汽輪機(jī)DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬超

摘 要： 汽輪機(jī)DCS系統(tǒng)結(jié)合汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)，在深入研究汽輪機(jī)調(diào)速原理，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，熱井水位， 泵類等智能遠(yuǎn)程控制，保護(hù)系統(tǒng)方面，在發(fā)生危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，能及時(shí)停機(jī)，

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；DCS系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.036

汽輪機(jī)主要用作發(fā)電用的原動(dòng)機(jī)，也可直接驅(qū)動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等，在用途上分成發(fā)電汽輪機(jī)和工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。系統(tǒng)在運(yùn)行下，參數(shù)是不同的，而且彼此之間相互作用，如果參數(shù)值超出了正常規(guī)范值就要緊急，要立即停止機(jī)器運(yùn)行，才能保證汽輪機(jī)的安全。想實(shí)現(xiàn)此功能，要求配備自動(dòng)化裝置，也就是DCS分散控制系統(tǒng)，分散控制，集中管理四個(gè)部分，現(xiàn)場(chǎng)控制站、工程師站、操作員站和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)的安全保護(hù)是非常重要的，DCS系統(tǒng)是對(duì)汽輪機(jī)遠(yuǎn)程和集中控制的重要安保措施，通過(guò)分析汽輪機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷機(jī)汽輪機(jī)的生產(chǎn)管理。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是清晰簡(jiǎn)單，易于操作，上位機(jī)用計(jì)算機(jī)，還需要設(shè)備占的設(shè)置，以及物理參數(shù)測(cè)量傳感器，操作控制器，變送器等接連，采用信息診斷融合，提高傳感器信號(hào)可靠性與融合技術(shù)。編寫程序控制器，采用快速傅里葉變換，針對(duì)信號(hào)的振動(dòng)進(jìn)行處理，采用集中遠(yuǎn)控的方式，可以直接在上位機(jī)的界面操作，控制。

（1）硬件設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的完善 ，人工智能系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)的故障進(jìn)行診斷 ，獲得了很好的效果 ，系統(tǒng)硬件包括汽輪機(jī)控制，汽機(jī)保護(hù)、信號(hào)采集和上位機(jī)監(jiān)控幾部分。診斷策略通常是模糊診斷、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)。汽輪機(jī)通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)和設(shè)備控制來(lái)管理，在上位機(jī)輸入轉(zhuǎn)速值，控制器進(jìn)行比較數(shù)值，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，再經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而對(duì)汽輪機(jī)的設(shè)備、油泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備管理和控制。給定變頻率，頻域變換法是機(jī)械設(shè)備故障診斷中使用得最為廣泛的處理方法，對(duì)原信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，再轉(zhuǎn)換成頻譜的形式，由控制器通信傳輸，控制遠(yuǎn)程設(shè)備的運(yùn)行。汽輪機(jī)的保護(hù)措施是良好運(yùn)行的保證，當(dāng)人按下急停按鈕或者機(jī)器故障自動(dòng)停機(jī)的時(shí)候，程序的數(shù)字量輸出模塊，會(huì)輸出信號(hào)控制電磁閥高壓油關(guān)，再切斷主氣閥停機(jī)。飛脫時(shí)產(chǎn)生的工頻振動(dòng)是突發(fā)性的，振幅和相位同時(shí)增長(zhǎng)到固定值。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算，分析，傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控和管理所有的分散控制系統(tǒng)。

（2） DCS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。DCS 的通信網(wǎng)絡(luò)可以分為兩方面，控制器與上位計(jì)算機(jī)的通信，控制器與I/O設(shè)備站和從站的通信。分別采用工業(yè)以太網(wǎng)和ProfibusDP。以太網(wǎng)的特點(diǎn)是傳輸速度快，可達(dá)100Mbit/S，采用CP443-1，和CP1613模塊，兩臺(tái)交換機(jī)，組成上網(wǎng)冗余網(wǎng)絡(luò)。 ProfibusDP主站周期讀取和輸出信息，采用RS485中繼器，I/O設(shè)備采用IM153-2，也是可靠的雙網(wǎng)絡(luò)。

2 DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)正常沒(méi)有故障時(shí)候，振動(dòng)隨機(jī)，出現(xiàn)故障的時(shí)候，有周期性沖擊，自相關(guān)函數(shù)會(huì)出現(xiàn)大峰值。蒸汽發(fā)生器的高溫高壓蒸汽要通過(guò)主汽閥、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入，汽輪機(jī)。工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)核心包括調(diào)速系統(tǒng)，熱井水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)。鍋爐制造出蒸汽，轉(zhuǎn)化成汽輪機(jī)所需的熱能，在轉(zhuǎn)子加熱到一定溫度時(shí)，粘附在中心孔壁上的潤(rùn)滑油發(fā)生熱交換，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)可以可控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，轉(zhuǎn)軸上的摩擦力與旋轉(zhuǎn)方向相反。控制信號(hào)輸出控制電流，經(jīng)過(guò)電液轉(zhuǎn)換器控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。接觸材料之間存在著能量的吸收和轉(zhuǎn)移。

位移傳感器測(cè)定油動(dòng)機(jī)的行程信號(hào)，可以在轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候保證不受干擾和負(fù)載所造成的影響。通流部分的動(dòng)靜間隙是受多種因素影響的。熱井水為調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水量，調(diào)節(jié)水泵，凝結(jié)水量不變時(shí)，控制水泵轉(zhuǎn)速，才能保持水位恒定。

水泵的變頻率由PID計(jì)算， 工業(yè)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1。

3 汽輪機(jī)調(diào)速方案設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)通過(guò)PID控制算法，輸出電信號(hào)，汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及在DEH遙控下機(jī)組調(diào)節(jié)控制，經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器變成油壓信號(hào)達(dá)到汽輪機(jī)要求的轉(zhuǎn)速.有CRT顯示運(yùn)行參數(shù)，PID算法采用級(jí)聯(lián)控制器，節(jié)流調(diào)節(jié)雙向切換，根據(jù)過(guò)程變量的錯(cuò)誤參數(shù)影響那個(gè)控制器定點(diǎn).這個(gè)過(guò)程變量PV1可以通過(guò)主控器控制和調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)SP1，SP2.實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自啟動(dòng)、監(jiān)視和自動(dòng)負(fù)荷控制，采用磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器，發(fā)出的脈沖信號(hào)要求。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用幾組獨(dú)立的傳感器信號(hào)，PLC模擬輸入模塊保證信號(hào)的準(zhǔn)確，采用三取二邏輯的方法，反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)。這種沉余配置可以避免信號(hào)故障，不會(huì)發(fā)生變跳。接受機(jī)組的轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)級(jí)壓力，暖機(jī)，升速，直至系統(tǒng)穩(wěn)定。熱井水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是汽輪機(jī)凝汽設(shè)備的一個(gè)很重要的部分，凝汽設(shè)備在汽輪機(jī)排氣口保持真空度，用空氣泵抽出空氣，凝汽內(nèi)壓力升高。隔膜閥使這兩個(gè)系統(tǒng)的跳閘母管相連，熱井水為的信號(hào)有差變壓器傳送，轉(zhuǎn)換成4-20ma的電流信號(hào)，閥門位置指令增加時(shí)PLC程序處理變化成熱井實(shí)際水位，再經(jīng)PID程序算出轉(zhuǎn)速頻率。采用PI控制水位變化，保持熱井水位的穩(wěn)定。

4 汽輪機(jī)DCS系統(tǒng)保護(hù)方案設(shè)計(jì)

ETS系統(tǒng)是保護(hù)汽輪機(jī)發(fā)生緊急跳閘，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，緊急停機(jī)，保護(hù)汽輪機(jī)安全的系統(tǒng)。當(dāng)緊急事故如真空低，遙控跳閘信號(hào)等發(fā)生時(shí)，由自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作AST電磁閥，汽輪機(jī)超速運(yùn)行容易造成事故，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，和機(jī)身?yè)p壞，當(dāng)停機(jī)值到達(dá)，TSI系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號(hào)由數(shù)字量輸出模塊輸出信號(hào)，控制解除其，不讓ETS系統(tǒng)復(fù)位，保證汽輪機(jī)安全。 汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，DEH裝置發(fā)出控制信號(hào)通過(guò)預(yù)啟閥進(jìn)行升速和暖機(jī)，軸向位移信號(hào)來(lái)自TSI系統(tǒng)，采用電渦流位移傳感檢測(cè)，轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到正負(fù)1r/min，本系統(tǒng)軸向位移報(bào)警值為士0.5mm，自動(dòng)地迅速?zèng)_過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，切至高壓調(diào)門控制，直到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機(jī)跳閘或遙控允許觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，控制器會(huì)立刻恢復(fù)到操作員自動(dòng)方式運(yùn)行。汽輪機(jī)DCS系統(tǒng)通過(guò) 汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出轉(zhuǎn)數(shù)、負(fù)荷變化率請(qǐng)求，深入研究汽輪機(jī)速度調(diào)節(jié)原理，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、熱井水位、泵類等智能遠(yuǎn)程控制，可以外掛式接入，可操作性強(qiáng)，保護(hù)系統(tǒng)方面，在發(fā)生危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，能及時(shí)停機(jī)，是良好的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。