江春明

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

在貴溪冶煉廠三十萬噸銅冶煉工程項(xiàng)目中，作為余熱利用的重要環(huán)節(jié)，我廠引進(jìn)了德國KKK公司的飽和蒸汽透平機(jī)組[1](2#透平)，為實(shí)現(xiàn)高、低壓蒸汽的平衡，達(dá)到余熱利用的最大化，該機(jī)組采用的是所謂“一擔(dān)挑”形式，即高壓透平部分采用AFA4 G6a背壓式透平，低壓透平部分采用的是AFA6 G6b凝汽式透平，高、低壓透平共用一個(gè)發(fā)電機(jī)。閃速爐、轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生的4.0MPa飽和蒸汽經(jīng)高壓透平吸收熱能發(fā)電后降壓至0.90MPa，與硫酸余熱鍋爐產(chǎn)生的1.0MPa飽和蒸汽混合后，再次進(jìn)入低壓透平發(fā)電，最后排入復(fù)水器回收冷凝水。發(fā)電機(jī)出線則通過并網(wǎng)裝置、高壓柜與2#動(dòng)力中心高壓母線相連，與二系統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。具體工藝流程如圖1。

2 2#透平控制原理及編程組態(tài)

圖1 2#透平機(jī)組基本工藝流程

我廠2#透平發(fā)電機(jī)組實(shí)際上相當(dāng)于兩臺(tái)透平機(jī)組，高壓透平部分采用的是“505”汽輪機(jī)控制器[2]，低壓透平部分采用的是SIPART DR22過程調(diào)節(jié)器。整個(gè)透平發(fā)電機(jī)組的開停機(jī)、高壓蒸汽壓力串級(jí)控制、發(fā)電機(jī)負(fù)荷控制等主要控制功能均由“505”控制器負(fù)責(zé)，而低壓部分的DR22過程調(diào)節(jié)器作用僅相當(dāng)于一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，用于透平機(jī)組運(yùn)行后根據(jù)低壓蒸汽壓力來調(diào)節(jié)低壓透平主蒸汽閥門的開度，使低壓蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。因此，在低壓透平故障情況下，將低壓透平與發(fā)電機(jī)的聯(lián)軸器脫開后，高壓透平機(jī)組部分可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行，但如果高壓透平部分發(fā)生故障，低壓透平機(jī)組不能單獨(dú)運(yùn)行。故本文僅著重介紹“505”控制器的控制過程。

“505”汽輪機(jī)控制器是美國WOODWARD公司研究開發(fā)的以微處理器為基礎(chǔ)的汽輪機(jī)用數(shù)字式調(diào)節(jié)器[3]，其配套產(chǎn)品還有 CPC(電液轉(zhuǎn)換器)、DSLC(數(shù)字同步控制器)、LVDT(調(diào)節(jié)閥開度線性測量裝置)等，可應(yīng)用于單調(diào)節(jié)閥或雙調(diào)節(jié)閥控制的汽輪機(jī)，我廠2#透平為單調(diào)節(jié)閥汽輪機(jī)，其控制模型如圖2。

圖2 2#透平控制模型

2.1 “505”控制器基本控制原理

“505”控制器內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的控制通道，速度/負(fù)載PID和輔助控制器PID，還有一個(gè)不是PID調(diào)節(jié)器，是閥位限制器，如圖3。

圖3 “505”控制器基本功能邏輯圖

從上圖我們可以看出，調(diào)節(jié)閥實(shí)際開度指令受三個(gè)指令源控制，第一是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，第二是輔助調(diào)節(jié)器的輸出，第三是閥位限制器的輸出。這三個(gè)輸出信號(hào)不是疊加，而是通過一個(gè)低選總線 (LSS)選擇哪一個(gè)最終作用到輸出端。低選總線的作用是哪個(gè)控制模塊給出的信號(hào)低，就用哪個(gè)信號(hào)，這就決定了汽輪機(jī)始終處于一個(gè)安全運(yùn)行的模式，正常調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)過負(fù)荷，不會(huì)超速。除此之外，速度/負(fù)載控制器能通過其它控制器—串級(jí)控制器—進(jìn)行操作。串級(jí)控制器被“級(jí)聯(lián)”到速度控制器，從而速度控制器的設(shè)定值直接可以通過串級(jí)控制器的輸出進(jìn)行改變。輔助控制器能起一個(gè)控制通道作用或作為一個(gè)限制通道。所有這些PID控制器具有利用模擬輸入信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程定位其設(shè)定值的選項(xiàng)。此外，“505”控制器還具有頻率控制，異步負(fù)載分享 (帶一個(gè)DSLC)，臨界速度回避，空閑/額定控制以及自動(dòng)啟動(dòng)順序。同時(shí)“505”控制器具有兩個(gè)串行通信端口，通過使用MODIBUS協(xié)議，這兩個(gè)端口可用來監(jiān)控和控制透平機(jī)。

2.2 2#透平實(shí)際控制過程

在2#透平實(shí)際運(yùn)行過程中，“505”控制器在透平機(jī)處于不同運(yùn)行階段下主要有三種自動(dòng)控制方式[4]，即轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制方式、串級(jí)自動(dòng)控制方式、負(fù)荷輔助控制方式。下面就逐一進(jìn)行分析:

(1)速度自動(dòng)控制方式:即通常我們所說的調(diào)速運(yùn)行方式，從透平開始啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，一直到斷路器合閘前均處于速度自動(dòng)控制模式狀態(tài)。在此控制狀態(tài)下，“505”接收來自透平機(jī)的速度檢測信號(hào)，速度PID控制放大器然后將該信號(hào)與速度設(shè)定相比較，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(通過一個(gè)低信號(hào)選擇總線)，從而維持透平在設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行?？刂圃硪妶D4。

圖4 速度自動(dòng)控制邏輯圖

(2)串級(jí)自動(dòng)控制方式[5]:2#透平發(fā)電機(jī)是利用余熱蒸汽進(jìn)行發(fā)電的，為了不影響熔煉主工藝的生產(chǎn)，需要維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，因此透平在正常運(yùn)行過程中，必須采用調(diào)壓運(yùn)行方式，即蒸汽量多時(shí)多發(fā)電，蒸汽量少時(shí)少發(fā)電，而主蒸汽壓力基本保持不變。當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)斷路器合閘后，串級(jí)控制被激活，“505”控制器自動(dòng)由速度控制方式切換為串級(jí)控制方式。串級(jí)控制也是一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，可編程用于控制相關(guān)或受透平速度或負(fù)載影響的任何一個(gè)系統(tǒng)過程，通常配置用作透平入口或出口壓力控制器，在我廠用作透平入口壓力控制器。它與速度PID串級(jí)，將透平入口蒸汽壓力變送器來的4～20mA的過程信號(hào)與串級(jí)設(shè)定值相比較 (前壓控制)，比較結(jié)果輸出用于重新設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的速度設(shè)定值，從而改變透平負(fù)荷直到透平入口主蒸汽壓力與設(shè)定壓力匹配為止。串級(jí)控制原理見圖5。

圖5 串級(jí)自動(dòng)控制邏輯圖

(3)負(fù)荷輔助控制方式:“505”輔助控制通道能被用于控制一個(gè)參數(shù)或限制一個(gè)參數(shù)，通常用來控制或限制單元負(fù)載/電源、工廠進(jìn)口/出口級(jí)別，進(jìn)口壓力，排氣壓力，溫度或其它與透平負(fù)載直接相關(guān)的參數(shù)。輔助輸入是4～20mA的電流信號(hào)，輔助PID控制放大器將該輸入信號(hào)與設(shè)定值相比較，然后產(chǎn)生一個(gè)控制輸出信號(hào)給數(shù)字LSS(低信號(hào)選擇)總線。LSS總線將最低的信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路。在此我們將發(fā)電機(jī)負(fù)荷作為輔助控制信號(hào)，以限制發(fā)電機(jī)功率，保證發(fā)電機(jī)始終工作在額定負(fù)荷下。當(dāng)蒸汽量超出額定進(jìn)汽量時(shí)，負(fù)荷輔助控制方式將使得發(fā)電機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定在額定負(fù)荷下，不會(huì)出現(xiàn)過載狀況，此時(shí)主汽門開度被限定在一定位置，不再隨著主蒸汽壓力的變化而增大，當(dāng)蒸汽壓力超過透平蒸汽旁路設(shè)定壓力時(shí)，由旁路管道進(jìn)行泄壓。負(fù)荷輔助控制原理見圖6。

圖6 負(fù)荷輔助控制邏輯圖

(4)2#透平實(shí)際運(yùn)行過程:當(dāng)發(fā)出【啟動(dòng)準(zhǔn)備】信號(hào)后，高、低壓透平主截止閥同時(shí)打開，輔助油泵運(yùn)行建立油壓，PLC判斷啟動(dòng)條件滿足后發(fā)出“允許啟動(dòng)”信號(hào)，此時(shí)按【透平啟動(dòng)】按鈕，“505”控制器發(fā)出透平主蒸汽閥開啟信號(hào)，沖轉(zhuǎn)透平，透平速度在“505”自動(dòng)控制下由0rpm一直上升到1470rpm保持不變，然后按【并網(wǎng)啟動(dòng)】按鈕，“505”接受同期并網(wǎng)裝置發(fā)出的速度調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)，控制透平速度逐步上升到1500rpm，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，此前整個(gè)透平處于調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)斷路器合閘后，“505”立即切換為串級(jí)自動(dòng)控制模式，透平處于調(diào)壓運(yùn)行狀態(tài)，透平進(jìn)入正常運(yùn)行，在整個(gè)透平正常運(yùn)行過程中，負(fù)荷輔助控制模式一直工作，保證透平在額定負(fù)荷下安全運(yùn)行。

2.3 “505”控制器編程組態(tài)

為實(shí)現(xiàn)上述的控制功能，“505”控制器需要對(duì)其內(nèi)部的服務(wù)方式功能塊進(jìn)行編程組態(tài)[6]，主要功能組組態(tài)情況如下:

3 結(jié)語

隨著飽和蒸汽透平發(fā)電機(jī)技術(shù)的不斷成熟與完善，利用余熱蒸汽發(fā)電也將被越來越多的工廠所采用，“505”汽輪機(jī)控制器的應(yīng)用也將更加廣泛，通過對(duì)“505”控制器功能和原理不斷深入地摸索與了解，將使我們可以從容應(yīng)對(duì)在透平運(yùn)行過程中出現(xiàn)的任何問題。

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