MARK VI控制系统故障分析与软件优化

2010-11-15潘勇进

浙江电力 2010年9期

潘勇进，潘艳

（杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015）

GE 9F级燃气-蒸汽联合循环发电机组主要设备分燃机、汽机、余热锅炉、GIS 4部分，机岛设备（燃机、汽机、发电机）选用美国GE公司生产的STAG109FA SS机型，单轴布置。采用GE公司开发的MARK VI控制系统。

作为国家“西气东输”工程的首批重点项目，杭州华电半山发电有限公司的3台GE 9F级大型燃气轮机从2005年末至今已运行4年，对于MARK VI控制系统积累了一定的运行维护经验。通过对MARK VI控制系统中典型硬件故障的分析及对软件优化案例的介绍，可为同类型机组运行提供参考。

1 MARK VI控制系统简介

1.1 MARK VI控制系统的网络架构

MARK VI控制系统的网络架构如图1所示，整个控制系统具有2层网络：厂级数据总线（Plant Data Highway，PDH）负责机组之间的数据交换，运行监控与操作和机组数据总线（Unit Data Highway，UDH）负责机组级的数据交换。控制系统的控制器通过UDH与HMI数据服务器连接，在PDH上挂接着操作员站、打印机、历史数据站等各种外部设备，通过路由器等相关设备还可与其他控制系统通讯，以组成一个更大更完整的系统。PDH和UDH均支持以太网传输数据。

图1 MARK VI控制系统网络结构图

1.2 硬件配置

MARK VI控制系统的硬件配置为三冗余模式，控制柜中布置有R，S，T控制器机架，分别带有VCMI通讯控制卡，通过IO Net与I/O柜相连，同时分别与X，Y，Z保护模块通讯，每块I/O卡都会送一个ID信号至VCMI卡，该ID信号包括硬件系列号、版本、代码、固化数字和固化版本；UCVX控制器位于VCMI通讯卡件右侧，为控制系统核心卡件，负责运算处理数据，存储调用控制逻辑、算法，以及通过以太网接口与UDH相接；I/O控制卡采集并处理从端子板输入的各类模拟量、开关量信号，每一类I/O卡件都有其特殊的端子板；I/O端子柜中布置有端子板及电源分配模块，端子板通过预制电缆与控制柜中的I/O控制卡相连。

1.3 软件功能

MARK VI控制系统的所有操作员站、通讯服务器及工程师站都使用基于Microsoft Windows NT的操作系统，在操作员站、通讯服务器上装有CIMPLICITY图形显示系统，为操作员提供实时环境中的控制和可视化处理，工程师站运行控制系统的TOOLBOX软件，用于系统组态。MARK VI的控制器采用QNX操作系统，这是一个适用于燃机控制保护等高速自动场合的实时系统。

实现功能包括：

（1）报警显示记录功能。操作显示、成组显示、棒状图显示，报警显示及定期记录、事故追忆记录、SOE记录等。

（2）调节控制功能。启动控制、转速/负荷的设定和调节、燃机温度控制、进气导叶控制、燃料控制、排汽温度控制、轴封蒸汽系统控制、油系统控制等。

（3）顺序控制功能。燃机辅助系统顺控、启动运行和停机顺控、吹扫和点火顺控等。

（4）保护功能。超速保护、超温保护、振动保护、灭火保护、燃烧器监测保护、CO2火灾保护、润滑油压低保护、冷凝器真空低保护、汽轮机排汽温度高保护等。

2 硬件故障案例

2.1 端子板及卡件故障

对于模拟量端子板的故障通常比较好判断，通过TOOLBOX软件打开组态软件后可以查看诊断报警，而且模拟量通道故障时采集到的数据是坏点的，维护人员比较容易判断出是外部信号的问题还是通道的问题，但是对于开关量端子板的故障判断相对就要困难一些。

3号机组某次开缸检修期间，发现汽机再热冷却阀不能操作，该阀门为二位式的气动阀门，由电磁阀控制。在MARK VI内发指令后通道无输出，进一步检查发现通道对应的熔丝已经熔断，而测量现场回路电阻接近于0，判断为电缆或就地电磁阀线圈问题，经就地检查发现由于在长期的高温环境下电缆老化脱皮，线芯接触导通，更换电缆及熔丝后正常，开关量卡件通道故障多由于此种原因引起。

又如某日3号机组停运时真空破坏门不能操作，该阀门为380VAC电源的开关型阀门，由汽机MARK VI控制。维护人员到现场检查，就地操作正常，通过组态软件查得该阀门的DO通道位置，由MARK VI内发指令DO触点未能动作，更换继电器仍就不能正常工作。此时考虑同一块板的其它通道是否正常，经试验也未能动作，说明整块板都有故障。紧固强电插头后，对控制器进行断电重启操作，试验通道正常，对阀门远操，开关也正常了。后经过进一步的检查，发现控制器机架及其卡件积灰比较严重，导致卡件不能正常工作，因此需加强定期清灰工作。

2.2 电源故障

可靠的电源是控制系统稳定工作的重要保障。控制系统的电源通常是由两路冗余提供，一路是UPS（220VAC）经过变压整流产生110VDC，另一路为电气直流柜提供的110VDC，这两路电源进入电源分配模块PDM处理后送出多路不同等级的电压供控制机架、端子板和就地设备使用。

某日1号燃机汽机MARK VI控制器R温度高报警。现场检查发现该控制器顶部风扇停止运行，机架的电源故障红灯常亮。MARK VI控制系统的每个控制器都有1个对应的机架，整个机架由1个电源模块供电，其输入为由PDM来的110VDC，输出为多路不同电压等级的直流电，其中风扇由1路28 V供电，拔下风扇的供电插头测量没有电压，通过组态文件连线控制器查看电源状态，确实有1路28 V显示为0，确定电源故障。但是因为其它几路电源正常，所以没有影响控制器的正常工作。

停机后，通过控制机架左下角的供电电压测试柱，测试各路电源的电压情况，并进行断通电试验，发现又有2路电源失去，说明该电源模块已经很不稳定，必须进行更换。对拆下的电源模块进行了检查，发现其中的多个DC-DC（直流转直流）模块已经损坏，可能存在输入电压受到干扰或电压不稳定等因素，降低了其使用寿命。

2.3 网络故障

某日机组运行期间，LCI画面（LCI为燃机的静态启动装置，2台LCI通过切换可供3台燃机启停操作）数据变黑无显示，MARK VI报警网络故障。

根据报警检查网络设备发现用于挂接操作员站的1只交换机指示灯无显示，测其电源正常，判断为交换机故障，机组停运后，用预先配置的交换机更换。经检查，拆下的交换机电源部分有元件烧损迹象。该交换机是在机柜的最底层，散热较差，虽然交换机是自带风扇的，但积灰加上本身产生的热量较大，设备长期工作在较高温度下影响了其使用寿命，现已经更改了安装位置使其能有效散热，并做好定期清灰工作。

3 软件优化案例

MARK VI控制系统的控制保护逻辑比较完善，特别是启停顺控、燃烧监测保护等经过几代MARK系统的演变，如今已是非常成熟的逻辑。但是为了适应实际设备及运行情况的要求，修改部分控制逻辑也是必不可少的。下面是根据实际进行逻辑修改的几个典型例子。

3.1 排气框架冷却风机逻辑

88TK风机用于燃机排气框架的冷却，共有2台，正常运行时一用一备，风机出口各配有1个压力开关。当运行风机出口风压低时控制系统会自动切换到另一台风机运行，但是如果遇到压力开关定值不准、风机出力下降、出口挡板不能正常切换时，即使备用风机启动也不能保证出口压力开关正确动作，此时系统会认为风压低将采取自动减负荷的措施。由于压力开关安装在风机出口的位置（挡板之前），在风机工作正常时，如果挡板不能切换到位，其部分风量通过备用风机排出，同时也导致备用风机倒转，既不利于框架冷却，也有损于备用风机。而此时由于运行风机出口压力正常，系统不会去切换风机，也不会发出报警，长期运行定将降低设备的寿命。为此在风机出口母管上加装了变送器，以检测母管上的风压，保留原来的2个压力开关，压力开关只用于压力低时切换风机，变送器送出的模拟量信号作为监视、报警和减负荷功能，即当母管压力（3个变送器取中间值）低于一定值时（经过适当延时）机组自动减负荷。

这样，当母管压力有降低趋势时，运行人员能及时检查就地设备，如风机、挡板的状况，对设备故障提前预判，大大增加了运行的可靠性。

3.2 离线水洗逻辑的修改

目前9F燃机主要以离线水洗为主，而离线水洗时其转速不会超过700 r/min，但是因为水洗时必须满足开机条件，才能执行启动顺控程序，这就涉及到系统上必须要投轴封，并建立真空，同时要确保余热锅炉侧没有跳机信号存在（主要是汽包水位高低）。起初在执行离线水洗时都是实际投轴封建立真空的，余热锅炉也要将水位控制在正常范围内。由于水洗过程通常要8～12 h，而在这段时间内由于轴封和真空将损失大量的能量，从节能方面考虑，这是很不经济的。

因此，考虑采用将相关信号自动屏蔽的方法，这样无需真正建立真空、保持水位正常，离线水洗程序也能正常执行，逻辑完成后运行人员可通过点击离线水洗强制按钮对真空及余热锅炉的跳机信号进行屏蔽。为了避免在水洗结束后运行人员未能及时退出屏蔽信号，在逻辑中增加了CRANK信号，只有在离线水洗或冷拖时选中，正常开机时该信号为 “0”，此时强制信号自动失效，不影响机组保护功能的正常执行，同时在燃机的启动检查页面中对运行人员进行提醒，若有强制信号存在时显示 “PLEASE HOLD ON There are override signals”字样，不能启动机组。

3.3 增加AGC功能

根据浙江电网要求，机组增加了自动发电控制（AGC）功能。调度控制指令与机组控制系统的接口有二种方式：一种方式是将DCS作为与电网调度的接口，逻辑在DCS内完成后将指令传给MARK VI，MARK VI的输出信号也是通过DCS再上传给电网调度，这种方式的好处是DCS的通道比较富裕，而且由于对DCS掌握比较透彻，实施的难度相对较小，但是考虑它经过了一道转换，响应的速度会稍微偏慢一点，而且占用了DCS侧的IO通道。另一种方式是电网调度远传的信号直接进入MARK VI控制系统，这样减少了中间环节后既加快了响应速度也减少卡件通道的数量，逻辑只需稍加补充修改。显然，后一种方式更具优势而已被采用。