当前位置： 轮机 >> 轮机前景 >> 技术干货燃气轮机控制系统的设计二
燃气轮机由压气机、燃烧室、透平组成。燃气轮机正常工作时，工质顺序经过吸气压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功转化的热力循环。下图为开式简单循环燃气轮机工作原理图。
压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩，压缩后的空气被送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧产生高温高压的燃气，然后再进入透平膨胀做功，最后是工质放热过程，透平排气可直接排到大气，自然放热给外界环境，也可通过各种换热设备如余热锅炉来回收利用部分余热，这样就形成了联合循环。连续重复完成上述循环过程的同时，发动机也就把燃料的化学能连续地部分转化为有用功。
2.2燃气轮机控制要求燃气设计燃气轮机控制系统使轮机盘车，把轮机带动到清吹转速(约20％额定转速)，点火，再把轮机转速提升到额定转速，如驱动发电机则控制系统还要控制同期并网。(如用于驱动压气机或其它动力输出，控制系统要接受相应各种限制。)然后把燃气轮机加负荷到适当的工作点。这一系列过程必须自动发生和完成，同时要减小燃气轮机热燃气通道部件和辅助部件中的热应力。
整个控制系统可分为四个功能子系统：
(1)主控制系统；(2)顺序(程序)控制系统；(3)保护系统；(4)电源系统
在上述各功能系统中主控制系统是主要的，它必须完成四项基本控制：
(1)设定起动和正常的燃料极限；(2)控制轮机转子的加速；(3)控制轮机转子的转速；(4)限制轮机的温度。
每个时刻只有一个控制功能或系统能控制送到燃气轮机的燃料流量。这几个控制系统都输入到“最小值选择门”，该选择门的输出作为燃料控制系统的输入。采用最小值可给轮机提供最安全的运行。
这里先简单介绍一下这几部分控制要求。
1)主控制系统
起动控制：在起动期间为了最佳的点火和联焰，以及避免过分的热冲击，燃气轮机控制系统设置了燃料限。起动控制系统设置了随转速和时间进程而变化的燃料上限。一般在18％～20％转速时，选择的燃料／空气比将在燃烧室内产生近于F的温升。
测知火焰后，燃料流量限减小到暖机值保持约一分钟，以便缓慢地加热冷的涡轮部件。暖机周期以后，慢慢增加燃料流量使轮机进入工作转速。燃料逐渐增加是为了使热冲击减至最小。机组进入额定转速以后，起动控制将建立一个最大的燃料限。这就避免了起动控制的燃料极限通过最小值门。
转速控制：燃气轮机可有两类转速调节器：有差和无差。少数机组可能两种调节器都有，具备在有负荷的情况下改变调节器的能力。有差调节器用在发电机驱动机上，要求有差调节器来提供系统稳定性。对于具有固定转速给定点的孤立运行机组，如果负荷由零增加到额定值，则轮机转速将下降4％。这种有差转速调节器是由一台比例控制器提供的。这种调节器有一个可调设定点装置，它的最大设定点称为低转速停止(LSS)。
无差调节器提供不变的轮机转速，轮机转速和负荷变化无关。这种调节器用于机械驱动机组，或许用在小系统内的发电装置上。无差调节器用一组水平线来代替斜线。无差控制是由比例积分控制器给出的。
为了避免由于系统扰动时引起的“熄火”，设置了一个最小燃料极限。正常停车时，最小燃料提供一个具有最小火焰的冷机周期，以便把热冲击减至最小，如果火焰突然熄灭，将发生强烈的热冲击。
温度控制：内部温度限是在第一级喷嘴处，称为工作温度。由于这里的温度长期维持在℃以上，故在第一级喷嘴处无法直接测量这个温度。而是通过测量涡轮排气温度和压气机出口压力，计算得到工作温度。压气机出口压力代表通过涡轮的压力降，还要对大气温度作修正。由于冷空气密度大于暖空气，对于同样的负荷，冷天压气机出口压力将比暖天高，因此冷天涡轮有较高的压降和温降，所以为了保持同样的工作温度，排气温度必须保持在较低值。
2)顺序(程序)控制
顺序控制电路提供了在起动、运行、停机和冷机期间轮机的、发电机的、起动装置的和辅机的顺序。顺序控制系统监测保护系统和其他主要系统，如燃料和液压滑油系统，并发出轮机按预定方式起和停的逻辑信号。这些逻辑信号包括转速级信号，转速设定点控制，负荷能力选择，起动设备控制和计时器信号等。
3)保护系统
设计保护系统是当关键参数超过临界值或控制设备故障时通过切断燃料流量遮断轮机。切断燃料流量是同时通过两个独立的装置：截止阀，这是主要的；燃料泵和燃料控制阀，这是第二位的。截止阀是通过电气和液压两个信号来关闭的。燃料泵和控制阀只通过一个电气信号关闭。
系统设置了如下保护系统：(1)超温保护(2)超速保护(3)熄火保护(4)振动保护(5)燃烧监测保护
此外还有一些保护功能，例如润滑油压力过低或润滑油温度过高等等。虽然这也很重要，同样危及机组的安全。但从结构上采用较简单的元件来实现。这些保护系统在起动和运行的整个过程甚至包括盘车过程，随时监视着轮机。一旦参数达到临界值或者任何一个保护系统出现故障都发出报警信号。
2.3PLC概述2.3.1PLC发展及现状PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一批可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的——离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占有一定的百分比。
在八十年代至九十年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于PLC人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度总的说是渐缓。目前全世界有多厂家生产多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。
PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。
对应中型PLC以上，均采用16位~32位CPU，微小型PLC原采用8位CPU，现在根据通讯等方面要求，有的也改用16位~32位CPU[14]。由于I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~点的占31%，合计位整个PLC销售额的78%，所以对微、小型PLC应多加研究。
PLC控制器本身的硬件采用积木式结构，各厂家产品结构大同小异。以日本欧姆龙CHE为例，为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板)上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用，配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性，为制造商、分销商(代理商)、系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利，这是一大成功经验。
PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路，如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等，这在以后还会有很大发展。另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1~0.2秒，更快的则选用50毫秒或更小的消灭周期。它是一个数字采样控制系统。
为了完成控制策略，为了替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有：基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。
PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)在我国已有实例。另外，在离散事件冬天系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间。
2.3.2STEP7概述SIMATICSTEP7作为一个平台，它可以集成各种控制设备的软件，使不同设备以及西门子PLC站点具有相同的数据库，所有设备的编程、配置、调试、数据路由以及通信工作只需在STEP7中就可以完成，从而实现一个项目中所有控制任务的集成。掌握STEP7是学习西门子公司自动化产品的基础。
2.3.3PLC概述控制对象燃气轮机的输入输出多而且复杂，所以采用的是西门子的SIMATICS7-系列的PLC。SIMATICS7-是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATICS7-成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。SIMATICS7-可编程控制器采用模块化设计，性能范围宽广的不同模板可灵活组合，扩展十分方便。
与以往的PLC相比，S7-提高了运算和通讯能力，整体运算速度加快了60%。同时也提高了工作存储卡、内置装载存储卡、FC、FB、DB块的数量。在PLC上全新集成PROFINET接口的CPU，提高了网络通讯能力。而且在S7-上添加了SFCPROTECT，可以选择额外的写保护。PLC的固件可以通过网络进行升级。与V4CPU相比，S7-的CPU降低了后备电流。而且免安装的集成开发环境不必担心程序库的版本兼容问题，基本无需更新。客户端计算机速度慢也无关紧要，服务器会协助计算。
未完待续......
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