關(guān)于PLC汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

何鑫

摘 要：可編程控制器（PLC）是七十年代發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于控制對(duì)象的復(fù)雜性，使用環(huán)境的特殊性和運(yùn)行的長(zhǎng)期連續(xù)性，使PLC 在設(shè)計(jì)上有自己明顯的特點(diǎn)：可靠性高，適應(yīng)性廣，具有通信功能，編程方便，結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中，PLC 已經(jīng)成為一種重要的基本控制單元，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用前景極其廣泛。

介紹了汽輪機(jī)主保護(hù)的任務(wù)，分析了汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（ETS）的現(xiàn)狀，對(duì)SIEMENS S7—200 PLC進(jìn)行了詳細(xì)介紹，利用S7—200 PLC對(duì)該機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)的邏輯編程，并利用PLC設(shè)計(jì)汽輪保護(hù)控制系統(tǒng)，靈活，可靠地實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)保護(hù)跳閘、記憶功能，取得了滿意效果。

關(guān)鍵詞：PLC控制；汽輪機(jī)；保護(hù)系統(tǒng)；安全有效

1 汽輪機(jī)的原理

從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，汽輪機(jī)是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械。這些蒸汽可能來(lái)自鍋爐燃料燃燒，加熱給水產(chǎn)生的，也可能是其他高溫、高壓的蒸汽發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生的。汽輪機(jī)輸出的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，進(jìn)一步將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┙o工業(yè)生產(chǎn)和生活需要。與往復(fù)式活塞式動(dòng)力機(jī)械相比較，汽輪機(jī)具有功率大、轉(zhuǎn)速高、經(jīng)濟(jì)性好等顯著特點(diǎn)。因此，汽輪機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，起著舉足輕重的作用，在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如圖1所示汽輪機(jī)原理圖。

在汽輪機(jī)中，蒸汽的熱能（焓）被轉(zhuǎn)換成機(jī)械功，完成這個(gè)能量轉(zhuǎn)換的基本單元叫做汽輪機(jī)的葉片級(jí)。

汽輪機(jī)的某個(gè)級(jí)，它主要由靜葉柵（有稱噴嘴）和動(dòng)葉柵組成。靜葉片安裝在汽輪機(jī)靜止的部件上，動(dòng)葉片安裝在有可旋轉(zhuǎn)的輪盤(pán)上。汽輪機(jī)的通流部分是由主進(jìn)汽閥、調(diào)節(jié)閥、若干個(gè)葉片級(jí)和排汽缸所組成，它負(fù)擔(dān)著把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的任務(wù)。

2 汽輪機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

汽輪機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。

1）.汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)

汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的功能主要是使機(jī)組的被調(diào)量（轉(zhuǎn)速、壓力等）能按一定的規(guī)律變化，以適應(yīng)復(fù)核（電功率、熱負(fù)荷或驅(qū)動(dòng)功率等）變化的要求；當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障后外界干擾時(shí)，能采取緊急保安措施，以確保機(jī)組的安全。

為確保機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)必須動(dòng)作正確可靠，性能優(yōu)良。必要時(shí)，可采用冗余技術(shù)和自診斷、快速查找故障、方便在線維修、自動(dòng)/手動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換等手段。

2）.汽輪機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)

汽輪機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)是保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)備。目前，安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控項(xiàng)目有：冷凝器低真空、轉(zhuǎn)子軸向位移和推力軸承磨損、轉(zhuǎn)子與汽缸間的相對(duì)膨脹（脹差）、絕對(duì)膨脹、潤(rùn)滑油壓、機(jī)組震動(dòng)、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承和潤(rùn)滑油溫度等。

在上述安全監(jiān)控項(xiàng)目中，又可分為監(jiān)視項(xiàng)目和保護(hù)項(xiàng)目?jī)煽睢１O(jiān)控項(xiàng)目只對(duì)被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)視（包括記錄）。當(dāng)被監(jiān)視的參數(shù)超過(guò)允許極限值時(shí)，能發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提請(qǐng)運(yùn)行人員注意，以采取相應(yīng)的糾正措施。保護(hù)項(xiàng)目則要求在被監(jiān)視的參數(shù)超限時(shí)，保護(hù)裝置能準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫停機(jī)，以免事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大，確保機(jī)組安全。

3 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

PLC型汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)邏輯功能是在原以繼電器為基礎(chǔ)的邏輯功能上加以改進(jìn)的，通過(guò)軟件組態(tài)滿足系統(tǒng)工藝要求，當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生故障，發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警信號(hào)，汽輪機(jī)自動(dòng)跳閘，來(lái)保護(hù)汽輪機(jī)。

1） 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

汽機(jī)保護(hù)PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，采用西門(mén)子S7-200系列模件，整個(gè)硬件系統(tǒng)使用了一個(gè)PLC主機(jī)架，為了提高PLC系統(tǒng)的可靠性，采用雙CPU冗余熱備運(yùn)行和雙電源模件供電，這樣也大大提高了保護(hù)控制系統(tǒng)的安全可靠，同時(shí)控制邏輯軟件中能使汽輪進(jìn)行跳閘保護(hù)并付出報(bào)警信號(hào)，為汽輪機(jī)跳閘后事故分析提供了依據(jù)。

2） 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)

PLC型微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)有：超速14%PLC型汽機(jī)保護(hù)原理保護(hù)、軸向位移及推力軸承回油溫度高保護(hù)、高壓缸相對(duì)膨脹保護(hù)、凝結(jié)器真空低保護(hù)、支持軸承回油溫度高保護(hù)、潤(rùn)滑油壓低保護(hù)、發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、手動(dòng)停機(jī)跳閘等條件。以上幾個(gè)條件只要有任一條件滿足，則主汽門(mén)就關(guān)閉并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

4 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中的傳感器

在汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中所應(yīng)用到的傳感器種類(lèi)很多，在汽輪機(jī)保護(hù)中，需要傳感器對(duì)其保護(hù)，發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，對(duì)汽輪機(jī)組發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并對(duì)其跳閘保護(hù)。電渦流位移傳感器是其主要應(yīng)用，振動(dòng)的測(cè)量要靠各種振動(dòng)傳感器，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上使用較多而又成熟的傳感器主要有：電渦流位移傳感器。

電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來(lái)測(cè)物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移的，它與被測(cè)物之間沒(méi)有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從0～10Hz）。電渦流傳感器的變換原理簡(jiǎn)要介紹如下：在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高（一般為1MHz～2MHz）的交變電壓（見(jiàn)圖3），當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過(guò)導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出一渦流ie，而ie所形成的磁通鏈又穿過(guò)原線圈，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數(shù)的大小又與二者之間的距離及導(dǎo)體的材料有關(guān)，當(dāng)材料給定時(shí)，耦合系數(shù)K1與距離d有關(guān)，K= K1（d），當(dāng)距離d增加，耦合減弱，K值減小，使等效電感增加，因此，測(cè)定等效電感的變化，也就間接測(cè)定d的變化。

由于傳感器反饋回的電感電壓是有一定頻率（載波頻率）的調(diào)幅信號(hào)，需檢波后，才能得到間隙隨時(shí)間變化的電壓波形。即根據(jù)以上原理所述，為實(shí)現(xiàn)電渦流位移測(cè)量，必須有一個(gè)專(zhuān)用的測(cè)量路線。這一測(cè)量路線（稱之為前置器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個(gè)檢波電路等。渦流傳感器加上一測(cè)量線路（前置器），如框圖4所示：從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓，它可分兩部分：一為直流電壓Vde，對(duì)應(yīng)于平均間隙（或初始間隙），一為交流電壓Vac，對(duì)應(yīng)于振動(dòng)間隙。

5 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的總結(jié)與展望

隨著算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程序控制器的功能有了很大的提高，它不再僅僅局限于完成順序邏輯控制功能。多數(shù)的可編程序控制器采用通用的高性能處理器，在保證快速完成順序邏輯運(yùn)算的前提下，普遍增加了回路調(diào)節(jié)功能，代數(shù)計(jì)算功能等。可編程序控制器己經(jīng)成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)普遍，是自動(dòng)化的三大技術(shù)支柱之一。

在電力統(tǒng)中，電廠的中小型機(jī)組一般都是老機(jī)組，服役時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備老化。在這些機(jī)組中，普遍存在著一些由繼電器回路構(gòu)成的控制保護(hù)系統(tǒng)。這些繼電器控制系統(tǒng)由于連線多，觸點(diǎn)多，故障不容易查找和排除，存在著不少的安全隱患。而可編程序控制器的可靠性高，維護(hù)工作量小，適應(yīng)性強(qiáng)。因此在對(duì)火電廠中小型機(jī)組進(jìn)行改造中，利用可編程序控制器對(duì)原有的繼電器控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從而提高控制系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)的功能以及可靠性，這將是一種必然趨勢(shì)。

隨著可編程控制器在電廠機(jī)組的順序控制，回路控制等方面的更廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)可編程序控制器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，在火電廠分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制中將占有重要地位。針對(duì)控制對(duì)象的特點(diǎn)和實(shí)際操作的要求，進(jìn)一步的深入研究通信網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制，開(kāi)發(fā)出適應(yīng)性更強(qiáng)，更靈活的監(jiān)控軟件將是以可編程序控制器為主的監(jiān)控系統(tǒng)今后的主要工作和主要趨勢(shì)。

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