汽輪機水位優(yōu)化控制探討

洪麗格

（福建省三鋼（集團）有限責(zé)任公司， 福建 三明 365000）

引言

福建省三鋼（集團）有限責(zé)任公司（以下簡稱“三鋼”）是長流程生產(chǎn)的鋼鐵企業(yè)，其焦?fàn)t、高爐、轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中均產(chǎn)生煤氣。在滿足各道生產(chǎn)工序正常運行的同時，三鋼煤氣大量富余。為了減少煤氣放散對大氣的污染，三鋼建設(shè)鍋爐和汽輪發(fā)電機組消耗煤氣，生產(chǎn)清潔的電力能源自用。目前三鋼集團本部自發(fā)電比例達50%以上。

三鋼2號發(fā)電機組是三鋼投產(chǎn)的第一批發(fā)電機組。這臺發(fā)電機組為凝汽式汽輪機與15 MW發(fā)電機聯(lián)機運行，采用歐姆龍控制系統(tǒng)。為確保機組安全運行，發(fā)電機組設(shè)有多項聯(lián)鎖停機參數(shù)，如超速、推力瓦溫高、軸向位移大、排汽溫度排汽壓力異常等，如圖1。

圖1 2號發(fā)電機組連鎖系統(tǒng)

1 三鋼2號發(fā)電機組運行存在的問題

隨著三鋼產(chǎn)能的增加，生產(chǎn)節(jié)奏加快，各道工序煤氣產(chǎn)生和消耗變得不平衡，導(dǎo)致煤氣管網(wǎng)壓力變化大。為了平衡煤氣管網(wǎng)壓力，三鋼煤氣柜通過吞吐煤氣，可瞬時平衡煤氣管網(wǎng)壓力，但最主要的煤氣平衡“調(diào)節(jié)者”是自備電廠的鍋爐和發(fā)電機組。三鋼2號發(fā)電機組是煤氣調(diào)峰的主力，運行負荷通常在6～14 MW區(qū)間調(diào)整，波動大。負荷頻繁大幅度變化，2號發(fā)電機組汽輪機部分出現(xiàn)了軸振動變大、推力瓦溫升高、水位自動調(diào)節(jié)困難等問題。最為突出的是負荷調(diào)整時汽輪機的進汽短時間內(nèi)激增或驟降，凝結(jié)器熱水井水位波動異常，因熱水井水位自動控制跟蹤不及時，引起汽輪機排汽溫度和排汽壓力異常連鎖停機。每次停機到機組恢復(fù)正常運行都需要3～4 h，每年因此停機2～3次，經(jīng)濟損失大。

2 汽輪機排汽溫度和排汽壓力異常的原因分析

首先了解汽輪機凝汽器熱水井水位控制原理，見圖2。

圖2 熱水井水位控制示意圖

汽輪機凝汽器是為了冷卻做完功未液化的蒸汽，保持凝汽器內(nèi)一定的負壓（真空度），使進入汽輪機的蒸汽流動順暢，不易引起汽缸溫度升高，凝汽器運行正常既保證機組安全運行，又能保證蒸汽做功效率。

汽輪機做完功的乏汽經(jīng)凝汽器冷卻后液化進入熱水井。熱水井內(nèi)的水通過凝結(jié)水泵泵出，一部分水通過“排水閥”排出，另一部分水通過再循環(huán)管“水位調(diào)節(jié)閥”回到熱水井，調(diào)節(jié)熱水井水位。熱水井水位過高會影響乏汽的冷凝，而水位過低則容易使空氣進入凝汽器，都會造成汽輪機真空惡化，影響汽輪機運行效率和安全。生產(chǎn)運行過程中，為了控制熱水井水位平穩(wěn)，應(yīng)將熱水井水位與排水閥和水位調(diào)節(jié)閥聯(lián)動，實現(xiàn)電腦自動控制：當(dāng)汽輪機進汽量增大后，凝汽器熱水井水位開始上升，系統(tǒng)將實際水位與設(shè)定水位進行比較，發(fā)現(xiàn)水位升高，發(fā)送指令開大“排水閥”、關(guān)小“水位調(diào)節(jié)閥”，排出凝結(jié)水，使熱水井水位回到設(shè)定值，水位控制是一個不斷跟蹤、比對、反饋、調(diào)節(jié)的過程。

如果汽輪機發(fā)生排汽溫度和排汽壓力異常連鎖停機，主要由以下幾個原因造成：凝汽器密封裝置故障漏空氣，影響凝汽器真空，導(dǎo)致停機；中控系統(tǒng)自動控制異常，導(dǎo)致停機；熱水井水位測量不準(zhǔn)、系統(tǒng)控制出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致滿水停機；排水閥和水位控制閥（機械或電路板）故障，閥門無法正常動作，導(dǎo)致停機。

通過調(diào)閱2號發(fā)電機組熱水井水位歷史曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)汽輪機進汽量大增時，熱水井水位快速上升，水位自動控制系統(tǒng)也開始起作用，開大排水閥門，關(guān)小水位控制閥門進行排水，因為汽輪機凝結(jié)水瞬時增加量大，雖然系統(tǒng)持續(xù)跟蹤、調(diào)節(jié)，但是熱水井內(nèi)進出水量還未達到平衡，此時熱水井水位繼續(xù)上升，當(dāng)水位上升到900 mm（水位計滿量程）以后約1 min，中控系統(tǒng)接收到的水位計輸出信號突變?yōu)?（空水位），使得水位控制系統(tǒng)朝反方向調(diào)節(jié)——關(guān)閉排水閥門，打開水位調(diào)節(jié)閥，使得熱水井水位持續(xù)升高，最終導(dǎo)致汽輪機排汽溫度和排汽壓力異常停機。

2號發(fā)電機組熱水井水位測量儀表采用導(dǎo)波雷達。導(dǎo)波雷達輸出信號4～20 mA對應(yīng)熱水井水位高度為0～900 mm，測量輸出是整個水位邏輯控制第一步，所以故障排查從熱水井的水位測量儀表——導(dǎo)波雷達開始。監(jiān)盤操作人員先把熱水井水位控制調(diào)整至人工控制，隔離水位邏輯控制。儀控人員在導(dǎo)波雷達輸出回路串聯(lián)一個萬用表觀測導(dǎo)波雷達輸出信號與水位變化之間的關(guān)系。通過實際測量發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波雷達在水位量程設(shè)定范圍內(nèi)其輸出信號正常，即輸出的電流信號與水位變化成對應(yīng)關(guān)系，但當(dāng)熱水井水位超過導(dǎo)波雷達測量量程900 mm并持續(xù)升高后，其輸出電流信號突變?yōu)? mA，在電腦顯示熱水井水位為“0”空水位，但實際上這時的熱水井是滿水狀態(tài)。經(jīng)過反復(fù)確認，導(dǎo)致控制系統(tǒng)在滿水情況下顯示“0”水位的問題是當(dāng)水位高于導(dǎo)波雷達量程后，導(dǎo)波雷達輸出信號異常。

導(dǎo)波雷達的測量原理：導(dǎo)波雷達是利用電磁波反射測量原理的智能測量儀表。導(dǎo)波雷達測量時，先發(fā)出電磁脈沖信號，當(dāng)脈沖抵達所要測量的液體表面時，部分脈沖被反射并返回變送器，變送器接收脈沖后，將產(chǎn)生的脈沖和反射接收到的脈沖之間的時差換算成距離，從而來計算液面高度。但是導(dǎo)波雷達存在測量盲區(qū)，當(dāng)實際水位超過測量參考點就進入了導(dǎo)波雷達的頂部盲區(qū)，就會出現(xiàn)脈沖信號反射異常，導(dǎo)致導(dǎo)波雷達測量誤差大，輸出信號與實際不符的情況。

通過分析導(dǎo)波雷達的測量原理及后期測試證實，當(dāng)熱水井水位超出導(dǎo)波雷達的有效測量量程，導(dǎo)波雷達輸出信號與實際水位不符。

3 解決水位測量儀表輸出假信號的措施

3.1 方案一：增大導(dǎo)波雷達有效測量程

通過翻閱說明書，儀控人員可以通過修改導(dǎo)波雷達的參數(shù)設(shè)置，將其盲區(qū)改小，增大有效測量范圍。但是在熱水井水位超過導(dǎo)波雷達測量范圍，且水位持續(xù)上升的過程中還是容易到達測量盲區(qū)，造成測量誤差，影響汽輪機正常運行，所以該方案不可行。

3.2 方案二：更換熱水井水位測量儀表

部分技術(shù)人員提出將水位測量儀表更換為差壓變送器。差壓變送器具有測量原理簡單、安裝方便、價格便宜等優(yōu)點，其在敞口容器的水位測量應(yīng)用較多。通過資料分析對比，用差壓變送器測量熱水井水位存在以下問題：第一，因為熱水井內(nèi)為負壓，差壓變送器測量不穩(wěn)定，且氣密性較差，真空容器對系統(tǒng)的氣密性要求很高，差壓變送器在以往電廠中的應(yīng)用效果并不理想。相對于差壓變送器、導(dǎo)波雷達在嚴(yán)密性要求比較高的真空容器——凝汽器內(nèi)應(yīng)用更好。第二，若更換熱水井水位測量儀表，需停機對熱水井測量點進行重新開口，連接導(dǎo)壓管，時間較長，在生產(chǎn)節(jié)奏快、整個廠煤氣壓力波動大的實際情況下，2號發(fā)電機組作為煤氣調(diào)峰“主力”不具備長時間停機的可能。綜合以上因素，方案二也不可行。

3.3 方案三：修改水位控制邏輯

針對三鋼生產(chǎn)實際，在2號發(fā)電機機組不停機的情況下，通過在上位機修改控制系統(tǒng)的熱水井水位控制邏輯，再從上位機下載至工況機。

2號發(fā)電機組水位控制程序增加以下邏輯（見下頁圖3）：當(dāng)水位顯示低于110 mm，且蒸汽流量大于8 t/h時，水位信號強制為滿水位（900 mm）；當(dāng)水位顯示低于850 mm時，顯示實際水位。為避免汽輪機啟動前，熱水井注水時實際低水位被強制為滿水位，增加一個蒸汽流量大于8 t/h的參數(shù)指標(biāo)。

圖3 控制系統(tǒng)中增加的判斷邏輯

熱力2號發(fā)電機組水位控制程序修改后，在實際運行中避免了凝結(jié)器熱水井水位測量缺陷造成凝結(jié)器水位高時出現(xiàn)假水位的現(xiàn)象。同時通過崗位勞動競賽等方式，加強崗位操作人員績效考核和異?？己?，提高崗位操作人員的積極性和主動性，利用能源管理系統(tǒng)提前預(yù)判管網(wǎng)壓力，及時調(diào)整發(fā)電機組負荷。通過技術(shù)和管理上的措施，三鋼2號發(fā)電機組因水位計輸出虛假信號引起停機的情況沒有再發(fā)生，大大提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性。