凱士比閥業(yè)（常州）有限公司 尹 進(jìn)

電廠運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)組旁路系統(tǒng)，主要由閥門本體（低旁蒸汽轉(zhuǎn)換閥，高胖噴水減溫閥等）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動執(zhí)行器，氣動執(zhí)行器，液動執(zhí)行器等）及控制系統(tǒng)（一次儀表，旁路動力柜，旁路控制柜等）組成，多具有提高鍋爐蒸汽容量、快速啟動、保護(hù)鍋爐、防范超壓現(xiàn)象等實(shí)際功能，而且根據(jù)系統(tǒng)既有運(yùn)行效果，發(fā)現(xiàn)旁路系統(tǒng)還能有效控制凝汽器高溫、高水位、低真空風(fēng)險(xiǎn)，有益于保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組安全。

1 火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)控制目的

為優(yōu)化某單位合作電廠汽輪發(fā)電機(jī)組旁路系統(tǒng)運(yùn)行效果，早期應(yīng)用可編程控制器發(fā)揮控制作業(yè)，隨著時(shí)代進(jìn)步，此種控制技術(shù)已然無法滿足實(shí)際工作需求。故提出以分散式控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制技術(shù)，以妥善解決異常工況下產(chǎn)生的不良問題。

1.1 應(yīng)對間歇動作風(fēng)險(xiǎn)

以某電廠所使用的600MW超臨界火電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)為例，配有DG型直流本生鍋爐（鍋爐壓力為25.49MPa，每小時(shí)1827t燃煤燃燒量）和配套給水泵（調(diào)速汽動型，容量50%），該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程曾在某一時(shí)間里出現(xiàn)了間歇動作，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分遭受壓力異常變化狀況，為避免壓力驟變誘發(fā)旁路系統(tǒng)停機(jī)后果，提出以直徑為?以上NPT管道拓展空氣流量，保證壓縮空氣得以充分流通。同時(shí)，還期待利用分散式控制系統(tǒng)消除間歇動作頻繁發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)間歇動作的應(yīng)對能力，自此產(chǎn)生“停電不停機(jī)”的持久性運(yùn)行效果。

1.2 正確調(diào)節(jié)閥位顯示

電廠發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)預(yù)計(jì)在分散式控制技術(shù)助力下，提高閥位顯示正確度。早期電廠在高低旁路閥位顯示過程中曾出現(xiàn)顯示錯(cuò)誤情況，造成電廠領(lǐng)導(dǎo)需要專門安排專業(yè)人員隨時(shí)完成閥門精準(zhǔn)定位任務(wù)，無形中加劇投入成本，并且在初步啟動時(shí)，因閥門尚未實(shí)現(xiàn)“完全開啟”，致使閥位顯示區(qū)間不大。而通過運(yùn)用分散式控制系統(tǒng)，期待適當(dāng)降低閥位顯示誤差，并在技術(shù)保障下精簡工作崗位，最大化提高資源利用率。因而閥位顯示精準(zhǔn)度也是分散式控制技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的重要目的。

1.3 改善閥門振蕩行為

在電廠應(yīng)用分散式控制系統(tǒng)，還期待進(jìn)一步改善閥門振蕩行為。在傳統(tǒng)控制技術(shù)（可編程控制器）應(yīng)用階段，曾出現(xiàn)過閥門劇烈振蕩現(xiàn)象，從監(jiān)控影像慢速觀看中，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分執(zhí)行器每秒時(shí)間里有7個(gè)抖動頻率，振蕩范圍最小為10%，定位后確定為閥門閉合35%以內(nèi)，致使振蕩行為下引發(fā)“跳機(jī)”后果。另外，觀察機(jī)組振蕩范圍時(shí)，X方向出現(xiàn)了130μm的變化幅度，整體溫度出現(xiàn)5℃左右的降溫表現(xiàn)，促使電廠鍋爐難以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，為解決該問題專門針對振蕩原因展開研究，考慮集中于閥壓差異常監(jiān)測部分。

經(jīng)過應(yīng)用新控制技術(shù)，應(yīng)當(dāng)保證整體閥門振蕩行為發(fā)生率得到有效降低。源于此技術(shù)可以對汽輪機(jī)閥門開度等相關(guān)參數(shù)實(shí)施精準(zhǔn)控制，使電廠發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)保有穩(wěn)定持久的運(yùn)行狀態(tài)。

2 火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)控制技術(shù)要點(diǎn)

2.1 優(yōu)配系統(tǒng)旁路容量

針對某單位合作電廠火力發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)應(yīng)用分散式控制技術(shù)，最為主要的是應(yīng)先行考慮好旁路容量需求，隨即根據(jù)實(shí)際條件改造旁路容量，通過均衡配置創(chuàng)造有利的技術(shù)應(yīng)用條件。根據(jù)有關(guān)研究，電廠汽輪機(jī)及鍋爐運(yùn)行期間，旁路容量可根據(jù)公式分析：即：，其中：De和Dc表示額定參數(shù)下及啟動條件下旁路閥全開狀態(tài)對應(yīng)的質(zhì)量流量（kg/h）；P、Pc代表對應(yīng)的壓力（MPa）；Ve、Vc為對應(yīng)的比容（m3/kg）。

經(jīng)過分析代入相關(guān)數(shù)據(jù)，即0.6MPa的蒸汽壓力；1560t/h的蒸汽流量，可以確定旁路系統(tǒng)高低壓旁路容量比例宜控制在100%：70%，相比傳統(tǒng)控制技術(shù)下對應(yīng)的42%：55%，顯然更具可靠性。關(guān)于旁路容量參數(shù)的調(diào)整，要求改造后汽輪機(jī)運(yùn)行期間，能盡快啟動發(fā)電機(jī)組，并且還要舒緩高負(fù)荷響應(yīng)負(fù)擔(dān)，以提高旁路容量的方式應(yīng)對異常工況。特別是高壓旁路，經(jīng)過分散式控制技術(shù)可以縮短鍋爐燃煤燃燒期間的等待時(shí)間。而低壓旁路容量在有效控制中，還能實(shí)現(xiàn)再熱蒸汽的合理調(diào)控，以免投入過多成本用于投放減溫水。基于分散式控制技術(shù)改造電廠汽輪發(fā)電機(jī)組旁路系統(tǒng)，是目前改革重點(diǎn)，不僅可以滿足上述提出的技術(shù)應(yīng)用目的，還能縮減投入成本，助力取得更高收益。因此，優(yōu)配高低壓旁路容量屬于電廠引進(jìn)分散式控制技術(shù)的首要前提[1]。

2.2 自適應(yīng)旁路閥壓差

旁路系統(tǒng)可能因閥壓差波動明顯出現(xiàn)振蕩行為，因而分散式控制技術(shù)的應(yīng)用，還要體現(xiàn)出旁路閥壓差的自適應(yīng)控制作用。經(jīng)過對電廠近3年旁路系統(tǒng)故障事件的綜合分析，發(fā)現(xiàn)曾出現(xiàn)過2次“跳機(jī)”情況，即汽輪機(jī)跳閘，且閥前壓力在3.4MPa到3.5MPa以內(nèi)，受反饋偏差情況的影響，電廠旁路系統(tǒng)難以表現(xiàn)出穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并且還發(fā)生過閥桿斷裂情況，雖然僅有1次，但也對電廠常規(guī)發(fā)電計(jì)劃帶來了不利影響，其閥前壓力測量后為3.7MPa。利用分散式控制技術(shù)自適應(yīng)控制旁路系統(tǒng)閥壓差現(xiàn)象時(shí)，須將旁路系統(tǒng)閥前壓力控制在3.3MPa左右，以期消除閥壓差波動風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)一步知曉分散式控制技術(shù)的應(yīng)用可行性，專門采用建模方式構(gòu)建“節(jié)流絕熱下旁路系統(tǒng)模型”，基于節(jié)流絕熱條件可按照下列方程式建模：其中：P1、P2代表參照面1和2對應(yīng)壓強(qiáng)（Pa）；v1、v2為對應(yīng)流速（m/s）；γ和g分別代表絕熱系數(shù)和重力常數(shù)；A代表截面積（m2）；Q代表摩擦損失量（J）ρ1和ρ2代表不同程參照面下對應(yīng)的蒸汽密度（kg/m3）。以節(jié)流件對應(yīng)的閥壓差參數(shù)變化規(guī)律還可推算出質(zhì)量流量（qm，kg/s）計(jì)算步驟。

其中：d、γ、λ、ΔP、β各自代表節(jié)流通徑（m）、絕熱系數(shù)、節(jié)流前后壓力比、壓差（Pa）、直徑比。按照該公式可了解到：隨著質(zhì)量流量的增加，壓差隨之提高，表明控制壓差時(shí)應(yīng)同步控制好質(zhì)量流量。通常在比較異常工況及正常工況下汽輪發(fā)電機(jī)組變化情況時(shí)，異常工況下容易出現(xiàn)負(fù)荷提高、壓力增加、溫度升高表現(xiàn)，且正常工況下閥前蒸汽壓力基本不變，蒸汽溫度稍微提高，而出現(xiàn)壓差波動現(xiàn)象后，閥前蒸汽溫度緩慢上升，閥前蒸汽壓力則以先增后降趨勢變化，造成旁路系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定狀態(tài)，電廠鍋爐燃燒率也將受到影響。

而分散式控制技術(shù)可以利用對大流量定位器、氣控閥、電磁閥、氣鎖閥等多個(gè)閥門的自適應(yīng)控制將壓力數(shù)據(jù)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。通過對100%閥門開度下閥前壓力與閥后壓力差值的整合分析，分散式控制技術(shù)應(yīng)用后，明顯壓差變化區(qū)間有所減小。因該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)壓力定值的合理界定，所以可展現(xiàn)自適應(yīng)控制優(yōu)勢[2]。在控制蒸汽壓力期間，若實(shí)際壓力為“0”，將導(dǎo)致旁路閥啟動異常后果，此時(shí)還應(yīng)在控制系統(tǒng)輔助下調(diào)整好旁路閥開度與蒸汽壓力的對應(yīng)關(guān)系。如壓力值達(dá)到0.45MPa，此時(shí)高旁閥位開度應(yīng)高于30%，當(dāng)達(dá)到0.5MPa設(shè)定值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)在壓力上升條件下，應(yīng)保證高旁路壓力設(shè)定值控制在8.92MPa左右，便于實(shí)現(xiàn)高旁閥位的“應(yīng)時(shí)變化”，致使在控制系統(tǒng)輔助下，始終將壓力值保持在0.8MPa平穩(wěn)狀態(tài)下，隨即進(jìn)行壓力跟蹤操作，優(yōu)化壓差調(diào)控效果。

表1 控制技術(shù)應(yīng)用前后電廠旁路系統(tǒng)預(yù)期改造效果對比

2.3 優(yōu)化控制功能模塊

以分散式控制技術(shù)取代電廠汽輪發(fā)電機(jī)組旁路系統(tǒng)傳統(tǒng)控制技術(shù)，除了要合理改造旁路容量，體現(xiàn)自適應(yīng)控制作用外，還需要在滿足硬件設(shè)施（現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)場控制器）配置條件下，加強(qiáng)軟件功能模塊的完善設(shè)計(jì)。即運(yùn)行遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)，用于動態(tài)監(jiān)測旁路系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。分散式控制技術(shù)助力下研發(fā)新控制系統(tǒng)，其功能模塊應(yīng)涵蓋以下三項(xiàng)。

數(shù)據(jù)采集與處理功能。該功能主要是在旁路系統(tǒng)突發(fā)故障情況時(shí)，以系統(tǒng)預(yù)警方式提醒電廠工作人員妥善處理故障隱患，通常以事故追蹤、跳機(jī)記錄、報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)自動存儲為主；模擬量控制功能?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)模擬蒸汽壓力、蒸汽溫度等參數(shù)，預(yù)判故障隱患，繼而產(chǎn)生減少旁路系統(tǒng)誤動作發(fā)生率。某單位合作電廠在研發(fā)控制系統(tǒng)此項(xiàng)功能期間，應(yīng)側(cè)重于動態(tài)補(bǔ)償與靜態(tài)精準(zhǔn)分析兩項(xiàng)內(nèi)容，保證顯示的模擬量貼合實(shí)際情況。其操作步驟為被控制對象→傳感器→輸入通道→分散式控制系統(tǒng)→顯示數(shù)據(jù)；設(shè)定值→分散式控制系統(tǒng)→輸出通道→旁路系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)→被控制對象[3]。

順序控制功能。該功能能夠?qū)ε月废到y(tǒng)展開分級控制，圍繞汽輪發(fā)電機(jī)組啟停順序?qū)崿F(xiàn)有效保護(hù)。因過度分級容易出現(xiàn)延時(shí)顯示情況，所以多以驅(qū)動級控制模式為主，該控制層級為傳感器、閥門部件與之對應(yīng)的基礎(chǔ)層級，同時(shí)還包括子組級和功能組級控制層級。

值得關(guān)注的是，在功能研發(fā)期間，還應(yīng)設(shè)計(jì)完善的分布式處理單元，配置50ms掃描周期，100ms模擬量掃描周期，1ms以下分辨率的相關(guān)軟件。經(jīng)過在電廠汽輪發(fā)電機(jī)組旁路系統(tǒng)運(yùn)行過程試運(yùn)行分散式控制系統(tǒng)，確實(shí)在多樣功能助力下整體故障風(fēng)險(xiǎn)得到了顯著控制，具備“持久不停機(jī)”運(yùn)行特征。在控制高低旁噴水減溫調(diào)節(jié)品質(zhì)時(shí)，應(yīng)設(shè)定好控制系統(tǒng)啟動條件，即390℃以上的蒸汽溫度；低旁快關(guān)狀態(tài)；高壓減壓閥手動快關(guān)，并且在運(yùn)行負(fù)荷＞200MW期間，還可自動啟動快關(guān)快開功能。至于低壓旁路控制功能則要求排氣管道排氣背壓高≥58kPa；排汽裝置液位高于1800mm；低旁出口溫度高于200℃，就此強(qiáng)化控制系統(tǒng)應(yīng)有作用。

2.4 調(diào)控二次蒸汽溫度

待新控制系統(tǒng)軟件功能模塊得以完善后，還應(yīng)強(qiáng)化二次蒸汽溫度調(diào)控功能。期待電廠以新技術(shù)縮減溫水投放成本，以保持蒸汽熱平衡的方式提高生產(chǎn)效益。根據(jù)下列公式知曉減溫水焓值（h1w）增加將造成二次蒸汽焓值（h2s）提高。即：h2s=h1s+h1w+Δh，式中h1s和△h指代一次蒸汽焓值與損耗焓值。

為合理調(diào)控二次蒸汽溫度，通過尋優(yōu)算法達(dá)到分散式控制技術(shù)改造目的。一般二次蒸汽溫度偏差值（e）的分析需要兼顧噴水減溫閥、蒸汽轉(zhuǎn)換閥開度（Hs、Hw）變化結(jié)果，具體可以整理成以下公式：e（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw）=SPT2S-T2S（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw），式中：SpT2S、T2S指代設(shè)定值與實(shí)際值（二次蒸汽溫度，℃）。經(jīng)研究確定通過對適應(yīng)于電廠旁路系統(tǒng)運(yùn)行期間汽輪發(fā)電機(jī)組最佳二次蒸汽溫度的反饋分析，可得到最優(yōu)值，隨即根據(jù)對偏差值的有效控制，提高二次蒸汽溫度合理性，保證通過設(shè)定最優(yōu)值優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效果。

為驗(yàn)證分散式控制系統(tǒng)的可行性，電廠具體按照上述提出的多項(xiàng)舉措提出試運(yùn)行計(jì)劃，經(jīng)對比改造前后二次蒸汽溫度變化幅度，判定旁路系統(tǒng)運(yùn)行中機(jī)組蒸汽溫度數(shù)據(jù)未發(fā)生波動明顯狀況，驗(yàn)證新技術(shù)確有節(jié)約成本效果。