燃氣輪機進氣冷卻測控系統硬件設計

陳妙芳 柳 斌

（浙江工業職業技術學院 浙江 紹興 312000）

隨著國民經濟的持續高速增長，電力供應已出現嚴重短缺，應用燃機進氣冷卻技術，可以在氣溫高用電峰時有效地恢復、提高燃氣輪機發電機組的發電能力，增加機組發電量,減緩電網供電壓力，充分挖掘現有發電機組的發電潛力。進氣冷卻系統作為燃機電站的輔助系統，其運行狀況將影響燃機的輸出功率和電廠的效率，為了確保系統安全經濟運行，必須建立一套安全、可靠的監控系統。燃氣輪機進氣冷卻系統在控制單元的協調、控制下運行，控制單元的可靠性、穩定性將直接影響到系統的運行狀況，監控軟件在保證系統安全、經濟運行中起到重要作用。

1 測控系統的控制

測控系統的控制主要是對執行機構的控制，其總體控制流程的設計如下：

（1）低壓蒸發器利用余熱鍋爐的余熱對汽包內的循環水進行加熱，產生飽和蒸汽。低壓蒸發器汽包內的水位要控制在正常水位附近，當汽包水位低于正常水位時，補水調節閥開啟，操作人員也可以將其設成手動檔人為地調節閥的開度，控制補水的速度；汽包水位達到正常水位之后，循環泵必須打開，以保護低壓蒸發器內水的正常循環；汽包內溫度達到設定值（一般120℃）或者蒸汽壓力達到一定壓力值（0.1MPa）時，開啟蒸汽電動閥使飽和蒸汽通過管道輸送至溴化鋰制冷機或低壓加熱器；當汽包水位過高時，排污電動閥自動開啟，排除多余的水以保證系統的正常運行。汽包壓力是汽包運行的安全性參數之一（本系統的汽包最高壓力為0.3MPa），當汽包壓力達到一定設定值（0.28MPa）時，蒸汽排空閥打開，直至壓力恢復正常。

（2）在進氣冷卻工況條件下，低壓蒸發器的飽和蒸汽流入溴化鋰制冷機組，此時空冷器的冷凍水調節閥打開，在確定其打開之后，啟動制冷機組；冷凍水調節閥的關閉應在確定制冷機關閉成功之后；制冷機組在運行期間，從低壓蒸發器過來的飽和蒸汽經過熱交換凝結成水進入溴化鋰制冷機的凝結水箱，凝結水箱水位達到上限時開啟凝結水泵，將凝結水送回到低壓蒸發器汽包中；當達到下限時，關閉凝結水泵。如果凝結水箱的水位過高，將導致進氣冷卻工況出現“憋死”情況，由于凝結水來自低壓蒸發器輸入的蒸汽，必要時應開啟排污閥或蒸汽排空閥來排出多余的水或蒸汽；制冷機出來的冷卻水流入空氣冷卻器，冷卻空氣進口溫度，經冷卻的空氣有一部分形成水蒸汽凝結匯入到水池中，通過水池潛水泵進入冷卻塔。當空冷器處于工作狀態時，電動旁通門關閉，以最大效率地對進口空氣進行冷卻；在平時環境溫度低時，空冷器不工作的狀態下，電動旁通門打開，以更好地促進空氣的流通。

（3）在低壓加熱工況條件下，低壓蒸發器的蒸汽進入低壓加熱器當中，事先對進入汽輪機的供給水進行加熱；飽和蒸汽進行熱交換后，凝結成水，進入低壓加熱器的凝結水箱。當凝結水箱的水位達到上限時，凝結水泵開啟，將冷凝水送回低壓蒸發器的汽包內，進入下一個循環。

2 進氣冷卻測控系統

進氣冷卻測控系統可以分為集中監控層、過程控制層（即現場控制站）和現場執行器層三個層次。其結構如圖1所示。

圖1 進氣冷卻測控系統結構

（1）集中監控層

集中監控層以操作監視為主要任務，兼有部分管理功能，位于金華燃機電廠集控室內，如圖3-2所示。集中監控層由工業控制PC機和通訊網卡CP5613 2A構成，是面向操作員和控制系統工程師的，不僅需要較大存儲容量的硬盤支持，還需要功能強大的軟件支持。這里，PC機選用HP工控機，監控軟件采用的是西門子公司的工業組態軟件WinCC，通過PROFIBUS電纜線與過程控制層實現數據通信。

（2）過程控制層

過程控制層直接面對控制對象，是本測控系統的基礎，包括#1低壓蒸發器控制系統、#1空冷器和低壓加熱器控制系統、#2低壓蒸發器控制系統、#2空冷器和低壓加熱器控制系統、單效溴化鋰制冷機和雙效溴化鋰制冷機組成的制冷機組控制系統等五部分。它們均由安裝在現場的控制柜中的電源、PLC、輸入輸出繼電器、接線端子排和信號線等組成。過程控制層主要完成直接對工業現場的測控操作。此外，還負責把實時數據返回集中監控層，并隨時接受集中監控層的命令，以完成開、關機以及各種緊急情況的處理。過程控制層應具有抗沖擊、抗震、抗干擾、保護設備不受損壞的功能。

（3）現場執行器層

現場執行器負責準確地執行來自過程控制層的各種控制指令，并將執行結果返回過程控制層。此外，現場還布置了大量的傳感器，用來測量系統必需的各種運行參數，并將其返回現場控制柜，進而寫入到集中監控層的實時數據庫中，以便數據保存并備查。

1）監控主機的選擇

監控主機負責對現場控制站即PLC的通信和管理，并為管理人員和操作人員提供界面服務，其實現功能和自身的可靠性對測控系統的整體性能有著決定性的影響。主機選用了高性能、高可靠性的HP工控機。內存512MB以適應Windows 2000操作系統以及監控軟件中動態畫面的運行；選用17”液晶顯示器，可提供更為清晰的圖形界面。硬盤空間80G以滿足建立實時數據庫的需要；監控主機配以相應的監控軟件，通過通信接口實現對現場控制級的管理和監控。

2）檢測儀表選型

檢測儀表包括變送器和傳感器，負責把現場的壓力、溫度、液位和流量等被測量的物理信號轉換成處理的電信號和測控系統可以識別，是整個測控系統的“耳朵”和“眼睛”，要求其能夠準確、及時和穩定地反映生產過程的工藝參數，因此必須重視檢測儀表的選擇。選擇時主要根據被測參數的量程、種類、準確度要求以及工藝上對其穩定性和可靠性的要求來確定檢測儀表的型號和類型。

（1）溫度傳感器

根據電廠要求，低壓蒸發器部分的溫度參數采用K型熱電偶，其他部分的溫度參數采用PT100熱電阻。熱電偶選用WRNK2-331型號的固定卡套螺紋裝置式鎧裝K型熱電偶，其精度等級屬于I級，測量范圍-40℃～375℃。熱電阻選用WZPK2-338型號的固定卡套螺紋鎧裝鉑熱電阻（PT100），其精度等級屬于工業A級，測量范圍-200℃～500℃。

（2）壓力、壓差變送器

壓力、壓差變送器用來測量系統中的壓力、壓差和液位參數。

低壓蒸發器汽包壓力的范圍是0～0.4MPa，循環泵的出口壓力的范圍是0～0.4MPa，選用威瑪WPTG型壓力變送器，其誤差范圍在0.2%之內。WPTG型變送器具有精度高，溫度靜壓影響小，寬量程比，超壓保護，使用方便，容易維護等優點。

（3）電磁流量計

電磁流量計用來測量空氣冷卻器的冷凍水流量。冷凍水流量的范圍是0～1000m3/h，選用上海光華的LDG-350S/LDZ-6，其準確等級是0.3級，誤差范圍在0.5～1%之間。

A.PLC的選型

PLC的產品有很多，本項目選擇Siemens公司的S7-300系列PLC。S7-300系列PLC屬于中小型PLC，模塊化設計，性能適中，用途廣泛。

B.執行機構與PLC的連接

低壓蒸發器的補水調節閥以及空氣冷卻器的冷凍水進口碟閥的開度均通過4～20mA標準直流信號進行控制。其與PLC的連接方式如圖2所示。由于系統采用的是帶隔離的模擬量輸出通道，需要通過在MANA端子和CPU的M端子之間使用一根等電線連接導線，以確保MANA和M端存在的電位差UISO不會超過允許值。如果UISO超過允許值時，會有損模擬信號的精度甚至造成模擬信號的中斷。

圖2 執行機構與PLC的連接

3 結論

詳細論述了進氣冷卻測控系統的硬件設計。首先介紹了計算機硬件的選擇；根據測量參數的控制精度以及工作范圍選擇檢測儀表；分析PLC及模塊的選型依據并進行選型；描述系統通信的硬件構成以及連接；最后對現場傳感器以及執行機構和PLC的電路連接作了分析。

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