余和來(lái) 常宗錫 張應(yīng)鵬

(云南錫業(yè)股份有限公司， 云南 個(gè)舊 650200)

505E數(shù)字調(diào)節(jié)器在抽汽式透平機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐

余和來(lái) 常宗錫 張應(yīng)鵬

(云南錫業(yè)股份有限公司， 云南 個(gè)舊 650200)

分析了抽汽式透平機(jī)實(shí)際產(chǎn)、用汽情況及其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和程序控制。通過(guò)計(jì)算、設(shè)置、工況圖分析以及仿真實(shí)驗(yàn)，闡述了對(duì)透平機(jī)505E抽汽系統(tǒng)改造后的實(shí)際運(yùn)行效果以及對(duì)全廠用汽再平衡的重要作用和發(fā)電取得的顯著效益。

505E數(shù)字控制器; 抽汽式透平機(jī); 工況圖; 用汽再平衡; 發(fā)電效益

0 前言

云錫股份鉛業(yè)分公司電站汽輪機(jī)系抽汽式汽輪機(jī)組，是美國(guó)德萊塞蘭公司產(chǎn)品、額定最大發(fā)電功率為9.167 MW，型號(hào)：透平(高速)R(耐熱)型。其調(diào)速系統(tǒng)采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由WOODWARD 505E 數(shù)字式調(diào)節(jié)器、電液轉(zhuǎn)換(CPC)、調(diào)節(jié)汽閥等組成。系統(tǒng)通過(guò)RS- 485串行通信端口與工廠DCS系統(tǒng)通訊。

WOODWARD 505E數(shù)字式調(diào)節(jié)器由以32位微處理器為核心的模塊化計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)用戶運(yùn)行參數(shù)、條件編程組態(tài)，通過(guò)輸入輸出接口，接收、輸出模擬量、開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制。調(diào)節(jié)器接收轉(zhuǎn)速傳感器輸入的轉(zhuǎn)速信號(hào)、壓力傳感器輸入的抽汽壓力信號(hào)、功率傳感器輸入的電功率信號(hào)以及過(guò)程控制、輔助控制等回路輸入的控制信號(hào)，運(yùn)算后輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)給電液轉(zhuǎn)換器。電液轉(zhuǎn)換器(CPC)接收調(diào)節(jié)器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，輸出與電流信號(hào)相對(duì)應(yīng)的油壓信號(hào)。該油壓信號(hào)經(jīng)液壓伺服機(jī)構(gòu)放大后，控制油動(dòng)機(jī)活塞移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)杠桿，改變調(diào)節(jié)汽閥的開(kāi)度來(lái)改變汽輪機(jī)各段的進(jìn)汽量，以滿足電負(fù)荷和抽汽熱負(fù)荷的需要。

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)各個(gè)閥門(mén)的控制實(shí)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷、閥門(mén)試驗(yàn)、抽汽控制等一系列控制功能，并完成對(duì)工況的監(jiān)視、事故追憶和報(bào)警。該系統(tǒng)的主要功能有：轉(zhuǎn)速目標(biāo)值設(shè)定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、抽汽壓力調(diào)節(jié)、負(fù)荷分配、功率目標(biāo)值設(shè)定、不等率設(shè)定、冷熱態(tài)自啟動(dòng)程序設(shè)定、跨越臨界轉(zhuǎn)速控制、超速試驗(yàn)及保護(hù)、外部停機(jī)輸入、圖形顯示、輸入輸出監(jiān)控、手動(dòng)、自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換等。

1 存在問(wèn)題及改造理由

WOODWARD 505E數(shù)字式調(diào)節(jié)器是為抽汽式蒸汽透平、抽/補(bǔ)汽蒸汽透平和補(bǔ)汽式透平而設(shè)計(jì)的；抽汽式透平僅允許低壓蒸汽(抽汽)排出透平，而不允許其倒流入透平，因此，在抽汽口應(yīng)使用逆止閥防止蒸汽倒流。

505E數(shù)字調(diào)節(jié)器具有2個(gè)獨(dú)立的控制通道：轉(zhuǎn)速/負(fù)荷和輔助控制器。這2個(gè)控制器的輸出經(jīng)信號(hào)低選(LSS)，為比率/限制器提供轉(zhuǎn)速/負(fù)荷指令信號(hào)。505E的附加功能還包括：頻率控制、同步負(fù)荷分配、過(guò)臨界轉(zhuǎn)速、暖機(jī)/額定控制和順序自動(dòng)啟動(dòng)。505E還具有2個(gè)串行通信端口，通過(guò)Modbus協(xié)議均可用于監(jiān)視和控制透平運(yùn)行。

1.1 改造前透平機(jī)運(yùn)行參數(shù)

改造前透平機(jī)蒸汽條件，見(jiàn)表1。運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 改造前透平機(jī)蒸汽條件 單位：MPa

表2 改造前透平機(jī)運(yùn)行參數(shù)

1.2 存在問(wèn)題及改造理由

改造前后透平機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表1、2所示。從表2可看出，美國(guó)德萊塞蘭公司將透平機(jī)抽氣量最小值設(shè)為26 000 kg/h、正常值設(shè)為31 000 kg/h、最大值設(shè)為33 000 kg/h；若要保證汽輪機(jī)組正常安全運(yùn)行：入口最小壓力應(yīng)為4.0 MPa(本文均為絕壓) ，入口最小蒸汽流量 40 000 kg/h時(shí)才能投入抽汽。發(fā)電負(fù)荷為2 534 kW，抽汽量達(dá)到最小值26 000 kg/h是機(jī)組發(fā)電和同時(shí)投入抽汽運(yùn)行的基本條件；本套機(jī)組正常抽汽壓力為0.6 MPa，抽汽量26 000 kg/h，它們隨入口蒸汽流量增大而增大。當(dāng)入口最大壓力為4.2 MPa，蒸汽流量為80 000 kg/h，抽汽壓力為0.8 MPa時(shí)，發(fā)電負(fù)荷為9 167 kW，抽汽量達(dá)到最大33 000 kg/h。抽汽壓力和抽汽量不能在超出以上規(guī)定的范圍外使用。

該機(jī)組自2010年08月投入運(yùn)行至2013年01月，實(shí)際運(yùn)行情況是入口蒸汽壓力 4.0 MPa，入口蒸汽流量為18 000～36 000 kg/h，均不能滿足汽輪機(jī)投入抽汽的最低條件。因此，近3年來(lái)該汽機(jī)的抽汽功能均未能投入，在18 000～23 000 kg/h間生產(chǎn)、生活用低壓蒸汽，包括電解、制酸、煤氣站、生活用汽及管網(wǎng)損失，均是將壓力4.0 MPa的新蒸汽直接通過(guò)減壓裝置減到0.6 MPa后使用；機(jī)組運(yùn)行時(shí)抽汽功能使用不正常造成了很大的資源浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的運(yùn)行效率和企業(yè)效益。為了解決該問(wèn)題，需對(duì)機(jī)組抽汽功能部分進(jìn)行改進(jìn)，使汽輪機(jī)組帶抽汽正常運(yùn)行。

2 505E數(shù)字調(diào)節(jié)器抽汽功能簡(jiǎn)介

505E可配置為通過(guò)聯(lián)動(dòng)控制調(diào)速(HP或高壓)閥和抽汽(LP或低壓)閥，來(lái)控制一次自動(dòng)抽汽式透平。一次自動(dòng)抽汽式透平有一個(gè)高壓段和一個(gè)低壓段，各由一個(gè)閥門(mén)控制，蒸汽由高壓閥進(jìn)入透平(見(jiàn)圖1)。抽汽口位于高壓段后、低壓閥之前。低壓閥控制汽流進(jìn)入低壓段，同時(shí)使一部分蒸汽進(jìn)入抽汽管道。當(dāng)?shù)蛪洪y打開(kāi)時(shí)，進(jìn)入低壓段的蒸汽量增加，抽汽量減少。

圖1 典型的單抽汽和/或補(bǔ)汽式蒸汽透平

在大多數(shù)情況下，操作員需要同時(shí)保持抽汽式透平的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷、抽汽壓力/流量不變。改變高壓閥和低壓閥之中的任一閥位，都會(huì)同時(shí)影響轉(zhuǎn)速/負(fù)荷和抽汽。如果透平負(fù)荷或抽汽需求發(fā)生變化，則必須同時(shí)改變高壓閥和低壓閥的開(kāi)度，以滿足轉(zhuǎn)速/負(fù)荷和抽汽的需求。根據(jù)透平性能參數(shù)，505E通過(guò)比率算法可自動(dòng)計(jì)算給出這2個(gè)閥的開(kāi)度調(diào)整量，以使閥/過(guò)程的交互影響減至最小。

2.1 抽汽控制

當(dāng)505E完成啟動(dòng)并且滿足相關(guān)的許可條件后，抽汽控制可以自動(dòng)或手動(dòng)投入運(yùn)行。典型地，在抽汽控制投入之前，透平將轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制在額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值并且高于最小負(fù)荷值。在啟動(dòng)后，高壓和低壓閥位限制器通常應(yīng)全部打開(kāi)。如果高壓閥位限制器沒(méi)有完全開(kāi)啟，它將作為轉(zhuǎn)速/負(fù)荷限制器，同時(shí)也將妨礙自動(dòng)調(diào)節(jié)器的運(yùn)行。

當(dāng)配置為抽汽控制時(shí)，505E的低壓閥位限制器與比率/限制器的輸出進(jìn)行信號(hào)高選。因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)低壓閥位限制器自動(dòng)斜坡變化至100%，低壓閥不可能在低于100%開(kāi)啟位置進(jìn)行控制。在505E允許抽/補(bǔ)汽PID控制前，必須滿足所有相關(guān)的投入許可條件。即抽/補(bǔ)汽輸入信號(hào)未故障；透平轉(zhuǎn)速高于允許轉(zhuǎn)速；發(fā)電機(jī)斷路器閉合；電網(wǎng)斷路器關(guān)閉。

投入/退出抽汽控制有手動(dòng)或自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)投/退方式是通過(guò)低壓閥位限制器的升/降指令，而自動(dòng)投/退方式則是使用投入/退出指令。這里僅討論自動(dòng)投入/退出。

2.2 自動(dòng)投入/退出

當(dāng)所有的相關(guān)許可條件均滿足時(shí)，505E才接受抽汽投入指令。當(dāng)收到投入指令后，505E將以設(shè)定的“低壓閥位限制器速率”自動(dòng)降低低壓閥位限制器。一旦抽/補(bǔ)汽PID接管控制，低壓閥位限制器將以5倍的“低壓閥位限制器速率”來(lái)繼續(xù)降低至其最小(關(guān))位置。

通過(guò)瞬時(shí)發(fā)送低壓限制器的升或降指令或通過(guò)輸入有效的給定值，低壓閥位限制器在自動(dòng)投入過(guò)程中可以隨時(shí)被中止。中止自動(dòng)投入程序?qū)和５蛪洪y位限制器；但抽/補(bǔ)汽PID輸出仍繼續(xù)投入，這就允許操作員可以根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)整低壓閥位限制器。

接到退出指令后，505E將立即使低壓閥位限制器階躍至低壓閥的當(dāng)前位置，然后以“低壓閥位限制器速率”設(shè)定提升低壓限制器至其最大(開(kāi))位置。根據(jù)系統(tǒng)條件，抽/補(bǔ)汽PID在某些點(diǎn)上將失去對(duì)過(guò)程的控制作用。

通過(guò)瞬時(shí)發(fā)送低壓限制器的升或降指令，低壓閥位限制器在自動(dòng)退出過(guò)程中可以隨時(shí)被中止。在中止自動(dòng)退出程序后，操作員可以根據(jù)需要繼續(xù)手動(dòng)退出或者再次發(fā)出退出指令。重新發(fā)送退出指令后，退出程序?qū)⒗^續(xù)提升低壓閥位限制器至其最大(開(kāi))位置。

3 抽汽工況修改設(shè)定

3.1 抽汽工況修改說(shuō)明

工況圖(見(jiàn)圖2)是抽/補(bǔ)汽透平運(yùn)行范圍和限制的圖形描述。該圖經(jīng)常被稱為蒸汽包絡(luò)，因?yàn)檎５耐钙竭\(yùn)行必須包含在包絡(luò)線內(nèi)。

505E采用編程數(shù)值點(diǎn)來(lái)計(jì)算透平的內(nèi)部壓比和限制。為從工況圖上得到這些數(shù)值，必須首先核對(duì)下面的條件，修正該圖以滿足這些條件：

0%抽/補(bǔ)汽流量線必須與100%抽/補(bǔ)汽流量線平行；0%低壓閥開(kāi)度線必須與100%低壓閥開(kāi)度線平行。

包絡(luò)線定義了透平的運(yùn)行特性。在圖2中，工況圖的不同線或界限分別是：

橫軸代表透平功率(S)。

縱軸代表高壓閥位置(HP)。

垂直線S=100是最大的功率限制線。該限制線將阻止透平運(yùn)行時(shí)功率超過(guò)最大功率限制。

水平線HP=100是最大的高壓閥流量限制線。該限制線將阻止透平運(yùn)行時(shí)高壓閥流量超過(guò)最大流量限制。

平行線P=0 和P=100定義了抽/補(bǔ)汽的流量范圍(從無(wú)流量或最大補(bǔ)汽流量到最大抽汽流量)。P項(xiàng)用來(lái)代表壓力需求。

平行線LP=0 和LP=100定義了低壓閥的位置范圍(從全關(guān)到100%全開(kāi)，在工況圖中已詳細(xì)說(shuō)明，詳見(jiàn)圖2。)

透平的運(yùn)行特性作為抽/補(bǔ)汽數(shù)據(jù)編程到505E。該數(shù)據(jù)從透平工況圖或包絡(luò)線中得到。當(dāng)將抽/補(bǔ)汽數(shù)據(jù)輸入到505E時(shí)，功率、HP閥和抽/補(bǔ)汽流量的單位要始終統(tǒng)一。

可從工況圖上的最大功率、最大高壓流量、A、B、C(見(jiàn)圖2)的值來(lái)計(jì)算505E抽汽和/或補(bǔ)汽透平的比率和限制。點(diǎn)A、B、C通過(guò)它們的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)來(lái)輸入，見(jiàn)下面說(shuō)明。

工況圖顯示的一系列平行線代表抽汽流量，在圖2中，最底端的流量線一定是P=0，最頂端的一定是P=100?！癙”項(xiàng)用來(lái)代表壓力需求。在透平中該點(diǎn)壓力越高，抽出的蒸汽流量也就越大，或者補(bǔ)入的蒸汽流量就越低。圖上剩下的一對(duì)相應(yīng)的線一定與LP=0(抽汽閥關(guān)閉)和LP=100(抽汽閥全開(kāi))相對(duì)應(yīng)。

505E能夠配置為3種不同類型的透平，純抽汽，純補(bǔ)汽，抽/補(bǔ)汽機(jī)組。下面僅針對(duì)純抽氣進(jìn)行討論。

在將透平的抽汽工況圖編程輸入到控制器之前，必須得到交點(diǎn)A、B、C(見(jiàn)圖2)。

(注：在通常情況下，LP=0和P=0線的交點(diǎn)C不存在。如果是這種情形，必須對(duì)工況圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換是延長(zhǎng)LP=0和P=0線，直到它們相交?？刂扑璧狞c(diǎn)C可用來(lái)計(jì)算透平的內(nèi)部壓比和限制。)

3.2 機(jī)組原參數(shù)工況

最大功率是S=100線與橫軸相交得到的(機(jī)組設(shè)計(jì)9 167 kW)。

最大高壓流量是HP=100與縱軸相交得到的(設(shè)計(jì)是80 000 kg/h)。

點(diǎn)A是P=0和LP=100的交點(diǎn)(最大功率@最小抽汽約8 710 kW；高壓流量@最小抽汽72 830 kg/h)。

點(diǎn)B是LP=0和P=100的交點(diǎn)(最小功率@最大抽汽約1 470 kW，最小高壓流量@最大抽汽38 000 kg/h)。

點(diǎn)C是LP=0和P=0的交點(diǎn)(最小功率@最小抽汽約500 kW，最小高壓流量@最小抽汽29 000 kg/h)。

由工況圖中可看出A、B、C之間的范圍比較小，限制比較大；當(dāng)進(jìn)氣流量或功率交點(diǎn)不在此范圍內(nèi)時(shí)，如果投入抽汽，抽汽調(diào)節(jié)會(huì)被505E限制。使用仿真器測(cè)試的結(jié)果是：當(dāng)功率在2 500 kW以上時(shí)抽汽功能能達(dá)到抽汽要求，功率在2 500 kW以下抽汽功能被抑制，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

圖2 工況圖修改效果比較

3.3 首次修改參數(shù)后的工況

點(diǎn)A是P=0和LP=100的交點(diǎn)(最大功率@最小抽汽約7 850 kW；高壓流量@最小抽汽39 000 kg/h)。

點(diǎn)B是LP=0和P=100的交點(diǎn)(最小功率@最大抽汽約3 000 kW，最小高壓流量@最大抽汽38 000 kg/h)。

點(diǎn)C是LP=0和P=0的交點(diǎn)(最小功率@最小抽汽約500 kW，最小高壓流量@最小抽汽4 800 kg/h)。

由工況圖中雙點(diǎn)劃線的范圍可以看出機(jī)組運(yùn)行在抽汽工況時(shí)調(diào)整范圍較大，可以滿足抽汽工況要求。使用仿真器測(cè)試的結(jié)果是：當(dāng)功率在50～8 500 kW時(shí)抽汽功能能達(dá)到抽汽要求。但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，高壓進(jìn)汽流量最高只能達(dá)到75 000 kg/h，HP閥門(mén)開(kāi)度最大只能到68%，遠(yuǎn)達(dá)不到原設(shè)計(jì)高壓進(jìn)汽流量80 000 kg/h，HP閥門(mén)開(kāi)度最大到85%的要求。

3.4 再次修改參數(shù)后的工況

點(diǎn)A是P=0和LP=100的交點(diǎn)(最大功率@最小抽汽約8 500 kW；高壓流量@最小抽汽45 000 kg/h)

點(diǎn)B是LP=0和P=100的交點(diǎn)(最小功率@最大抽汽約2 500 kW，最小高壓流量@最大抽汽55 000 kg/h)

點(diǎn)C是LP=0和P=0的交點(diǎn)(最小功率@最小抽汽約0 kW，最小高壓流量@最小抽汽3 000 kg/h)

由工況圖中虛線范圍可以看出機(jī)組運(yùn)行范圍在第一次修改的基礎(chǔ)上已經(jīng)作了調(diào)整，可以滿足抽汽工況要求。使用仿真器測(cè)試的結(jié)果是：在設(shè)備未投入抽汽功能時(shí)，當(dāng)進(jìn)汽量達(dá)到87 000 kg/h，蒸汽參數(shù)為3.91 MPa、249.7 ℃時(shí)，負(fù)荷達(dá)到了9 012 kW，HP閥門(mén)開(kāi)度達(dá)到了84.44%；機(jī)組在進(jìn)汽量20 000 kg/h的情況下可投入抽汽。整改的結(jié)果既滿足了原設(shè)計(jì)要求，又實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷下抽汽，達(dá)到了整改的目的。圖3～5為發(fā)電控制系統(tǒng)圖、抽氣控制狀態(tài)圖及試運(yùn)行發(fā)電機(jī)組狀態(tài)圖。

圖3 發(fā)電控制系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本次對(duì)機(jī)組的改進(jìn)主要是擴(kuò)大機(jī)組的運(yùn)行工況范圍，對(duì)機(jī)組其他功能未做任何改動(dòng)，可按原有成熟的運(yùn)行和操作的規(guī)范運(yùn)行機(jī)組。汽機(jī)整改后，發(fā)電機(jī)組在進(jìn)汽量20 000 kg/h的情況下可投入抽汽，既滿足了原設(shè)計(jì)要求，又實(shí)現(xiàn)了低負(fù)荷下抽汽，所有壓力4.0 MPa的新蒸汽均通過(guò)汽機(jī)做功發(fā)電后再抽到低壓管網(wǎng)0.6 MPa后使用；這樣既平衡了低壓管網(wǎng)用汽，又多發(fā)了電，達(dá)到了整改的目的。整改完畢后，經(jīng)2013年3月22日至6月21日運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)電自耗(設(shè)備及配套設(shè)施用電/發(fā)電量)從改造前的平均0.207 kW·h/kW·h降到了改造后的平均0.168 kW·h/kW·h；抽汽按18～23 t/h、0.6 MPa生產(chǎn)用正常蒸汽量計(jì)算，汽輪機(jī)每小時(shí)可多輸出功率600～1 000 kW/h，24 h多發(fā)電約10 000～12 000 kW，按電價(jià)0.5元/kW·h計(jì)算，1天多增加約5 000～6 000元的經(jīng)濟(jì)收入，1年按汽輪機(jī)運(yùn)行300天計(jì)算，每年增加經(jīng)濟(jì)效益約150萬(wàn)～180萬(wàn)元。系統(tǒng)改進(jìn)后大大增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又使汽輪機(jī)的運(yùn)行效率得到了提高。

Application Practice of 505E Digital Regulator in Steam Extraction Turbine

YU He-lai, CHANG Zong-xi, ZHANG Ying-peng

The practical steam and used steam conditions of Dresser-Rand steam extraction turbine and its structure, characteristics and program control were analyzed. Based on the calculation, setting, analysis of operation conditions diagram and simulation experiment, the practical operation effects of 505E steam extraction system of turbine after modification, the effects of that on the rebalance of used steam, and the obvious effectiveness of that used in power generation were introduced.

505E digital regulator; steam extraction turbine; operation condition diagram; steam rebalance; power generation effectiveness

2013-06-28

余和來(lái)(1964—)男，云南省人，專科，高級(jí)工程師，主要從事電氣設(shè)備及能源管理工作。

TK14

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1008-5122(2014)02-0021-06