溫旭 WEN Xu

（沈陽鼓風(fēng)機集團自動控制系統(tǒng)工程有限公司，沈陽 110000）

1 概述

目前對于化工生產(chǎn)過程中的核心動設(shè)備抽汽式汽輪機轉(zhuǎn)速控制，普遍的解決方案是在汽輪機的高壓缸前設(shè)置主進汽閥用來控制汽輪機轉(zhuǎn)速，在高壓缸與低壓缸之間設(shè)置抽汽閥用來控制次高壓管網(wǎng)的抽汽壓力，二者配合來調(diào)節(jié)裝置的負荷。然而，當(dāng)來自高壓蒸汽管網(wǎng)的主蒸汽壓力波動時，直接會影響汽輪機轉(zhuǎn)速，從而間接的影響次高壓管網(wǎng)的抽汽壓力；反之當(dāng)次高壓管網(wǎng)的抽汽壓力被迫產(chǎn)生擾動時，也會影響汽輪機轉(zhuǎn)速，從而也會間接影響來自高壓蒸汽管網(wǎng)的主蒸汽壓力，造成控制纏繞、耦合效應(yīng)，很難在短時間內(nèi)達到系統(tǒng)平穩(wěn)，影響裝置安全生產(chǎn)，這種雙壓力互擾的波動是工藝操作人員不愿看到的。

2 抽汽式汽輪機控制

由于本文所設(shè)計的控制參數(shù)非常重要，每個參數(shù)設(shè)置三個測量點做三取中為有效值。具體包括：主蒸氣壓力，抽氣壓力，和轉(zhuǎn)速實測值等。

在汽輪機的高壓缸前設(shè)置高壓進汽閥用來控制來自高壓蒸汽管網(wǎng)的主蒸汽壓力，在高壓缸與低壓缸之間設(shè)置低壓進汽閥用來控制汽輪機轉(zhuǎn)速，抽汽式汽輪機布置圖見圖1。GCV閥與ECV閥進行雙閥解耦控制，以保轉(zhuǎn)速控制優(yōu)先的原則，二者配合來調(diào)節(jié)裝置的負荷。

圖1 抽汽式汽輪機布置圖

具體的，當(dāng)汽輪機開車條件滿足后，按啟動按鈕，此時GCV閥控制轉(zhuǎn)速，進入暖機，升速，過臨界，進入運行模式，ECV閥門從啟動開始按一定爬坡速率從0%逐漸開運行到100%全開，（爬坡速率可設(shè)置，最好在機組暖機模式前達到100%全開）低壓缸此時為全凝狀態(tài)即為蒸汽全部進入汽輪機低壓缸，此時汽輪機轉(zhuǎn)速由GCV閥控制，ECV閥全開未投入控制。

2.1 運行模式GCV控制轉(zhuǎn)速，ECV未投入控制

進入運行模式后，GCV閥門依然控制轉(zhuǎn)速，ECV閥門全開狀態(tài)，未投入控制（即非自動解耦控制也非手動控制）。當(dāng)ECV閥門開度為100%時，表明在汽輪機低壓缸全凝狀態(tài)下，如果抽氣壓力處于高報警，說明汽輪機低壓缸容納不下過盈的蒸汽，導(dǎo)致抽氣壓力持續(xù)升高，影響次高壓管網(wǎng)壓力，此時可以設(shè)置自動降低轉(zhuǎn)速設(shè)定值，以降負荷的方式來調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速設(shè)定值降低，PID輸出GCV閥開度減小，轉(zhuǎn)速設(shè)定值降速到運行模式的下限轉(zhuǎn)速為止。

ECV閥門可選擇手動給定閥位，ECV閥門做限位45%，即為ECV閥最小只能開到45%。ECV閥門選擇手動給定閥位的條件是進入運行模式且ECV閥門未投入自動解耦控制且GCV閥開度大于一定設(shè)定值41.7%時（此設(shè)定值為汽輪機最小抽汽時的主蒸汽進氣流量與汽輪機最大抽汽時的主蒸汽進氣流量的比值，具體可在汽輪機廠家提供的功率流量曲線中查到，意為需要汽輪機機組具有一定的負載時使能，不同機型設(shè)定值不同）。

2.2 運行模式GCV控制汽輪機入口壓力，ECV控制機組轉(zhuǎn)速

進入運行模式后，當(dāng)抽汽壓力正常且在運行模式且GCV閥門輸出大于41.7% 且蒸汽入口壓力測點正常即ECV閥投入條件滿足時（ECV閥投入條件見圖2），方可投用ECV閥門自動解耦控制，否則自動退出ECV閥門自動解耦控制模式，退出后GCV控制轉(zhuǎn)速，ECV閥按一定爬坡速率逐漸全開。當(dāng)ECV閥門自動解耦控制投入后，GCV閥門控制蒸汽入口壓力，ECV閥門控制機組轉(zhuǎn)速，且以轉(zhuǎn)速控制優(yōu)先。由于GCV閥控制對象的變化，需要設(shè)置兩組PI參數(shù)，一組PI參數(shù)用于控制轉(zhuǎn)速，另一組PI參數(shù)用于控制蒸汽入口壓力，當(dāng)GCV閥門自動控制模式時自動切換對應(yīng)的PI參數(shù)。汽輪機啟動GCV閥與ECV閥控制流程見圖3。

圖2 ECV閥控制投入條件

圖3 汽輪機啟動GCV閥與ECV閥控制流程圖

此時壓縮機入口壓力串級控制可投，壓縮機入口壓力設(shè)定值和實測值產(chǎn)生偏差后PID輸出改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值，ECV閥門控制轉(zhuǎn)速。壓縮機入口壓力設(shè)定值大于實測值時，轉(zhuǎn)速設(shè)定值下降；壓縮機入口壓力設(shè)定值小于實測值時，轉(zhuǎn)速設(shè)定值上升。建議在系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下不投串級控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下嘗試投入壓縮機入口壓力串級控制[1]。

2.3 GCV閥與ECV閥解耦控制

解耦控制系統(tǒng)[2]是采用某種結(jié)構(gòu)，尋找合適的控制規(guī)律，消除系統(tǒng)中各控制回路之間的相互耦合關(guān)系，使每一個輸入只控制相應(yīng)的一個輸出，每一個輸出又只受到一個控制的作用。解耦控制[3]是多變量系統(tǒng)控制的有效手段。當(dāng)ECV閥投入使用后，GCV閥與ECV閥自動解耦控制見圖4，ECV控制汽輪機轉(zhuǎn)速，GCV閥控制管網(wǎng)蒸汽壓力。

圖4 GCV與ECV解耦控制功能圖

根據(jù)TRICONEX開發(fā)手冊提供的控制算法[4]：

其中：

HR為汽輪機高、低壓缸的馬力比（功率比）；

TB為汽輪機摩擦損失比（阻力比）；

FR為汽輪機高、低壓缸的流量比（最小抽汽流量與最大抽汽流量比）；

根據(jù)汽輪機廠家提供的汽輪機功率、流量特性曲線[5]見圖5得出

圖5 汽輪機功率流量特性曲線

①蒸汽壓力一定時PV=SP時：

轉(zhuǎn)速SP>PV時：GCV閥門保持一定（保持當(dāng)前值不變），ECV閥動作升高，當(dāng)ECV閥全開后，GCV閥再升高；

轉(zhuǎn)速SP

轉(zhuǎn)速SP=PV時：GCV閥門保持一定（保持當(dāng)前值不變）；GCV閥門保持一定（保持當(dāng)前值不變）。

②轉(zhuǎn)速一定時SP=PV時：

蒸汽壓力SP>PV時：GCV閥下降，ECV閥升高，當(dāng)ECV閥全開后，GCV保持（以保證轉(zhuǎn)速優(yōu)先原則）；

蒸汽壓力SP

蒸汽壓力SP=PV時：GCV閥門保持一定（保持當(dāng)前值不變）；GCV閥門保持一定（保持當(dāng)前值不變）。

③蒸汽壓力SP>PV且轉(zhuǎn)速SP>PV時：GCV下降，ECV升高，當(dāng)ECV全開后，GCV升高（以保證轉(zhuǎn)速優(yōu)先原則）。

④蒸汽壓力SP>PV且轉(zhuǎn)速SPPV時：GCV升高，ECV升高，當(dāng)ECV全開后，GCV繼續(xù)升高。

⑤蒸汽壓力SP

在次高壓管網(wǎng)設(shè)置抽氣逆止電磁閥，當(dāng)機組聯(lián)鎖停機時抽氣逆止電磁閥失電；當(dāng)機組運行模式時，且ECV閥門輸出開度小于100%時得電控制。

2.4 正常停車

正常停車時，要切換到原始狀態(tài)，即ECV自動切除，ECV手動不投入，串級自動切除，在運行模式下按正常停機按鈕即可。

通過一系列解耦控制，既保證了來自高壓蒸汽管網(wǎng)的主蒸汽壓力穩(wěn)定，又保證了汽輪機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，解決了雙壓力互擾纏繞耦合，實現(xiàn)了抽汽凝汽式汽輪機的前壓控制，有效保證轉(zhuǎn)速控制優(yōu)先穩(wěn)定的原則。本方案同樣適合抽汽背壓式汽輪機的雙閥（GCV和ECV）控制。

3 非抽汽式汽輪機控制

3.1 傳統(tǒng)方法控制汽輪機轉(zhuǎn)速

傳統(tǒng)方法，以汽輪機實際轉(zhuǎn)速作為控制參數(shù)，采用經(jīng)典閉環(huán)PID調(diào)節(jié)汽輪機油動機，油動機驅(qū)動主汽門，當(dāng)汽輪機實際轉(zhuǎn)速減小時，PID調(diào)節(jié)增大，主汽門開度增大；當(dāng)汽輪機實際轉(zhuǎn)速增大時，PID調(diào)節(jié)減小，主汽門開度減小。當(dāng)蒸汽管網(wǎng)壓力出現(xiàn)波動，影響汽輪機進汽量，汽輪機轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)偏差，汽輪機主汽門根據(jù)PID控制器的作用做出補償響應(yīng)。這對汽輪機蒸汽管網(wǎng)安全等級要求較高，要求運行環(huán)境穩(wěn)定，對汽輪機蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定依賴性強。

3.2 創(chuàng)新方法控制汽輪機轉(zhuǎn)速

創(chuàng)新方法，汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力經(jīng)常會隨著工況變化而產(chǎn)生波動。經(jīng)典閉環(huán)PID調(diào)節(jié)難以控制及時。若能在汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力出現(xiàn)擾動時就進行干予，而不是等到汽輪機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差后再進行控制，這樣就能更好的消除汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力擾動對被控參數(shù)汽輪機轉(zhuǎn)速的影響。

在汽輪機主汽門前設(shè)置汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力測量點，作為干擾量設(shè)定DV，以汽輪機轉(zhuǎn)速作為控制變量PV，采用前饋反饋控制方案見圖6。

圖6 汽輪機前饋反饋控制傳遞函數(shù)

經(jīng)典PID傳遞函數(shù)為

Kp為比例系數(shù)；

TiS為積分時間；

TdS為微分時間；

Kc為前饋標(biāo)稱增益；

Tp為擾動通道的時滯時間；

Td為控制通道的時滯時間。

增加擾動濾波，設(shè)置擾動死區(qū)時間和擾動死區(qū)范圍。例如：當(dāng)汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力擾動死區(qū)時間或擾動死區(qū)范圍超過設(shè)定值時，又或者二者同時超過設(shè)定值時，前饋控制作用使能。

舉例說明：汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力為10MPa（A），汽輪機轉(zhuǎn)速PV=10000RPM，汽輪機主汽門在經(jīng)典閉環(huán)PID控制作用下輸出為50%。此時汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力發(fā)生擾動，當(dāng)汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力減小時，前饋輸出為5%，汽輪機主汽門在前饋反饋控制作用下輸出為MV=50%+（5%）=55%；當(dāng)汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力增大時，前饋輸出為-5%，汽輪機主汽門在前饋反饋控制作用下輸出為MV=50%+（-5%）=45%。

其控制思想為基于汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力的擾動來消除其對汽輪機轉(zhuǎn)速的影響。這使得汽輪機蒸汽管網(wǎng)壓力出現(xiàn)擾動之初，控制系統(tǒng)可以預(yù)先做出響應(yīng)，對汽輪機轉(zhuǎn)速擾動進行預(yù)判和干預(yù)，而不需要等到汽輪機轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差后再進行補償，這為汽輪機轉(zhuǎn)速控制提供一個穩(wěn)定的，可靠的，抗干擾能力強的轉(zhuǎn)速控制方案。

4 結(jié)束語

基于TRICON控制系統(tǒng)對控制方案進行組態(tài)，采用TRICON控制器下位機軟件TriStation 1131解耦控制功能模塊TWOVLV_IPSP04，上位機采用Invensys公司旗下的Intouch軟件對其進行上位機組態(tài)。其抽氣式汽輪機控制方案應(yīng)用于蘭州石化24萬噸/年乙烯產(chǎn)能恢復(fù)項目裂解氣壓縮機控制系統(tǒng)中見圖7，完美解決了蒸汽管網(wǎng)調(diào)配能力薄弱的問題，所應(yīng)用的汽輪機在控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的同時兼顧保證了蒸汽入口壓力的穩(wěn)定。非抽氣式汽輪機控制方案應(yīng)用于蘭州石化90萬噸/年柴油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機控制系統(tǒng)中，完美解決了汽輪機調(diào)速能力弱和滯后的問題，能夠在汽輪機轉(zhuǎn)速發(fā)生改變前提前預(yù)判機組轉(zhuǎn)速變化趨勢并加以干預(yù)。先進的控制方案提高了機組的安全性和穩(wěn)定性，為老廠裝置改造和新廠裝置磨合提供了創(chuàng)新的解決思路，得到了蘭州石化領(lǐng)導(dǎo)的認可和肯定。

圖7 抽汽式汽輪機GCV與ECV解耦控制運行畫面