基于MARK,VI的燃气轮机LCI起动控制

【摘 要】本文以GE公司生产的燃气轮机为例进行分析，采用Mark VI系列作为控制单元，包括起动电机控制系统和起动变频控制系统，然后按照转速设定对燃气轮机起动电机进行控制，在燃气轮机起动开始，由发电机通过变频器从电网取电，转换成电动机拖动燃气轮机转动，在燃气轮机机组完成点火、暖机、保持自持转速、脱扣等动作后，利用变频器将电动机与电网脱开；再由燃气轮机带动发电机发电。

【关键词】光伏发电；配电网；继电保护

中图分类号： TM611 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.033

0 引言

随着燃气轮机技术的日益成熟、天然气资源的进一步开发和应用，以及世界范围内人们对环保质量要求的提高，燃气轮机将逐步被人们接受并成為电力部门的主要电源之一。[1]

燃气轮机的诞生也追溯到上世纪50年代，主要应用于欧美等发达国家，当时的燃气轮机主要用于电力系统调峰，其机组容量较小且热效率利用率也比较低，没有得到广泛的应用。与火电汽轮机相比，燃气轮机的最大优点就是起动速度快，也常常被用来作为电网的黑起动电源。因此，燃气轮机最早主要用于电力系统调峰和备用电源使用。为了保证电力系统的安全稳定运行以及事故下快速恢复运行，欧美国家的研究结果表明，当燃气轮机的发电量在整个电网份额的8-12%，电力系统具有较好的调峰性能，对电力系统安全运行具有较好的作用，是非常合适的[2]。

到了上个世纪80年代以后，燃气轮机单机容量和热效率的逐步提高，特别是完成了燃气—蒸汽联合循环的应用，燃气轮机得到了快速的发展。另外，随着世界范围内天然气的大量发现并开发，加速了燃气轮机的发展与应用，不仅作为黑起动备用电源和电力系统调峰电源，也肩负着电力系统的基荷和腰荷，逐步成为电力系统的主要电源之一。

之前的燃气轮机是以燃烧天然气体和液态燃料为前提的燃气—蒸汽联合循环系统，随着燃气轮机在电力系统中的地位不断提高，研究人员提出了提出“煤气化燃气-蒸汽联合循环”方案（简称IGCC）：其基本原理就是将煤炭置于高温、高压的气化炉中进行气化，变为中、低热值的煤气，然后通过脱硫和洗涤，清除掉煤气中的硫化物、碱金属等污染成分，最后，将制造的清洁人造煤气送到燃气-蒸汽联合循环中燃烧发电。

随着世界能源的紧缺和环境保护的意义，迫使开发高效、清洁、大容量燃气轮机及其联合循环系统。燃气轮机及其联合循环是必然将成为发电系统中一个重要组成部分，是电力系统中不可缺少的主要成员，其作用将日益显著[3-4]。

1 燃气轮机起动控制系统

Mark VI燃机控制系统的机柜布置较以往不同，也不向其他的DCS系统，整个控制系统集成于TCC间，采用集装箱布置，运输方便，现场接线方便，缩短了现场调试时间，Mark VI系统可以用作简单控制或者带单个或者多个机架、也可以就地或者远程I/O的三个标准件冗余（TMR）控制。I/O接口设计用于燃气轮机上的传感器和传动机构的直接接口，免除对插入仪器的需求，还避免了和该仪器相关的可靠性和维护方面的事情。

Mark VI控制系统硬件包括：机柜、网络、操作员接口、控制器、I/O板、端子板和保护模块、计算机控制器、密码狗、其他各种输入输出I/O卡件、电液伺服板卡阀、就地接线柜、控制柜、监控器、专用传输网络和交换机等相应设备。具体控制网络单元结构图如图1所示。

图1所示为燃气轮机常用的网络拓扑结构。第一层是工厂数据层，这一层网络有工程师站、服务器、控制台操作员站、打印机、通过路由器可以接到因特网，从世界上任何一个地方都可以启动燃气轮机；第二层是单元数据层，这一层网络上主要挂载的设备有燃气轮机控制、发电机控制、发电机保护、其他的PLC控制器；第三层是I/O层，主要是将控制器和现场设备连接到一起，对现场信号进行判别和传输。这三层网络各自都有自己的标准协议，以及与之对应的网络结构，每层之间还有自己的传输方式。

工厂级数据控制层：Mark VI控制系统用于与天然气厂或其他设备制造商的其他控制系统进行通信，使用DCS通信支持它的协议有TCP /IP GSM和RS232/485 Modbus协议。硬件由带有用于较长距离（如到中心控制室）的可选光纤输出的两个冗余以太网开关组成。至于小系统，若没有在UDH上的对等网络控制，PDH和单元数据总线（UDH）可能实际上是同一网络。和电厂分散控制系统的通信可以使用外部通信连接。从HMI可以提供用Modbus协议（RTU二进制）的串联连接。这就允许DCS操作员访问实时汽机数据，并提供离散和模拟命令传送到汽机控制。此外，还有从HMI连接的以太网支持和操作员响应的速度一致的定期数据信息，还支持分辨率为毫秒的时间标记的事件顺序（SOE）信息。

2 LCI静态启动系统

LCI（Load Commutated Inverter）是用于静态起动装置的起动器，是静态变频驱动系统，基本电路包括电源侧变频器和负载侧逆变器，均通过相位控制，实现电源侧向负载侧提供负载功率，并完成可调转矩，从而控制其速度，实现软启动。

LCI静态启动系统主要用于控制起动电动机，当电机从静止开始进行起动时，不需要向变频器提供换向电压。因此，起动时需用其它的换向方式进行，并使电动机加速至电机所需足够电压方可换向，速度约为电机额定速度的10%。

本文设计的MARK VI燃气轮机起动控制，LCI通过与励磁系统（型号为EX2100）结合。MARK VI控制给LCI提供运行信号，包括扭矩和速度信号，并进行相应的设置。LCI接收到信号，采用双闭环控制的方式向发电机定子提供变频电源。而EX2100通过LCI控制，进行调节燃气轮机起动的励磁电流，通过控制燃气轮机发电机的励磁电流和定子电流，使得发电机转速至同步速度。

对Mark VI控制系统软件部分做的主要任务是，研究掌握Mark VI控制系统逻辑编程软件Toolbox，对燃气轮机Mark VI控制系统功能进行分析，最后研究逻辑代码和应用程序。

打开机组逻辑程序文件，进入逻辑编程Toolbox界面，连接控制器R、S、T其中一个，或随机打开任何一个，此界面上侧显示工程名称、文件编辑、设备连接、查找下载工具、标题状态等内容，在图片下侧，显示2级密码，离线状态。

3 结论

研究了燃气轮机Mark VI控制系统，包括燃气轮机Mark VI控制系统硬件、Mark VI控制系统的网络结构和网络功能，以及每级网络的作用，Mark VI控制系统的特点，并结合硬件的特点，较为详细的分析控制系统的可靠性和通用性。

【参考文献】

[1]郎朗.9FA燃气轮机控制系统分析[D].吉林大学，2011.

[2]王欢.燃气轮机辅机控制系统的设计研究[D].燕山大学，2015.

[3]赵永珍.干式低NOx燃烧器燃烧检测与控制研究[D].华北电力大学，2013.

[4]李勇.GE燃气轮机Mark VI控制系统研究及调试[D].浙江大学，2007.

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