中科（广东）炼化有限公司
摘要：2009年底建成的炼油CFB锅炉两台汽轮发电机组在初始设计时存在不少缺陷，并且机组在调试、运行过程中也出现较多问题和多次生产事件，对安全生产造成很大影响。工艺和仪表专业通过深入讨论、调研和总结经验，充分利用汽轮机TRICONEX控制系统强大的功能，对汽轮发电机组的操作和控制进行了很多的修改和完善，最终实现了机组长周期安全运行的目标。
关键词：汽轮发电机组；TRICON 系统；问题；改进措施
1.前言
炼油CFB锅炉项目是**石化公司为降低炼油能耗，提高炼油单位经济效益的一个重要建设项目，其主要包括两台410吨/小时锅炉和2台50MW双抽冷凝式汽轮发电机组及其附属设备，汽轮机的主要任务是将锅炉产生的高温高压蒸汽转换成电能，并通过抽汽提供炼油装置各用户不同温度、压力等级的蒸汽。汽轮发电机组主要由汽轮机本体、凝汽器装置、调节/保安和监护装置、抽汽系统、汽封系统、疏水系统、润滑油系统、顶轴装置、发电机轴承、安全监测仪表系统（TSI）、紧急跳闸系统（ETS）、高压全电调调节系统（DEH）所组成。
2.汽轮发电机组的性能要求
2.1汽轮机组简介
汽轮发电机组是CFB锅炉装置的关键设备之一，该汽轮机采用的是南京汽轮电机（集团）有限责任公司生产的型号为CC50-9.5/4.0/1.27，高压、单缸、单轴、双抽汽、冲动冷凝式汽轮机，由高、中、低压三段汽缸组成，汽缸分上、下两半。汽轮机组进汽的主汽门前蒸汽额定压力为9.5 MPa，一级抽汽压力为4.0 MPa，二级抽汽压力1.27MPa。配套发电机为济南发电机设备制造的50MW空冷发电机。由于每台汽轮发电机组的控制和相应附属的水、汽、油设备的监控要求独立集中到一套系统中，汽轮发电机组控制采用的是TRICONEX公司的TRICON V9 DEH&ETS 控制系统，该系统的CPU模件和I/O模件都采用三重化冗余容错配置。控制系统采用双冗余、可灵活配置的电源以提高整个系统的可靠性。TSI系统采用Bently-3500系列，并通过DEH系统进行监控。
2.2汽轮发电机组主要的控制要求
汽轮机控制系统（DEH&ETS）的控制要求主要有汽轮机转速控制、负荷控制、机前压力控制和一次调频，包括转速及转速变化率限制、负荷及负荷变化率限制、机前压力设定和滑压启动；超速控制和保护，包括以判断转速变化率的方式间接判断发电机脱网、甩负荷稳频与OPC动作之间的协调；供热抽汽压力控制；汽机运行工况监视；汽机自启/停功能；阀门试验；DEH系统的控制范围：从盘车-冲转-升速-并网带负荷等全过程；汽机冷态、温态和热态启动程序等。[1]
控制系统接受现场输入信号，如OPS（转速）、MW（功率）、TP（主汽压力）、IP（中压抽汽压力）以及运行人员发出的各种控制指令，经过系统内部运算送出阀位的设定控制信号去控制电液转换器；通过液压系统及执行机构控制主汽门（TV）、高压调门（GV）、中压调门（IEV）的开度，完成对汽轮机的启动、升速、并网、带负荷、抽汽压力调节功能等；通过对重要信号的逻辑判断完成对机组的停机保护功能和SOE 功能；通过对油压信号的检测和逻辑判断发出对油泵等设备的联锁起/停接点信号；还能对各种运行工况作出相应的操作、保护、控制、监测等，以确保汽轮机发电机组的安全可靠运行。汽轮机组的汽、水主要控制流程如图1所示：
3.TRICON V9 DEH&ETS系统硬件、软件的功能作用
3.1 TRICON 系统硬件基本功能
TRICON 系统的TMR三重冗余容错的系统硬件结构如图2所示：
TRICON 系统的硬件核心是TRICON的三重模件冗余容错（TMR）结构的控制器。TRICON系统有三个主处理器，每一个主处理器主要性能是CPU 32位、50MHZ，2 X 16M RAM，工作方式为3-2-1-0，其32 位浮点协处理器的使用得到了TUV AK-6级的安全认证，系统中所有的I/O信号都经过硬件的三取二表决。
本系统提供的所有的I/O模件全是TMR结构，数字量输入信号在DI模件中被分成隔离的三路，通过三个独立的通道分别被送到三个主处理器中进行三取二表决；经纠正任何偏差后的数据通过三条I/O总线被送到DO模件，并在DO模件进行再次表决。同样，模拟量输入信号在AI模件中被分成隔离的三路，通过AI模块上每一个分电路的模数转换器把模拟量转换成12位的数字量，用32位的协处理器进行处理，每个主处理器采用选取中间值的算法读取正确值，并纠正任何分电路中的偏差，主处理器输出的模拟量信号在AO模块中的模拟输出选择器中进行选择，以确保输出信号的准确。所有I/O模件具有隔离功能，包括输入、输出间，通道与通道间，电源之间隔离，I/O模件满足ANSI37190抗冲击测试要求。所有卡件满足抗每米10伏场强的电磁及无线电干扰。[1]
3.2 TRICON 系统软件基本功能
DEH+ETS系统有独立的操作站，上位程序监控软件选用Wonderware公司的Intouch 9.0软件，其系统平台基于WINDOWS操作系统，该软件通过高速网络与控制器通讯，确保数据的及时刷新，从而更好地实现操作人员监控和操作。
DEH+ETS系统所用的下位程序组态软件为TRISTATION 1131，其支持TRICON系统过程控制和安全控制等各种功能块图库，这些功能块包括：模拟输入、指数滤波、PID、超前滞后、积分、中值选择、模拟输出、气体检测器、在线监视、打印及其它TRICON特殊的功能块，如调速控制模块、多阀控制模块等。[1]TRISTATION 1131软件具有工程组态、系统维护调试、在线修改程序、在线下装程序和离线模拟试验等功能。目前我们使用的是TRISTATION 1131提供的功能块图（FBD）来编写控制逻辑。
4.对汽轮机组缺陷和问题采取的改进措施
由于汽轮机组的设计存在较多缺陷和问题，致使机组出现很多次运行波动甚至停机事故，使得炼油装置安全生产存在很大的隐患。工艺和仪表专业通过共同分析机组已出现和可能出现的危害风险，对机组的操作和控制进行不断的修改和完善，确保机组长周期安全运行。
4.1 DEH主控画面操作权限的完善
由于汽轮机组在不同工况下可以选择的控制方式比较多，在机组刚开始运行时操作人员由于选择不当，对装置生产造成一定的波动。为防止误操作情况的出现，我们在Intouch 9.0上位组态软件定义好每个操作按钮权限的等级。机组的操作按钮主要集中在DEH主控画面里，如图3所示。机组完善的操作权限主要有：
（1）负荷自动控制投入控制权限：操作人员对负荷控制手动操作，，只有经过审批后工艺员有负荷控制投入功能（功率自动）的操作权限。
（2）主汽压力自动控制投入控制权限：操作人员对主汽压力手动操作，，只有经过审批后工艺员有主汽压力自动投入控制的操作权限。
（3）中压/低压抽汽压力自动投入控制权限：操作人员对中压/低压抽汽压力手动操作，只有经过审批后工艺员有中压/低压抽汽压力自动投入控制的操作权限。
（4）汽机单阀顺序阀切换控制权限：汽机调试和初运行期间采用单阀全周进汽方式控制，更有利于减少机组温差及应力。顺序阀主要是高负荷时，减少调门压降，提高机组效率。要求目前采用单阀控制方式，只有经过审批后工艺员才能进行单阀顺序阀切换操作权限。
（5）调门严密性试验控制权限：在汽轮机首次安装或大修后，需对调门进行严密性试验。只有工艺员有操作权限。
（6）主汽门活动试验控制权限：为保障机组在紧急停车时两位式进汽主汽门能迅速关闭无卡涩，机组在并网正常运行过程中需要定期对该阀门进行活动试验。只有经过审批后工艺员才有操作权限。
（7）GV阀活动试验控制权限：为保障GV阀能迅速动作无卡涩，机组在并网正常运行过程中需要对GV阀定期进行活动试验。只有经过审批后工艺员才有操作权限。
（8）汽机超速试验权限：在汽轮机首次安装或大修后，必须验证超速保护动作的准确性，对每一路超速保护都应该进行试验验证。只有工艺员有操作权限。
（9）凝汽器真空低停机信号试验权限：机组在并网正常运行过程中需要对凝汽器真空压力开关动作定期进行在线试验，确保开关的可靠性。只有经过审批后工艺员有操作权限。
（10）润滑油压力低停机信号试验权限：机组运行期间该项试验按钮被屏蔽，并且只有工艺员有操作权限。
（11）EH（调速）油压力低停机试验权限：机组运行期间该项试验按钮被屏蔽，并且只有工艺员有操作权限。
（12）AST（紧急停机）电磁阀在线试验权限：机组运行期间该项试验按钮被屏蔽，并且只有工艺员有操作权限。
4.2根据机组安全运行和生产的需求，对初始设计进行的修改和完善
（1）当功率超过高限值时，将自动由功率测量切换至功率自动控制的功能。防止操作人员监盘不到位。
（2）当主汽压力低于低限值时，将自动由主汽压力测量切换至主汽压力自动控制的功能。防止操作人员监盘不到位。
（3）快减负荷速率的限制：当汽机按“快减负荷”按钮时，当前负荷快减至30MW的降负荷率为30MW/min；快减至20MW的降负荷率为20MW/min；快减至10MW的降负荷率为10MW/min。该功能在锅炉及外界管网压力正常情况，不允许进行该项操作，只有当锅炉跳车（MFT）、锅炉设备故障导致锅炉负荷无法维持、汽轮机故障等需紧急降负荷情况时才能操作。此项功能仅限在纯凝工况，并需保证快减速度不能超出汽轮机设备原设计允许范围。
（4）在DEH主控画面增加显示三阀解偶计算的阀位，同时设置当计算输出阀位与实际阀位反馈的偏差≥5%就报警。提醒操作人员检查阀门运行的情况。
（5）要求机组在并网带初始负荷运行2S后，下位程序把功率控制由自动切换为手动。方便操作人员根据机组并网后的具体情况平稳操作。
（6）增加高、中、低调门静态试验2个控制条件：汽轮机冲转后程序屏敝静态试验功能，操作人员无法操作；静态试验需在停机模式，即挂闸后没有点允许启动按钮才可以进行静态实验。
（7）抽汽速关阀及抽汽逆止阀的联锁打开由挂闸信号改为并网信号。机组在并网前不会抽汽，挂闸就打开速关阀及逆止阀没有意义，而且也预防全厂蒸汽管网的蒸汽在机组并网前反窜入机组内部。
（8）抽汽速关阀及抽汽逆止阀联锁保护关闭条件由主汽门关闭信号及DEH停机信号改为OPC动作或DEH停机或AST油压低（AST油压力开关低是三个压力开关三取二信号）。因为当机组出现OPC动作或AST油压低时，也需要关闭抽汽速关阀及抽汽逆止阀来保护机组。
（9）3个抽汽速关阀XV11112A/B，XV11113的控制从原来的DCS系统移到DEH系统，大大提高了汽机操作效率和生产的安全性。
（10）3500系统出来的“零转速报警”DI信号从原来的送到汽轮机现场的盘车控制柜用来控制盘车，改成“零转速报警”DI信号先送到DEH系统接收，然后DEH系统再把信号送到盘车控制柜，这样 “零转速报警”信号就能在DEH系统显示和进行历史记录。
（11）3500系统出来的“1#转速超速停机”、“2#转速超速停机”、“3#转速超速停机”的3个DI信号送到DEH系统，作为汽机跳车逻辑。这样增加了一组机组跳车保护信号，提高了机组运行的安全性。
（12）增加从3500系统的ZS1、ZS2、ZS3超速保护卡出来的“1#转速输出”、“2#转速输出”、“3#转速输出”的三个AO信号送到DCS系统作为显示，方便操作人员监盘。
（13）汽封母管压力PT-11011的量程由设计的1Mpa改为0.3Mpa，大大提高了汽封母管调节阀的控制精度。
（14）9个疏水阀的电磁阀控制电源由220VAC改为24VDC，大大提高电源的安全性和稳定性。
（15）增加“1＃一级工业抽汽逆止阀关闭dXLO_11012”、“2＃一级工业抽汽逆止阀关闭dXLO-11012”、“1＃一级工业抽汽逆止阀全开XLO-11012”、“2＃一级工业抽汽逆止阀全开XLO-11013”DI信号，完善阀门动作情况的监测。
（16）润滑油压力开关PS11037/PS11038/ PS11039/ PS11041/ PS11050和压力变送器PT11015根据测量准确性的需要，仪表安装位置从汽轮机夹层移位到汽轮机平台上。
（17）发现前汽封温度TI-11128和TI-11011插入管道深度太浅而测量不准的问题，重新设计热电偶插入管道深度。
（18）发现后汽封温度TE_11012现场安装位置不对而影响工艺测量的问题，重新布置温度测点安装位置。
（19）主汽门后蒸汽温度低跳车联锁由设计的一取一改为主汽门后蒸汽温度低值同1#、2#导汽管进汽温度中的低值的二取二联锁，增加机组平稳生产。
（20）两台汽轮发电机从2009年底开始运行两年以来多次发生瓦振、轴振、回油温度等测点因故障而联锁停机，严重制约了汽轮机的安全运行。在参考了DL/T892-2004《电站汽轮机技术条件》等标准、部分电力行业企业及炼油分部、化工分部汽轮机联锁情况的基础上，2011年对瓦振、轴振、瓦温、回油温度联锁进行一次集中修改。汽轮机组振动、位移、转速探头安装位置平面图如图4所示。
①由于轴振动与瓦振是相互关联的，当轴振动变大时，瓦振也会相应增大。每个轴承的振动联锁方式由一取一修改为轴振两个测点加瓦振一个测点三取二联锁方式。当每个轴承三个振动测量值中有两个达到各自的联锁值时，汽轮机联锁停机。
②径向瓦回油温度和径向瓦温度是相互关联的，每个瓦的温度联锁方式由一取一修改为汽机同一个瓦的回油温度和瓦温都达到各自联锁值时，汽轮机二取二联锁停机。
③将主/副推力瓦回油温度联锁取消，只保留报警，减少没必要的联锁点。
④在汽轮机联锁动作值前，设置二级报警，分别为高报和高高报，也就是在目前的高高报前增设一级高报，以达到提前警示的目的。
⑤推力瓦温度联锁方式由一取一修改为10个推力瓦温度十取二联锁，当10个推力瓦温度中任意2个达到联锁值，汽轮机联锁停机。联锁判断逻辑图如图5所示，当“NUMBITS”（状态累加）模块数值≥2时，输出“ fTEHTRIP1（推力瓦温度停机信号保护）”信号。
4.3根据机组试运行阶段的控制需求，取消原设计的部分操作和控制功能
（1）取消在DEH系统“盘车远程启动控制”功能，当汽轮机实际转速为0RPM时，现场控制盘手动启动盘车装置。防止现场情况变化后没确认就远程启动盘车，造成事故。
（2）取消 “并网后可由电气远程直接控制发电机负荷”的功能，防止电气操作人员不了解锅炉和汽轮机工况进行操作。
（3）取消锅炉MFT动作直接跳停汽轮机的联锁。
（4）取消多余的“TSI汽机转速达110%”DI信号，减少信号故障点。
（5）取消中、低压抽汽速关阀就地控制箱，改由DEH系统直接控制。中、低压抽汽速关阀现场露天的控制箱可以就地/远程操作，控制回路较为复杂，继电器数量多。为防止抽汽速关阀误动，导致机组抽汽管道超压而损坏机组，取消就地控制功能。
5.总结
仪表人员仔细审阅汽轮机组各项设计和施工图纸，认真做好现场设备安装的监管工作，缜密地做好汽轮机控制程序的组态工作，共及时处理各类设计、现场设备和程序组态等问题368处，并做好装置建设的经验总结工作。两台汽轮发电机组在运行两年时间，于2011年再次进行一次集中的联锁修改以后，机组真正实现了长周期安全平稳生产。2012年炼油CFB锅炉又进行了一次一炉一机改扩建工程，仪表人员依照“提早介入、以我为主、稳步推进”的要求，吸取前两台机组的经验教训，在第三台汽轮发电机组初始设计阶段就解决机组各种隐患。第三台机组在调试、长周期运行阶段一直十分平稳，经济效益明显，充分发挥了公用系统安全保供的作用。
参考文献：
[1] 石化高硫焦代油锅炉改造工程50MW双抽冷凝式汽轮机技术协议，2008
论文作者:叶青锋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/27
标签：机组论文; 汽轮机论文; 操作论文; 联锁论文; 汽轮论文; 系统论文; 信号论文; 《基层建设》2017年第10期论文;