汽輪機(jī)抽汽控制的應(yīng)用分析

馮慧山

(中國石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

汽輪機(jī)抽汽控制的應(yīng)用分析

馮慧山

(中國石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

某重整抽提裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)組汽輪機(jī)控制采用了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和抽汽壓力雙調(diào)節(jié)模塊,并經(jīng)過雙閥解耦模塊計(jì)算修正后分別控制汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽閥和級間閥開度的控制方案,以達(dá)到平衡控制汽輪機(jī)負(fù)荷和抽汽壓力的目的。針對該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,通過對抽汽壓力控制進(jìn)行分析,表明該控制方案在機(jī)組開車時(shí)可起到盡快建立汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)平衡的作用。但在機(jī)組開工穩(wěn)定后,抽汽壓力調(diào)節(jié)會放大抽汽壓力波動(dòng)對機(jī)組平衡的影響,切除汽輪機(jī)抽汽壓力調(diào)節(jié)能更好地保持汽輪機(jī)的穩(wěn)定。既可實(shí)現(xiàn)該機(jī)組預(yù)定的復(fù)雜調(diào)節(jié)功能又能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

抽汽調(diào)節(jié);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);雙閥解耦;切除

1 研究背景

某1.2 Mt/a重整抽提裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)組汽輪機(jī)為帶中間抽汽的背壓式汽輪機(jī),自開工以來因汽輪機(jī)抽汽與管網(wǎng)系統(tǒng)存在問題,一個(gè)月內(nèi)已造成兩次停車,由于未真正搞清楚停車原因,很長一段時(shí)間汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)一直未投用。由于汽輪機(jī)抽汽產(chǎn)生的2.2 MPa蒸汽是后續(xù)抽提單元換熱系統(tǒng)所用2.2 MPa蒸汽的主要來源之一,不投用汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)在蒸汽平衡和能耗上都會存在一定問題,所以有必要對此問題進(jìn)行深一步探討。

2 工藝流程與控制原理

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

汽輪機(jī)中間抽汽產(chǎn)生的 2.2 MPa蒸汽與3.5 MPa蒸汽經(jīng)減壓閥產(chǎn)生的2.2 MPa蒸汽匯合組成2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)為后續(xù)抽提單元重沸器提供熱源,2.2 MPa蒸汽線上設(shè)有兩個(gè)壓力測點(diǎn) PT-91382,PT-70104,分別控制汽輪機(jī)抽汽壓力PIC-91382和減壓壓力PIC-70104。

汽輪機(jī)的控制模塊如圖2所示,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC和PIC-91382分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器模塊控制,其輸出值 r1和 r2經(jīng)雙閥解耦模塊計(jì)算修正后輸出兩路信號——rV1控制主蒸汽進(jìn)氣閥V1;rV2控制級間閥V2。

圖2 機(jī)組控制原理

其中解耦控制模塊的作用:當(dāng)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速(負(fù)荷)時(shí),通過解耦計(jì)算使V1,V2兩閥按一定比例同向動(dòng)作,以使抽汽壓力不受到調(diào)速干擾。當(dāng)抽汽壓力調(diào)節(jié)時(shí),通過解耦計(jì)算使V1,V2兩閥按一定比例反向動(dòng)作,以使轉(zhuǎn)速(負(fù)荷)不受到抽汽壓力調(diào)節(jié)的干擾。兩閥按什么比例動(dòng)作是由預(yù)先設(shè)置在雙閥解耦模塊中的幾個(gè)參數(shù)(TB,HR,FR)決定的,這些參數(shù)是根據(jù)蒸汽透平性能曲線計(jì)算而來。

3 運(yùn)行情況

開車不久該機(jī)組即發(fā)生了故障停車。自控系統(tǒng)記錄下來的實(shí)時(shí)趨勢如圖3所示。

圖3 機(jī)組停車歷史趨勢(2010-01-15T18:46:43開始)

在2010-01-15 T 19:45,由于2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng),壓力值從2.2 MPa左右降至2.0 MPa以下,在抽汽壓力調(diào)節(jié)作用下汽輪機(jī)級間閥門V2由70%快速關(guān)至55%左右,在解耦模塊的作用下主蒸汽進(jìn)氣閥V1也隨之打開一些,同時(shí)由于PIC-70104處于自動(dòng)狀態(tài),必然也會隨2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力下降而增大開度(因PIC-70104控制在DCS中未組態(tài)輸出趨勢記錄,所以這一變化未記錄下來),在三個(gè)閥門的共同作用下,進(jìn)入2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)的蒸汽流量迅速增大,使管網(wǎng)壓力快速反彈達(dá)到了2.6 MPa,造成抽汽側(cè)安全閥起跳。致使大量蒸汽放空,透平焓降過低,做功減少,造成了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低,由正常轉(zhuǎn)速(5 150 r/min)降低至約2 000 r/min,停機(jī)。

4 數(shù)據(jù)分析

a)抽汽壓力測量值首先要經(jīng)過PIC-91382進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)計(jì)算,這是一個(gè)普通的PID反饋調(diào)節(jié)模塊,當(dāng)抽汽壓力出現(xiàn)偏差時(shí),很難指望它能直接把抽汽壓力調(diào)回設(shè)定值,一般都要經(jīng)過2～3次振蕩才能將抽汽壓力調(diào)回到設(shè)定值。

由于 2.2 MPa蒸汽管線上有兩個(gè)調(diào)節(jié)器(PIC-91382,PIC-70104)在同向作用,更加重了振蕩的程度。所以每當(dāng)2.2 MPa蒸汽管線上壓力波動(dòng)時(shí),rV2都要經(jīng)過幾次較強(qiáng)振蕩后才能最終收斂至設(shè)定值。

b)雙閥解耦模塊是大量應(yīng)用在采用抽汽/背壓式汽輪機(jī)上的一個(gè)比較成熟的設(shè)計(jì),從趨勢記錄上看在2010-01-15 T 19:45之前2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)也有幾次波動(dòng),雙閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)在抽汽壓力調(diào)節(jié)過程中,雖然 rV2發(fā)生一定的波動(dòng)但因雙閥解耦模塊的作用,rV1反方向同時(shí)作用,并未造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速 的明 顯波 動(dòng)。即 使 在 2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動(dòng),至安全閥起跳前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速也沒有發(fā)生太大變化(僅下降100 r/min左右),基本上達(dá)到了雙閥解耦的目的。

c)綜上分析可以認(rèn)為造成故障的直接原因是2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大下降,但根本原因是抽汽壓力調(diào)節(jié)作用過強(qiáng),短時(shí)間內(nèi)V2閥關(guān)閉和V1閥開啟幅度太大,使大量蒸汽瞬時(shí)進(jìn)入2.2 MPa蒸汽管網(wǎng),引起了壓力的劇烈上升。

d)這種帶抽汽的汽輪機(jī)在國內(nèi)煉油裝置第一次使用,與電廠和化工裝置使用的不同之處在于電廠和化工裝置都是將汽輪機(jī)抽汽并入相應(yīng)等級的全廠性蒸汽管網(wǎng),而此次設(shè)計(jì)則是重整抽提裝置重沸器自用,用汽系統(tǒng)容量相對很小,抽汽管線壓力波動(dòng)較頻繁并且波動(dòng)幅度相對強(qiáng)烈。所以如果PIC-91382處于自動(dòng)狀態(tài),經(jīng)常性出現(xiàn)的抽汽壓力波動(dòng)帶動(dòng)rV2頻繁出現(xiàn)振蕩,無法避免,嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。而現(xiàn)實(shí)中蒸汽管網(wǎng)的壓力波動(dòng)幾乎是不可避免的。

5 實(shí)施對策

在管網(wǎng)壓力 PIC-70104與抽汽壓力 PIC-91382的耦合、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速 SIC和抽汽壓力 PIC-91382的耦合等諸多矛盾中,主要矛盾集中在抽汽壓力控制器PIC-91382。

當(dāng)抽汽壓力值變化Δp時(shí),對應(yīng) r2就會變化Δr2V1,rV2同時(shí)也會變化ΔrV2。PIC-91382自動(dòng)狀態(tài)時(shí):Δr2=Δp K1(積分作用忽略)

式中 K1——PIC-91382調(diào)節(jié)模塊放大倍數(shù); K2——解耦系數(shù)。

PIC-91382手動(dòng)狀態(tài)時(shí):

可見如果在系統(tǒng)開工穩(wěn)定后某一時(shí)刻(如圖3所示趨勢圖中的 2010-01-15 T 19:33)把 PIC-91382切為手動(dòng),rV2就成了一個(gè)定值(圖3中的72%左右,可人工修改),而不再是隨抽汽壓力變化的值(ΔrV2=0),從而切斷了2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)對汽輪機(jī)運(yùn)行的直接影響,則2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)的壓力波動(dòng)(2 min內(nèi)下降了5%左右)時(shí),閥門V2就不會迅速關(guān)閉,主蒸汽閥V1也不會隨之快速打開,超壓造成停車的后果就會避免。

盡管PIC-91382切為手動(dòng)后失去了對抽汽壓力變化的調(diào)節(jié)反應(yīng),2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)的壓力也會在管網(wǎng)壓力PIC-70104的單獨(dú)調(diào)節(jié)下,通過改變蒸汽減壓線的流量使管網(wǎng)壓力回歸正常。PV-70104正常調(diào)節(jié)范圍為開度28%～81.6%,對應(yīng)流量為11.08～27.01 t/h,16 t/h左右的變化范圍彌補(bǔ)后面換熱器正常的用汽量變化,調(diào)節(jié)2.2 MPa蒸汽管網(wǎng)壓力是完全勝任的。

6 結(jié)束語

通過對現(xiàn)場抽汽壓力控制的初步分析和探討,表明在機(jī)組開車時(shí),機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)、抽汽壓力調(diào)節(jié)和相應(yīng)的開車程序共同作用可盡快建立起汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)平衡,是必要的。但在機(jī)組開工穩(wěn)定后,對調(diào)節(jié)模塊 PIC-91382增加手/自動(dòng)切換功能,切除汽輪機(jī)抽汽壓力調(diào)節(jié)可最大限度地減小汽輪機(jī)抽汽管網(wǎng)對機(jī)組的影響,保持汽輪機(jī)的穩(wěn)定,同時(shí)汽輪機(jī)控制器保留調(diào)速、雙閥解耦等模塊不變,雙閥解耦功能仍然具備,這樣機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí),不會對抽汽壓力產(chǎn)生大的影響。

[1] 蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程[M].2版.北京:中國石化出版社,2004.

[2] 張 普,曹 俊.乙烯裝置干燥器再生系統(tǒng)解耦控制[J].石油化工自動(dòng)化,2008,(6):47-48,53.

[3] 董洪光,李新光.混合液溫度流量解耦控制算法及系統(tǒng)虛擬[J].石油化工自動(dòng)化,2004,(3):10-11.

[4] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[5] 國家石油和化學(xué)工業(yè)局.SH 3005-1999石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國石化出版社,1999.

[6] 北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司.TS3000系統(tǒng)透平及壓縮機(jī)控制技術(shù)手冊[G].北京:北京康吉森自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司,2006.

[7] 美國壓縮機(jī)控制公司.技術(shù)交流資料[M].北京:美國壓縮機(jī)控制公司北京代表處,2005.

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1007-7324(2010)06-0074-03

2010-09-21(修改稿)。

馮慧山(1963—),男,天津人,1985年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè),主要從事過程自動(dòng)化管理工作,任高級工程師。