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    苗青（1970－）
女，山東濟南人，本科，工程師，（濟南鋼鐵集團總公司自動化部，山東  濟南 250101）,長期從事冶金行業過程自動化方面的工作，現就職于濟鋼自動化部自動化所。

摘要：簡要介紹濟鋼燃氣—蒸汽聯合循環發電工程燃氣輪機發電機的組成，重點敘述了燃機氮氣保護控制系統的硬件和軟件構成、系統的網絡通信、關鍵控制等功能。該系統投入運行后能夠滿足發電生產的需求，大大提高了生產效率,減少了操作定員。

關鍵詞：燃機；氮氣保護控制系統；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

    濟南鋼鐵股份有限公司“燃氣—蒸汽聯合循環發電工程”是濟鋼遵照國家產業政策，加快自身發展的又一大型節能環保工程。二期擴建6×46.6MW燃機和3×42.6MW汽輪機聯合循環發電機組，每個單元機組由兩臺煤氣壓縮機、兩臺PG6561B-L型燃氣輪發電機組、兩臺余熱鍋爐和一臺蒸汽輪發電機組，組成一套“2+2+2+1”建制的聯合循環發電機組，每個單元聯合循環發電機組的額定容量為2×46.6MW+1×42.6MW，發電機總裝機容量為407MW 。本文將主要介紹燃機氮氣保護控制系統通過特殊方案設計提高了燃機發電機組的安全性和穩定性,該系統投用后保證了燃機及整個發電機組的正常運行，杜絕了燃機共發性停機的隱患和可能性。

2 系統概況

    燃氣輪機發電機組由起動系統、潤滑系統、霧化空氣系統、液壓油系統、壓氣機、燃氣透平、點火系統、燃燒器、發電機、燃料閥站等部件組成。由高爐煤氣和焦爐煤氣經混合站混合、煤氣壓縮機壓縮后的形成的高溫、高壓混合煤氣進入燃料閥站，經過三組閥調壓、調流量之后，均勻地分配并輸送到燃氣輪機的各燃燒室，燃燒所需的空氣經自潔式過濾器及消音器進入軸流式壓氣機升溫升壓后進入燃氣輪機燃燒室，在燃燒室中與燃料噴嘴射入的混合煤氣混合燃燒，將燃料的化學能轉化為熱能，產生高溫高壓氣體送到軸流式透平旋轉作功，從而帶動發電機發電。

    根據燃氣輪機啟動時的要求，在置換煤氣前要對煤氣管道進行氮氣清吹，清吹時氮氣壓力為2.9 MPa、流量為5300Nm3/h，清吹時間持續60秒，以保證整個管道被完全置換成氮氣，從而使煤氣在進入管道內時沒有氧氣存在，確保燃燒的安全。除此之外，還要利用氮氣對煤氣管道進行密封，防止煤氣管道因漏入空氣而發生意外，其壓力也應保證在2.9MPa。

    燃氣輪機啟動后，進入正常運行，要實時保持氮封壓力的穩定性，一旦檢測到閥前壓力如果低于3.62MPa則進入一級報警，若低于3.31Mpa則進入二級報警,如果低到3.0 MPa延時15秒后仍壓力低，則機組將進入三級報警，并自動轉入快速停機。而一旦燃氣輪機停機或跳機，將導致隨后的鍋爐、汽輪發電機等機組全部處于癱瘓狀態，輕則影響生產的正常運行，直接經濟損失巨大，重則造成管路煤氣憋壓或者泄露，嚴重者可引起人身傷亡事故，因此確保氮氣密封和清吹的穩定性至關重要，必須采取嚴格、科學的控制策略來保證燃機的正常運轉。

3 系統設計方案

    3.1 工藝流程概要(見圖1)

圖1   氮氣保護系統工藝流程圖

    外部低壓氮氣經過氮氣增壓機(型號：VW-1.2/10-50;形式：兩級雙缸復動水冷;排氣量：1.2m3/h;進氣壓力：1.0-1.2MPa;排氣壓力：5.0Mpa;行程：120mm;轉速：590r/min;軸功率：50Kw)，加壓至高壓氮氣罐（存儲容量50kgf/cm3），經過壓力減壓調節閥雙閥控制(一用一備),輸送至低壓氮氣罐（存儲容量30kgf/cm3），從而保證燃氣輪機燃料閥站的氣、油切換時的氮氣清吹和氮封。氮氣增壓機還包括油路潤滑系統和冷卻水系統,用于氮氣增壓機的軸承潤滑和電機冷卻。

    3.2 系統設計功能

    基于燃機氮氣保護及控制的重要性,經過仔細研究，制定了詳細的控制方案,本系統共設計了一套DCS控制系統和三套SIEMENS PLC三重冗余系統。公用DCS控制系統主要用于控制氮壓機系統、電機冷卻水系統、電機油路潤滑系統及六套燃氣輪機燃料閥站的氣、油切換時的氮氣清吹和氮封。六套燃氣輪機的氣、油切換采用一套公用DCS控制系統,即節省了資源,又提高了氮壓機及清吹閥組的工作效率,但同時也給DCS控制設備的可靠性帶來了嚴峻的考驗。三套SIEMENS PLC控制系統主要用于閥前、閥后壓力氮氣信號穩定采集與輸送，六個閥前、閥后壓力信號分別經三套PLC控制器采集后，通過SIEMENS PLC特有的MPI全局數據通訊和穩定的可編程控制由各PLC的輸出單元分別送入六套燃機控制系統。這樣，PLC和DCS系統各有分工，分別控制發電二期一單元、二單元、三單元的六套燃機氮氣保護系統。因此，對于發電三個單元來說，調壓控制和過程檢測輸出是各自獨立的，從而增加了控制系統的安全性和穩定性,保證了六套燃機及整個發電機組的正常運行。

4 系統配置

    4.1 硬件配置及選型

    本系統控制部分根據系統設備的控制需要，本著先進、高可靠、易操作、兼容性好的原則，DCS選用ABB AC800F冗余控制系統，PLC采用西門子公司的S7 300系列，完成現場數據采集、邏輯運算、連鎖、數據處理及輸出執行指令等功能。硬件配置參見圖2。

圖2   燃機氮氣保護系統硬件配置圖

    4.2 軟件配置

    本系統所采用的軟件都是基于Windows2000+SP4操作系統環境。

    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，采用梯形圖邏輯語言實現控制軟件的開發與應用。對于控制所用的模型做了許多DFB功能塊，利于生產維護和程序的可讀性。

    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 多任務處理器，運算速度（主頻）150 MIPS。系統執行方式采用多進程方式,任務運行周期及優先級可以組態(最快為5ms),滿足工廠不同被控對象的控制要求。系統總線-DIGINET  S，是本集散控制系統的重要組成部分，由它將FREELANCE 2000系統的現場控制裝置、操作員站、工程師站連接成一個網絡。現場總線采用Profibus-DP完成現場設備與CPU間的數據交換與通訊。控制器內存容量為16MB/8MB,系統監控程序存儲到閃存中,可以實現軟件升級。

5 網絡技術

    根據本系統現場設備,該系統采用的網絡通信方式：工業以太網、Profibus-DP網、MP全局數據通訊。

    5.1 工業以太網

    該系統主干網絡采用100MB/s光纖冗余工業以太網，網絡采用赫斯曼的MICE和RS2系列交換機，通過HIPER-Ring組環以及環間連接與發電其他控制單元構成環型冗余網絡。服務器、工程師站、操作員站、可編程控制器及上位監控被分配唯一的IP地址，DCS控制系統的CPU通過本站的以太網通訊模板利用EGD廣播方式經過SWITCH交換機在以太網上與其他DCS之間發送和接收信息。同時利用網絡管理軟件對網絡進行監視和控制管理，保證網絡的安全性、可靠性和實時性。

    并定時將重要的現場數據采集到數據庫中保存，在數據庫中設有數據查詢和報表生成界面，可方便的對現場數據進行查詢和報表打印。

    5.2 Profibus-DP網

    在本系統中，Profibus-DP網得到了廣泛的應用，DCS控制器與現場輸入輸出設備之間、西門子PLC與其中一臺上位操作顯示終端之間均采用此網連接，Profibus-DP網采用主從結構，可完成不同生產供應商設備之間的數據交換。并提供多級可選通訊速率：從9.6Kbit/S到12Mbit/S可選。而且該系統具有非常靈活的數據結構，可以優化系統至最佳狀態，能防止生產過程級控制網絡病毒的侵犯。

    5.3 MPI-全局數據通訊

    對于PLC之間的數據交換，現在大多采用以太網技術，這種網絡具有通訊速度快，傳播范圍廣等優點，在本控制系統中我們還采用了另一種數據通訊方式即MPI全局數據通訊，這是一種全局數據包通訊方式。通過組態所要通訊的PLC站之間的發送區和接收區，按一定格式定義好PLC設備的節點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通訊組態簡單，經濟實用，填補了沒有工業以太網設備無法通訊的空白。MPI通訊示意圖見圖3。

圖3   MPI通訊示意圖

6 關鍵邏輯控制---氮氣壓力輸入輸出邏輯控制

    根據燃機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MPI方式進行數據傳輸，一旦一套控制器出現了故障，或前期采集測點出現失真的現象，其他兩套控制器仍能保障安全輸出，傳送給燃機正確的檢測信號，防止燃機誤判，造成6套燃機的連鎖停機，從而避免了一套控制器控制六套燃機系統所帶來的不安全性。提高了的數據傳輸的穩定性和可靠性。具體控制參見邏輯控制圖4。
7  結束語

    該系統自正式投運以來，一直運行良好。由于自動化程度高，系統可靠性設計和控制功能強化，從未出現過控制系統因檢測、控制、網絡等故障引發的停機，杜絕了燃機共發性停機的隱患和可能性，從而大大提高了生產效率、減輕操作和運行維護工作量、降低設備故障對生產的影響，經濟效益明顯提高。

其它作者：

    宋揚（1982－），男，山東肥城人，在職研究生，助工，從事冶金行業計算機應用方面的工作，現就職于濟鋼自動化部自動化所。

    宋婕（1970－），女，山東濟南人, 本科，工程師，長期從事冶金行業電氣自動化方面的工作，現就職于濟鋼自動化部自動化所。

圖4   氮氣壓力輸入輸出邏輯控制