GE 9F燃機勵磁系統國產化改造研究

李國東

（鎮海發電責任有限公司，浙江 寧波 315208）

隨著能源結構的多樣化，同時為適應當前世界范圍內的利用清潔能源及節能減排的大趨勢，國內進口了大量以天然氣為燃料的大型燃氣輪機機組。但燃氣輪機機組的勵磁系統在運行一段時間后，出現備品備件稀缺且價格昂貴，運行維護有技術壁壘，外方服務人員難到位等問題。鎮海發電廠GE產MS9001E型300 MW燃氣輪機機組從2007年開始在國內率先對勵磁系統進行改造，首先將聯合循環機組的汽機勵磁系統由GE的EX2000靜態自并勵單通道勵磁系統改造為上海成套所基于ABB UNITROL F雙通道數字式靜態勵磁系統，后又于2008年將燃機勵磁系統由GE EX2000靜態自并勵單通道勵磁系統改造為南瑞RCS-9400系列微機勵磁系統，為9F級燃氣輪機的勵磁系統改造提供了技術支持。本文針對GE 9F級燃氣輪機勵磁系統進行國產化改造展開探討。

1 國產化改造中設備交互控制方式的實現

相關設備的國產化能力是設備國產化過程的必要基礎。就GE 9F燃氣輪機上所使用的勵磁系統而言，由于機組采用靜態啟動模式，勵磁系統還涉及多系統交互控制的問題。控制連接方式主要有兩種，一是硬接線控制連接，要求相關設備有足夠的輸入、輸出端子；二是通信系統連接，雖無需輸入、輸出端子的支持，但需要實現通信系統協議的統一。GE 9F機組的勵磁系統與LS2100靜態啟動裝置及MARK VI控制系統進行交互控制的通信系統連接方式是EGD（以太網全局數據協議），支持基于UPD/IP標準協議的多節點之間的信息共享，為非國際標準的通信系統協議。由于在國產化過程中無法獲得GE公司在通信系統方面的支持，國產設備無法實現與原有設備基于EGD的通信系統連接，因此要求在改造中拋開原有的EGD連接，建立國產設備與原有設備新的交互控制連接。

深入了解靜態啟動裝置后發現，靜態啟動裝置與勵磁系統之間的交互控制并不多，主要是磁通控制，即在啟動過程中靜態啟動裝置向勵磁系統提供發電機勵磁電壓設定信號。主要的交互控制出現在MARK VI與勵磁系統及靜態啟動裝置之間，同時由于MARK VI目前還無法實現國產化，因此MARK VI所提供的通信系統方式直接決定了國產化改造所能實現的交互控制通信系統連接方式。

現有的MARK VI控制系統設置了三級數據通信系統網絡∶廠級網（PDH）、機組網（UDH）及I/O NET網。其中原有的EGD屬于UDH網絡層級，用來實現相關控制設備的連接控制，包括啟動裝置LCI、勵磁系統、人機界面HMI、MARK VI等，同時為保證可靠性，通信系統可實現雙回路冗余切換。PDH網主要用于連接HMI及歷史數據記錄裝置、遠程監控、打印機等外圍設備。該層級網絡使用TCP/IP GSM及Modbus通信系統協議，前者為GE公司專用的應用層協議，而Modbus則已成為當前國際通用的事實標準協議，且為全開放協議，任何用戶都可免費獲取。

根據對當前使用的工業以太網系統實際應用發現，Modbus/TCP協議已經逐步使用于各種現場，并具有強勁的發展優勢。在系統國產化過程中，如使用Modbus/TCP實現通信系統，由于沒有改變原有的以太網結構和網絡物理層硬件，因此由此而產生的傳輸速度的改變是有限的。

勵磁系統的國產化改造中，如果與MARK VI的通信系統由EGD轉變為Modbus/TCP通信，對MARK VI而言，實際上是將勵磁系統由從屬于UHD層級的設備提升至PHD層級。

因此，交互控制方式可以通過硬接線控制方式與Modbus通信系統控制相結合來實現。這樣一方面可以有效減少對于MARK VI輸入/輸出端子的需求，另外可以對重要信號實現硬接線控制并提高設備運行的可靠性。

另一個問題是如何在控制方式上對各種相關信號加以區分。首先可以明確的是，鑒于運行的可靠性需要，所有與保護跳閘相關的信號必須實現硬接線方式連接。而所有的控制邏輯指令、狀態反饋及用于顯示的反饋信號則完全可以利用Modbus通信系統來解決。實時控制信號則可以選擇硬接線方式，以避免因網絡延時而影響對設備的實時控制。

2 適用于靜態啟動的勵磁系統功能設計與要求

2.1 啟動裝置對勵磁系統磁通控制環節的設計

帶有LCI（靜態啟動裝置）的勵磁系統需要接受來自啟動裝置及燃汽輪機控制兩方面的控制，在控制上略顯復雜。因此在對帶有LCI的燃氣輪機機組勵磁系統改造時，為滿足靜態啟動的要求，勵磁系統需要額外增加控制通道，即靜態啟動模式控制通道。GE靜態啟動控制通道的控制輸入為手動調節參考MANREF及靜態啟動裝置對勵磁電壓的控制信號LS2100_REF，這2個信號經過選擇（靜態啟動模式時選擇LS2100_REF,手動控制模式時選擇MANREF），輸出為勵磁電壓設定值FVRSETPOINT。典型的帶靜態啟 動裝置勵磁系統勵磁電壓調節回路的程控邏輯見圖1，圖中手動調節（即勵磁電壓調節FVR）參考值（由手動升降勵磁、FVR啟動預設值、自動跟蹤值經鉗位、限制等控制后產生）與靜態啟動對勵磁的控制信號經信號選擇后成為勵磁電壓調節器的勵磁電壓設定值，該值與勵磁電壓反饋經過比較后形成誤差信號輸入調節器的比例積分控制回路。

圖1 典型的帶靜態啟動勵磁回路的調節程控邏輯

在改造過程中，如果單一改造勵磁系統，由于保留了原有的靜態啟動裝置及MARK VI控制系統，且要拋開EGD通信系統聯系，同時考慮到原有LCI的磁通調節模塊帶有硬接線信號輸出，因此建議勵磁系統開通模擬量輸入端子供該勵磁參考信號輸入。在輸入過程中由于涉及對勵磁電壓信號的標幺化，故應將LCI的輸出勵磁信號與新的勵磁系統的LCI設定輸入進行必要的轉換。轉換的原則是：LCI的輸出是以點數計的標幺值，數值10對應的勵磁電壓為1.25倍的空載勵磁電壓。如果國產勵磁系統與原有勵磁系統的空載勵磁電壓不同，則需加以調節。考慮到控制的需要，應該對LCI輸出的勵磁調節信號最大/最小值加以限位，并增加必要的慣性環節。國產化改造后，圖1中靜態啟動設定（LCI ref）的實際構成如圖2所示。圖中K是基于不同標幺化標準及不同的空載勵磁電壓的線性轉換比例。最大值限制一般可以設為2.5倍的空載勵磁電壓，最小值限制一般設定為0。慣性環節時間常數可以參照原有系統的時間常數。

圖2 靜態啟動設定信號產生的轉換環節

在LCI與勵磁系統的連接上，由于雙方涉及的控制信號較少，只有LCI的磁通控制信號，故無論是LCI同步改造還是勵磁獨立改造，均建議采用硬接線方式。考慮到靜態啟動配置為多對多方式（一般為二對多）,可以在勵磁回路中增加硬接線回路實現選擇控制。實現的方案是：當燃氣輪機控制選擇啟動裝置后，將相應的選擇信息傳送至勵磁系統，勵磁系統根據這一信息選擇所接受的硬接線信號，見圖3。

圖3 磁通控制選擇模塊

2.2 勵磁系統的靜態啟動模式及TV斷線功能的退出

在國產勵磁系統中，除了構建靜態啟動裝置勵磁調節參考值輸入控制通道外，還必須構建針對MARK VI發出的勵磁靜態啟動命令的響應及反饋，同時該信號也作為上述勵磁電壓設定選擇信號即圖1中的靜態啟動模式信號。因此需增加相應的信號控制回路。

采用靜態啟動模式的勵磁系統還需要注意的問題是：在靜態啟動過程中由于初始階段發電機出口電壓較低，故常規勵磁系統中的PTUV（電壓互感器斷線）保護將動作。因此靜態啟動過程中勵磁系統應退出PTUV，從自動AVR模式切換至手動FVR模式，同時發出相應的報警信號。由于靜態啟動模式實質上是手動FVR模式，因此該控制的退出不會影響勵磁系統的正常工作。

2.3 勵磁系統在靜態啟動過程中的相關保護

常規的國產勵磁系統一般都設計有相應的勵磁保護功能，如過磁通即伏赫茲（V/H）限制及保護、過勵磁限制及保護（其中包括空載過勵磁保護及帶載過勵磁保護）和低勵限制等。其中與靜態啟動相關的保護涉及過磁通限制及保護、空載過勵磁限制及保護功能。

過磁通限制及保護是為了防止發電機及主變等設備過激磁和發熱。由于勵磁系統在靜態啟動中的特殊性，因此相關概念與常規的勵磁系統有所區別。首先，常規的勵磁系統在空載時由于轉速維持在額定范圍（一般機組在轉速達到95%時自動啟勵），因此不存在類似于靜態啟動時的低頻運行工況，故動作邏輯常設置成低于整定頻率（45 Hz或40 Hz）時由勵磁實現逆變滅磁，而在靜態啟動時需要維持勵磁系統在低頻運行。同時常規勵磁系統認為空載過磁通限制主要為過電流限制，這也是基于頻率基本不變的常規運行工況，而靜態啟動階段由于頻率可變，故涉及發電機電壓及頻率的共同作用。在靜態啟動階段，勵磁受靜態啟動裝置的調節控制（即啟動裝置的磁通控制模塊的控制），為防止發電機在靜態啟動初期過勵磁及啟動后期過電壓，啟動裝置將控制勵磁以使發電機按一定的磁通與轉速的關系曲線運行，即發電機在基本轉速下維持磁通恒定，大于基本轉速后維持電壓恒定。常規勵磁系統的過磁通限制一般設定為1.1，涵蓋了靜態啟動過程的磁通曲線，故不建議單獨增設靜態啟動模式下的過磁通限制及保護。

常規勵磁系統對空載過勵磁限制及保護是為了防止空載誤強勵導致過電壓對發電機及變壓器的損害及使勵磁系統滅磁功能損壞。在靜態啟動過程中，雖然靜態啟動裝置中的勵磁調節模塊自帶勵磁電壓限制功能，但仍建議在勵磁回路的保護功能中增加針對靜態啟動模式的空載過勵磁限制功能，主要用于防止過電壓對啟動裝置的損害。因為啟動裝置的輸出比發電機的正常額定電壓小得多，如果啟動過程的過勵磁設定仍然利用常規勵磁系統的空載過勵磁限制功能，則可能使啟動裝置遭受發電機反電動勢過電壓的損害。靜態啟動過勵磁限制功能的定值可按啟動裝置最大可承受的發電機反電動勢電壓來設定。

3 結語

通過對GE 9F燃氣輪機勵磁系統國產化改造所涉及的交互控制模式及國產勵磁系統為適應該類型機組在控制功能上所需要的改進及研究，認為該類型勵磁系統具備國產化改造的可行性。

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