曹柯

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

工程設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)

蒸汽汽輪機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制要點(diǎn)及設(shè)計(jì)

曹柯

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

在石化及熱電裝置中，汽輪機(jī)運(yùn)行及控制方面存在的問(wèn)題主要集中在數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及抽汽系統(tǒng)的控制方式上。闡述了汽輪機(jī)系統(tǒng)控制的一些關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)本體高壓調(diào)節(jié)閥、主汽閥、抽汽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制進(jìn)汽抽汽量，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)負(fù)荷使其平穩(wěn)運(yùn)行。針對(duì)控制方式和設(shè)計(jì)提出了一些建議，以提高汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

汽輪機(jī) 數(shù)字電液控制系統(tǒng) 電液伺服閥 疏水系統(tǒng) 抽汽

1 系統(tǒng)特點(diǎn)及自動(dòng)控制要點(diǎn)

大型石化及熱電裝置抽凝式蒸汽汽輪機(jī)系統(tǒng)主要包括： 汽輪機(jī)本體、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、高壓抗燃油系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、汽封系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、主蒸汽抽汽系統(tǒng)、壓縮機(jī)(發(fā)電機(jī))、勵(lì)磁機(jī)等。汽輪機(jī)本體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)控制主要包括以下關(guān)鍵點(diǎn)：

1) 汽輪機(jī)運(yùn)行的調(diào)節(jié)控制。調(diào)節(jié)保安油系統(tǒng)是數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括調(diào)節(jié)和危急遮斷部分，通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)本體高壓調(diào)節(jié)閥、主汽閥、抽汽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制進(jìn)汽抽汽量，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)負(fù)荷使其平穩(wěn)運(yùn)行。調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵儀表電液伺服閥動(dòng)作頻繁，對(duì)其特性、工作方式和響應(yīng)速度要提出設(shè)計(jì)要求，以便對(duì)DEH進(jìn)行有效的控制，是保證汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的首要問(wèn)題。

2) 疏水系統(tǒng)的控制及設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)無(wú)論以何種方式啟動(dòng)，蒸汽在進(jìn)入汽輪機(jī)本體后都涉及疏水問(wèn)題，類(lèi)似軸永久性彎曲這類(lèi)重大事故大多是由于疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理及控制方式不恰當(dāng)引起的。熱啟動(dòng)(停機(jī)10 h內(nèi))是汽輪機(jī)在有效生命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行最常用的啟動(dòng)方式，而熱啟動(dòng)較易產(chǎn)生氣缸內(nèi)、外溫差過(guò)大等隱患。多數(shù)廠家的疏水管路采用電動(dòng)切斷閥進(jìn)行控制，但對(duì)控制方式要進(jìn)行綜合考慮。因此，對(duì)疏水系統(tǒng)要考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

3) 去高壓管網(wǎng)的抽汽管線切斷控制。當(dāng)汽輪機(jī)從供熱工況運(yùn)行切換到純背壓工況運(yùn)行或在供熱工況下甩負(fù)荷時(shí)，抽汽止回閥和抽汽快關(guān)閥要同時(shí)關(guān)閉，它們所在的管線為中壓蒸汽管線直接去外管網(wǎng)，溫度為395℃，表壓為4.6 MPa，若閥門(mén)因故障無(wú)法關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)，則供熱系統(tǒng)蒸汽會(huì)大量倒流，進(jìn)入氣缸使其積水，嚴(yán)重時(shí)引起機(jī)組超速。液動(dòng)抽汽止回閥則是其中最重要的閥門(mén)，有必要對(duì)其管路進(jìn)行調(diào)整，加強(qiáng)其動(dòng)作的可靠性。

圖1 汽輪機(jī)本體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 汽輪機(jī)系統(tǒng)的控制方式及選型要點(diǎn)

DEH由依據(jù)電氣原理設(shè)計(jì)的敏感元件和數(shù)字電路以及按電氣液壓原理設(shè)計(jì)的放大元件和伺服機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)了控制邏輯的汽輪機(jī)閥門(mén)管理、超速保護(hù)、負(fù)荷控制和監(jiān)測(cè)，包括電氣和液壓兩部分，主要目的是控制汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，以滿足用戶的需要。DEH的主要組成包括： 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥、電液轉(zhuǎn)換的供油系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、緊急停機(jī)系統(tǒng)等。機(jī)組啟動(dòng)和正常運(yùn)行過(guò)程中，DEH接收其他控制系統(tǒng)或操作員的指令，根據(jù)汽輪機(jī)組的監(jiān)控信號(hào)、調(diào)節(jié)閥的位置反饋等，進(jìn)行分析處理，綜合運(yùn)算輸出控制信號(hào)至電液伺服閥，控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，以控制機(jī)組的運(yùn)行。調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

圖2 DEH調(diào)節(jié)原理示意

圖2中，機(jī)組啟動(dòng)升速過(guò)程中，先進(jìn)行轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)及定速，在達(dá)到穩(wěn)定溫度和轉(zhuǎn)速后才進(jìn)行并網(wǎng)帶負(fù)荷，DEH通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路來(lái)控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速，在此之前功率控制回路不參與調(diào)節(jié)汽輪機(jī)。此時(shí)DEH接收汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)“三取二”邏輯處理后作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，與DEH轉(zhuǎn)速設(shè)定值比較后再送至轉(zhuǎn)速回路調(diào)節(jié)器進(jìn)行偏差計(jì)算和PID調(diào)節(jié)，然后輸出油動(dòng)機(jī)開(kāi)度信號(hào)到控制卡件，信號(hào)在卡件內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)閥位反饋信號(hào)比較后輸出控制信號(hào)到電液伺服閥，控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。

2.1 高壓安全油壓的建立

汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)油壓傳遞信號(hào)，推動(dòng)各調(diào)節(jié)閥的油動(dòng)機(jī)去開(kāi)/關(guān)調(diào)節(jié)汽閥和主汽閥，為保證調(diào)整迅速靈敏，必須有一定的安全油壓。目前普遍采用高壓抗燃油作為調(diào)節(jié)用油，調(diào)節(jié)油壓通常在10 MPa(G)以上，筆者目前所做項(xiàng)目系統(tǒng)表壓設(shè)置為14 MPa，低于11.2 MPa系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。如圖3所示，遮斷電磁閥失電，其回油口關(guān)閉，此時(shí)卸載閥上腔建立起高壓安全油壓，卸載閥關(guān)閉，油動(dòng)機(jī)處于就緒狀態(tài)。安全油壓對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常投用是一個(gè)重要的參數(shù)，它包括高壓遮斷及超速限制部分和調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)部分。

2.2 高壓抗燃油系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)的控制

高壓抗燃油系統(tǒng)包括： 高壓遮斷系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和電液伺服系統(tǒng)，電液伺服系統(tǒng)又包括油動(dòng)機(jī)和閥操縱座。油動(dòng)機(jī)是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)DEH來(lái)控制調(diào)節(jié)主汽閥、高壓調(diào)節(jié)閥和抽汽調(diào)節(jié)閥，其中電液伺服閥為關(guān)鍵儀表。工作前，先要建立高壓安全油壓，當(dāng)需開(kāi)大閥門(mén)時(shí)，伺服閥將壓力油引入活塞下部，使活塞上升并形成與彈簧及蒸汽壓力相適應(yīng)的負(fù)載將閥門(mén)開(kāi)大，閥位反饋傳感器(LVDT)將行程信號(hào)反饋至DEH；反之當(dāng)需關(guān)小閥門(mén)時(shí)，伺服閥將活塞下部接通并排油，在蒸汽和彈簧力的作用下，閥門(mén)關(guān)小，閥位反饋信號(hào)與DEH信號(hào)綜合計(jì)算相等后，伺服閥輸入電流為零，閥門(mén)停止運(yùn)動(dòng)。隨著閥位指令信號(hào)的變化，各調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)不斷地調(diào)節(jié)蒸汽門(mén)的開(kāi)度[2-4]。

圖3 調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

通常電液伺服閥由汽輪機(jī)廠家成套供貨，但在選用時(shí)應(yīng)給廠家提出設(shè)計(jì)要求。由于需要其精確調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，尤其在滑參數(shù)啟動(dòng)/停機(jī)時(shí)需要嚴(yán)格控制溫度和壓力升降，該項(xiàng)目機(jī)組在熱態(tài)滑參數(shù)啟動(dòng)時(shí)主蒸汽要求控制在每分鐘1.375℃和表壓在每分鐘0.126 MPa左右，而滑參數(shù)停機(jī)要求變動(dòng)幅度在每分鐘1.0～1.5℃和表壓在每分鐘0.04～0.06 MPa，因而其在零點(diǎn)(輸入電流為零的點(diǎn))附近的線性要好；對(duì)于供油壓力、溫度的變化，零點(diǎn)漂移要??；在關(guān)閉伺服閥和負(fù)載間管路時(shí)，其輸入電流-輸出壓力的變換特性要好。這樣油動(dòng)機(jī)對(duì)閥門(mén)的調(diào)節(jié)會(huì)更精確，汽輪機(jī)的運(yùn)行則更為穩(wěn)定。

3 疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及控制方式

在汽輪機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、低負(fù)荷運(yùn)行或異常情況下，疏水系統(tǒng)將汽輪機(jī)本體和蒸汽管道的凝結(jié)水及時(shí)排出，避免存積在某些管道和汽缸中，造成轉(zhuǎn)子彎曲，內(nèi)部零件受損等事故。典型案例就是汽缸進(jìn)水導(dǎo)致受熱不均，造成上、下汽缸溫差過(guò)大(50℃以上)，使汽缸變形或拱背。

3.1 設(shè)計(jì)要求

疏水管線數(shù)量及開(kāi)口由汽輪機(jī)廠家確定，但配管時(shí)應(yīng)注意安裝要求： 應(yīng)保證各分管與母管成45°夾角接入，流向與進(jìn)口一致，并保證壓力較低者在疏水?dāng)U容器較近處接入；應(yīng)根據(jù)疏水量來(lái)選擇管線，并且要考慮旁路問(wèn)題，如果設(shè)置了相應(yīng)旁路則某些管線如主蒸汽管線口徑可適當(dāng)縮??；一定要區(qū)分蒸汽管道疏水和汽缸疏水，不能簡(jiǎn)單地以壓力等級(jí)來(lái)進(jìn)行配管，而要根據(jù)其工作特性來(lái)考慮，在開(kāi)停機(jī)、跳車(chē)過(guò)程中，各管線所遇到的工況可能導(dǎo)致其管線壓力和溫度并不處于一個(gè)級(jí)別上，必須進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，若簡(jiǎn)單地將其串入同一條管線去疏水?dāng)U容器，低溫蒸汽會(huì)經(jīng)管線倒流，導(dǎo)致汽缸積水，尤其是主蒸汽管線電動(dòng)切斷閥前后疏水；本體疏水要分高中壓缸，分別接不同的集管；嚴(yán)格區(qū)分各抽汽逆止閥前后疏水管線。

3.2 控制方式

該項(xiàng)目中設(shè)置了主蒸汽管線疏水、汽輪機(jī)本體汽缸疏水和高中壓抽汽管線疏水，均接至疏水?dāng)U容器，管線上所有疏水閥必須滿足以下控制要求： 機(jī)組啟動(dòng)及向軸封供汽前必須開(kāi)啟；汽機(jī)事故跳閘停車(chē)時(shí)均應(yīng)開(kāi)啟；負(fù)荷升至25%時(shí)，關(guān)閉疏水閥，反之停機(jī)或降負(fù)荷至25%時(shí)，開(kāi)啟疏水閥并在控制室燈光顯示，直至完全冷卻為止[5]。但在實(shí)際操作中疏水負(fù)荷點(diǎn)并不是絕對(duì)的，可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，特別是甩負(fù)荷后不久再啟動(dòng)，操作人員必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷是否開(kāi)啟高中壓段疏水閥。如在高壓缸大于300℃，中壓缸大于250℃時(shí)，不必打開(kāi)本體汽缸疏水閥，在停機(jī)狀態(tài)下使其溫度緩慢降低，達(dá)到150℃時(shí)再開(kāi)啟疏水閥，即“悶缸”措施，以保證汽缸高溫金屬在急劇冷卻時(shí)不至于在其表面形成氧化層。

而主汽閥前后疏水更為特殊，主蒸汽溫度為535℃，低于525℃時(shí)報(bào)警，此時(shí)許多汽輪機(jī)廠家和業(yè)主的操作規(guī)定要求開(kāi)啟主蒸汽管道及本體疏水閥，但筆者認(rèn)為此時(shí)需判斷是何種情況導(dǎo)致蒸汽溫度降低，如果是鍋爐部分水煤比的控制波動(dòng)造成的溫度變化，打開(kāi)疏水閥反而會(huì)進(jìn)一步降低蒸汽溫度，而此時(shí)蒸汽流速通常大于40 m/s(該項(xiàng)目正常工況下流速為49.24 m/s)，疏水效果并不好，并使疏水?dāng)U容器負(fù)荷增加，該工況下按照減負(fù)荷運(yùn)行操作即可，無(wú)須全開(kāi)疏水閥門(mén)。

4 液動(dòng)抽汽止回閥管路修改

在機(jī)組甩負(fù)荷或從抽汽轉(zhuǎn)為背壓狀態(tài)時(shí)，抽汽管線各閥門(mén)要立即關(guān)閉，切斷各級(jí)抽汽，防止蒸汽倒流，尤其是高壓蒸汽抽汽管線。此管線從汽輪機(jī)向外依次設(shè)計(jì)液動(dòng)抽汽止回閥、氣動(dòng)抽汽止回閥和電動(dòng)切斷閥，對(duì)于液動(dòng)止回閥要求最高，對(duì)其活動(dòng)試驗(yàn)為每周一次，僅次于主汽閥(每天一次)，緊急關(guān)閉時(shí)間不大于0.5 s，因而對(duì)其液動(dòng)管路需進(jìn)行調(diào)整，單電磁閥液動(dòng)管路已不能保證其迅速的安全要求，將管線設(shè)計(jì)為雙電磁閥形式，正常情況下，電磁閥失電處于關(guān)閉狀態(tài)，表壓為0.6 MPa的脫鹽水經(jīng)孔板降壓后經(jīng)排水管路回流，當(dāng)聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)，雙電磁閥同時(shí)打開(kāi)，脫鹽水快速通過(guò)進(jìn)入閥門(mén)驅(qū)動(dòng)部分，迅速關(guān)閉止回閥。液動(dòng)抽汽止回閥管路示意如圖4所示。

圖4 液動(dòng)抽汽止回閥管路示意

由于此管線蒸汽回流會(huì)引起機(jī)組超速，一旦關(guān)閉不嚴(yán)將發(fā)生嚴(yán)重事故，對(duì)設(shè)備及整個(gè)系統(tǒng)造成傷害，建議使用三偏心蝶閥。

5 結(jié) 論

雖然汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但事故也屢有發(fā)生，因而對(duì)這些關(guān)鍵控制點(diǎn)應(yīng)予以重視，并根據(jù)機(jī)組的特性對(duì)控制過(guò)程編制相應(yīng)的操作規(guī)程和手冊(cè)，定期排查；對(duì)于汽輪機(jī)本體管線的優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的控制改進(jìn)應(yīng)本著有效和務(wù)實(shí)的原則，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)實(shí)施并不斷完善，使汽輪機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，保證機(jī)組的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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“流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用”一書(shū)出版

流程行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程測(cè)量和控制技術(shù)信號(hào)傳送方式的發(fā)展歷程是從復(fù)雜到簡(jiǎn)潔，從繁多到單一再到“無(wú)”，所以無(wú)線通信技術(shù)以不可阻擋的潮流進(jìn)入到傳統(tǒng)的工業(yè)通信領(lǐng)域。作為無(wú)需布線的通信方式，流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)近年來(lái)愈加受到人們的青睞，相對(duì)于有線系統(tǒng)，它可以節(jié)省電纜、簡(jiǎn)化安裝、降低維護(hù)時(shí)間和停工時(shí)間，增加了系統(tǒng)的可用性，提高了工廠效率，從而提高了生產(chǎn)力。它面向儀器儀表、設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信息交換，是對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)在流程行業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升。作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)，流程行業(yè)無(wú)線技術(shù)引領(lǐng)了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。它的問(wèn)世將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控有線模式的變革，引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向著低成本、高可靠性、高靈活性的方向發(fā)展。因此，它是繼現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

化工出版社已于2015年1月出版了昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院教授級(jí)高工方原柏編著的新書(shū)“流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用” 。近年來(lái)，作者在深入了解、學(xué)習(xí)流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，也想為眾多在生產(chǎn)過(guò)程中準(zhǔn)備應(yīng)用或已經(jīng)應(yīng)用無(wú)線技術(shù)的一線讀者提供有關(guān)流程行業(yè)無(wú)線技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、各類(lèi)無(wú)線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的起源和發(fā)展、系統(tǒng)構(gòu)成、特點(diǎn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試投運(yùn)以及具體應(yīng)用實(shí)例的技術(shù)參考資料。該書(shū)力求實(shí)用，基礎(chǔ)理論部分簡(jiǎn)明扼要，重點(diǎn)是用戶關(guān)切的如何設(shè)計(jì)、選用、安裝、使用好流程行業(yè)無(wú)線系統(tǒng)。(化工出版社)

Automatic Control Essentials and Design in Steam Turbine System

Cao Ke

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd.， Ningbo， 315103， China)

In petrochemical and thermoelectric plant， the problems on steam turbine running and process control are concentrated on digital electric hydraulic control system (DEH)， design on drainage system and control mode of extraction steam system. Some key points on control system for steam turbine are expounded. The steam turbine is made to run stably by adjusting steam turbine reality septum valve， stop valve， extraction control valve to control admission extraction flow of steam and adjust its load. Some suggestions focusing on control mode and design are put forward to improve stability of steam turbine operation and to prolong service life.

steam turbine； digital electric hydraulic control system； electro-hydraulic servo-valve； drainage system； extraction of steam

曹柯(1981—)，男，浙江龍游人，2004年畢業(yè)于西安科技大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)工作于中石化寧波工程有限公司電控室，從事化工自控儀表設(shè)計(jì)工作，任自控工程師、注冊(cè)咨詢工程師。

TH45

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1007-7324(2015)01-0005-04

稿件收到日期： 2014-09-02，修改稿收到日期： 2014-10-30。