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    苗青（1970－）
女，山東濟(jì)南人，本科，工程師，（濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司自動(dòng)化部，山東  濟(jì)南 250101）,長(zhǎng)期從事冶金行業(yè)過(guò)程自動(dòng)化方面的工作，現(xiàn)就職于濟(jì)鋼自動(dòng)化部自動(dòng)化所。

摘要：簡(jiǎn)要介紹濟(jì)鋼燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的組成，重點(diǎn)敘述了燃機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)控制系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信、關(guān)鍵控制等功能。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠滿足發(fā)電生產(chǎn)的需求，大大提高了生產(chǎn)效率,減少了操作定員。

關(guān)鍵詞：燃機(jī)；氮?dú)獗Ｗo(hù)控制系統(tǒng)；PLC；DCS

Abstract: This paper describes briefly the makeup of the gas turbine generator in the process of power generation with gas-steam combined cycle in Jinan Steel Plant, and gives a detail description of the protected nitrogen control system about hardware、software、network communication、and key control. The system can satisfy the requirement of the generator production, improves the efficiency of production, and reduces the number of operators .

Key words: Gas turbine generator； process nitrogen control system；PLC；DCS

1 前言

    濟(jì)南鋼鐵股份有限公司“燃?xì)?mdash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工程”是濟(jì)鋼遵照國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，加快自身發(fā)展的又一大型節(jié)能環(huán)保工程。二期擴(kuò)建6×46.6MW燃機(jī)和3×42.6MW汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，每個(gè)單元機(jī)組由兩臺(tái)煤氣壓縮機(jī)、兩臺(tái)PG6561B-L型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)余熱鍋爐和一臺(tái)蒸汽輪發(fā)電機(jī)組，組成一套“2+2+2+1”建制的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，每個(gè)單元聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的額定容量為2×46.6MW+1×42.6MW，發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量為407MW 。本文將主要介紹燃機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)控制系統(tǒng)通過(guò)特殊方案設(shè)計(jì)提高了燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性,該系統(tǒng)投用后保證了燃機(jī)及整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，杜絕了燃機(jī)共發(fā)性停機(jī)的隱患和可能性。

2 系統(tǒng)概況

    燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組由起動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、霧化空氣系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、壓氣機(jī)、燃?xì)馔钙健Ⅻc(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒器、發(fā)電機(jī)、燃料閥站等部件組成。由高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣經(jīng)混合站混合、煤氣壓縮機(jī)壓縮后的形成的高溫、高壓混合煤氣進(jìn)入燃料閥站，經(jīng)過(guò)三組閥調(diào)壓、調(diào)流量之后，均勻地分配并輸送到燃?xì)廨啓C(jī)的各燃燒室，燃燒所需的空氣經(jīng)自潔式過(guò)濾器及消音器進(jìn)入軸流式壓氣機(jī)升溫升壓后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，在燃燒室中與燃料噴嘴射入的混合煤氣混合燃燒，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生高溫高壓氣體送到軸流式透平旋轉(zhuǎn)作功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

    根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)的要求，在置換煤氣前要對(duì)煤氣管道進(jìn)行氮?dú)馇宕?，清吹時(shí)氮?dú)鈮毫?.9 MPa、流量為5300Nm3/h，清吹時(shí)間持續(xù)60秒，以保證整個(gè)管道被完全置換成氮?dú)?，從而使煤氣在進(jìn)入管道內(nèi)時(shí)沒(méi)有氧氣存在，確保燃燒的安全。除此之外，還要利用氮?dú)鈱?duì)煤氣管道進(jìn)行密封，防止煤氣管道因漏入空氣而發(fā)生意外，其壓力也應(yīng)保證在2.9MPa。

    燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)入正常運(yùn)行，要實(shí)時(shí)保持氮封壓力的穩(wěn)定性，一旦檢測(cè)到閥前壓力如果低于3.62MPa則進(jìn)入一級(jí)報(bào)警，若低于3.31Mpa則進(jìn)入二級(jí)報(bào)警,如果低到3.0 MPa延時(shí)15秒后仍壓力低，則機(jī)組將進(jìn)入三級(jí)報(bào)警，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入快速停機(jī)。而一旦燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)或跳機(jī)，將導(dǎo)致隨后的鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)等機(jī)組全部處于癱瘓狀態(tài)，輕則影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，直接經(jīng)濟(jì)損失巨大，重則造成管路煤氣憋壓或者泄露，嚴(yán)重者可引起人身傷亡事故，因此確保氮?dú)饷芊夂颓宕档姆€(wěn)定性至關(guān)重要，必須采取嚴(yán)格、科學(xué)的控制策略來(lái)保證燃機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

    3.1 工藝流程概要(見(jiàn)圖1)

圖1   氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)工藝流程圖

    外部低壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)氮?dú)庠鰤簷C(jī)(型號(hào)：VW-1.2/10-50;形式：兩級(jí)雙缸復(fù)動(dòng)水冷;排氣量：1.2m3/h;進(jìn)氣壓力：1.0-1.2MPa;排氣壓力：5.0Mpa;行程：120mm;轉(zhuǎn)速：590r/min;軸功率：50Kw)，加壓至高壓氮?dú)夤蓿ù鎯?chǔ)容量50kgf/cm3），經(jīng)過(guò)壓力減壓調(diào)節(jié)閥雙閥控制(一用一備),輸送至低壓氮?dú)夤蓿ù鎯?chǔ)容量30kgf/cm3），從而保證燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥站的氣、油切換時(shí)的氮?dú)馇宕岛偷?。氮?dú)庠鰤簷C(jī)還包括油路潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng),用于氮?dú)庠鰤簷C(jī)的軸承潤(rùn)滑和電機(jī)冷卻。

    3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

    基于燃機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)及控制的重要性,經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，制定了詳細(xì)的控制方案,本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了一套DCS控制系統(tǒng)和三套SIEMENS PLC三重冗余系統(tǒng)。公用DCS控制系統(tǒng)主要用于控制氮壓機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)冷卻水系統(tǒng)、電機(jī)油路潤(rùn)滑系統(tǒng)及六套燃?xì)廨啓C(jī)燃料閥站的氣、油切換時(shí)的氮?dú)馇宕岛偷?。六套燃?xì)廨啓C(jī)的氣、油切換采用一套公用DCS控制系統(tǒng),即節(jié)省了資源,又提高了氮壓機(jī)及清吹閥組的工作效率,但同時(shí)也給DCS控制設(shè)備的可靠性帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。三套SIEMENS PLC控制系統(tǒng)主要用于閥前、閥后壓力氮?dú)庑盘?hào)穩(wěn)定采集與輸送，六個(gè)閥前、閥后壓力信號(hào)分別經(jīng)三套PLC控制器采集后，通過(guò)SIEMENS PLC特有的MPI全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊和穩(wěn)定的可編程控制由各PLC的輸出單元分別送入六套燃機(jī)控制系統(tǒng)。這樣，PLC和DCS系統(tǒng)各有分工，分別控制發(fā)電二期一單元、二單元、三單元的六套燃機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)。因此，對(duì)于發(fā)電三個(gè)單元來(lái)說(shuō)，調(diào)壓控制和過(guò)程檢測(cè)輸出是各自獨(dú)立的，從而增加了控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,保證了六套燃機(jī)及整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)配置

    4.1 硬件配置及選型

    本系統(tǒng)控制部分根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的控制需要，本著先進(jìn)、高可靠、易操作、兼容性好的原則，DCS選用ABB AC800F冗余控制系統(tǒng)，PLC采用西門子公司的S7 300系列，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算、連鎖、數(shù)據(jù)處理及輸出執(zhí)行指令等功能。硬件配置參見(jiàn)圖2。

圖2   燃機(jī)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)硬件配置圖

    4.2 軟件配置

    本系統(tǒng)所采用的軟件都是基于Windows2000+SP4操作系統(tǒng)環(huán)境。

    4.2.1  編程軟件之一STEP7 4.0版本

    西門子PLC的編程軟件采用STEP7 4.0編程軟件包，采用梯形圖邏輯語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。對(duì)于控制所用的模型做了許多DFB功能塊，利于生產(chǎn)維護(hù)和程序的可讀性。

    4.2.2  編程軟件之二IndustrialIT AC800F -7.1中文版本

    DCS選用ABB IndustrialIT AC800F控制器 ，CPU 采用高性能 32 位RISC SuperScalar 多任務(wù)處理器，運(yùn)算速度（主頻）150 MIPS。系統(tǒng)執(zhí)行方式采用多進(jìn)程方式,任務(wù)運(yùn)行周期及優(yōu)先級(jí)可以組態(tài)(最快為5ms),滿足工廠不同被控對(duì)象的控制要求。系統(tǒng)總線-DIGINET  S，是本集散控制系統(tǒng)的重要組成部分，由它將FREELANCE 2000系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制裝置、操作員站、工程師站連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線采用Profibus-DP完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與CPU間的數(shù)據(jù)交換與通訊?？刂破鲀?nèi)存容量為16MB/8MB,系統(tǒng)監(jiān)控程序存儲(chǔ)到閃存中,可以實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。

5 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    根據(jù)本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,該系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)通信方式：工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus-DP網(wǎng)、MP全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊。

    5.1 工業(yè)以太網(wǎng)

    該系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用100MB/s光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)采用赫斯曼的MICE和RS2系列交換機(jī)，通過(guò)HIPER-Ring組環(huán)以及環(huán)間連接與發(fā)電其他控制單元構(gòu)成環(huán)型冗余網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器、工程師站、操作員站、可編程控制器及上位監(jiān)控被分配唯一的IP地址，DCS控制系統(tǒng)的CPU通過(guò)本站的以太網(wǎng)通訊模板利用EGD廣播方式經(jīng)過(guò)SWITCH交換機(jī)在以太網(wǎng)上與其他DCS之間發(fā)送和接收信息。同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視和控制管理，保證網(wǎng)絡(luò)的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性。

    并定時(shí)將重要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)有數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成界面，可方便的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和報(bào)表打印。

    5.2 Profibus-DP網(wǎng)

    在本系統(tǒng)中，Profibus-DP網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用，DCS控制器與現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出設(shè)備之間、西門子PLC與其中一臺(tái)上位操作顯示終端之間均采用此網(wǎng)連接，Profibus-DP網(wǎng)采用主從結(jié)構(gòu)，可完成不同生產(chǎn)供應(yīng)商設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。并提供多級(jí)可選通訊速率：從9.6Kbit/S到12Mbit/S可選。而且該系統(tǒng)具有非常靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化系統(tǒng)至最佳狀態(tài)，能防止生產(chǎn)過(guò)程級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)病毒的侵犯。

    5.3 MPI-全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊

    對(duì)于PLC之間的數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)在大多采用以太網(wǎng)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)具有通訊速度快，傳播范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在本控制系統(tǒng)中我們還采用了另一種數(shù)據(jù)通訊方式即MPI全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊，這是一種全局?jǐn)?shù)據(jù)包通訊方式。通過(guò)組態(tài)所要通訊的PLC站之間的發(fā)送區(qū)和接收區(qū)，按一定格式定義好PLC設(shè)備的節(jié)點(diǎn)地址及所要通訊的通訊字變量與通訊速率即可，在程序方面不需要做任何處理。MPI通訊組態(tài)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，填補(bǔ)了沒(méi)有工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備無(wú)法通訊的空白。MPI通訊示意圖見(jiàn)圖3。

圖3   MPI通訊示意圖

6 關(guān)鍵邏輯控制---氮?dú)鈮毫斎胼敵鲞壿嬁刂?/font>

    根據(jù)燃機(jī)的控制要求和控制輸出的安全性，PLC采用三重冗余控制，PLC之間通過(guò)MPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一旦一套控制器出現(xiàn)了故障，或前期采集測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)失真的現(xiàn)象，其他兩套控制器仍能保障安全輸出，傳送給燃機(jī)正確的檢測(cè)信號(hào)，防止燃機(jī)誤判，造成6套燃機(jī)的連鎖停機(jī)，從而避免了一套控制器控制六套燃機(jī)系統(tǒng)所帶來(lái)的不安全性。提高了的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。具體控制參見(jiàn)邏輯控制圖4。
7  結(jié)束語(yǔ)

    該系統(tǒng)自正式投運(yùn)以來(lái)，一直運(yùn)行良好。由于自動(dòng)化程度高，系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和控制功能強(qiáng)化，從未出現(xiàn)過(guò)控制系統(tǒng)因檢測(cè)、控制、網(wǎng)絡(luò)等故障引發(fā)的停機(jī)，杜絕了燃機(jī)共發(fā)性停機(jī)的隱患和可能性，從而大大提高了生產(chǎn)效率、減輕操作和運(yùn)行維護(hù)工作量、降低設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)的影響，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

其它作者：

    宋揚(yáng)（1982－），男，山東肥城人，在職研究生，助工，從事冶金行業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的工作，現(xiàn)就職于濟(jì)鋼自動(dòng)化部自動(dòng)化所。

    宋婕（1970－），女，山東濟(jì)南人, 本科，工程師，長(zhǎng)期從事冶金行業(yè)電氣自動(dòng)化方面的工作，現(xiàn)就職于濟(jì)鋼自動(dòng)化部自動(dòng)化所。