燃氣發電機組集成自動化控制系統

張志飛 閆可

[摘 ? ?要]瓦斯內燃機作為瓦斯發電行業重要組成部分，其設備效率決定了整個發電工藝流程的生產功耗，作為在高濃瓦斯發電表現出色的進口機組，進口燃氣發動機以其高效、低運行成本和高度可靠性而廣泛使用。其燃氣發動機有機結合了高輸出效能、低排放和低建設成本等優點，但是近年來在實際運行中卻因國內外系統不兼容造成了設備性能的損失。通過分析現階段國內外系統差異，研究設計了一種燃氣發電機組集成自動化控制系統，屬于變頻風機運行控制技術領域，該系統可根據散熱器中冷水和缸套水出水溫度，根據現場情況自動調節啟停風機臺數和頻率等。系統具有很強的實用性和可靠性， 大大提升了機組運行效率，降低發電成本，滿足國家對企業節能減排的要求。

[關鍵詞]集成自動化控制;系統兼容;瓦斯發電

[中圖分類號]TG333 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]Gas internal combustion engine is an important part of the gas power generation industry. Its equipment efficiency determines the production power consumption of the entire power generation process. As an imported unit that performs well in high-concentration gas power generation， imported gas engines are characterized by their high efficiency， low operating cost and high Reliability is famous all over the world. Its gas engine organically combines the advantages of high output efficiency， low emissions， and low construction costs. However， in recent years， in actual operation， the incompatibility of domestic and foreign systems has caused the loss of equipment performance. Based on the analysis of the differences between domestic and foreign systems at this stage， this paper studies and designs an integrated automation control system for gas generator sets， which belongs to the technical field of variable frequency fan operation control. Adjust the number and frequency of start and stop fans. The system has strong practicability and reliability， which greatly improves the operating efficiency of the unit， reduces the cost of power generation， and meets the national requirements for energy saving and emission reduction of enterprises.

[Keywords]integrated automation control; system compatibility; gas power generation

全球領先反復式燃氣發動機、成套發電機組及熱電雙聯供等發電設備制造商GE，該廠商機組可依靠煤礦瓦斯、工業廢氣等各類可燃氣體進行燃燒做功。在高濃瓦斯發電行業內，GE顏巴赫以其將高輸出效能、低排放和低建設成本等優點從而占據領先地位。其燃氣發動機是按照燃氣特性來進行設計的，缸體及曲軸連桿設計更適應于燃氣長期運行的要求與特性，其12.5∶1的壓縮比遠低于柴油機的17∶1，大大提高發動機的使用壽命。GE顏巴赫燃氣發動機的大修周期長達60 000～80 000 h就充分說明了這一點。維修間隙長，便于維護的內燃機設計和低燃料消耗確保了效率的最大化

燃氣發電機組及其控制系統為奧地利顏巴赫廠家研發生產，為其配套的臺散及供電系統為國產設備，兩者在控制上難以做到合理對接。經過走訪溝通奧地利顏巴赫廠家無法開放其運行參數，國內配套廠家也無法理解燃機運行詳情，從而難以投入人力財力去開發一套專門為某公司使用的系統。在實際運行中運行人員發現設備缸套水/中冷水的溫度、三通門的開度，臺扇的啟停混亂且調整不及時，進一步降低設備運行效率。同時臺扇變頻器只能一軟啟動，無法根據缸套水/中冷水的溫度實時調整變頻導致浪費電能，臺散變頻器也失去了實際意義。在很多火電廠，風機是其運行的主要設備，耗電量占廠用電的30%左右，其運行調節方式通常是通過調節擋板、閥門開度來調節風量。這種調節方式其驅動電動機的輸出功率不隨機組負荷變化進行調節，大量電能消耗在節流損失中。針對這一情況提出了一種燃氣發電機組集成自動化控制系統，屬于變頻風機運行控制技術領域，該系統可根據散熱器中冷水和缸套水出水溫度，自動控制各自變頻器的啟停風機臺數和頻率，大大提升機組運行效率，降低發電成本。

1 現狀分析

某發電公司現有數臺進口燃氣發電機組，每臺燃機配備有兩臺遠程散熱器，分別為中冷水冷卻系統和缸套水冷卻系統，且兩路冷卻系統各自獨立。每臺遠程散熱器配備有三臺散熱風機，每臺風機配備一臺變頻器。燃機設備啟動后，中冷水和缸套水由遠程散熱器冷卻，保證機組受熱零件散熱功能正常，使其發動機在適合的溫度狀態下工作。每臺風機均配備一臺變頻器，控制方式為控制命令給出后，風機變頻啟動，啟動后加載至50 Hz運行，啟動后頻率不能調整。這就導致在實際運行時，風機運行無法根據現場溫度變化進行實時調整，造成內部電力損耗，同時啟動臺數也無法調整，進一步加劇能源消耗。

2 控制目標

（1）將已有控制臺散的控制線路拆除，利用燃機啟動信號（通過缸套水泵/中冷水泵的啟停信號）投入和退出臺散自動控制系統，燃機臺散集成自動化控制系統投入后，可根據溫度測點信號控制啟停臺散電機數量及頻率。

（2）采用型號為PT100的溫度傳感器測量中冷水和缸套水溫度，二者出口處均有溫感測點，測定范圍從-50～150℃。

（3）啟動燃機，PLC模塊接收啟動臺散指令并進行系統預備啟動。臺散風機的啟停是由PLC控制系統投入后收到的測點溫度是否達到預設值決定，該溫度預設值是可隨外設實時調整的。

（4）PLC通過檢測溫度變化，按既定溫度控制缸套水/中冷水各自三臺變頻器啟停臺數及頻率。當臺散風機根據臺散出口溫度變化啟動后，系統會根據測點溫度與預設值的偏差調整風機的頻率和數量，現場有一臺為變頻風機，其余兩臺為工頻。

3 運行方式

如圖1所示，本系統包括如下步驟：

（1）啟動燃機，兩套冷卻系統的啟動由各自水泵控制;

（2）缸套水冷卻系統、中冷水冷卻系統啟動后再根據測點溫度通過PLC控制系統自動控制缸套水冷卻系統、中冷水冷卻系統工作;

（3）PLC控制系統通過缸套水出水口的測點溫度和/或燃機負載控制缸套水冷卻系統的風機數量和頻率，使缸套水出水口溫度變化控制在設定范圍內;

（4）PLC控制系統通過中冷水出水口的測點溫度和/或燃機負載控制缸套水冷卻系統的風機數量和頻率，使中冷水出水口溫度變化控制在設定范圍內。

步驟（2）中控制缸套水冷卻系統、中冷水冷卻系統啟動的測點溫度分別為缸套水、中冷水出水口處設定的最高溫度;缸套水冷卻系統、中冷水冷卻系統分別設置有三臺散熱風機，其中至少一臺風機為變頻風機。其頻率由現場運行溫度實時采集進行調整。

在溫度升高階段，變頻風機根據溫度變化調整頻率的步驟如下：

設定在運行過程中出水口溫度包括包括兩個階段，第一階段為中低溫段，第二階段為中高溫段.變頻風機在第一階段運行過程中保持設定的最低頻率運行，變頻風機在第二階段根據溫度的升高調整頻率升高，直至達到設定的最高運行頻率。

在溫度降低階段，變頻風機根據溫度變化調整頻率的步驟如下：

設定在運行過程中出水口溫度包括兩個階段，第一階段為中高溫段，第二階段為中低溫段。變頻風機在第一階段根據溫度的降低調整頻率減小，直至達到設定的最低運行頻率，變頻風機在第二階段運行過程中保持設定的最低頻率運行。PLC控制系統對每臺風機運行的時間做累計，在控制風機啟停時每次以累計運行時間最短的優先啟動。

本系統提供的燃氣發電機組變頻風機運行控制方法主要通過散熱器中冷水和缸套水出水溫度，自動控制各自變頻器的啟停風機臺數和頻率。

4 程序要求

程序上要求記錄每臺設備持續運時間，啟動策略優先考慮累計運行時間最短設備將控制模式分為遠程和就近兩種控制模式，分別設于觸摸屏和控制柜上。該系統還擁有手動模式/自動模式兩種操作模式，手動模式可以在觸摸屏手動啟停任何一臺風機，變頻風機還可以通過手動調整頻率轉速，對故障進行復位。

5 輔助設備

為保證該系統安全穩定運行，當啟動失敗時自動啟動下一臺（如變頻器報故障或者其他原因沒有啟動成功），保證在某臺風機或者變頻器發生故障時不會影響臺散正常啟動。整套系統設有觸摸屏，功能為監視各風機運行參數;監視散熱器測點溫度;設備故障錄入等。該觸摸屏可實現啟動、停止、故障復位、頻率給定等。

當溫度信號故障或丟失后，或者有其他原因導致控制系統失靈，為保證燃機的正常運行，所有風機要全部啟動，并發出報警信號。變頻設備要加頻率至滿頻率運行，最大化輸出散熱，保障散熱器正常工作。本系統具體采用6臺型號為英威騰GD200A-011G/015P-416變頻器，分別控制一臺風機，采用的PLC控制系統為西門子smart200 sr30。設置了1臺溫度輸入模塊AR04，1臺模擬量輸入模塊AE04，1臺模擬量輸出模塊AQ04，24 V電源1臺。

6 實例分析

實例一：設定缸套水出口的溫度控制為20 ～65 ℃，第一階段中低溫階段的溫度控制在20 ～45 ℃，第二階段中高溫階段的溫度控制在45 ～60 ℃。

當缸套水出口溫度達到設定的最高溫度65 ℃時，變頻控制的風機先行運行，根據兩臺遠程散熱器缸套水出口溫度變化，變頻運行的風機頻率達到設定最高運行頻率45 HZ時啟動一臺工頻風機運行，此時變頻運行的風機繼續根據溫度變化調整頻率;此時變頻風機根據溫度降低進行變頻運行，當溫度處于第二階段時，變頻風機的頻率根據降溫的幅度進行減小，例如在第二階段從60 ℃逐步將至45 ℃時，溫度每下降5 ℃，頻率降低5 Hz，當溫度降至第一階段時，保持變頻風機的頻率為25 Hz運行。

隨著兩臺遠程散熱器缸套水出口溫度再次升高，溫度升高部分也包括從第一階段和第二階段，同樣在第一階段變頻器保持25 Hz運行，在第二階段逐步升溫時，溫度煤升高5 ℃，變頻風機的頻率升高5 Hz，當該變頻運行的風機頻率再次達到45 Hz時啟動第二臺工頻風機。此時，繼續進行降溫過程，頻率隨即降低，當兩臺遠程散熱器缸套水出口溫度下降時，變頻運行風機頻率到達25 Hz時停一臺工頻風機，剩一臺變頻一臺工頻運行;當兩臺遠程散熱器缸套水出口溫度再下降時，變頻運行風機頻率再次降到25 Hz時再停一臺工頻風機，只剩一臺變頻風機運行。啟動后根據兩臺遠程散熱器缸套水出口溫度變化在此要求范圍內自動增減工頻風機和調整變頻轉速。

實例二：中冷水兩臺遠程散熱器冷卻系統，設定缸套水出口的溫度控制為20 ～45 ℃，第一階段中低溫階段的溫度控制在20 ～30 ℃，第二階段中高溫階段的溫度控制在30 ～45 ℃。

當中冷水出口溫度達到設定的最高溫度45 ℃時，根據兩臺遠程散熱器中冷水出口溫度變化，變頻運行的風機頻率達到45 Hz時啟動一臺工頻風機運行，此時變頻運行的風機繼續根據溫度變化調整頻率;此時變頻風機根據溫度降低進行變頻運行，當溫度處于第二階段時，變頻風機的頻率根據降溫的幅度進行減小，例如在第二階段從45 ℃逐步將至30 ℃時，溫度每下降3 ℃，頻率降低5 Hz，當溫度將至第一階段時，保持變頻風機的頻率為25 Hz運行。

隨著兩臺遠程散熱器中冷水出口溫度再次升高，當該變頻運行的風機頻率再次達到45 Hz時啟動第二臺工頻風機。溫度升高部分也包括從第一階段和第二階段，同樣在第一階段變頻器保持25 Hz運行，在第二階段逐步升溫時，溫度煤升高3 ℃，變頻風機的頻率升高5 Hz，當該變頻運行的風機頻率再次達到45 Hz時啟動第二臺工頻風機。此時，繼續進行降溫過程頻率降低，當兩臺遠程散熱器中冷水出口溫度下降時，變頻運行風機頻率達到25 Hz時停一臺工頻風機，剩一臺變頻一臺工頻運行;當兩臺遠程散熱器中冷水出口溫度再下降時，變頻運行風機頻率再次降到25 Hz時再停一臺工頻風機，只剩一臺變頻風機運行。啟動后根據兩臺遠程散熱器中冷水出口溫度變化在此要求范圍內自動增減工頻風機和調整變頻轉速。

上述實例中設定的第一階段、第二階段的溫度范圍，及在升溫和降溫過程中變頻風機頻率變化幅值均可以根據實際進行設定，該實例僅是作為一個具體的實施例進行解釋說明，而關于缸套水、中冷水出口的溫度范圍，可以根據實際情況設定，中低溫階段的溫度范圍和中高溫階段的溫度范圍也可以根據實際燃氣發電機組的運行情況及負荷情況進行調整。

關于本系統具體結構需要說明的是，本系統采用的各部件模塊相互之間的連接關系是確定的、可實現的，除實施例中特殊說明的以外，其特定的連接關系可以帶來相應的技術效果，并基于不依賴相應軟件程序執行的前提下，可解決實際運行中風機運行存在的問題。

7 結語

該項系統具備極高集成自動化程度，系統投入使用之后，改善了臺散過度啟停所帶來的設備功率損耗，變頻自動化控制技術在高能耗設備上應用之后，減少甚至消除了系統中存在的大量節流損失，在節能降耗方面取得明顯的成效。當前，能耗形勢日愈嚴峻，后續優化相應調節系統的控制策略及邏輯，使改造后系統能更好地完成其調節任務，具有深遠的開發應用和研究前景。

參考文獻

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