6 MW汽輪發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化改造與應(yīng)用

郭 建

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司，河北 張家口 075100）

0 前言

宣鋼公司設(shè)備能源部2#3#發(fā)電機(jī)組均采用同步器控制系統(tǒng)，人為根據(jù)鍋爐蒸汽壓力和流量的變化，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著現(xiàn)代化企業(yè)高精度、高效益的發(fā)展，對(duì)職工操作精度要求更高，操作時(shí)間要求更加精確，由于人工操作延遲與精度把握的差距，導(dǎo)致發(fā)電運(yùn)行參數(shù)控制不準(zhǔn)確，發(fā)電汽耗偏高，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，無法適應(yīng)企業(yè)高效化的生產(chǎn)需求。為了使機(jī)組更經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行，針對(duì)機(jī)組的現(xiàn)狀，特采用DCS 控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)同步器控制系統(tǒng)，提高自動(dòng)化運(yùn)行水平，當(dāng)外界蒸汽工況發(fā)生變化時(shí)，使汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到參數(shù)調(diào)節(jié)精確度提高、運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)的目的。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)改造技術(shù)內(nèi)容

1.1 改造背景

宣鋼設(shè)備能源部2#3#發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行是利用宣鋼高爐冶煉工藝過程中產(chǎn)生的高爐煤氣，經(jīng)鍋爐燃燒后加熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而減少能源浪費(fèi)，提高廠自發(fā)電量的目的。高溫高壓蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)做功后，一部分供給熱用戶，另一部分通過調(diào)速汽門進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功，排出的乏汽經(jīng)凝汽器進(jìn)入給水回?zé)嵯到y(tǒng)，最終進(jìn)入鍋爐，重新加熱后循環(huán)使用。

2#3#汽輪發(fā)電機(jī)組型號(hào)QF-6-2，主蒸汽壓力（3.4±0.1） MPa，主蒸汽溫度（440±10）℃，發(fā)電機(jī)容量6 MW，于1993 年投產(chǎn)運(yùn)行。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，要求實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制，以配合鍋爐蒸汽參數(shù)的調(diào)整，受生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)的影響，需要對(duì)進(jìn)汽量及溫度進(jìn)行頻繁調(diào)整。但同步器控制系統(tǒng)單純依靠人工操作，當(dāng)需要調(diào)整進(jìn)汽量時(shí)，崗位職工需要通過手動(dòng)控制同步器電機(jī)上下升降來控制錯(cuò)油門，調(diào)整油動(dòng)機(jī)的開度，進(jìn)一步調(diào)節(jié)調(diào)速汽閥的開度，控制進(jìn)汽量的大小。該種調(diào)節(jié)方式，不僅調(diào)節(jié)精度不高，過調(diào)量偏差大，而且調(diào)節(jié)時(shí)間有延遲，使機(jī)組不能及時(shí)、準(zhǔn)確地與鍋爐進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，容易造成蒸汽壓力的不平衡。另外，由于機(jī)組投產(chǎn)年代較早，已經(jīng)在線服役接近30 年，機(jī)組控制系統(tǒng)的部分控制元件已經(jīng)屬于淘汰產(chǎn)品，目前廠家已經(jīng)不再生產(chǎn)，存在無法更換備件的隱患，一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)生產(chǎn)的正常運(yùn)行造成一定的影響，基于以上原因，須對(duì)2#3#發(fā)電機(jī)機(jī)組進(jìn)行控制系統(tǒng)升級(jí)改造，以提高機(jī)組的安全運(yùn)行和自動(dòng)控制能力。

1.2 改造內(nèi)容

基于2#3#發(fā)電機(jī)現(xiàn)有的手動(dòng)同步器控制系統(tǒng)運(yùn)行情況、現(xiàn)場(chǎng)儀表和自動(dòng)裝置等設(shè)備設(shè)施的現(xiàn)狀，在現(xiàn)有儀表和自動(dòng)裝置不存在影響的情況下，對(duì)機(jī)組安裝一套DCS 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由DEH 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)、EH 伺服調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及其相關(guān)配套裝置組成。采用DCS 控制系統(tǒng)可以有效提高汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的控制精度，實(shí)現(xiàn)更加精確的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制，使機(jī)爐協(xié)調(diào)控制更加密切[1]。

該DCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)的模塊構(gòu)成主要由操作員站、控制柜、電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)、差動(dòng)變壓器式位移傳感器等主要部分組成[2]。發(fā)電機(jī)崗位運(yùn)行職工通過操作員站完成對(duì)機(jī)組系統(tǒng)整體操作和系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)整，當(dāng)需要調(diào)整進(jìn)汽量時(shí)，崗位職工只需通過操作員簡(jiǎn)單輸出命令即可，控制系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定值直接控制自動(dòng)主汽門的開度。

該DCS 系統(tǒng)具有與自動(dòng)同期裝置的接口，借助于自動(dòng)同期裝置，進(jìn)行電機(jī)自動(dòng)同步調(diào)節(jié)，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與工況相適應(yīng)，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制和汽機(jī)跟隨方式下的氣壓調(diào)節(jié)任務(wù)時(shí)，DCS 系統(tǒng)中設(shè)置的主汽壓力控制回路，根據(jù)給定與主汽門前壓力的偏差調(diào)節(jié)高調(diào)門開度維持主汽壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)油動(dòng)機(jī)控制與汽輪機(jī)負(fù)荷的平衡調(diào)節(jié)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)1 t 左右精確的蒸汽量控制，并可實(shí)現(xiàn)0～100%的功率控制，大大增加了發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。

DEH 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)以數(shù)字的方式對(duì)一次信號(hào)進(jìn)行采集和處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略輸出控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制。DEH 系統(tǒng)它主要用來調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以在發(fā)電機(jī)并往前、同期并網(wǎng)時(shí)以及并網(wǎng)后各階段提供有效控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)同步并網(wǎng)。還具有超速保護(hù)、甩負(fù)荷保護(hù)、控制回路聯(lián)鎖保護(hù)等功能，為發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供可靠保證。

EH 伺服調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是由供油裝置、伺服油動(dòng)機(jī)、危急保安器以及配套管路附件等液壓部件組成，采用46#抗磨液壓油作為工作介質(zhì)，系統(tǒng)工作壓力為14 MPa，控制方式有就地和遠(yuǎn)方2 種。EH 油系統(tǒng)主要由兩臺(tái)EH 油泵組成，2 臺(tái)EH 油泵投入聯(lián)鎖后，1 臺(tái)泵工作，另1 臺(tái)泵備用，工作泵跳閘或出口壓力低則連鎖備用油泵，它將控制輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，響應(yīng)速度相對(duì)較快，遲緩率低，使得發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)精確度大大提高[3]。

該次改造還進(jìn)一步完善了汽輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)系統(tǒng)（ETS 系統(tǒng)），如圖1 所示。改造前的保護(hù)系統(tǒng)有危急遮斷器、危急遮斷油門、軸向位移遮斷器、磁力斷路油門，以及油壓、油溫、振動(dòng)報(bào)警等。該次改造在原有保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了超速保護(hù)、甩負(fù)荷保護(hù)和控制回路聯(lián)鎖保護(hù)。超速保護(hù)功能是當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的103%時(shí)，OPC 動(dòng)作系統(tǒng)快關(guān)調(diào)門，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的110%時(shí)，超速保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，關(guān)閉自動(dòng)主汽門及全部調(diào)門，使機(jī)組停機(jī)。甩負(fù)荷保護(hù)是當(dāng)運(yùn)行中的汽輪機(jī)由于電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘或電網(wǎng)解列時(shí)，DEH 系統(tǒng)立即關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)閥和中、低抽調(diào)門，并在延時(shí)一段時(shí)間后，再自動(dòng)將調(diào)節(jié)閥重新開啟，維持汽輪機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)，保證汽機(jī)能迅速重新并網(wǎng)。為了保證發(fā)生事故時(shí)閥門能可靠動(dòng)作，DEH 系統(tǒng)還具備對(duì)調(diào)門進(jìn)行在線試驗(yàn)的功能，通過操作員站在顯示器上完成，在進(jìn)行閥門在線試驗(yàn)時(shí)，汽輪機(jī)運(yùn)行不受影響。

2 運(yùn)行效果

改造于2019 年7 月完成，通過DCS 控制系統(tǒng)技術(shù)的改造應(yīng)用，2#3#汽輪發(fā)電機(jī)組耗汽量明顯降低，減少了汽輪發(fā)電機(jī)組的能耗，減輕了公司生產(chǎn)成本的壓力，降低了崗位職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，發(fā)電機(jī)工況調(diào)節(jié)更加便捷，參數(shù)調(diào)節(jié)精確度明顯提升，避免了工況調(diào)節(jié)的滯后性和不一致性。改造完成后，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)及功能精度均滿足技術(shù)要求，特別是其可靠、完善的保護(hù)功能，能夠滿足機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，改造效果十分顯著。

以下是改造前后2#3#發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，見表1。

表1 2#3#發(fā)電機(jī)改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖1 發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)圖

由表1可知，改造后發(fā)電蒸汽單耗較改造前降低4.7t/萬kWh，降低比例為8.3%，節(jié)能效果明顯。同時(shí)，發(fā)電機(jī)組設(shè)備整體運(yùn)行工況更加平穩(wěn)，與鍋爐的同步調(diào)節(jié)更加順暢、快速。保護(hù)系統(tǒng)的完善，使機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性得到進(jìn)一步提高，降低了事故發(fā)生率，設(shè)備使用壽命增加，有效提高了機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

3 結(jié)論

DCS 控制系統(tǒng)技術(shù)是一種先進(jìn)的汽輪機(jī)綜合控制系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)要求的逐步提高，一些企業(yè)的老舊設(shè)備已經(jīng)跟不上時(shí)代的要求，特別是在一些鋼鐵企業(yè)，落后的老舊設(shè)備嚴(yán)重地影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，制約著企業(yè)的高效發(fā)展。目前，已經(jīng)有不少企業(yè)開始對(duì)中小型汽輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)行升級(jí)改造，用先進(jìn)的工藝和技術(shù)代替正在使用的落后工藝和技術(shù)，DCS 自動(dòng)控制系統(tǒng)由于其有著操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、穩(wěn)定性強(qiáng)、保護(hù)功能強(qiáng)大等的優(yōu)點(diǎn)，相信未來一定會(huì)有更好的應(yīng)用前景。