基于MARK VI的燃氣輪機LCI起動控制

孫曉英

【摘 要】本文以GE公司生產(chǎn)的燃氣輪機為例進行分析，采用Mark VI系列作為控制單元，包括起動電機控制系統(tǒng)和起動變頻控制系統(tǒng)，然后按照轉(zhuǎn)速設定對燃氣輪機起動電機進行控制，在燃氣輪機起動開始，由發(fā)電機通過變頻器從電網(wǎng)取電，轉(zhuǎn)換成電動機拖動燃氣輪機轉(zhuǎn)動，在燃氣輪機機組完成點火、暖機、保持自持轉(zhuǎn)速、脫扣等動作后，利用變頻器將電動機與電網(wǎng)脫開；再由燃氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。

【關鍵詞】光伏發(fā)電；配電網(wǎng)；繼電保護

中圖分類號： TM611 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.033

0 引言

隨著燃氣輪機技術的日益成熟、天然氣資源的進一步開發(fā)和應用，以及世界范圍內(nèi)人們對環(huán)保質(zhì)量要求的提高，燃氣輪機將逐步被人們接受并成為電力部門的主要電源之一。[1]

燃氣輪機的誕生也追溯到上世紀50年代，主要應用于歐美等發(fā)達國家，當時的燃氣輪機主要用于電力系統(tǒng)調(diào)峰，其機組容量較小且熱效率利用率也比較低，沒有得到廣泛的應用。與火電汽輪機相比，燃氣輪機的最大優(yōu)點就是起動速度快，也常常被用來作為電網(wǎng)的黑起動電源。因此，燃氣輪機最早主要用于電力系統(tǒng)調(diào)峰和備用電源使用。為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行以及事故下快速恢復運行，歐美國家的研究結(jié)果表明，當燃氣輪機的發(fā)電量在整個電網(wǎng)份額的8-12%，電力系統(tǒng)具有較好的調(diào)峰性能，對電力系統(tǒng)安全運行具有較好的作用，是非常合適的[2]。

到了上個世紀80年代以后，燃氣輪機單機容量和熱效率的逐步提高，特別是完成了燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)的應用，燃氣輪機得到了快速的發(fā)展。另外，隨著世界范圍內(nèi)天然氣的大量發(fā)現(xiàn)并開發(fā)，加速了燃氣輪機的發(fā)展與應用，不僅作為黑起動備用電源和電力系統(tǒng)調(diào)峰電源，也肩負著電力系統(tǒng)的基荷和腰荷，逐步成為電力系統(tǒng)的主要電源之一。

之前的燃氣輪機是以燃燒天然氣體和液態(tài)燃料為前提的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，隨著燃氣輪機在電力系統(tǒng)中的地位不斷提高，研究人員提出了提出“煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)”方案（簡稱IGCC）：其基本原理就是將煤炭置于高溫、高壓的氣化爐中進行氣化，變?yōu)橹小⒌蜔嶂档拿簹猓缓笸ㄟ^脫硫和洗滌，清除掉煤氣中的硫化物、堿金屬等污染成分，最后，將制造的清潔人造煤氣送到燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中燃燒發(fā)電。

隨著世界能源的緊缺和環(huán)境保護的意義，迫使開發(fā)高效、清潔、大容量燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)是必然將成為發(fā)電系統(tǒng)中一個重要組成部分，是電力系統(tǒng)中不可缺少的主要成員，其作用將日益顯著[3-4]。

1 燃氣輪機起動控制系統(tǒng)

Mark VI燃機控制系統(tǒng)的機柜布置較以往不同，也不向其他的DCS系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)集成于TCC間，采用集裝箱布置，運輸方便，現(xiàn)場接線方便，縮短了現(xiàn)場調(diào)試時間，Mark VI系統(tǒng)可以用作簡單控制或者帶單個或者多個機架、也可以就地或者遠程I/O的三個標準件冗余（TMR）控制。I/O接口設計用于燃氣輪機上的傳感器和傳動機構(gòu)的直接接口，免除對插入儀器的需求，還避免了和該儀器相關的可靠性和維護方面的事情。

Mark VI控制系統(tǒng)硬件包括：機柜、網(wǎng)絡、操作員接口、控制器、I/O板、端子板和保護模塊、計算機控制器、密碼狗、其他各種輸入輸出I/O卡件、電液伺服板卡閥、就地接線柜、控制柜、監(jiān)控器、專用傳輸網(wǎng)絡和交換機等相應設備。具體控制網(wǎng)絡單元結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1所示為燃氣輪機常用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。第一層是工廠數(shù)據(jù)層，這一層網(wǎng)絡有工程師站、服務器、控制臺操作員站、打印機、通過路由器可以接到因特網(wǎng)，從世界上任何一個地方都可以啟動燃氣輪機；第二層是單元數(shù)據(jù)層，這一層網(wǎng)絡上主要掛載的設備有燃氣輪機控制、發(fā)電機控制、發(fā)電機保護、其他的PLC控制器；第三層是I/O層，主要是將控制器和現(xiàn)場設備連接到一起，對現(xiàn)場信號進行判別和傳輸。這三層網(wǎng)絡各自都有自己的標準協(xié)議，以及與之對應的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，每層之間還有自己的傳輸方式。

工廠級數(shù)據(jù)控制層：Mark VI控制系統(tǒng)用于與天然氣廠或其他設備制造商的其他控制系統(tǒng)進行通信，使用DCS通信支持它的協(xié)議有TCP /IP GSM和RS232/485 Modbus協(xié)議。硬件由帶有用于較長距離（如到中心控制室）的可選光纖輸出的兩個冗余以太網(wǎng)開關組成。至于小系統(tǒng)，若沒有在UDH上的對等網(wǎng)絡控制，PDH和單元數(shù)據(jù)總線（UDH）可能實際上是同一網(wǎng)絡。和電廠分散控制系統(tǒng)的通信可以使用外部通信連接。從HMI可以提供用Modbus協(xié)議（RTU二進制）的串聯(lián)連接。這就允許DCS操作員訪問實時汽機數(shù)據(jù)，并提供離散和模擬命令傳送到汽機控制。此外，還有從HMI連接的以太網(wǎng)支持和操作員響應的速度一致的定期數(shù)據(jù)信息，還支持分辨率為毫秒的時間標記的事件順序（SOE）信息。

2 LCI靜態(tài)啟動系統(tǒng)

LCI（Load Commutated Inverter）是用于靜態(tài)起動裝置的起動器，是靜態(tài)變頻驅(qū)動系統(tǒng)，基本電路包括電源側(cè)變頻器和負載側(cè)逆變器，均通過相位控制，實現(xiàn)電源側(cè)向負載側(cè)提供負載功率，并完成可調(diào)轉(zhuǎn)矩，從而控制其速度，實現(xiàn)軟啟動。

LCI靜態(tài)啟動系統(tǒng)主要用于控制起動電動機，當電機從靜止開始進行起動時，不需要向變頻器提供換向電壓。因此，起動時需用其它的換向方式進行，并使電動機加速至電機所需足夠電壓方可換向，速度約為電機額定速度的10%。

本文設計的MARK VI燃氣輪機起動控制，LCI通過與勵磁系統(tǒng)（型號為EX2100）結(jié)合。MARK VI控制給LCI提供運行信號，包括扭矩和速度信號，并進行相應的設置。LCI接收到信號，采用雙閉環(huán)控制的方式向發(fā)電機定子提供變頻電源。而EX2100通過LCI控制，進行調(diào)節(jié)燃氣輪機起動的勵磁電流，通過控制燃氣輪機發(fā)電機的勵磁電流和定子電流，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)速至同步速度。

對Mark VI控制系統(tǒng)軟件部分做的主要任務是，研究掌握Mark VI控制系統(tǒng)邏輯編程軟件Toolbox，對燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)功能進行分析，最后研究邏輯代碼和應用程序。

打開機組邏輯程序文件，進入邏輯編程Toolbox界面，連接控制器R、S、T其中一個，或隨機打開任何一個，此界面上側(cè)顯示工程名稱、文件編輯、設備連接、查找下載工具、標題狀態(tài)等內(nèi)容，在圖片下側(cè)，顯示2級密碼，離線狀態(tài)。

3 結(jié)論

研究了燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)，包括燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)硬件、Mark VI控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡功能，以及每級網(wǎng)絡的作用，Mark VI控制系統(tǒng)的特點，并結(jié)合硬件的特點，較為詳細的分析控制系統(tǒng)的可靠性和通用性。

【參考文獻】

[1]郎朗.9FA燃氣輪機控制系統(tǒng)分析[D].吉林大學，2011.

[2]王歡.燃氣輪機輔機控制系統(tǒng)的設計研究[D].燕山大學，2015.

[3]趙永珍.干式低NOx燃燒器燃燒檢測與控制研究[D].華北電力大學，2013.

[4]李勇.GE燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)研究及調(diào)試[D].浙江大學，2007.