M701F機組DIASYS控制系統問題分析

李 東 范新宇

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

M701F機組DIASYS控制系統問題分析

李 東 范新宇

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

本文介紹了M701F燃氣輪機控制系統投產以來所存在一些主要問題，并進行分析和探討，提出一些相關的改進建議和措施，提高了控制保護系統的安全性。

燃氣輪機；問題分析；改進對策

某電廠建有三臺三菱公司 M701F燃氣輪機聯合循環發組，該燃氣輪機控制系統為三菱公司成套的DIASYS分散控制系統，機組控制系統從投產以來運行基本穩定可靠，但在硬件和軟件等方面也發生了一些問題，甚至造成機組誤動跳閘的事故，給機組安全穩定運行帶來了威脅，為此對這些問題進行了分析和研究，并提出相應的技術改進建議和措施。其中有些已經實施并取得較好效果，有些還需進一步探討和解決。

1 控制系統簡介

1.1 控制系統構成

上層部分：包括工程師站、操作員站、數據站服務器、打印機、CPFM（combustor pressure fluctuation monitor）系統等設備。

通信接口部分：包括機島控制系統與DCS系統的接口通信等設備。

下層部分：包括TCS（turbine control system）系統、PCS（process control system）系統、TPS（turbine protection system）系統、MPS站（multiple process station）等設備。

機島控制系統內部的所有系統、設備之間通過高速工業以太網組成了獨立的計算機網絡，與外部的DCS系統的通信接口則采用了MODBUS通信協議的RS 485串口通信。

1.2 控制系統功能

燃氣輪機控制系統按照其功能主要包括以下系統：

1）透平控制系統TCS（turbine control system）：主要完成對燃氣輪機-汽輪機-發的起、停以及帶負荷正常運行的監控。

2）過程控制系統PCS（process control system）：主要完成對汽輪機旁路、汽輪機軸封、凝汽器真空系統的監控。

3）燃氣輪機（汽輪機）保護系統TPS（turbine protection system）：主要完成燃氣輪機-汽輪機-發的跳閘連鎖保護控制。

4）透平軸系振動監測保護系統 TSI（turbine supervisory instrument）：主要完成對燃氣輪機-汽輪機-發軸系的振動、軸向位移、脹差、軸撓度、缸體膨脹、零轉速、鍵相等參數的監視、報警和保護。

5）燃燒自動調整監控保護系統 ACPFM（advanced combustor pressure fluctuation monitor）：主要完成燃氣輪機燃燒系統的自動燃燒調節、監視和保護功能。

6）其他系統：機組還配置了 GPS系統（用于時鐘的衛星同步）、大氣檢測站（用于對廠區的大氣情況進行監測）。

2 控制系統運行情況及存在問題

燃氣輪機控制系統從投運以來基本穩定，硬件比較可靠，模件損壞率相對較低，系統軟件、控制邏輯運行也基本穩定。但在運行中也陸續發生了一些故障和問題，下面是發生的主要問題以及針對這些問題的分析和處理。

2.1 燃氣輪機葉片通道溫度（BPT）偏差大保護誤動問題

2008年3月1號、3號機組先后發生燃氣輪機葉片通道溫度（blade path temperature,BPT）偏差大跳閘，事后經過檢查分析確認兩次跳閘均為保護誤動跳閘，對兩次事故情況分析如下。

2008年3月8日1號機組在360 MW負荷運行時突然發生跳閘故障，報警顯示為：“11號燃氣輪機葉片通道溫度（BPT）偏差大跳閘”，事后對歷史數據進行了分析。跳閘前，燃氣輪機控制系統（TCS系統）的11號BPT溫度顯示一直正常，沒有跳變和波動，其他相關運行參數也未見異常。由于此前燃氣輪機保護系統（TPS系統）的BPT測量數據未設計進入到歷史站ACS（Accessory Station）系統的歷史數據庫中，所以對TPS系統的采集數據無法進行檢查和分析。根據圖 1的 BPT測量原理和 TCS系統歷史數據的綜合分析，認為此次跳閘時刻機組運行參數是正常的，屬于保護系統誤動作跳閘。

圖1 BPT測量回路原理接線圖

2008年3月12日3號機組在67MW負荷時發生跳閘。報警事件記錄顯示：“20號BPT偏差大跳閘”。檢查了TCS系統20號BPT的歷史數據，顯示溫度偏差并沒有高于跳閘定值，同時溫度測點信號也沒有跳變和波動，其他相關運行參數也未見異常。在隨后檢查 TPS系統保護邏輯中發現，TPS1系統和TPS2系統輸出為“1”，而TPS3通道輸出為“0”，即此次保護只有2個通道動作，經過3取2邏輯后動作跳閘。3號機組的BPT測量回路與1號機組完全相同，由圖2可以看出，溫度變送器為1路熱電偶輸入，2路電壓輸出，其中輸出 1并接成兩路分別輸入到 TPS1通道和 TPS2通道，輸出 2輸入到TPS3通道。而此次跳閘保護邏輯為 TPS1和TPS2動作，TPS3沒有動作，剛好是溫度變送器的輸出1回路動作，據此分析結果是，溫度變送器的輸出 1通道存在問題，從而導致保護誤動。

圖2 BPT溫度保護邏輯改進原理框圖

綜合上述兩次跳閘事故分析，發現燃氣輪機控制保護系統存在著不完善之處。主要問題如下:

燃氣輪機排氣溫度、BPT溫度、潤滑油溫度等溫度類保護系統的輸入回路設計不合理。如圖1所示，這些保護信號均為單點信號經過溫度變送器轉換、后再分別送入3個TPS保護系統。如果溫度變送器之前回路中7個環節（如圖1中所示：①熱電偶；②熱電偶元件接線端子；③中間接線端子；④補償電纜；⑤溫度變送器輸入端子；⑥溫度變送器；⑦溫度變送器輸出端子）中任一環節出現問題，保護系統就會誤動跳閘。雖然在機組的BPT偏差大保護邏輯中已經引入了相鄰測點偏差大的關聯邏輯，但檢查發現，該邏輯基本是無效的。事后于2008年5月16日通過對1號、3號機組的控制邏輯檢查發現：1號機組的20個相鄰BPT偏差大判斷邏輯中有18個已經輸出為“1”，3號機組的20個相鄰BPT偏差大判斷邏輯中有 16個已經輸出為“1”（相鄰BPT偏差的定值為+2.5℃，?4℃，）。

針對上述保護系統存在的隱患，提出如下改進建議。

在TPS系統BPT保護邏輯中引入TCS系統的溫度報警信號作為跳閘邏輯的關聯信號，邏輯原理框圖如圖2所示。由于TPS系統BPT保護邏輯中引入測量信號與TCS系統的控制和溫度報警信號為同一個測量點的雙只元件，其測量數值和重要等級是完全相同的，在正常情況下，當BPT偏差大保護動作時，TCS系統的BPT必定會提前發出報警信號，所以，兩個信號的關聯條件是成立的、合理的，可有效的防止因保護回路的信號測量發生問題而誤動跳閘，（如果在此前保護邏輯中設計了此關聯條件，則3號機組發生的2次跳閘事故均可完全避免）。防止保護拒動：增加的TCS系統的溫度報警信號關聯跳閘邏輯可設計信號點的質量判斷，當該信號出現壞質量時，則自動解除其關聯邏輯關系，可有效的防止因信號問題出現保護拒動的情況。由于此改進為控制邏輯的修改，不需對系統的硬件進行改動，所以便于實施。同時對相鄰測點偏差大的關聯邏輯定值進行優化修改（目前相鄰BPT偏差的定值修改為+20℃，?30℃）。

將現有的溫度變送器由1個改為3個，將用于保護的溫度測量元件分別并接到3個單獨的溫度變送器的輸入端（選型時要考慮并接后對測量誤差的影響在可接受的容許范圍之內，也可對其誤差在邏輯中進行修正）。圖3所示為改后的測量回路原理接線圖。這樣相對改前可以有效分散不安全因素，大大提高保護的可靠性。

圖3 溫度變送器與TPS系統1/2/3連接的改進原理接線圖

為了防止溫度測量信號出現問題而導致機組誤動作跳閘，在TPS系統中增加設計BPT等保護信號的預報警判斷邏輯，如：將BPT溫度偏差在跳閘定值前設置一個合適的報警值（保護定值為偏差＞30℃、＜?60℃跳閘，預報警值則可考慮設置為＞20℃和＜?30℃），當某一個溫度偏差超過預報警值時，在OPS畫面發出聲光報警，此時立即通知熱控人員對該點信號進行檢查和確認，以及時消除誤測量的故障。

2.2 ACPFM系統測量回路運行不穩定

ACPFM系統在燃氣輪機1號—20號燃燒室分別安裝了燃燒壓力波動測量探頭和4個燃燒加速度測量探頭，用于對燃氣輪機燃燒室進行監視、控制、報警和保護。測量回路由探頭、前置放大器、輸入模件組成。

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該系統是燃氣輪機用于進行燃燒自動調整和監視報警保護的重要系統，但從運行以來卻經常不斷的發生故障，主要表現在測量回路的燃燒壓力波動傳感器探頭和前置放大器環節經常發生異常噪聲波動干擾的問題，導致控制系統經常誤報警。同時，ACPFM 系統是根據這些測量回路所采集的數據進行判斷、分析后對燃氣輪機的燃燒系統做出自動燃燒調節控制，在出現非正常噪聲干擾后，ACPFM系統就會執行錯誤的調節，致使燃燒工作點偏離正常區域，對燃燒系統帶來危害，也可能會造成保護的誤動。

通過對此類問題的分析，認為主要是由于測量回路的設備不穩定所致。因此當發生上述問題時，目前處理的方法只能是解除故障測量信號，或更換有問題的探頭、前置器。由于 ACPFM系統已經記憶和執行了錯誤的自動燃燒調節，因此在故障處理完畢后，還需要由熱控維護工程師手工清除ACPFM系統有關的燃燒振動數據文件后，ACPFM系統自動調節功能才能完全恢復正常。

通過與同類機組發電廠的調查和了解后得知，存在此問題不是個別現象，而是較為普遍。為此，向三菱公司公司進行了技術咨詢，他們也認為可能是質量問題，并正在研究和尋求解決辦法，但到目前為止仍未得到徹底解決。針對此類問題，提出以下解決方案：燃燒器探頭與電纜之間使用航空插頭連接，無特別固定懸空安裝于燃機缸外表面，安裝和運行條件較差，宜出現故障，需制作固定安裝裝置，以保證穩定性；在 ACPFM系統中增加低頻波段控制邏輯，及時剔除低頻段不連續噪聲波動，不影響燃機燃燒調整。

2.3 其他問題

控制系統在運行中多次發生大量信號突然壞質量的問題，經更換新的模件和基座后此問題仍時有發生，未能徹底杜絕，給機組安全運行帶來了較大的負面影響。研究認為主要是 I/O模件的基座存在接觸不良或者有質量問題。

歷史數據站是將機組運行歷史數據存儲的重要設備，常用于對問題或事故分析，但燃氣輪機控制系統所配置的歷史數據站（ACS站）保存的數據時間比較短，特別是 1s分辨率的歷史數據只能保存24h，而對于分析問題或事故來說，1s的分辨率的歷史數據最有用的，因此，24h的保存時間太短。在工程安裝調試期間，也曾要求三菱公司公司增加數據存儲時間，但由于技術原因未能實現，這給機組的事故分析帶來了極大的不便。三菱控制系統存儲時間設置不合理，可通過通信方式將控制點通信到其他控制系統（譬如OVATION系統），利用別的控制系統存儲廣的特性進行故障分析。

在工程安裝和調試期間，對燃氣輪機熱電偶溫度元件進行校驗時，曾發生大量校驗超差不合格的問題，而且，在運行期間在本廠的熱控試驗室進行校驗時，也出現元件不合格的問題，在經三菱公司公司確認元件本身沒有問題的情況下，對這一問題進行了研究和試驗，最后發現是由于燃氣輪機本體熱電偶溫度元件的內部結構較為特殊（與國內使用的普通熱電偶元件結構不同），因此，使用通常的校驗方法在普通加熱爐進行校驗其結果就會出現超差不合格的情況。之后，詳細了解這種熱電偶的內部結構，并對校驗系統和校驗方法進行了改進，終于使這一難題得到解決，目前，實驗室已能對該熱電偶進行準確校驗。

3 結論

M701F燃氣輪機控制保護系統是由三菱公司成套配置，雖然其設計為成熟的標準設計，主要應用于燃機輪機每周起停方式，但由于國內燃氣輪機主要為每日進行起停，且系統本身仍然存在著一些不完善之處，如上所述。特別是對于溫度類保護采用單測點信號判斷跳閘，ACPFM系統元件故障和系統存在不能進行故障判斷、控制模件故障以及數據量小等問題，存在著較大的誤動風險和控制問題。對于燃氣輪機，每誤跳一次閘除了帶來負荷的損失外，還將減少200h的等效運行小時（EOH），其損失是很大的。通過對溫度回路和邏輯改造以及對ACPFM系統部分改進，將提高求控制保護系統的可靠性。

[1]三菱重工業有限公司.三菱公司控制系統使用手冊[Z].2003.

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近日，國家知識產權局公布專利“一種基于藍牙通信的電能表數據智能讀寫裝置及方法”，申請人為惠州中城電子科技有限公司。

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Analysis on M701F DIASYS Control System

Li Dong Fan Xinyu
(Shenzhen Energy Group Co.,Ltd，Dongbu Power Plant,Shenzhen,Guangdong 518120)

Some proposals are made in this paper on M701F Gas Turbine DIASYS control system based on the summarization on the major problems have happened from system putting into operation.The conclusion based on these experiences may be a reference for the unit of the same type.

gas turbine control system;proposals analysis;countermeasure

李 東（1981-），男，技術工程師，工學學士，主要從事燃氣輪機發電廠檢修安全管理工作。