的软件既可

14、以下装到 IMMFP 中也可以下装到 BRC-100 中，这一些软件既包括逻辑 组态、控制回路，也包括汽轮机转子应力计算程序，同时都可以达到 20ms 以内的快速运行时间，来 很好地保护汽轮机的安全运行。 IMMFP 和 BRC-100 控制器现在都广泛应用于各电厂的控制系统，并且这两种控制器都是目前 ABB SYMPHONY 系统最先进的控制器，它们将同时存在于 SYMPHONY 系统之中，并没有多大的区别。先介绍 一下控制器的共同特点： 2.1.1 主要功能及特性 具有很好的数据采集及处理能力。 能完成单回路控制、多回路控制及复合类的控制。 高性能、大容量。 2.1.2 主要特点 冗余的控

15、制器：利用相同组态的冗余模件提供高可用率及容错性能。 表面安装技术：增强可靠性及集成度。 高速处理能力：使用高可靠、先进的处理器。 对等通讯：系统中的任何一个模件均能够通过通信网络得到信息。 向下完全兼容。 状态输出报警监视。 汇集多种类型的控制方案。 内置多任务的操作系统。 具有在线组态的功能。 强调相互独立的运行模式。 实现上电自动工作。 能带电拔插。 控制器是一个独立的系统，它能够完成快速的旋转机械的特殊控制，支持多种类型的控制语言 如：功能码、Ladder、Batch、C、Basic 等，并能在线诊断硬件及软件出现的问题。 2.1.3 模件组成 控制器是具有高性能的工业微处理器智能模件

16、，主要设备有： 微处理器（Microprocessor） 实时时钟(Clock and real time clock) 存储器(Memory) 在模件内共有三种不同用途的存储器，具体功能是： 只读存储器 ROM：它存储的是操作系统指令集和功能码数据库； 共享存储器 SRAM：它存储的是临时文件和系统组态的拷贝； 非易失存储器 NVRAM：它存储的是功能码组态和用户应用程序，电池后备可以使用户组态策 略长时间保存在控制器中。 直接存储器读取 DMA（Direct Memory Access） 14 它容纳了多种功能的通信链。DMA 是指模件的存储器直接传送数据，不需要 CPU 的处理。由它支持 的通信链包括： I/O 扩展总线 I/O Expander Bus (X.B) 冗余数据链 控制总线 Controlway (C.W) 控制总线是控制器间通信的高