关键词： Mark V，MS3002，TRICON， DSC100
0 前言
国内某化肥生产厂其工艺空气压缩机采用MS3002重型燃气轮机驱动，燃气轮机的高温排气供应其一段炉燃烧。其地位在其生产工艺中起着关键的作用。1996年此MS3002燃气轮机控制系统由Mark Ⅱ系统升级成为Mark Ⅴ至2011年系统一直运行良好，2011年以后控制系统操作员站经常发生死机、黑屏、与控制器通讯中断的故障等故障而造成其合成氨装置的停车事故。咨询GE将原系统升级为Mark Ⅵe的费用较高后，最终决定使用TRICON系统+intouch上位监控软件对原MS3002重型燃气轮机控制系统Mark V进行整体的升级改造。改造过程中先后解决了TRICON控制系统与原MS3002机组信号匹配问题，MS3002点火联焰困难问题，机组带负载使用纯天然气时转速波动等问题。通过此次控制系统改造的MS3002燃气轮机一直运行平稳。并且通过此项目的积累的技术经验后来又被应用于某鼓风机厂GTU-25燃气轮机试车台燃机控制系统配套项目和某合资企业PG6581B燃气轮机发电机组控制系统改造项目中。都取得了较好的效果。
1 国内某化肥生产厂MS3002重型燃气轮机及其控制系统介绍
1.1 MS3002燃气轮机机械结构及性能介绍
MS3002燃机轮机是由意大利新比隆公司生产的分轴重型燃气轮机，其由压气机燃烧室、高压透平组成的燃气发生器和动力涡轮组成的主体结构，高压透平与动力涡轮之间设计有二级燃气喷嘴用于调节高压透平与动力涡轮间的负荷分配。6只管型燃烧室分别在压气机与高压透平之间，左右各3只，分别被称为东上、东中、东下、西上、西中、西下，其中东上和西上的火焰筒装有点火器，东中、东下、西中、西下火焰筒安装有霍尼韦尔的紫外火焰探测器，左侧和右侧的3只火焰筒之间设有联焰管。国内某化肥生产厂的MS3002燃气轮机采用汽轮机作为启动机，启动机与燃气轮机之间设置有3S离合器。机组启动使用天然气作为燃料，在合成氨装置正常生产时，采用天然气加合成氨工艺尾气做为燃料。其性能参数见表1-1：
表1-1国内某MS3002燃气轮机性能参数表
项目 单位 额定数据
环境温度 ℃ 30
燃气轮机的功率 KW 8991
燃气轮机效率 % 24.1
工艺尾气流量 M3/h 7053
天然气流量 M3/h 1870
燃机排气流量 Kg/s 52.78
燃机排气温度 ℃ 540
燃机发生器转速 rpm 7107
动力透平转速 rpm 6500
1.2 MS3002燃气轮机控制系统介绍
国内某化肥生产厂的MS3002燃机轮机采用Mark V控制系统，其为GE公司1991年推出的透平专用系统，也是最早使用三冗余的工业控制系统，其软件方面集成了GE公司很多燃气轮机的专用控制算法（机组燃料冲程基准计算软件、燃机排气计算软件等），硬件方面除标准的通用控制卡件外还有与燃机现场设备相配套的专用卡件（火焰探测器专用卡件、超速保护卡、伺服控制卡）。此MS3002机组控制系统采用一台IBH486电脑作为其工程师站和操作员站，内存为8M，硬盘为2.3G,操作系统为DOS6.0，其通过ARNET与控制器相连。其控制范围包括：MS3002机组蒸汽透平启动加力系统、MS3002机组液压\润滑油系统、MS3002机组燃气系统、进气加热系统等的控制。
2 使用TRICON控制系统改造Mark V方案
2.1问题分析
TRICON控制系统为英维斯公司生产的TMR结构的拥有德国莱茵安全认证的产品，其系统可靠性与计算性能指标与GE公司Mark VIE系统相当，其在ITCC和SIS系统中拥有较多的应用，但其毕竟是一种高可靠性的通用控制系统没有与GE Mark V系统一样拥有专门为工业透平设计的专用软硬件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆要使用TRICON控制系统对原MS3002燃气轮机控制系统进行升级改造就要解决TRICON控制器与原机组现场控制信号匹配与控制参数匹配问题：
(1)现场的燃料控制阀GCV、燃料速比截止阀SRV、MS3002燃气轮机二级燃气喷嘴TSZN使用的控制信号为±8ma的电流信号，而相应的阀门位置、喷嘴角度反馈信号为LVDT信号，且现场的电液伺服阀均为三线圈，TRICON系统只能接收和输出4-20ma的标准电流信号。
(2)现场MS3002燃气轮机的燃料P2压力变送器、燃料P3压力变送器、燃机压气机排气压力变送器需要提供±15V仪表电源，TRICON系统只能提供标准的DC24V仪表电源。
(3)现场MS3002燃气轮机使用的老式霍尼韦尔火焰探测器需要提供DC300V电源才能够正常工作，且火焰探测器输出为直流电压信号，TRICON系统只能提供标准的DC24V仪表电源且只能接受标准的1-5V直流电压信号。
(4)TRICON系统其转速测量卡最小转速测量为8HZ，而原Mark V系统转速测量卡最小转速测量为2HZ,如不在零转速投入启动机刹车装置，或过早使3S离合器投入对于启动机 刹车装置和3S离合器的使用寿命会造成极大的影响。
(5)针对现场调试工期紧张，我们需要尽可能的减少现场动态调试的周期，如想使用其原Mark V的回路测试参数就必须保证新的控制系统与原Mark V程序执行周期相同。
2.2改造方案
(1)针对TRICON控制系统无法与原伺服阀配套的问题，使用原用于汽轮机控制的DSC100控制器，并对其进行改造，去除其多余的控制功能，将其控制扫描周期由原50ms降低至5ms，使用TRICON系统的3个AO驱动3个改造后的DSC100，由DSC100驱动伺服阀的线圈并接受相应阀门喷嘴的LVDT位置反馈信号并将相应的信号转换成标准的电流信号送至TRICON系统。
(2)针对原MS3002压力变送器需要使用DC±15电源问题因此种变送器逐步的被淘汰，直接使用罗斯蒙特的新型高精度压力变送器将原变送器替换使之直接与TRICON系统AI卡件配套。
(3)针对MS3002燃气轮机火焰探测器问题，利用国内资源联系直流开关电源厂商定制了DC300V开关电源，和相应的直流电压变送器，使原MS3002燃气轮机火焰探测器信号类型与TRICON系统AI卡件配套。
(4)通在程序对TRICON系统转速卡测得零转速信号加延时的方法确认机组转速归零后，再对启动机刹车电磁阀、3S离合器啮合电磁阀进行上电操作，解决机组启动机刹车机构和3S离合器过早动作问题。
(5)程序编制时，严格控制程序的执行周期，不使用原TRICON系统自带的耗费系统运行时间的大程序功能块，参照原Mark V的控制逻辑编制执行周期最短的自定义专用燃机控制逻辑。将占用系统执行周期较大的通讯功能转至改造后的上位机实现。使用TS1131程序仿真器对程序的执行周期进行测试，不断的优化程序使改造后TRICON系统执行周期与原Mark V周期相同。并对改造后的程序进行仿真测试，测试改造后的程序与现实采集Mark V主控逻辑回路在不同工况下的输出相同。以保证原控制回路参数相同，以降低现场的调试周期。
3 改造实施过程及改造效果
3.1项目实施过程
(1)使用TRICON系统对原Mark V系统进行硬件替换设计和控制系统机柜集成。使用DELL服务器替换原来的HMI，增加一台工程师站以便于仪表工程师对系统进行维护，其网络拓扑图见图3-1：
图3-1 改造后控制系统网络拓扑图
(2)使用组态软件Intouch10.0替代原HMI操作画面，并增加原Mark V系统没有长期运行数据存储和趋势回放功能，改造后的操作画面及历史趋势查询画面见图3-2、图3-3:
图3-2 改造后操作员主画面
图3-2 改造后历史趋势查询画面
(3)使用TS1131编程软件对Tricon系统针对MS3002燃气轮机控制功能的需要进行编程，完成其机组燃料系统、润滑油系统、液压油系统、进气防冰加热系统、蒸汽透平启动系统、箱体通风系统的控制软件的编程和调试，并使用仿真器对程序进行仿真测试，使其与现场采集的Mark V逻辑在不同机组工况下的输出进行比对，保证与原逻辑的主控输出相同。
3.2项目实施效果
2013年1月改造后的新的MS3002燃气轮机控制系统正式进入热态调试，通过优化了其燃气补燃控制电磁阀的逻辑解决了原系统存在的机组点火联焰困难机而造成机组启动失败的问题。经过反复的测试新的系统启动点火成功率100%。通过将原FSRN控制参数的优化使动力涡轮转速控制燃料基准的PID参数由一套改成两套，以适应机组在烧不同燃料的需求从而解决了原系统在烧天然气燃料时，机组转速波动问题。经过8天的安装调试，新的以Tricon系统为核心的MS3002燃气轮机控制系统正式投入运行，其不但完全替代了原Mark V系统的控制功能。并在机组转速控制精度上也超越了原Mark V系统。使运行操作人员对其所驱动的压缩机实现精确的流量调节。
4 结束语
经过对MS3002燃气轮机控制系统升级改造，验证了通用控制器与定制功能的控制器组合方式实现对集成化极高的原主机厂配套的专用燃机控制系统的替代的可行性。现国内早期引进的大批燃机轮机其控制系统都已进入了升级换代的阶段如早期引进的B\E级燃气轮机发电机组、西气东输上的RR的RB211燃压机组、GE的LM2500燃压机组。本文为依托国内现工业控制电子发展的水平而实现对这些燃气轮机机组控制系统国产化升级改造，为打破原燃气轮机生产厂商对我们的技术垄断提供了一种切实可行的方案。
参考文献：
[1] 中原大化集团MS3002燃气轮机Mark V控制系统运行维护手册
[2] 中原大化集团MS3002燃气轮机系统图纸
[3] SPEEDTRONICTMMark V Turbine ControlSystem Guide, Volume I
作者简介：吕继军（1982— ），男，沈阳人，工程师，2005年毕业于黑龙江科技学院自动化专业，从事燃气轮机控制系统升级改造运维工作；
论文作者:吕继军
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/11/29
标签：燃气轮机论文; 控制系统论文; 系统论文; 机组论文; 转速论文; 信号论文; 燃料论文; 《中国电业》2019年16期论文;