GE 9F燃机励磁系统国产化改造研究

李国东

（镇海发电责任有限公司，浙江 宁波 315208）

随着能源结构的多样化，同时为适应当前世界范围内的利用清洁能源及节能减排的大趋势，国内进口了大量以天然气为燃料的大型燃气轮机机组。但燃气轮机机组的励磁系统在运行一段时间后，出现备品备件稀缺且价格昂贵，运行维护有技术壁垒，外方服务人员难到位等问题。镇海发电厂GE产MS9001E型300 MW燃气轮机机组从2007年开始在国内率先对励磁系统进行改造，首先将联合循环机组的汽机励磁系统由GE的EX2000静态自并励单通道励磁系统改造为上海成套所基于ABB UNITROL F双通道数字式静态励磁系统，后又于2008年将燃机励磁系统由GE EX2000静态自并励单通道励磁系统改造为南瑞RCS-9400系列微机励磁系统，为9F级燃气轮机的励磁系统改造提供了技术支持。本文针对GE 9F级燃气轮机励磁系统进行国产化改造展开探讨。

1 国产化改造中设备交互控制方式的实现

相关设备的国产化能力是设备国产化过程的必要基础。就GE 9F燃气轮机上所使用的励磁系统而言，由于机组采用静态启动模式，励磁系统还涉及多系统交互控制的问题。控制连接方式主要有两种，一是硬接线控制连接，要求相关设备有足够的输入、输出端子；二是通信系统连接，虽无需输入、输出端子的支持，但需要实现通信系统协议的统一。GE 9F机组的励磁系统与LS2100静态启动装置及MARK VI控制系统进行交互控制的通信系统连接方式是EGD（以太网全局数据协议），支持基于UPD/IP标准协议的多节点之间的信息共享，为非国际标准的通信系统协议。由于在国产化过程中无法获得GE公司在通信系统方面的支持，国产设备无法实现与原有设备基于EGD的通信系统连接，因此要求在改造中抛开原有的EGD连接，建立国产设备与原有设备新的交互控制连接。

深入了解静态启动装置后发现，静态启动装置与励磁系统之间的交互控制并不多，主要是磁通控制，即在启动过程中静态启动装置向励磁系统提供发电机励磁电压设定信号。主要的交互控制出现在MARK VI与励磁系统及静态启动装置之间，同时由于MARK VI目前还无法实现国产化，因此MARK VI所提供的通信系统方式直接决定了国产化改造所能实现的交互控制通信系统连接方式。

现有的MARK VI控制系统设置了三级数据通信系统网络∶厂级网（PDH）、机组网（UDH）及I/O NET网。其中原有的EGD属于UDH网络层级，用来实现相关控制设备的连接控制，包括启动装置LCI、励磁系统、人机界面HMI、MARK VI等，同时为保证可靠性，通信系统可实现双回路冗余切换。PDH网主要用于连接HMI及历史数据记录装置、远程监控、打印机等外围设备。该层级网络使用TCP/IP GSM及Modbus通信系统协议，前者为GE公司专用的应用层协议，而Modbus则已成为当前国际通用的事实标准协议，且为全开放协议，任何用户都可免费获取。

根据对当前使用的工业以太网系统实际应用发现，Modbus/TCP协议已经逐步使用于各种现场，并具有强劲的发展优势。在系统国产化过程中，如使用Modbus/TCP实现通信系统，由于没有改变原有的以太网结构和网络物理层硬件，因此由此而产生的传输速度的改变是有限的。

励磁系统的国产化改造中，如果与MARK VI的通信系统由EGD转变为Modbus/TCP通信，对MARK VI而言，实际上是将励磁系统由从属于UHD层级的设备提升至PHD层级。

因此，交互控制方式可以通过硬接线控制方式与Modbus通信系统控制相结合来实现。这样一方面可以有效减少对于MARK VI输入/输出端子的需求，另外可以对重要信号实现硬接线控制并提高设备运行的可靠性。

另一个问题是如何在控制方式上对各种相关信号加以区分。首先可以明确的是，鉴于运行的可靠性需要，所有与保护跳闸相关的信号必须实现硬接线方式连接。而所有的控制逻辑指令、状态反馈及用于显示的反馈信号则完全可以利用Modbus通信系统来解决。实时控制信号则可以选择硬接线方式，以避免因网络延时而影响对设备的实时控制。

2 适用于静态启动的励磁系统功能设计与要求

2.1 启动装置对励磁系统磁通控制环节的设计

带有LCI（静态启动装置）的励磁系统需要接受来自启动装置及燃汽轮机控制两方面的控制，在控制上略显复杂。因此在对带有LCI的燃气轮机机组励磁系统改造时，为满足静态启动的要求，励磁系统需要额外增加控制通道，即静态启动模式控制通道。GE静态启动控制通道的控制输入为手动调节参考MANREF及静态启动装置对励磁电压的控制信号LS2100_REF，这2个信号经过选择（静态启动模式时选择LS2100_REF,手动控制模式时选择MANREF），输出为励磁电压设定值FVRSETPOINT。典型的带静态启 动装置励磁系统励磁电压调节回路的程控逻辑见图1，图中手动调节（即励磁电压调节FVR）参考值（由手动升降励磁、FVR启动预设值、自动跟踪值经钳位、限制等控制后产生）与静态启动对励磁的控制信号经信号选择后成为励磁电压调节器的励磁电压设定值，该值与励磁电压反馈经过比较后形成误差信号输入调节器的比例积分控制回路。

图1 典型的带静态启动励磁回路的调节程控逻辑

在改造过程中，如果单一改造励磁系统，由于保留了原有的静态启动装置及MARK VI控制系统，且要抛开EGD通信系统联系，同时考虑到原有LCI的磁通调节模块带有硬接线信号输出，因此建议励磁系统开通模拟量输入端子供该励磁参考信号输入。在输入过程中由于涉及对励磁电压信号的标幺化，故应将LCI的输出励磁信号与新的励磁系统的LCI设定输入进行必要的转换。转换的原则是：LCI的输出是以点数计的标幺值，数值10对应的励磁电压为1.25倍的空载励磁电压。如果国产励磁系统与原有励磁系统的空载励磁电压不同，则需加以调节。考虑到控制的需要，应该对LCI输出的励磁调节信号最大/最小值加以限位，并增加必要的惯性环节。国产化改造后，图1中静态启动设定（LCI ref）的实际构成如图2所示。图中K是基于不同标幺化标准及不同的空载励磁电压的线性转换比例。最大值限制一般可以设为2.5倍的空载励磁电压，最小值限制一般设定为0。惯性环节时间常数可以参照原有系统的时间常数。

图2 静态启动设定信号产生的转换环节

在LCI与励磁系统的连接上，由于双方涉及的控制信号较少，只有LCI的磁通控制信号，故无论是LCI同步改造还是励磁独立改造，均建议采用硬接线方式。考虑到静态启动配置为多对多方式（一般为二对多）,可以在励磁回路中增加硬接线回路实现选择控制。实现的方案是：当燃气轮机控制选择启动装置后，将相应的选择信息传送至励磁系统，励磁系统根据这一信息选择所接受的硬接线信号，见图3。

图3 磁通控制选择模块

2.2 励磁系统的静态启动模式及TV断线功能的退出

在国产励磁系统中，除了构建静态启动装置励磁调节参考值输入控制通道外，还必须构建针对MARK VI发出的励磁静态启动命令的响应及反馈，同时该信号也作为上述励磁电压设定选择信号即图1中的静态启动模式信号。因此需增加相应的信号控制回路。

采用静态启动模式的励磁系统还需要注意的问题是：在静态启动过程中由于初始阶段发电机出口电压较低，故常规励磁系统中的PTUV（电压互感器断线）保护将动作。因此静态启动过程中励磁系统应退出PTUV，从自动AVR模式切换至手动FVR模式，同时发出相应的报警信号。由于静态启动模式实质上是手动FVR模式，因此该控制的退出不会影响励磁系统的正常工作。

2.3 励磁系统在静态启动过程中的相关保护

常规的国产励磁系统一般都设计有相应的励磁保护功能，如过磁通即伏赫兹（V/H）限制及保护、过励磁限制及保护（其中包括空载过励磁保护及带载过励磁保护）和低励限制等。其中与静态启动相关的保护涉及过磁通限制及保护、空载过励磁限制及保护功能。

过磁通限制及保护是为了防止发电机及主变等设备过激磁和发热。由于励磁系统在静态启动中的特殊性，因此相关概念与常规的励磁系统有所区别。首先，常规的励磁系统在空载时由于转速维持在额定范围（一般机组在转速达到95%时自动启励），因此不存在类似于静态启动时的低频运行工况，故动作逻辑常设置成低于整定频率（45 Hz或40 Hz）时由励磁实现逆变灭磁，而在静态启动时需要维持励磁系统在低频运行。同时常规励磁系统认为空载过磁通限制主要为过电流限制，这也是基于频率基本不变的常规运行工况，而静态启动阶段由于频率可变，故涉及发电机电压及频率的共同作用。在静态启动阶段，励磁受静态启动装置的调节控制（即启动装置的磁通控制模块的控制），为防止发电机在静态启动初期过励磁及启动后期过电压，启动装置将控制励磁以使发电机按一定的磁通与转速的关系曲线运行，即发电机在基本转速下维持磁通恒定，大于基本转速后维持电压恒定。常规励磁系统的过磁通限制一般设定为1.1，涵盖了静态启动过程的磁通曲线，故不建议单独增设静态启动模式下的过磁通限制及保护。

常规励磁系统对空载过励磁限制及保护是为了防止空载误强励导致过电压对发电机及变压器的损害及使励磁系统灭磁功能损坏。在静态启动过程中，虽然静态启动装置中的励磁调节模块自带励磁电压限制功能，但仍建议在励磁回路的保护功能中增加针对静态启动模式的空载过励磁限制功能，主要用于防止过电压对启动装置的损害。因为启动装置的输出比发电机的正常额定电压小得多，如果启动过程的过励磁设定仍然利用常规励磁系统的空载过励磁限制功能，则可能使启动装置遭受发电机反电动势过电压的损害。静态启动过励磁限制功能的定值可按启动装置最大可承受的发电机反电动势电压来设定。

3 结语

通过对GE 9F燃气轮机励磁系统国产化改造所涉及的交互控制模式及国产励磁系统为适应该类型机组在控制功能上所需要的改进及研究，认为该类型励磁系统具备国产化改造的可行性。

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