1 前言

      Mark V控制系统是美国通用电气（GE）公司生产的第三代数字电液涡轮机控制系统，与其生产的涡轮发电机组配套使用。它既可用于燃气轮机，也可用于蒸汽轮机。Mark V可以配置成单工或三冗余（TMR）方式，我厂660MW机组所配套的Mark V为TMR配置。

      华能德州电厂三期扩建工程（#5、6机组）为两台660MW进口燃煤机组，汽轮发电机组及其控制系统是由美国通用电气公司提供。工程于1999年9月28日正式开工兴建，#5机组于2002年4月29日进入整组启动阶段，于6月29日完成168小时试运行，移交生产。

      Mark V控制系统在考虑机组的安全性和可靠性方面有独到之处，其三冗余的设计理念与众不同。由于，Mark V控制系统在我国实际用于蒸汽轮机控制的机组数量较少，了解这套控制系统的人为数不多，在此，以应用于我厂660MW机组的Mark V控制系统为例，向大家作以简单介绍。希望能对从事汽轮机控制系统设计、制造、运行和维护的专业人士有所启发。

      2 系统组成、原理及特点

      Mark V汽机控制系统在我厂分为大机Mark V和小机Mark V两个系统，大机指的是660MW机组的汽轮机，小机指的是两台驱动锅炉给水泵的汽轮机。由于大机Mark V控制系统组成复杂、功能齐全，因此本文以大机Mark V控制系统为例进行介绍。

      简单地说，Mark V控制系统由硬件和软件两大部分组成。

      #5机组Mark V系统硬件由两个控制柜、两个人机接口（HMI）站、打印机、液压装置等设备组成，大、小机及EX2000控制系统结构图参见图1；软件采用易于理解和修改的BBL语言进行编程。几个ATS算法利用C语言编程，而且只能在制造厂内编辑。

      Mark V TMR汽机控制系统的基本组成简述如下：

      1. 两个控制柜中一个是主控柜，另一个是电源柜（或称辅助柜）。柜内包括电源及电源分配器，通用控制器和，三冗余主控制器、、，保护控制器，功率/负荷不平衡控制器， I/O信号控制器、、以及大量I/O信号及端子板。Mark V内部通讯连接图参见图2。

      2.两个人机接口站（与小机Mark V合用），一个是操作员站，另一个是工程师站。通过两个人机接口站与DCS（德国西门子公司的TXP系统）实现通讯，可以在DCS的操作员站上对Mark V系统进行操作。

      3.为阀门执行机构及紧急跳闸系统提供1600psi油压的液压装置，安装在汽机房0米，液压机械系统之下，以保证流体正常循环。

      4.液压阀门驱动装置在收到来自汽机控制柜的指令信号后，利用高压抗燃油来驱动阀门，并利用阀位传感器为控制系统提供阀位反馈信号。液压阀门驱动装置与调节阀均由GE公司配套提供。

      5.汽机转速传感器、紧急跳闸阀及机械超速跳闸装置布置在汽机前轴承箱内。
      Mark V控制系统的基本原理：微处理器周期性地采集所有的输入信号，然后根据控制程序逻辑，对信号进行处理计算，再将计算结果输出到汽轮机的阀门控制设备，从而完成对汽轮机的各项控制、保护等重要功能和其它辅助功能。其中大量的控制逻辑、运算和保护逻辑在各主控制器的微处理器中执行，而zui关键的逻辑和保护功能（如电子超速保护、功率/负荷不平衡控制﹤PLU﹥、早期阀门动作﹤EVA﹥等）由硬件逻辑直接完成。无论逻辑是由软件还是由硬件完成，zui终都由继电器或放大器输出来完成各自的功能。

      Mark V控制系统的特点：

      1. 电源系统安全可靠。Mark V控制系统设计有三路独立且能相互无扰切换

      的电源供电，两路为交流220V（厂用UPS和保安段），一路直流110V（蓄电池）电源。

      2. 控制系统可靠性高。由于采用数字技术、软件技术、软件容错（SIFT）技术以及三冗余配置，Mark V（TMR）控制系统具有灵活、、稳定、可靠等特点。

      3. 运算速度快。每个控制器作为一个分散式、多微处理器控制器，具有zui大的数据处理能力，并具有高分辨率的时间标签、高速数据采集能力（如数字信号采样周期为1ms）。与DCS的通讯以以太网连接、冗余配置，具有高速可靠的特点。

      4. 良好的技术性能。全数字式调阀控制回路，具有的线性响应特性。

      5. *的控制功能。除了具有常规的转速、负荷、流量控制功能之外，还具有较强的自诊断功能，能将故障的控制模件迅速隔离，以确保系统正常可靠运行。当发生故障时，整个控制系统和各控制器可以在线维修，zui大限度地满足机组安全可靠地运行。

      6. 比较友好的人机接口。基于PC的人机接口站，配有彩显、打印机，具有参数越限报警、事件记录、跳闸记忆等功能，显示画面可灵活修改，并且，能与DCS灵活方便通讯，具有在线维修等特点。

      7. 配有和机组其它设备直接接口的模件，如TSI、CT、PT等。整个控制系统布置紧凑、结构合理，工作可靠，维护方便。      Mark V控制系统的zui大特点为三倍冗余（TMR）技术，它不仅是主控制器三冗余，保护控制器内的模件三冗余，以及功率/负荷不平衡控制器内的模件三冗余，而且它的主要测量元件（如主汽压、再热汽压、转速、轴位移、LVDT等）和执行机构（如三线圈伺服阀）也是三冗余，重要的模拟量输出均采用硬件表决，其原理参见图3。

      根据有关数学模型和理论计算结果，可得出以下结论：

      单模系统： 平均*时间MTBF=10000 小时

      无修复TMR： 平均*时间MTBF=8333 小时

      能修复TMR： 平均*时间MTBF=1675000小时

      由此可见，很小的修复率，可以大大增加系统的MTBF，因此，是否具有在线修复能力对提高TMR系统的可靠性、延长MTBF至关重要，没有在线修复能力的TMR系统毫无意义，所以TMR系统都具在线修复能力。为了在TMR系统中容忍表决器的故障，可以对表决器也采用TMR技术， Mark V（TMR）系统中的表决器采用TMR设计，因此，其MTBF得到更大限度地延长。      3 系统功能

      Mark V TMR汽机控制系统具有以下基本的汽机控制功能：

      1.在整个转速范围内对汽机转速及加速度进行自动控制，并提供几个离散的转速值和加速度额定值。

      2.对负荷以及从零负荷到满负荷的负荷变化率进行自动控制，并提供连续负荷调整及负荷变化率。

      3.当必须停运自动控制部分，但继续向电网供电时，对转速及负荷采用半自动控制方式。

      4.负荷限制，使运行参数保持在预定范围内，如负荷和主汽参数保持理想的数值，或将负荷保持在用户自定义范围内，如改变电厂的配置，提高电厂负荷输出能力。

      5.检测危险及不良的运行环境，对检测到的危险状况进行报警并引发系统做出相应的反应。

      6.监视控制系统包括其电源及冗余的控制回路的状态。

      7.对阀门及控制功能进行试验。

      主要功能简述：

      1. 转速控制功能

      转速控制功能与跳闸系统*协调。在整个转速范围内，能将汽机从盘车转速地调节到任一转速，以便对超速跳闸保护装置进行试验。

      安装在汽机轴上齿轮附近的三只转速传感器分别接入三个三重冗余的调速通道。三重冗余的转速控制回路在同步后准确调整机组的转速和加速度。转速的zui终控制是由来自三个电子调速器通道的信号经3取2后确定。

      转速控制功能还包括同步功能，同步功能分三种方式，即手动同步、自动同步及同步检测保护方式。

      2. 负荷控制功能

      负荷控制功能的目的是接受来自DCS的指令参考值，将该值与负荷控制功能中的参考值相结合，并为流量控制功能提供流量参考值，来实现对机组负荷的控制。

      3. 流量控制功能－汽机阀门控制

      我厂660MW汽轮机配有两个高压主汽阀、四个高压调节阀、两个中压主汽阀和两个中压调节阀，其中＃2主汽阀带有一个用于暖阀的旁路阀。高、中压调节阀采用闭环控制，高、中压主汽阀采用开环控制，其位置为全开或全闭。

      4. 保护功能

      1） 功率/负荷不平衡（PLU）：提供对速度变化率敏感的PLU功能是为了在甩负荷工况下快速关断高压调节阀及中压调节阀，以免使转子加速度过高进而造成超速。

      2） 汽机保护：在危急工况时，保护设备通过使汽机跳闸或减负荷来保护汽轮发电机组。

      3） 紧急超速保护：具有两个相互独立且相互冗余的电超速保护系统。

      5. 其它控制及监视功能

      1） 汽机自动启动（ATS）及顺控：ATS通过操作员接口接受来自运行人员的指令或通过数据传输通道接受来自DCS的指令，与极限值相比较后向基本控制器发出执行指令。ATS程序在各种运行方式下都可执行。

      2） 汽机带旁路运行时的操作（TBS）：汽机运行带有旁路控制系统（苏尔寿产品，不在Mark V控制范围内），主要用于机组启动和甩负荷。

      3） 汽机监视仪表：GE公司选用Bently（本特利）公司的传感器和前置器，接入Mark V系统形成了汽轮发电机监视系统（TGM）。TGM监视汽机、发电机、锅炉给水泵汽机的压力、温度和振动、膨胀、偏心等参数。

      4 应用情况

      Mark V控制系统在我厂应用时间虽然不长，但是它的控制功能已经得到较好的验证，下面对其各项控制及保护功能在我厂的应用情况予以说明。

      1. 转速控制功能

      Mark V控制系统能够将汽轮机的转速稳定地控制在转速设定值，转速控制静态偏差2 r/min，动态过程稳定。试运初期转速控制静态偏差较大（16 r/min），经过调试，各项指标已经符合要求。另外，Mark V还具有加速度控制及摆频功能，转速2500 r/min暖机时，转速控制摆频器自动投入工作，摆频周期为1分钟，摆频幅度为84 r/min，摆频的目的是防止汽机轮以易引起叶片共振的恒定转速运行。

      2. 负荷控制功能

      负荷控制功能的目的是接受DCS、ATS、HMI等控制设备的参考值，将这些输入值与负荷控制功能中参考值相结合，为流量控制功能计算流量参考值。负荷控制功能包括以下内容：

      1） 负荷参考值；2）升负荷率；3）负荷返回；4）阀位限制；5）负荷设定

      值返回；6）主汽压力限制器；7）调节阀试验偏差；8）调节级压力反馈；9）阀门参考值；10）MW负荷限制；11）MW反馈；12）CVR与VPL之间的跟踪。

      Mark V控制系统功率反馈功能与DCS功率反馈功能同时工作可能引起负荷不稳定，我厂Mark V控制系统基本上运行在接受DCS遥控方式，因此其功率反馈功能未投入。

      3. 汽轮机自启动功能（ATS）

      Mark V控制系统提供了ATS功能。ATS软件执行过程中提供各种方式下的信息，如果Mark V处于自动方式下，转速、负荷、流量控制功能就会采用ATS信息作为设定值，这种方式在我厂未得到实际应用；在半自动方式下，来自ATS算法的信息提供操作员指导，这种方式受到运行人员的欢迎。控制系统向操作人员提供以下重要信息：1）高压转子表面温度、应力、预测应力；2）高压转子中心孔温度、应力、预测应力；3）中压转子表面（中心孔）温度、应力、预测应力；4）中压排汽端表面（中心孔）温度、应力、预测应力；5）主汽温度推荐范围；6）再热蒸汽温度推荐范围，以及汽轮发电机组的许多报警保持信息，供运行人员操作指导。

      4. 保护功能

      Mark V 将汽轮机的控制与保护功能比较地结合在一起，尤其是其保护功能的完备程度值得国产机组控制系统借鉴。它除了通常的超速、轴向位移大、振动大、胀差大、润滑油压力低、油箱油位低、真空低、排汽温度高、液压油压力低、发电机断水等跳闸保护外，还增加了加速度过大跳闸、零转速不一致跳闸PLU、EVA、IVT（中调阀快关）、TA（跳闸预期）等保护功能。在此仅对其与众不同的PLU、EVA、IVT、TA等功能进行简要说明。

      1） PLU功能的目的是在汽轮发电机组甩负荷时，通过快关CV1～CV4和

      IV1&IV2，使汽轮机避免过度加速和超速跳闸。汽轮机功率由再热蒸汽压力修正后得到，发电机负荷由三相电流之和修正后得到，当满足以下条件时PLU发生。（1）汽轮机功率与发电机负荷之差>40%额定负荷；（2）发电机功率丢失速率>额定负荷/35ms。PLU逻辑由控制器硬件完成，可以在正常运行时分别进行试验。

      2） IVT功能是当负荷甩掉10%以上时，快关IV1&IV2以维持汽机转速峰值在

      预定范围内。IV1&IV2快关后返回到伺服控制，机组返回到转速控制的稳定工况。

      3） EVA功能是在电网不稳定时，IV快关约1秒，以减小机械功率，防止发

      电机功率角的继续增大及随之而来的同期丢失。

      4） TA功能可提供一个设定值较低与负荷参考值成比例的跳闸参照值，其变

      化范围在106%（额定负荷时）至104%（50%额定负荷时）之间。此时电气跳闸电磁线具有非闭锁的跳闸功能，即汽机峰值转速高于TA参照值时，跳闸没有锁定，当转速低于参照值后跳闸装置复位，高、中压主汽阀重新打开，机组返回额定转速状态下。

      以上几种*的保护功能虽然经过了精心的静态调试，但是鉴于各种原因，没有进行动态试验，而且我厂采用发电机解列时跳闸汽轮机的运行方式，使得MarkV的这些功能也难以充分发挥。

      5. 在线试验功能

      MarkV具有以下在线试验功能:

      1）阀门活动试验，试验由操作员在HMI启动，分别逐渐关闭阀门至9%（以证明正常运行控制设备的可靠性）时，快关电磁阀动作（证明快动保护设备的可靠性）。

      2）ETD1（电气跳闸装置）、ETD2、ETSV（紧急跳闸电磁阀）试验，MarkV可以在线试验跳闸电磁阀ETD1、ETD2、ETSV以证明其动作可靠，但不会导致汽轮机跳闸。这些功能在我厂得到较好的应用。

      另外与大多数国产机组一样，它还具有在线/离线超速试验，阀门严密性试验，保护试验等功能。

      6.曾出现的问题

      试运过程中，平衡阀EQ-2电磁阀烧坏，更换后运行时间不长再次烧坏，并且导致QD2端子板烧坏2块，其原因GE公司尚未给予明确且可信的答复。

      5 结束语

      实践证明，GE公司生产的Mark V控制系统，在功能、性能等方面能够较好地满足我厂660MW机组的运行要求（7月下旬，做汽轮机效率实验时，曾将机组负荷稳定地控制在728MW左右数个小时）。当然，它也并不是无缺，还有一些不方便之处。比如：显示画面、系统及应用软件均用英文，个别单位为英制；由于结构过于紧凑，在线更换卡件或电源保险时，会有一定风险。目前来说，这些问题还很难解决。