錢(qián)慶生，洪 超

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102；2.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

目前我國(guó)幾乎所有電站的機(jī)組啟停均靠人工判斷和控制，這種方式存在的缺點(diǎn)包括：（1）嚴(yán)重依賴(lài)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)和水平；（2）人工控制費(fèi)時(shí)費(fèi)力，延長(zhǎng)了啟停過(guò)程的時(shí)間；（3）有時(shí)候僅靠運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，為了追求運(yùn)行的方便，難免存在設(shè)備熱應(yīng)力過(guò)大、減少設(shè)備壽命、甚至設(shè)備損害的現(xiàn)象。上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的德國(guó)西門(mén)子公司超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)，采用一系列熱應(yīng)力計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)視汽輪機(jī)應(yīng)力變化，數(shù)字電液（DEH）控制系統(tǒng)自啟停順控步驟的執(zhí)行，不僅大大減輕了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)，提高了機(jī)組啟停速度，而且也保證了機(jī)組的安全使用壽命。這項(xiàng)技術(shù)已在幾個(gè)電廠得到成功應(yīng)用，本文以華電望亭發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組為例，進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 西門(mén)子超超臨界汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 DEH控制系統(tǒng)硬件配置

望亭3號(hào)機(jī)組DEH控制系統(tǒng)采用西門(mén)子T3000控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了超高速處理器以及與之相配合的專(zhuān)用輸入輸出模件，和西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)處理器以及輸入輸出模件，以滿(mǎn)足DEH控制各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)處理器運(yùn)算速度的不同要求。

（1）控制器。在1號(hào)控制柜中，采用了2對(duì)冗余的處理器417H和FM458，實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換，切換時(shí)間為毫秒級(jí)。417H為西門(mén)子的標(biāo)準(zhǔn)處理器，而FM458即為超高速處理器。FM458具有高性能閉環(huán)控制和運(yùn)算處理，高速響應(yīng)能力以及高分辨率的特點(diǎn)，最小運(yùn)算周期達(dá)到0.1 ms的水平，正常控制邏輯運(yùn)算處理周期一般選取幾毫秒。DEH控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制、ETS緊急遮斷和甩負(fù)荷預(yù)測(cè)及控制等要求快速處理能力的控制系統(tǒng)均由FM458實(shí)現(xiàn)，因此，1號(hào)控制柜也被稱(chēng)為核心控制柜。2、3號(hào)控制柜主要用于輔助系統(tǒng)控制和一些對(duì)處理速度要求不高的運(yùn)算控制。

（2）I/O模件。除了常規(guī)的通用模件ET200M之外，與FM458相配合的是DEH專(zhuān)用控制接口模塊ADDFEM，該模塊不同于傳統(tǒng)輸入輸出模塊，它包含了16個(gè)DI通道、12個(gè)AI通道、3個(gè)PI通道、12個(gè)DO通道以及8個(gè)AO通道。模擬量輸出信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)伺服閥，具有完善的自診斷功能、傳感器斷線監(jiān)測(cè)功能、在線插拔功能。

（3）系統(tǒng)通信。工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，用于AS417H控制器、工程師站、操作員站總線間的通信，速度可達(dá)100 Mb/s。PROFIBUS-DP通信協(xié)議用于AS417H控制器與ET200M及FM458與ADDFEM接口間的通信，速度可達(dá)12 Mb/s。

2 自啟動(dòng)控制步驟及X準(zhǔn)則和Z準(zhǔn)則

圍繞自啟動(dòng)控制策略有兩個(gè)核心問(wèn)題，一個(gè)是執(zhí)行自啟動(dòng)每一步驟的判斷條件是什么，另一個(gè)是根據(jù)當(dāng)前工況如何既安全又高效的執(zhí)行自啟動(dòng)步驟。前者是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，系統(tǒng)將通過(guò)X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則來(lái)監(jiān)視、判斷各熱力參數(shù)是否滿(mǎn)足工況或應(yīng)力的要求，從而決定是否進(jìn)行下一步驟。

2.1 自啟動(dòng)步驟

從汽機(jī)盤(pán)車(chē)到并網(wǎng)帶負(fù)荷，自啟動(dòng)步驟共經(jīng)歷35步，其中邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，下面簡(jiǎn)要列出其步序要領(lǐng)。

（1）汽機(jī)本體及輔助系統(tǒng)進(jìn)行自檢，檢查各個(gè)設(shè)備、閥門(mén)狀態(tài)是否正常；并將各相關(guān)設(shè)備投入聯(lián)鎖，以備自啟動(dòng)控制；

（2）自啟動(dòng)油系統(tǒng)，打開(kāi)汽機(jī)各疏水閥，開(kāi)始進(jìn)行暖管、暖閥；

（3）暖管一定程度使得滿(mǎn)足X2準(zhǔn)則、Z3準(zhǔn)則、Z4準(zhǔn)則后，打開(kāi)主汽門(mén)，繼續(xù)暖管、暖閥；

（4）暖管、暖閥充分并滿(mǎn)足X4準(zhǔn)則、X5準(zhǔn)則、X6準(zhǔn)則后，由運(yùn)行人員進(jìn)行了蒸汽品質(zhì)確認(rèn)，開(kāi)始沖轉(zhuǎn)汽機(jī)至600 r/m暖機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行低速暖機(jī)；

（5）增加汽機(jī)高壓缸的暖機(jī)程度，在滿(mǎn)足相應(yīng)條件和X7準(zhǔn)則后，還是由運(yùn)行人員進(jìn)行升速確認(rèn)，將汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速；

（6）逐漸關(guān)閉部分疏水閥，進(jìn)一步暖機(jī)，滿(mǎn)足X8準(zhǔn)則后，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，機(jī)組帶初負(fù)荷。

2.2 X準(zhǔn)則和Z準(zhǔn)則

汽輪機(jī)從盤(pán)車(chē)狀態(tài)到并網(wǎng)帶負(fù)荷狀態(tài)這一過(guò)程中，汽機(jī)缸溫、轉(zhuǎn)子溫度、蒸汽參數(shù)以及相應(yīng)的傳熱量都在不斷變化中，為了限制汽輪機(jī)的熱應(yīng)力，汽輪機(jī)應(yīng)力估算器TSE使用可調(diào)整的溫度準(zhǔn)則——X準(zhǔn)則判斷機(jī)組是否能夠接受運(yùn)行方式的改變，并將判斷后的結(jié)果作為允許條件送到上述汽輪機(jī)自啟動(dòng)順控步序中。

2.2.1 Z準(zhǔn)則

Z準(zhǔn)則的目的主要是保證主蒸汽和再熱蒸汽具有一定的過(guò)熱度，在開(kāi)啟高壓主汽門(mén)之前加以判斷，防止因高壓調(diào)門(mén)不嚴(yán)，導(dǎo)致有濕蒸汽進(jìn)入到汽輪機(jī)中，損傷設(shè)備。

Z3準(zhǔn)則為

式中：TMS為高壓旁路閥前的主蒸汽溫度；TSatMS為主蒸汽的飽和溫度，由當(dāng)前主蒸汽壓力計(jì)算得到；Zs為過(guò)熱度定值，一般設(shè)置為10 K。

Z4準(zhǔn)則為

式中：TRHS為中壓主汽閥前的再熱器溫度；TSatRHS為再熱器的飽和溫度，由當(dāng)前再熱器壓力計(jì)算得到；Z4為過(guò)熱度定值，一般設(shè)置為10 K。

2.2.2 X2準(zhǔn)則

X2準(zhǔn)則也是在開(kāi)啟高壓主汽門(mén)前加以判斷，目的是為了防止高壓調(diào)門(mén)閥體承受過(guò)大的熱應(yīng)力。在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽機(jī)高調(diào)門(mén)的閥體溫度低于主蒸汽的飽和溫度。當(dāng)打開(kāi)主汽門(mén)后，蒸汽與調(diào)門(mén)直接接觸，以凝結(jié)換熱的方式向調(diào)門(mén)閥體傳遞熱量。由于凝結(jié)換熱的放熱系數(shù)很大，劇烈的換熱將使閥體的溫度很快上升到蒸汽的飽和溫度。如果閥體內(nèi)部溫度過(guò)低，就會(huì)在閥體內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，所以要求主蒸汽的飽和溫度不能過(guò)高于高調(diào)閥閥體內(nèi)部溫度。

X2準(zhǔn)則為

式中：TSatMS為主蒸汽的飽和溫度；THCV50%為高調(diào)門(mén)閥體50%深度處的溫度，可近似看作平均溫度；X2為高調(diào)門(mén)所允許的上升溫度裕度，與高調(diào)門(mén)閥體溫度的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 X2與THCV50%的函數(shù)關(guān)系

2.2.3 X4準(zhǔn)則

X4準(zhǔn)則在開(kāi)啟調(diào)門(mén)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)前加以判斷，目的是保證一個(gè)適當(dāng)?shù)闹髡羝^(guò)熱度，在汽輪機(jī)帶負(fù)荷時(shí)防止高壓缸末級(jí)葉片處蒸汽存在較大濕度。蒸汽對(duì)金屬的放熱系數(shù)與蒸汽的狀態(tài)有很大的關(guān)系，濕蒸汽的放熱系數(shù)較大，過(guò)熱蒸汽的放熱系數(shù)較小。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，為了避免在金屬部件內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的溫差，要采用微過(guò)熱蒸汽沖動(dòng)轉(zhuǎn)子，所以要求主蒸汽溫度具備合適的過(guò)熱度。X4準(zhǔn)則為

式中：TMS為高壓主汽門(mén)前的主蒸汽溫度；TSatMS為主蒸汽的飽和溫度，由當(dāng)前主汽門(mén)前主蒸汽壓力計(jì)算得到；X4為過(guò)熱度限值，與主蒸汽的飽和溫度的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 X4與TSatMS的函數(shù)關(guān)系

2.2.4 X5準(zhǔn)則

X5準(zhǔn)則也是在開(kāi)啟調(diào)門(mén)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)前加以判斷，目的是保證沖轉(zhuǎn)時(shí)主蒸汽溫度高于汽輪機(jī)高壓缸缸體和轉(zhuǎn)子的溫度，避免高壓缸和高壓缸轉(zhuǎn)子的冷卻。但在缸體或轉(zhuǎn)子溫度很高，大于560℃時(shí)，允許主蒸汽溫度略低一些。X5準(zhǔn)則為

式中：TMS為高壓主汽門(mén)前的主蒸汽溫度；max（THPC，THPS）為高壓缸缸體50%壁厚處溫度和高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度的較大值；X5為溫差限值，與max（THPC，THPS）的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 X5與 max（THPC，THPS）的函數(shù)關(guān)系

2.2.5 X6準(zhǔn)則

X6準(zhǔn)則類(lèi)似于X5準(zhǔn)則，只是針對(duì)中壓缸而言，目的是避免汽輪機(jī)中壓缸轉(zhuǎn)子的冷卻。X6準(zhǔn)則為

式中：TRHS為中壓主汽閥前的再熱器溫度；TIPS為中壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度；X6為溫差限值，與TIPS的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 X6與TIPS的函數(shù)關(guān)系

2.2.6 X7a準(zhǔn)則

X7a準(zhǔn)則是在低速暖機(jī)后準(zhǔn)備沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)檢查的準(zhǔn)則。其目的檢驗(yàn)高壓缸轉(zhuǎn)子的暖機(jī)度，由于汽輪機(jī)是直接從600 r/min升速至3000 r/min，中間不停頓，為防止在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中因?yàn)檗D(zhuǎn)子內(nèi)外加熱不均，所產(chǎn)生的內(nèi)外溫差造成應(yīng)力超限，發(fā)生設(shè)備損壞或縮短使用壽命，必須在沖轉(zhuǎn)之前檢查高壓缸轉(zhuǎn)子暖機(jī)是否充分。X7a準(zhǔn)則為

式中：TMS為高壓主汽門(mén)前的主蒸汽溫度；THPS為高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度；dTperm-up-HPS為高壓缸轉(zhuǎn)子的升速裕度；X7a為溫差限值，與THPS的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 溫差限值X7a與THPS的函數(shù)關(guān)系

2.2.7 X7b準(zhǔn)則

X7b準(zhǔn)則與X7a準(zhǔn)則類(lèi)似，同樣是檢驗(yàn)汽輪機(jī)在低速暖機(jī)時(shí)，高壓缸缸體的暖機(jī)度，保證高壓缸各個(gè)部件得到充分的預(yù)暖，避免在升速至額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中，高壓缸缸體熱應(yīng)力超限。X7b準(zhǔn)則為

式中：TMS為高壓主汽門(mén)前的主蒸汽溫度；THPC為高壓缸缸體平均溫度；dTperm-up-HPC為高壓缸的升速裕度；X7b為溫差限值，與THPC的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表6。

表6 X7b與THPC的函數(shù)關(guān)系

2.2.8 X8準(zhǔn)則

X8準(zhǔn)則是在汽輪機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前進(jìn)行檢查的準(zhǔn)則。其目的是保證中壓缸轉(zhuǎn)子具有合適的暖機(jī)度，這是因?yàn)樵跈C(jī)組并網(wǎng)之前，中壓調(diào)門(mén)開(kāi)度很小，中壓缸蒸汽流量相對(duì)于高壓缸流量非常有限，雖然高壓缸各部件暖機(jī)已經(jīng)充分，但是中壓缸卻不一定得到充分預(yù)暖。一旦機(jī)組并網(wǎng)帶上負(fù)荷后，中壓調(diào)門(mén)開(kāi)度將逐步開(kāi)大，中壓缸蒸汽流量將大幅增加，若前期預(yù)暖不夠，中壓轉(zhuǎn)子將會(huì)因?yàn)閮?nèi)外溫差過(guò)大造成應(yīng)力超限，損傷設(shè)備。X8準(zhǔn)則就是鑒于此原因而產(chǎn)生的：

式中：TRHS為中壓主汽門(mén)前的再熱蒸汽溫度；TIPS為中壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度；X8為溫差限值，且X8＝2.3×dTperm-up-HPS，其中dTperm-up-HPS為中壓缸轉(zhuǎn)子的升速裕度。

3 汽輪機(jī)熱應(yīng)力監(jiān)控及控制裕度

汽機(jī)自啟動(dòng)過(guò)程中如何做到既安全平穩(wěn)地運(yùn)行機(jī)組，又能及時(shí)快速地響應(yīng)用戶(hù)的需求，發(fā)揮機(jī)組最大的性能，是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。在保證設(shè)備熱應(yīng)力較小、不超限的前提下，快速改變機(jī)組的運(yùn)行工況，這種變化速度的能力，稱(chēng)之為控制裕度。顯然，控制裕度是由當(dāng)前設(shè)備的熱應(yīng)力所決定的，如何準(zhǔn)確地表征和計(jì)算熱應(yīng)力則是控制機(jī)組運(yùn)行的重要前提。

3.1 應(yīng)力監(jiān)視及應(yīng)力計(jì)算

汽輪機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中，隨著高參數(shù)的蒸汽涌入汽缸，蒸汽不斷給汽缸和轉(zhuǎn)子加熱，這時(shí)汽缸的內(nèi)壁溫度高于外壁溫度，內(nèi)壁的熱膨脹由于受到外壁的約束而受到壓縮，產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力；外壁則由于受內(nèi)壁膨脹的拉伸，產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。同樣，此時(shí)轉(zhuǎn)子外表面和中心存在溫差，溫度高的外表面受到壓縮熱應(yīng)力的作用，而中心則受到拉伸熱應(yīng)力的影響。機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，汽機(jī)各部件則是一個(gè)冷卻過(guò)程，各個(gè)部位所受到的應(yīng)力與啟動(dòng)時(shí)正好相反。這些熱應(yīng)力都是不可避免的，但是如何將熱應(yīng)力控制在設(shè)備可以承受的范圍之內(nèi)卻是我們關(guān)心的問(wèn)題。西門(mén)子獨(dú)有的汽輪機(jī)應(yīng)力估算器——TSE模塊從溫差的角度出發(fā)，監(jiān)視并計(jì)算應(yīng)力。

由熱彈性理論可知，部件的熱應(yīng)力與金屬部件內(nèi)部的溫度梯度成正比，故可采用部件的表面溫度和平均溫度的差值來(lái)表征熱應(yīng)力的大小。如圖1所示，選取設(shè)備關(guān)鍵部件，采用熱電偶測(cè)量其與蒸汽接觸的表面的溫度和50%深度壁厚處的溫度，計(jì)算兩者之間的溫差，以溫差表征熱應(yīng)力。通過(guò)預(yù)先設(shè)置各部件的最大允許溫差，將計(jì)算后的溫差與其進(jìn)行比較，來(lái)決定是否應(yīng)力超限。因此，應(yīng)力監(jiān)視最終通過(guò)測(cè)量溫差得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)示意

50%深度壁厚處的溫度Tm可看作該部件的平均溫度，那么最大允許溫差（包含允許上限和允許下限）則是Tm的函數(shù)，部件表面溫度與Tm的差值與允許溫差進(jìn)行比較即可得到機(jī)組運(yùn)行的溫度裕量。其關(guān)系如下：

式中：ddTup為上升溫度裕量；dTperm-up為溫差允許上限；ddTdn為下降溫度裕量；dTperm-dn為溫差允許下限。

3.2 汽輪機(jī)自啟動(dòng)控制裕度

在盡快改變汽輪機(jī)負(fù)荷的同時(shí)，將各部件應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)，選取汽輪機(jī)熱應(yīng)力比較集中的5個(gè)關(guān)鍵部位：高壓主汽門(mén)閥體、高壓調(diào)門(mén)閥體、高壓缸缸體、高壓缸轉(zhuǎn)子、中壓缸轉(zhuǎn)子為應(yīng)力監(jiān)視對(duì)象，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，將最小的上升和下降溫度裕量作為此時(shí)汽輪機(jī)的上升和下降溫度裕量。據(jù)此再?gòu)耐钙綉?yīng)力評(píng)估WTG中產(chǎn)生出負(fù)荷上升控制裕度WTO和負(fù)荷下降控制裕度WTU，并將其與系統(tǒng)設(shè)定的最大允許裕度FBMAX相比，分別得出相應(yīng)的比值。該比值可看作機(jī)組負(fù)荷變化的控制裕度，它隨機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、應(yīng)力情況的改變而改變，一旦上升或下降裕度為零，則停止該方向的負(fù)荷變化。將此比值與固定的轉(zhuǎn)速設(shè)定值梯度NSVG相乘即得到轉(zhuǎn)速設(shè)定值的變化速率；與固定的負(fù)荷設(shè)定值梯度PSVG相乘即得到負(fù)荷設(shè)定值的變化速率，由此來(lái)控制機(jī)組的負(fù)荷升降的快慢，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

西門(mén)子660MW超超臨界汽輪機(jī)自啟動(dòng)控制系統(tǒng)很好的解決了啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力估算和應(yīng)力控制的問(wèn)題。采用了X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則和控制裕度等概念，在應(yīng)力合適的前提下，大大提高了機(jī)組的啟動(dòng)速度，系統(tǒng)自我決策，減輕了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)并降低了機(jī)組啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，值得國(guó)內(nèi)同類(lèi)型機(jī)組的學(xué)習(xí)和借鑒。

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