淺析凝汽抽汽式汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速與抽汽解耦控制原理及其應(yīng)用

柴福林

(北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124000)

淺析凝汽抽汽式汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速與抽汽解耦控制原理及其應(yīng)用

柴福林

(北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124000)

針對(duì)裂解氣壓縮機(jī)抽汽壓力不平的難題，在介紹EHNK50/71汽輪機(jī)的防喘振控制和抽汽控制方案的基礎(chǔ)上，對(duì)抽汽電磁閥的控制邏輯、閥位跟蹤邏輯和PID06塊的邏輯進(jìn)行了修改；同時(shí)結(jié)合解耦控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

解耦控制 汽輪機(jī) 防喘振 抽汽壓力不平 抽汽電磁閥控制邏輯

北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司內(nèi)蒙古華錦化工有限公司乙烯改造擴(kuò)建工程驅(qū)動(dòng)裂解氣壓縮機(jī)用汽輪機(jī)采用從德國西門子引進(jìn)的反動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造。汽輪機(jī)為抽汽凝汽式，型號(hào)為EHNK50/71。汽輪機(jī)為雙側(cè)進(jìn)汽，采用向上進(jìn)汽、向下抽汽和向下排汽的結(jié)構(gòu)，汽輪機(jī)帶有保溫材料和罩殼,汽缸上裝有疏水閥，需回收的疏水最后都集中到疏水膨脹箱。汽輪機(jī)帶有冷凝系統(tǒng)和液位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并配有兩級(jí)射汽抽汽裝置以保證冷凝器能正常工作。

1 工藝流程

蒸汽復(fù)水系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，主蒸汽參數(shù)為10.5MPa(10.0～11.5MPa)/510℃(500～520℃)、汽輪機(jī)進(jìn)汽量250t/h、抽汽壓力4.2MPa，汽輪機(jī)要滿足26 066kW、5 477r/min工況時(shí)，抽汽量為182t/h；輔助蒸汽參數(shù)為1.4MPa/260℃，設(shè)有兩級(jí)射汽抽汽裝置。抽汽就是在保證汽輪機(jī)正常工作的前提下，把多余的蒸汽通過0802閥輸送到高壓蒸汽管線，以節(jié)約能源。

圖1 蒸汽復(fù)水系統(tǒng)工藝流程

2 汽輪機(jī)組開車過程簡述

汽輪機(jī)組的開車條件：潤滑油總管壓力正常，防喘振[1]閥全開且閥門回饋正確，裂解氣入口閥全開，出口閥全開，汽輪機(jī)速關(guān)閥全開，中低壓平衡管注氣和火炬氣壓差正常，盤車電機(jī)停止。潤滑油冷卻器后溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，機(jī)組轉(zhuǎn)速為零，停機(jī)聯(lián)鎖條件沒有觸發(fā)且已復(fù)位。如圖2所示，全部滿足條件(啟動(dòng)條件畫面狀態(tài)欄全部變成綠色，不允許啟動(dòng)變?yōu)樵试S啟動(dòng)且是綠色)，允許啟動(dòng)燈亮，調(diào)速畫面的工作狀態(tài)由模式0停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入允許啟動(dòng)模式1狀態(tài)。之后，按下啟動(dòng)按鈕，汽輪機(jī)將按照升速曲線(圖3)自動(dòng)升速。調(diào)速器在不同階段設(shè)置不同的速度目標(biāo)值，并以規(guī)定的斜率產(chǎn)生實(shí)際轉(zhuǎn)速控制設(shè)定點(diǎn)。升速過程中有一段暖機(jī)模式2，時(shí)間分別為冷態(tài)50min、熱態(tài)20min，達(dá)到暖機(jī)速度時(shí)自動(dòng)停留規(guī)定的暖機(jī)時(shí)間并提示暖機(jī)倒計(jì)時(shí)。

圖2 開車條件全部滿足進(jìn)入啟動(dòng)模式

圖3 升速曲線

如圖4所示，計(jì)時(shí)結(jié)束后升速按鈕由不可用變?yōu)榭捎?，點(diǎn)擊升速按鈕汽輪機(jī)開始升速。當(dāng)達(dá)到2 000r/min時(shí)點(diǎn)擊保持按鈕，轉(zhuǎn)速將停在2 000r/min。此后進(jìn)行機(jī)械檢查模式3。機(jī)械檢查結(jié)束后，點(diǎn)擊升速按鈕，汽輪機(jī)組將繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，進(jìn)入模式5，先快速越過臨界模式5的轉(zhuǎn)速2 569r/min，然后到達(dá)調(diào)速器最小控制轉(zhuǎn)速并保持該轉(zhuǎn)速。臨界區(qū)如果不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，則自動(dòng)返回臨界區(qū)底限并發(fā)出跨越失敗報(bào)警。這時(shí)調(diào)速畫面的轉(zhuǎn)速設(shè)定就可以使用了，操作人員可以在最大調(diào)速器轉(zhuǎn)速和最小調(diào)速器轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隨意輸入數(shù)值。裂解氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速是5 112r/min，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在正常運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)入正常運(yùn)行模式6。正常運(yùn)行模式的調(diào)速包括ITCC控制和現(xiàn)場(chǎng)控制，而ITCC控制又分為轉(zhuǎn)速串級(jí)和抽汽調(diào)速控制模式。

圖4 壓縮機(jī)組開車控制界面

3 機(jī)組控制與相關(guān)邏輯的修改

通過喘振與調(diào)速解耦[2]模塊來調(diào)節(jié)性能控制器，對(duì)壓縮機(jī)出口壓力進(jìn)行控制?？梢詮腍MI/DCS調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口壓力的設(shè)定值。實(shí)際速度設(shè)定值按照設(shè)定的升速速率600r/min達(dá)到目標(biāo)速度。若壓力比達(dá)到1.15，喘振控制[3]激活，可以通過HMI/DCS選擇喘振控制的自動(dòng)/手動(dòng)/半自動(dòng)模式。

在喘振區(qū)有一條紅色的喘振線，還有一條黃色的線是要進(jìn)入喘振區(qū)的報(bào)警線，它與喘振線的距離由喘振初始裕度控制在手動(dòng)狀態(tài)，由工藝人員控制防喘振閥的開度。當(dāng)?shù)竭_(dá)喘振區(qū)后，防喘振閥失電全開。在半自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)入黃色報(bào)警線以內(nèi)時(shí)，由自動(dòng)控制程序開始控制防喘振閥的開度。喘振點(diǎn)的x坐標(biāo)是一段入口流量除以一段進(jìn)氣壓力，y坐標(biāo)是二段進(jìn)氣壓力除以一段進(jìn)氣壓力。

串級(jí)控制主要以壓縮機(jī)入口壓力為主，主要的控制參數(shù)是設(shè)定壓縮機(jī)的入口壓力，以保證壓縮機(jī)入口壓力穩(wěn)定，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為輔助參數(shù)。因此，串級(jí)控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，需要在壓縮機(jī)組和相關(guān)系統(tǒng)平穩(wěn)工作時(shí)才能投用，如果有一個(gè)小的擾動(dòng)，ITCC會(huì)對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)組重新平穩(wěn)工作。但過大的波動(dòng)仍然會(huì)導(dǎo)致ITCC進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，機(jī)組的轉(zhuǎn)速、介質(zhì)流量和出口壓力變化過大，導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生波動(dòng)。為此，建議在系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況下不投串級(jí)控制，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下嘗試投入壓縮機(jī)入口壓力串級(jí)控制[4]。

轉(zhuǎn)速控制就是用汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速來控制壓縮機(jī)的出口壓力，以壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為主。主要的控制參數(shù)是設(shè)定壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證壓縮機(jī)入出口壓力正常穩(wěn)定。在實(shí)際控制中一般采用轉(zhuǎn)速控制模式。

當(dāng)壓縮機(jī)在運(yùn)行模式中轉(zhuǎn)速和壓力平穩(wěn)時(shí)，就可以投用抽汽控制[5]。在投用抽汽控制后，由于裂解氣壓縮機(jī)的抽汽壓力有時(shí)不平穩(wěn)，出現(xiàn)抽汽壓力低低聯(lián)鎖，在發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)抽汽速關(guān)閥失電，抽汽速關(guān)閥全開，抽汽控制取消；汽輪機(jī)抽汽壓力低低聯(lián)鎖在沒有發(fā)生聯(lián)鎖時(shí)，抽汽電磁閥得電，抽汽閥可以自動(dòng)開關(guān)(抽汽閥是圖1中的0802，位于汽輪機(jī)和壓縮機(jī)之間)。在壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)常發(fā)生抽汽速關(guān)閥自動(dòng)失電關(guān)閉的情況，很不利于操作，致使抽汽程序很難正常投用。經(jīng)過與壓縮機(jī)廠家的溝通研究確認(rèn)，將抽汽速關(guān)閥的聯(lián)鎖條件改為機(jī)組在運(yùn)行模式下，抽汽速關(guān)閥得電，機(jī)組離開運(yùn)行模式，使抽汽速關(guān)閥失電。汽輪機(jī)抽汽壓力低低聯(lián)鎖將與抽汽控制是否取消沒有直接關(guān)系。在需要抽汽時(shí)，確認(rèn)機(jī)組當(dāng)前處于運(yùn)行模式，并到現(xiàn)場(chǎng)將抽汽速關(guān)閥手動(dòng)打開。在程序中刪除抽汽聯(lián)鎖01PIA30951LL輸出到抽汽電磁閥聯(lián)鎖條件的程序輸入塊，添加壓縮機(jī)運(yùn)行模式i875-smode不小于6，即壓縮機(jī)工作在運(yùn)行區(qū)抽汽電磁閥得電，修改前后的邏輯對(duì)比如圖5所示。

圖5 修改前后的抽汽控制邏輯

程序修改后，確實(shí)杜絕了抽汽投用后經(jīng)常退出投用的現(xiàn)象，但是在抽汽投用后對(duì)壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行帶來了很大的波動(dòng)。在抽汽剛投用時(shí)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大，壓縮機(jī)只根據(jù)設(shè)定的抽汽壓力值調(diào)節(jié)抽汽調(diào)節(jié)閥的輸出值，沒有顧及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥的開度，在抽汽投用的瞬間，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥開度瞬間由40%～60%跨到90%～100%，抽汽閥的開度由100%直接降到50%左右。有時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥開到100%，而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速還在正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速的下限以下，這導(dǎo)致壓縮機(jī)本身及外圍管網(wǎng)等系統(tǒng)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，而且波動(dòng)的時(shí)間還比較長，對(duì)整個(gè)乙烯裝置的平穩(wěn)運(yùn)行、操作人員的操作等帶來很大的難度。

經(jīng)過儀表工程師和廠家技術(shù)人員的共同探討研究后發(fā)現(xiàn)：在抽汽沒有投入控制時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥閥位控制值沒有自動(dòng)跟蹤抽汽調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位。所以在抽汽投入控制時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥閥位控制值與當(dāng)前抽汽調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位不一致，在兩者變成一致的過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。經(jīng)與廠家程序人員進(jìn)行溝通，確定程序修改為不抽汽時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥閥位控制值自動(dòng)跟蹤當(dāng)前抽汽調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位。所以在投入抽汽控制時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥閥位控制值與當(dāng)前抽汽調(diào)節(jié)閥的實(shí)際閥位一致(圖6)，這樣就不會(huì)產(chǎn)生由于二者不一致而導(dǎo)致的機(jī)組轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。首先在汽輪機(jī)抽汽壓力PID06塊ROUTPUT和RMANUAL的輸出管腳添加判斷抽汽是否運(yùn)行的比較程序，抽汽閥門的實(shí)際開度是否大于100%，抽汽壓力是否大于設(shè)定值，抽汽程序按鈕是否按下，以此來決定抽汽壓力的輸出是否采用主蒸汽轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。在解耦控制器TWOVLV_INTR04中的RV1和RV2管腳輸出添加閥門輸出同步程序，實(shí)現(xiàn)抽汽不投用時(shí)抽汽調(diào)節(jié)閥閥位控制值自動(dòng)跟蹤當(dāng)前抽汽調(diào)節(jié)閥實(shí)際閥位，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。另外，圖7中的V2_RMP_H代表按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥打開的速度單位是%/s；V2_RMP_L代表取消抽汽時(shí)，抽汽調(diào)節(jié)閥打開的速度單位也是%/s。注意，這個(gè)速度不能設(shè)定得太快，以免對(duì)機(jī)組產(chǎn)生過大影響。

圖6 修改前后的閥位跟蹤對(duì)比

圖7 修改前后的PID06塊對(duì)比

4 解耦控制

解耦控制系統(tǒng)[6]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(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，每一個(gè)輸出又只受到一個(gè)控制的作用。解耦控制[7]是多變量系統(tǒng)控制的有效手段?；灸繕?biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)控制裝置，使構(gòu)成的多變量控制系統(tǒng)的每個(gè)輸出變量僅由一個(gè)輸入變量完全控制，且不同的輸出由不同的輸入控制。在實(shí)現(xiàn)解耦之后，一個(gè)多輸入多輸出控制系統(tǒng)就解除了輸入輸出變量間的交叉耦合，從而實(shí)現(xiàn)自治控制，即互不影響的控制。

互不影響的控制方式，已經(jīng)應(yīng)用在汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)速與抽汽控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制及鍋爐調(diào)節(jié)等工業(yè)控制系統(tǒng)中。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)汽閥和抽汽閥開度的控制方案，達(dá)到平衡控制汽輪機(jī)負(fù)荷和抽汽壓力的目的。針對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，通過對(duì)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)組開車穩(wěn)定后，抽汽壓力調(diào)節(jié)會(huì)放大抽汽壓力波動(dòng)對(duì)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。解耦控制既實(shí)現(xiàn)了機(jī)組預(yù)定的復(fù)雜調(diào)節(jié)功能又實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)可靠的運(yùn)行。

綜上所述，凝汽抽汽式汽輪機(jī)解耦控制實(shí)際就是使抽汽壓力達(dá)到目標(biāo)值，其調(diào)節(jié)速率對(duì)轉(zhuǎn)速的控制精度和汽輪機(jī)的其他調(diào)節(jié)量有較大影響，速度越快控制精度越高，但對(duì)汽輪機(jī)的其他調(diào)節(jié)量的擾動(dòng)也越頻繁，因此需要擇合適的抽汽壓力調(diào)節(jié)速率。多數(shù)情況下，壓縮機(jī)廠家都會(huì)有一個(gè)初始的PID參數(shù)值控制抽汽閥開度速率，具體會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來決定。

5 結(jié)束語

裂解氣壓縮機(jī)是乙烯裝置中的關(guān)鍵機(jī)組，該機(jī)組的長周期穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)裝置長期平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵控制點(diǎn)，其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系到乙烯裝置的產(chǎn)品質(zhì)量。為了最大程度地保證機(jī)組的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行，機(jī)組采用透平壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)。針對(duì)裂解氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，存在的抽汽壓力不平的難題，基于EHNK50/71汽輪機(jī)的防喘振控制和抽汽控制方案，對(duì)抽汽電磁閥的控制邏輯，閥位跟蹤邏輯和PID06塊的邏輯進(jìn)行了修改，同時(shí)結(jié)合解耦控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行。

[1] 孔文濤,許益華.防喘振在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法[J].化學(xué)工程與裝備,2008,(1):33～34.

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DecouplingControloverRotationSpeedandSteamExtractionofCondensingBleederTurbineUnit

CHAI Fu-lin

(NorthHuajinChemicalIndustriesGroupCorporation,Panjin124000,China)

Considering the uneven extraction pressure of cracking gas compressor and basing on introducing the scheme of both anti-surge control and steam extraction of EHNK50/71 steam turbine, the logic control of the solenoid valve and that of valve position as well as that of PID06 module were modified; meanwhile, through having the decoupling control considered, the turbine unit’s safe and efficient operation was realized.

decoupling control, steam turbine, anti-surge, uneven extraction pressure, logic control of solenoid valve for steam extraction

2016-05-15(修改稿)

TH862+.6

B

1000-3932(2016)08-0797-05