试析汽轮机系统中DCS控制技术的应用

试析汽轮机系统中DCS控制技术的应用

安仲玉

（中船重工第七〇三研究所黑龙江哈尔滨150078）

摘要：汽轮机具有转速高、热力参数及转速变化范围大的特点，是热电厂的关键动力设备。热控设备相关技术不断提升，自动化改造的机组均采用了DCS模式，从控制技术看，可以提高机组整体的可控性，保证机炉协调和机组运行安全性。本文论述了汽轮机的结构以及现有的控制技术和手段。

关键词：汽轮机；数据；DCS；技术；控制

近年来热控设备相关技术不断提升，自动化改造的机组均采用了DCS模式，从控制技术看，实现该模式可提高机组运行安全性。传统下汽轮机是按照运行规程完成的，运行的状态监视依赖于运行人员的经验，控制系统多采用无法制止调节精度低和自动化程度低的缺点。因此，汽轮机在运行中，采取安全有效的保护措施也是必要的。转子转动带动负载做功会影响转速的变化，凝结水温度的变化和真空的变化也会影响转速的变化。汽轮机的控制和管理，很好的实现了控制的有效性，系统工作是实现工厂智能控制和管理的重要一步。维持控制系统的任务是促进机组做功的功率与外界负载相协调，改变汽轮机的功率使之建立新的平衡。

一、DCS与传统方式控制的优势

FCS是在DCS的基础上发展起来的，DCS则代表传统与成熟，以其成熟的发展，完备的功能，确保控制系统DCS相互兼容。控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富，增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。实现集中监视、操作和管理。使得管理更能综合化和系统化。采用网络通信技术，这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。随着自动化技术的发展，DCS分散控制系统融合计算机技术、实现显示与人机界面技术而成的现代控制系统，采用机械液压控制系统，改变了调节精度低，自动化程度低的缺点，适用于工业汽轮机的性能优良和通用性好，适合现代化生产的要求。

二、DCS控制方式的设计理念

在以汽轮发电机作为载体的汽轮机系统中，蒸汽的温度和压力的要求被大幅提升。要想让汽轮发电机不出现损坏现象而导致工作效率变低，就要对汽轮机做出一定程度上的控制。针对以上可能会出现的问题，作者提出了相应的解决方案，即在DCS控制技术中汽轮机对于燃烧可进行自我调节的系统设置，其主要控制作用为：（1）将压力范围设置好：90%～04%，蒸汽压力便会自动控制在限定的要求范围之内，另外，系统的进炉煤气量得到有效控制，不再依赖运作人员的经验，都可以得到很好的自我调节。（2）对于调节控制的结果，汽轮机系统中有明确的提示：系统在经过负荷变化时，把烟气含氧量准确控制在2%～4%之间；当煤气压力低于3000Pa时，炉膛负压的控制值精确到20～30Pa之间。这种情况下，系统会根据炉内测量到的含氧量对引风机和送风机进行全面自动的调节，从而确保以上信息的准确性。

1在执行机构优化前，机组的低压给水调门主要使用气开式执行机构，在实际工作状态中，阀门控制器进水受潮或者失电以及丢失仪用气源，给水调门关闭，但是又因为低压给水调门处于炉顶30米处，难以迅速恢复仪用气源，因此低压汽包水位容易出现跳闸，以防出现跳闸现象，就要将执行机构改成气关式机构，这种机构的好处在于当气源完全失去时，给水调门会自动打开，这时，工作人员就可以机组的仪用气源进行调理和对低压气泡水位进行手动调整，一方面保证机组出现错误次数减少，另一方面也为故障处理提供了充足的时间。

2机组的供气管道的控制方式在改进前都是利用常闭式触点控制，该控制方法经常因为电磁阀失电导致阀门关闭，从而无法给机组供应燃料，为解决这一问题，相关部门将阀门控制模式改为了阀门气管路开关互换模式，原本为输出卡件继电器改成了DCS常开触点，以保证机组在运行途中信号能够正常接收，一方面延长了电磁阀的使用时间，方面也大大提高了机组运行的可靠性和安全性。

三、设计思路

1在汽轮机系统之中，汽轮发电机作为负载，对蒸汽的温度以及压力提出了较高的要求。如果无法对其进行有效的控制，则很有可能会造成汽轮发电机出现损坏现象或者促使其工作效率出现一定程度上的降低。为了对这一问题进行合理有效的解决，通常在设计之中进行对于燃烧自动调节系统的设置，主要情况如下：

第一对进炉煤气量进行自动调节控制,维持蒸汽压力在额定要求的90%～104%范围之内。

第二系统根据炉内含氧量测量仪表测量到的烟气含氧量对送风机、引风机(变频调速)进行自动调节,确保在负荷变化时,烟气含氧量在2%～4%、炉膛负压在10～20Pa(煤气压力低于3000Pa时,炉膛负压控制值为20～30Pa)。

1.1汽轮机发电系统

高压加热器出水温度调节系统:根据高压加热器出口水的温度,调节加热蒸汽量的大小,使进锅炉汽包的水温恒为160℃。凝汽器热井水水位调节系统:根据凝汽器上的水位,调节排水量的大小,使凝汽器上的水位保持稳定。如果工艺设备(需相关的控制阀门)能满足相应要求,则能完成轴封压力、高加和低加水位、减温减压装置出口压力和出口温度的控制要求。

1.2系统联锁保护功能设置

①引风机断电时,自动切断送风机电源和燃气供应。

②送风机断电时,自动切断燃气供应。

③压力低于1500Pa时,自动切断燃气供应。

④蒸汽压力大于3.7MPa时,则启动联锁停炉程序。

⑤锅筒水位低于中间位置50mm时,发出低水位报警,低于中间位置150mm时,且供水泵已全速运转(或进水阀已全开)了,则启动联锁停炉程序。

⑥在煤气管路水封处,增加2个电磁阀,当煤气压力低于安全值,或突然停电等原因,则自动开启煤气管路上的水封进水电磁阀,而压力正常后,自动打开排水电磁阀,恢复煤气通路,确保安全生产。

2.发电机组锅炉和汽轮机系统的控制配置

2.1DCS控制配置设计思路

①DCS的I/O模块都选用DC24V供电,而且I/O模块的各通道都通过继电器隔离后才去控制受控制设备(如电磁阀、接触器的线圈),以保证系统安全可靠。

②DCS的I/O模块都按带电热拔插设计,每个I/O模块都安装在SM热插拔底板模块(6ES7195-7HB00-0XA0)上,更换任一个I/O模块时都不会影响其他模块的正常工作。

③I/O模块的每一个通道都采用光电隔离。

④每个AI信号的开路和短路故障都能被检测出来并给出报警信号至人机界面。

⑤对热电阻输入信号,通过四线制连接,模板可以通过端子IC+和IC-提供恒定电流以补偿测量电缆中产生的电压降。

2.2配电系统设计思路

①控制回路的电源采用长延时的UPS供电,保证在外部突然停电时重要的电磁阀及监控仪表都能正常工作且保护计算机硬盘不损坏。

②控制回路的电源按子系统设置小型空气开关及熔断器,将短路故障控制在小范围,既降低了短路故障的直接损失,也减少了短路故障的查找时间,增强了生产的安全性。

③控制主站(AS)2个冗余CPU套件的AC220V供电来自不同的回路,不会同时失电。各DCS子系统都有一套冗余的直流稳压电源装置,2个同型号的DC24V稳压电源的AC220V进线来自不同回路,两个稳压电源并联工作,互为备用。

四、结语

随着机械产业的飞速发展，间接带动了DCS控制技术迈出新的步伐，为了确保生产工作与系统控制技术更加紧密的结合，DCS控制技术的成功运用也实现了汽轮机系统更完善化的目标。正因为DCS控制系统在工业安全生产中所占的地位之重，也决定了研究人员一致的研究方向。今后在不断探索控制技术的同时，还要着重研究新技术的开发和运用，并且要结合市场当下的情况制定与系统相适应的方案，以提高DCS控制系统为目标，针对系统安全性与经济性做出更深一步的探讨，也为工业控制系统的长远发展提供更加优质的环境和契机。

参考文献：

[1]高宇斌.试析汽轮机系统中DCS控制技术的应用[J].科技致富向导,2012(17).

[2]梁秀臣.浅析汽轮机系统中DCS控制技术的应用[J].科技与企业,2014(04).

[3]张磊.DCS控制技术的研究进展[J].科技风,2011(23).

[4]周广.DCS控制系统及工业控制技术研究[J].机电信息,2012(06).

[5]王燕芳,宋辉.DCS的发展对未来工业控制技术的影响[J].微计算机信息,2006(25).