2013年“金蓝领”论文
PLC在电厂设备中的应用
指导教师： 曹志强
姓 名： 赵善忠 单 位： 泰山石膏股份有限公司 培训等级： 高级技师（维修电工 ）
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PLC在电厂设备中的应用
摘要：本文较为详细地介绍了PLC在电厂汽轮机保护系统及汽轮机辅机控制系统中的应用，提高了设备的安全性、可靠性，熟悉了PLC的工作原理及构造，能熟练应用到公司的生产过程中，提高生产的自动程度。
关键词：PLC 汽轮机 保护 发电机 辅机 主汽门 真空 引言：电厂汽轮机辅机控制及汽轮保护系统的改造，采用PLC来完成整个系统的控制，实现了保护及各辅机的自动运行，改造完成后经连续运行取得了良好的效果，提高了设备的安全运行，保证了汽轮机的安全、稳定运行。 汽轮机调节保护系统的任务
汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质(电压与频率)要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率(或称周波)决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。
汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系统的特性分担这部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制(AFC)装置来分配调频机组的负荷，这一调节过程称为二次调频。
然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之为\内扰\。为抵御机组\内扰\的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制信号，在发生\内扰\时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调节转速，又调节功率的调节系统称之为功(率)频(率)调节系统。
汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。此外，机组运行中还存在低
真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障。因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外，还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下，保护系统快速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽轮机的蒸汽供给，使机组快速停机
汽轮机辅机包括2台循环水泵、2台凝结水泵、2台射水泵、1台高压油泵，一台交流油泵。它们的正常运行保证汽轮机的安全运行
汽轮机是电厂设备安全运行中的重要组成部分，汽轮机保护和辅机的正常运行是电厂汽轮机安全运行的重要保证。在控制回路中采用的继电器触点经常有粘合现象，长时间运行动作不是很灵敏。影响了设备的安全运行，存在一定的隐患。影响了设备的安全运行，存在一定的隐患。为防止事故发生，对各辅机控制回路保护进行了改造，实现由PLC控制实现自动运行。
一、PLC在汽机保护系统中应用
1、汽轮机保护系统工作原理及动作过程
汽轮机保护是保护汽轮机安全运行的重要系统；当汽轮机各项参数（如汽轮机转速到3360转时等）到达设定值（停机值），磁力断路油门电磁阀动作切断供油油路，关闭进汽轮机蒸汽的油阀门——主汽门。关闭后蒸汽不在进入汽轮机，同时解列发电机，关闭抽器逆止门，使转速降下来，保汽轮机、发电机安全的保护措施。 1.1 轴瓦回油温度高保护
当温度高到停机值时，接点闭合信号传到PLC，使主汽门电磁铁
线圈动作，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。此保护是防止汽轮机轴瓦温度过高而损坏汽轮机大轴的保护措施。 1.2 汽轮机超速保护
当汽轮机的转速达到3360转时，转速触点闭合信号传到PLC内部继电器线圈动作，使主汽门电磁铁线圈动作，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。此保护是防止汽轮机速度过高的防护。 1.3 凝汽器真空低保护
当凝汽器内的压力低79千帕时，压力开关触点闭合信号传到PLC内部继电器线圈动作，使主汽门电磁铁线圈带电，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，
触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。此保护是防止汽轮机内的真空太低，影响汽轮机运行的安全的保护。 1.4 润滑油压低保护
当进汽轮机的润滑油的压力低于0.2MPa时，压力开关触点闭合信号传到PLC内部继电器线圈动作，使主汽门电磁铁线圈带电，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。此保护是防止进入汽轮机内的润滑油的压力太低，润滑效果差而损坏汽轮机轴瓦安全运行的保护。 1.5 轴向位移保护
轴向位移是防止汽轮机运行过程中汽轮机转子前、后移动而损坏转子叶片的保护措施；当汽轮机的转子的前、后移动值超过要求值时，正或负停机触点闭合，信号传到PLC内部继电器线圈动作，使主汽门电磁铁线圈带电，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。 1.6 发电机内部故障保护
当电气控制室内的发电机保护中的内部故障动作时，其动作信号传到汽轮机保护PLC内部继电器线圈动作，使主汽门电磁铁线圈带电，关闭主汽门，主汽门行程开关触点闭合，触点信号传到PLC，输出信号跳发电机和关闭抽汽逆止门。此保护是保护汽轮机同轴运行中的发电机而设置的保护措施。 1.7 电超速保护
电超速保护其实是关闭汽轮机的跳速汽门，短时间内切断进汽轮机内的蒸汽量的保护。当电气故障造成的发电机跳闸后其信号传到汽轮机保护PLC内部继电器线圈动作，使电超速电磁铁线圈带电，关闭调速汽门，关闭抽汽逆止门，经时间继电器的时间设定值后，重新打开调速汽门，保持汽轮机转速3000转。 1.8 手动停机
当运行人员发现汽轮机运行及设备出现故障时，可以紧急的按下停机按钮，使汽轮机停下来。 1.9 复位开关
在开机完成后的保护投入时，首先按以下复位按钮，使有自锁的
触点断开，防止投入某一保护时动作，关闭主汽门，造成损失。机械液压调节系统
机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如图6-6所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换。
模拟电液调节系统 模拟电液调节系统是基于模拟电路的连续控制调节系统，它将电子技术与液压控制技术有机地结合在一起，综合了电子元件检测灵敏、精度高、线性好、迟缓小、传输速度快、调整方便、能实现复杂调节规律，以及液压元件驱动功率大、惯性小的
优点。检测、运算采用电子元件，执行机构为液压部件，两者中介的核心部件是电液伺服阀(俗称电液转换器)。汽轮机的转速和功率经传感器或变送器转变为电信号，经电子线路放大、运算，产生油动机行程的控制信号，输到PID(比例、积分和微分)凋节回路，然后经模拟电路功率放大作用于电液转换器，产生控制油动机行程的液压信号，经中间放大后使油动机按调节指令动作。模拟电液调节系统原理性，系统中设有转速调节回路、功率调节回路和功-频调节回路，在机组单机运行时控制转速；并网非调频工况时调节机组功率；并网调频运行时实现功-频调节，克服\内扰\和再热器中间容积时滞效应的影响。功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)。蒸汽压力输入可实现机炉协调控制。模拟电液调节系统的控制功能和调节品质较机械液压调节系统有了很大的提高，改善了调节系统的甩负荷动态特性，增强了机组运行的安全性。
2 PLC
PLC 采用松下 FP1 C56 ,C72 5.0K PLC接线配置
X0 X1 X2 X3 X4 X19 X20 220V AC Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 3、I/O分配表 输 入 输入元件 YAQ1 1AQ YAQ3 YAQ4 YAQ5 YAQ6 YAQ7 YAQ8 2AQ I/O端编号 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 说 明 保护总投入 手动停机 轴瓦温度高保护投入 汽机超速保护投入 凝汽器真空低保护投入 润滑油压低保护投入 轴向位移保护投入 发电机内部故障保护投入 手动跳发电机
1C 3AQ CK1 S3 2C 1AT CD CD CK1 CK2 CK3 CK4 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20 发电机内部故障 手动关闭抽汽逆止门 主汽门关闭行程开关 手动关闭抽汽逆止门 发电机跳闸 复位按钮 电接点温度计75触点 电接点温度计75触点 汽机超速3360 凝汽器真空低压力开关触点 润滑油压低压力开关触点 轴向位移正负停机值触点 输 出 输出元件 KM4 KM3 4C 4C KM11 3C KM6 I/O端编号 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 说 明 磁力断路油门电磁铁 发电机跳闸线圈 关闭抽汽逆止门电磁铁 关闭抽汽逆止门电磁铁 打开抽汽逆止门电磁铁 打开抽汽逆止门电磁铁 调速汽门电磁铁
4、PLC程序梯形图
二、PLC在汽轮机辅机控制系统中的应用 1、控制电路图： 2、工作原理及动作过程
汽轮机的运行包括循环水冷却系统、射水泵运行真空系统、凝结水系统，汽轮机润滑油系统等。
2.1 循环水泵的控制完成水冷却系统的运行
(1) 凝汽器出入口门开启、各放水，放空气门关闭。 （2）循环水泵入口门全开、出口门全关。 （3）冷油器、空冷器入口水门全关。 （4）水塔水位正常、放水门全关、滤网清洁。
循环水泵运行的循环水给汽轮机冷却作用、和密封作用（抽真空），冷却进入汽轮机做功后的剩余蒸汽（排汽），保证排汽温度降低，快速凝结成水。一台循环水泵运行另一台备用，当联锁开关投入后一台故障，另一台自动启动，保证了汽轮机的安全运行。 2.2 射水泵运行真空系统
（1）凝汽器两侧空气门全开。 （2）汽封到汽封加热器阀门全开。 （3）真空破坏门全关。
（4）射水泵入口门全关，出口门全关。 （5）高加、低加空气门关闭。
汽轮机的运行的要保证一定的真空，为提高进入进入汽轮机内蒸汽的热焓，增大做功效率，节省能源。一台射水泵正常运行，另一台
备用，当联锁开关投入后一台故障，另一台自动启动，保证了汽轮机真空的存在。 2.3 凝结水系统
（1）凝结水泵入口管放水门全关
（2）凝汽器水位计在投入位置，保持2／3水位。 （3）抽汽联动装置出入口门、总水门全开。
（4）凝结水泵入口水门全开、出口门全开、空气门全开。 （5）再循环水门、汽缸冷却水门关闭。
在汽轮机内做功后的剩余蒸汽凝结成水，当水位过高时接触汽轮机转子的叶片，产生水冲击，会造成严重事故。凝结水泵的运行控制凝汽器内的水位，一台凝结水泵正常运行，另一台备用，当联锁开关投入后若一台故障，另一台自动启动，保证了汽轮机的安全运行。 2.3汽轮机的油系统
（1）主油箱油位正常，指示在50毫米
（2）高压电动油泵、低压电动油泵、直流油泵、起动泵出入口门开启。
（3）盘车装置有油流通。
（4）冷油器出入口油门全开，备用冷油器出口门全关，入口门全开。
（5）油箱放水、放油、事故放油门全关，油质化验合格。 （6）危急遮断器在脱开位置，自动主汽门全关、同步器在零位。 （7）顺时针方向转动调压器侧面节流孔开关之手轮，关闭第二脉
冲油门节流孔，使调压器解列。
油系统由一台交流油泵、一台高压油、主油泵（汽轮机内的内部设备）泵组成，为汽轮机的轴瓦、调速系统提高润滑油，是汽轮机的生命液。汽轮机启动时高压油泵工作，当汽轮机的转速达到2850r/min时，主油泵工作，当压力高于0.9MPa后高压油泵停止工作，有主油泵提供润滑油。
当汽轮机出现故障后，主油泵停止工作，润滑油压降低，当压力低于0.05MPa时，交流油泵启动为汽轮机的提供润滑油，保证了油系统的正常工作，确保了汽轮机的安全。
由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。
汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。
3、PLC
PLC 采用松下 FP1 C56 ,C72 5.0K PLC接线配置：
X0 X1 X2 X3 X4 X22 X23 220V AC Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y8 4、I/O分配表
输 入 输入元件 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 SB15 I/O端编号 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 说 明 启动1#循环水泵开关 停止1#循环水泵开关 启动2#循环水泵开关 停止2#循环水泵开关 循环水泵联锁开关 启动1#射水水泵开关 停止1#射水水泵开关 启动2#射水水泵开关 停止2#射水水泵开关 循环水泵联锁开关 启动1#凝结水泵开关 停止1#凝结水泵开关 启动2#凝结水泵开关 停止2#凝结水泵开关 循环水泵联锁开关开关
SB16 SB17 SB18 SB19 SB20 SB21 SB22 SB23 X16 X17 X18 X19 X20 X21 X22 X23 启动交流油泵开关 停止交流油泵开关 启动高压油泵开关 停止高压油泵开关 交流油泵联锁开关开关 0.05MPa压力开关 0.9MPa压力开关 高压油泵联锁开关 输 出 输出元件 KM1 KM2 KM5 KM6 KM9 KM10 KM13 KM14 I/O端编号 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 说 明 启动1#循环水泵 启动2#循环水泵 启动2#射水水泵 启动2#射水水泵 启动1#凝结水泵 启动1#凝结水泵 启动交流油泵 启动高压油泵
5、PLC程序梯形图：
三、 结论
经过改造后的汽轮机保护系统及辅机控制系统，提高了汽轮机运行系统的安全性、可靠性。保证了生产的安全稳定，提高了工作效率，为企业增加了经济效益，提高了自动化控制的程度。 试验证明改造后系统运行达到了经济高效稳定的预定要求。投入运行以来，运行稳定，状况良好，显示、控制功能正确，大大提高系统控制精度和稳定性，为管理人员、操作人员带来了极大的方便。特别是本系统投资少，实用性强，在实际应用中取得了良好的效果，为今后的技术改造提供了参考依据
参考文献
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2012年维修电工技师)
