控制工程师论坛

    关键词：发电机生产工艺；ABB Industrial IT DCS系统；DEH数字电液调速控制

    Development and Application of ABB DCS in industry desalinization water reforming 

    Abstract： The article mianly introduce the production craft of the 25MW Steam extraction condensing steam turbine generator production electrical machinery project desalinization big H product line of Laigang and the AC800 F DCS control system of function characteristics, constitute structure and design principle, the implement of that system raised generator of automatic control level, promised a hot power station production the stability, continuous operation of each link in the craft control。

    Keywords: Generator production craft; ABB Industrial IT DCS system ; DEH numeral electro-hydraulic velocity modulation control；

1 引言

    现阶段正是循环经济蓬勃发展的关键时期，莱钢集团积极围绕循环经济科技创新体系的总体目标，加大了循环经济科技项目的实施力度。在不断提高资源综合利用率的基础上，充分利用余热余能发电。目前，莱钢1#、2#1000m3高炉TRT（均为8000kW机组）工程分别进入生产运行。老区8#锅炉发电（25000kW）项目进入软件调试阶段，机组设备安装完毕。大H型25000kW蒸汽发电机组项目已经开始投产。据此测算，在2005年和2006年两年内，莱钢新增发电能力合计为87200kW，创造了可观的经济效益和社会效益。

2 发电机生产工艺

    生产设备主要由130T蒸汽锅炉、汽轮机和发电机等组成。工艺系统大体可以分为以下几个子系统：蒸汽和汽轮机本体系统、发电机系统、凝结水系统、油系统、保安系统等。主要特点是节能、经济效益高。

    25MW发电机采用的是青岛捷能汽轮机厂生产的C25-3.43/0.981型单缸、中温中压、抽汽凝汽式汽轮机，频率50Hz；额定转速为3000r/min，额定工业抽汽量为50t/h。利用锅炉余热产生的3.43MPa/435℃的过热蒸汽进入汽轮机做功，驱动汽轮机膨胀做功带动发电机并网发电、抽汽。汽轮机设有调整抽汽，由中压油动机控制的调节汽门控制，引出压力为0.981MPa蒸汽供工业用户；设有非调节抽汽，直接由阀门控制，引出压力为0.224-0.31Mpa的蒸汽，供除氧器用汽；低压段设有低压抽汽，供低压加热器用汽，加热凝结水，低加疏水进入凝汽器。其他做完功的蒸汽排入凝结器与循环水进行热交换变为凝结水由凝结泵送入除氧器。

    2.1 汽轮机本体系统工艺

    中温、中压的蒸汽进入汽轮机做功后，从一级后抽出的蒸汽为工业抽汽并入工业蒸汽管网，同时分出一路接往除氧器用汽母管；非调节抽汽直接供除氧用汽；低压抽汽进入低加，对凝结水进行加热，其疏水进入凝汽器。机组产生的乏汽与凝汽器铜管内循环水进行热交换生成凝结水，通过凝结泵升压、经轴封冷却器、水位自动装置的调整、低压加热器，送往除氧器，再经给水泵升压送往锅炉转换成新的中温、中压蒸汽。

    抽气器将凝汽器中的空气抽走，建立和保持真空，确保凝汽器正常工作。

    2.2 发电机系统工艺

    发电机主轴与汽轮机主轴通过连轴器连接，由汽轮机带动同步转动，切割磁力线发电。发电机额定转速3000r/min，频率50Hz。采用封闭循环通风系统，并装有空气冷却器来冷却空气，空气冷却器工作介质为循环水。发电机并网后，在电网的牵制下汽轮机可以稳定的工作在3000r/min上，不需要调整进汽来调节转速。

    2.3凝结水系统

    汽轮机做功后的尾气大部分被循环冷却水冷凝成水，凝结水进入热井中，由凝结泵（两用一备）抽出，经汽封加热器后，一部分通过低压加热器经过加热后送至除氧器；另一部分通过再循环调节阀回到热井中，保证热井液位。为保证凝结器的真空度，在冷凝器两侧装有抽汽管，合并后接到射水抽汽器进汽口，由射水抽汽器将空气吸出排出大气。

    2.4油系统工艺

    机组正常运行时，主油泵工作。透平油一路经过控制油压调整装置的调整后，为保安装置提供一定压力的保安油。另一路经过射油器Ⅱ、冷油器的冷却、润滑油滤油器过滤和润滑油调整装置的调整，为润滑系统提供润滑油。射油器Ⅰ为主油泵提供具有一定压力的油源。开机时高压启动油泵工作。停机时交流润滑油泵工作，交流润滑油泵故障时直流油泵工作。

    2.5保安系统

    本系统包括机械液压保安装置和电气保护装置二部分，机组设置三套遮断装置：手动紧急脱扣危机遮断装置、超速脱扣危急遮断器、电动脱扣电磁保护装置。主要保护项目有超速、轴位移、润滑油压低、轴承回油温度高、冷凝器真空度低及油开关跳闸、DEH保护停机等。

    当出现停机信号时，立即主汽门、调节汽门关闭。当出现报警信号时，声光报警。油开关跳闸时，可根据具体情况确定关闭调节汽阀，或者同时关闭主汽门。

    主汽门的关闭是通过保安油的泄放达到的。调节汽阀关闭是通过建立事故油来实现的。抽汽阀的关闭既可以通过主汽门关闭信号，又可通过电气保护信号直接控制。保安油的泄放通过保护部套的动作实现。事故油的建立一方面通过保安油泄放使危急继动器动作，电磁保护装置动作，也可直接建立事故油。

3 系统组成结构及设计

    根据工艺要求，25MW发电机自控系统采用ABB公司的AC800FR Industrial IT DCS系统，过程站采用冗余的PM802总线控制器和分布式S800I/O，一个工程师站，一个操作员站，软件的设计采用工程师站软件CBF6.2、监控软件DIGIVIS6.2。该系统可具备设备的自动启停，数据的自动采集和显示，数据归档和报警提示、PID回路的自动调节等功能。

    3.1系统硬件配置结构

    控制系统采用ABB公司的AC800FR组成的 Industrial IT DCS控制系统，过程站采用冗余的PM802总线控制器和分布式S800I/O，系统软件包括工程师站软件CBF6.2、监控软件DIGIVIS6.2。系统配置图：

    从图2可以看出系统设计分为两级网络结构，控制器与I/O模块采用Profibus现场总线。

    第一级——现场设备控制级。PROFIBUS-DP网络是网络集成的最底层，主要是连接现场设备。主要包括低压加热器/汽机调整抽汽/汽机进口主蒸汽装置上的各种电动调节阀、切断阀﹑差压变送器等，以及定子绕组、铁芯、汽轮机前、后轴承轴瓦的热电阻和热电偶，二次脉冲油和保安油油压，凝结水泵、射水泵、交流调速油泵、润滑油泵和顶轴油泵装置等等。与这些现场设备相关的各种检测或控制信号，以不同形式接至ABB DCS系统的S800系列的各种AI﹑AO﹑DI或DO模块。这些模块都带有通道隔离功能，安全可靠，可由有效的保护模块。Profibus-DP主要用于工业自动化系统的高速数据传送，实现调节和控制功能，是一种高速低成本通讯，用于设备级控制系统与分散式I/O的通讯，是计算机网络通讯向现场级的延伸。

    第二级——过程处理控制级。主要由工程师站﹑操作员站和工业以太网交换机组成。以工程师站作为主要控制核心,由两台上位机、PLC控制单元加以太网卡等组成工业以太网，监控站利用DIGIVIS6.2监控软件实现对工作现场进行监督控制，PM802总线控制器，I/O系统采用分布式S800I/O系列，通过分布式S800I/O系列模块通讯对转速、油压、轴振、排气压力等参数进行采集，上位机将实时数据库的数据送到服务器的关系数据库中，进行保存和数据处理。过程控制级通过工业以太网将上位机系统和现场监测与控制点紧密的结合为一个整体，从而实现对整个控制系统的计算机在线远程诊断功能。 

    3.1.1 系统I/O点数

    3.1.2 过程站配置

    工程师站安装ABB Control Builder F6.2，操作员站安装Industrial IT Digivis 6.2版中文软件，上位机监控软件采用DIGIVIS6.2来实现。

    3.2.1 操作系统软件Windows 2000 Professional中文版提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控系统。

    3.2.2 DIGIVIS6.2监控软件实现了对整个系统的开关量、模拟量的采集和处理，并显示在监控画面上，在对多台重要水泵、油泵及调节阀的控制中的物理量如电流、主回路运行、频率设定，有无故障等都实时显示在系统画面上，方便操作人员及时掌握系统的运行情况。

    3.2.3运行在Windows 2000 Professional操作系统下，工程师站可在不进行组态时可兼作操作员站使用。工程师站可以实现硬件编辑、过程站编程、操作员站组态等一体化编程及调试功能。CBF软件支持现场总线设备的数据读取与编程功能。该软件也提供用户自定义接口，根据用户要求开发自定义专用功能块。系统采用全局数据库，变量实现共享，该全局数据库完全下装到过程站；该软件可以离线编程，在线修改参数，被修改的参数具备自动备份功能，可以恢复；该软件还可以在线调试，可以单步运行、跟踪、仿真调试。

    操作员站安装Industrial IT Digivis 6．2版中文软件，该软件显示功能支持标准预定义显示。此系统可实时诊测显示系统总体结构、系统过程站和系统模件三大部分，诊断状态信息在画面上以图形方式显示及文字详细提示；Digivis软件趋势显示功能支持趋势组态，趋势点数量无软件限制，同时支持FTP协议数据远传功能；Digivis还可以记录现场各种设备的报警信息，在操作员站画面上进行显示，并在报警记录表中记录，可以很方便地进行故障查询。

4 系统的功能实现

    主要实现数据的采集、显示，并对一些重要参数进行PID调节，调节回路有两种工作方式：自动、软手动

    4.1生产过程参数的采集与记录

    所有参数在经数据采集站送入上位机进行保存与处理。同时根据实际需要，分别对一些重要参数进行实时趋势和历史趋势显示。操作员可通过趋势画面观察参数的动态情况，了解发电机工况。

    4.2工艺监控画面显示

    在工艺流程图上实时显示所有工艺参数，不同的流程画面可通过切换按钮进行切换。汽轮发电机DCS系统画面大体可以分为以下几个画面： 系统流程画面、机组轴系画面、保安油画面、凝结水系统画面、润滑油画面、启动画面、停机画面、报警画面、参数画面和累计画面。

    4.2.1系统流程画面

    该画面用于监视蒸汽流量、压力、温度；主汽门状态；操作电动主汽门、工业调整抽汽阀门、去除氧抽汽阀门及阀门状态。

    4.2.2机组轴系系统画面

    该画面用于监视轴振动，轴位移、及润滑油压力，温度，回油温度。

    4.2.3保安油系统画面

    该画面用于监视保安油压力，一次、二次脉冲、调节油压力及报警。二次脉冲油压低于0.70MPa停机。

    4.2.4凝结水系统

    本系统包括两台凝结水泵控制，两台射水泵控制，热井水位监视，循环水压力、温度监视。循环水进出口电动阀控制及状态监视。

    4.2.5润滑油画面

    该画面包括交流润滑油、交流调速油泵、直流润滑油泵和顶轴油泵控制。监视润滑油压力、温度。

    4.2.6 启动及停机画面：

    在启动画面中，在汽机启动前，应使停机电磁阀先失电，现场才能挂闸。戴启动条件满足后，点击存储器复位按钮，然后再对DEH系统（505E）进行复位。启动待命后，再点启动按钮。汽轮机闭锁解除。

    在停机画面中，汽轮机发生停机画面监视参数中的任何一种超过规定值时，均应使电磁阀动作而使机组紧急停机。

3 参数报警及软硬件故障诊断

    所有过程参数均可设定多种报警功能，以使参数越过报警值时，提醒操作人员进行及时处理。另外，如果系统硬件出现故障及上位机的程序与过程站相冲突时，系统均以醒目的方式提示维护人员去处理。而且，报警一览画面还详细记录报警时间、报警位号、报警确认时间和故障消除时间，方便事后分析。

    4.4登录功能

    ABB Industrial IT DCS系统有两种操作级别——工程师级、操作员级。操作员级可以对控制方式、阀位值、设定值进行修改，并可观察所有画面及参数；工程师级除操作员的功能外，还可修改所有的控制参数及系统参数。

    4.5报表功能与历史趋势功能

    生产中的一些参数，需要及时打印，可形成报表。报表分为班报、日报、月报，可定时打印，也可手动任意时间打印。一些重要参数，我们对其进行历史数据存储，形成历史趋势，可以随时进行查看。

5 典型控制技术方案

    5.1热井液位自动调节控制

    通过调节疏水阀和回水阀来控制热井液位，用一个PID回路控制两个阀门，PID的输出直接控制回水阀，PID的输出经取反后控制疏水阀，控制框图见图二：

    5.2汽封压力自动调节

    通过调节汽封压力阀来控制均压箱压力，控制框图见图三：

    5.3 DEH数字电液调节控制：

    抽汽式汽轮机调节系统采用数字电液调节系统（简称DEH），DEH系统控制精度高，自动化水平高，热电负荷自整性高，它采用美国伍德沃德公司的————WOODWARD 505E控制器，505E控制器内有三个相互独立的控制器通道：转速/负荷控制PID回路，辅助控制PID回路和抽汽控制PID回路。在发电机运行过程中可以控制调汽门和抽汽门，能使汽轮机适应各种工况并长期安全运行。

    并网前在升速过程中，转速闭环为无差控制，505E控制器将测量的机组实际转速和给定转速的偏差信号经软件分析处理及PID运算后作为给定输入到阀位控制器并与油动机反馈信号比较后将其偏差放大成电流信号来控制电液驱动器及调节阀门开度，从而减少转速偏差，达到转速无差控制，当转速达到3000/min时，机组可根据需要定速运行，此时DEH可接受自动准同期装置发出的或运行人员手动操作指令，调整机组实现同步，以便并网。

    机组并网后， DEH使机组立即带上初负荷，DEH实测机组功率和机组转速作为反馈信号，转速偏差作为一次调频信号对给定功率进行修正，功率给定与功率反馈比较后，经PID运算和功率放大后，通过电液驱动器和油动机控制调节阀门开度来消除偏差信号，对机组功率实现无差调节。若以阀位控制方式运行，即通过增加转速设定，开大调节汽阀，增加进汽量达到增加负荷的目的。在甩负荷时，DEH自动将负荷调节切换到转速调节方式。

    在机组带上一定电负荷后可根据需要带热负荷时可以投入抽汽控制。DEH控制器根据机组工况图对机组电负荷及抽汽压力或流量进行自整控制。

    5.4主要水泵及油箱加热器的联锁控制

    工艺中主要控制的水泵设备有1#/2#/3#凝结水泵、1#/2#射水泵、交流调速油泵、交流润滑油泵、直流润滑油泵等，主要控制的油箱加热器包括润滑油油箱加热器和电控油箱加热器，通过监控画面、程序控制可以实现这些设备的自动启停、故障报警以及紧急停机等功能。

    5.5主体设备的启动、停机的联锁控制

    5.5.1启动联锁条件包括：

    只有当以上所有条件均满足时，生成“启动条件满足”信号并在画面显示，然后点击画面“存储器复位”按钮，生成“启动待命”信号，打开自动主汽门，505复位，设定转速，冲转。

    5.5.2停机联锁当汽机发生下列监视参数中的任何一种超过规定值时，均应使电磁阀动作而使机组紧急停机。机组联锁停机条件包括：

    当以上条件中的任何一个满足时，则机组将立即停车。

    如果机组发生其他故障，运行人员认为必须停机，或正常情况下需停机就地用手拍装在前轴承底座端面的危急遮断面的危急遮断装置或在集控室手动按钮，泄去安全油建立事故油，使机组停机。

    当机组所有的停机条件均没有满足时，在“停机条件一览”中的各栏为空。且在“机组状态一览”中会有“机组正常”的绿色文字。当停机条件到来时，则会在“停机条件一览”中会有文字提示（如：润滑油压过低），且在且在“机组状况一览”中会有“联锁停机”的红色文字提示

    5.6 电动阀门的控制：

    主要包括主蒸汽隔离电动阀、1#/2#凝汽器冷却水进、出口电动阀，汽机调整抽汽电动阀门，低压加热器进汽电动阀门，其控制方式为开、关、停三种.

    以主蒸汽隔离电动阀为例,阀开的控制条件是①汽机进口主蒸汽隔离电动阀门自动位；②非开到位。然后点击开按钮，每点击一次，发出3秒的脉冲。阀关的控制条件是①汽机进口主蒸汽隔离电动阀门自动位；②非关到位。然后点击开按钮，每点击一次，发出3秒的脉冲。开过程中的停止控制为:①开到位；②脉冲时间到；③关按钮或者关输出或者关运行置ON；停止按钮置ON;④开输出延时2秒输出。关过程中的停止控制为: ①关到位; ②开按钮、开输出、开运行置ON；③停止按钮置on；④开输出延时2秒输出

    5.7汽轮机TSI监测保护系统控制

    TSI系统选用美国本特利内华达的———BENTLY 3500系统，在全过程中可以连续显示和记录汽轮机和汽缸机械状态参数。并在超出预置的运行极限时发出报警，当超出预置的危险值时发出停机信号. 

    5.8 盘车控制

    5.8.1启动控制：

    上述条件满足按下“盘车启动按钮”或者检测到汽机零转速信号后盘车自动启动，使盘车润滑电磁阀SV-13305和盘车投入电磁阀SV-13306得电，（点灯式控制，得电15秒，失电12秒），启动盘车电机

    上述条件任何一个满足，即可停止盘车，停掉盘车电机，断掉盘车投入电磁阀SV-13306，延时断掉润滑电磁阀SV-13305的电。

6 结束语
　　　　
    采用ABB公司的Industrial IT DCS汽抡发电机控制系统，具有艺术化的人机接口、开放式的控制方式，高度冗余处理、I/O模块热插拔等优异的特点，尤其在现场控制单元与其他设备间的通信中实现了全过程抗干扰通讯，大幅度提高了生产设备的综合自动控制程度。控制系统自2007年2月投入运行以来，一直稳产。DCS控制系统为实现热电厂新的生产目标奠定提供了充足的数据参考依据，同时提供了有效的控制手段，实践证明该系统为用户提高劳动生产力，提高经济效益作出了贡献，达到了用户满意的效果。