汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造升級(jí)技術(shù)應(yīng)用研究

賈正首

(中安聯(lián)合煤化有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

南陽(yáng)能源化工有限公司新聯(lián)合車(chē)間催化裝置氣壓機(jī)組，是催化裝置的大型關(guān)鍵設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著控制反應(yīng)系統(tǒng)壓力，向穩(wěn)定系統(tǒng)輸送壓縮富氣等任務(wù)，為最終回收富氣中液化氣、汽油組分，提高輕質(zhì)油收率、分離干氣等提供先決調(diào)節(jié)，能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到反應(yīng)系統(tǒng)的壓力控制及穩(wěn)定系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該氣壓機(jī)組是由可調(diào)速的工業(yè)汽輪機(jī)拖動(dòng)，其調(diào)速系統(tǒng)是比較復(fù)雜的機(jī)械液壓控制系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)的性能直接影響著氣壓機(jī)組的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

催化氣壓機(jī)組已投產(chǎn)20余年，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的各部零件均有不同程度的磨損，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)已進(jìn)入設(shè)備老化期，設(shè)備缺陷、備品備件的供應(yīng)等問(wèn)題日益突出。從2013年7月以來(lái)調(diào)速系統(tǒng)的波動(dòng)問(wèn)題一直影響著氣壓機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，也成為困擾企業(yè)發(fā)展的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。經(jīng)南陽(yáng)能源化工有限公司機(jī)動(dòng)部、電修車(chē)間、新聯(lián)合車(chē)間等聯(lián)合調(diào)研，認(rèn)為催化車(chē)間氣壓機(jī)組的原有調(diào)速系統(tǒng)由于磨損和老化，以及備件的供應(yīng)等問(wèn)題，只能進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的徹底改造。目前國(guó)際上及國(guó)內(nèi)的工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)正在逐步采用電液控制系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是控制精度及靈敏度均較高；易于實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制；維護(hù)量較低；對(duì)油品清潔度等技術(shù)指標(biāo)的要求也相對(duì)較低。因此，通過(guò)采用冗余雙閥電液調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)改造，可以使氣壓機(jī)組的控制水平上一個(gè)檔次，也解決了長(zhǎng)期以來(lái)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、二次油壓偏低、負(fù)荷波動(dòng)較大等問(wèn)題。

1 調(diào)速系統(tǒng)升級(jí)改造的主要研究?jī)?nèi)容

氣壓機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在原機(jī)械液壓式調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保留了汽輪機(jī)本體部分、機(jī)械式超速跳閘裝置OPC不變，保持汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣閥、油動(dòng)機(jī)、錯(cuò)油門(mén)、速關(guān)閥等部分不變，通過(guò)拆除調(diào)速器WOODWARD PG-PL、原有啟動(dòng)裝置、齒輪箱等部件，更新調(diào)速油管為不銹鋼材料，安裝505調(diào)速器、冗余雙閥電液組件、測(cè)速裝置、速關(guān)控制組合3閥系統(tǒng)(三取二超速停車(chē)電磁閥)、速關(guān)閥行程監(jiān)視器等新部件，將調(diào)速系統(tǒng)改造為電子液壓式調(diào)速系統(tǒng)，提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制精度及可靠度[1-3]。另外通過(guò)改進(jìn)氣壓機(jī)組聯(lián)軸器及蓄能器的方式，改善了氣壓機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而提高了氣壓機(jī)組的運(yùn)行平穩(wěn)性。

2 關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

①保持汽輪機(jī)本體部分不變。保持汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥、油動(dòng)機(jī)、錯(cuò)油門(mén)、速關(guān)閥等部分不變。②拆除調(diào)速器WOODWARD PG-PL、原有啟動(dòng)裝置、齒輪箱等。所有調(diào)速油管全部更新，油管、接頭采用不銹鋼。③安裝新部件：調(diào)速器、冗余雙閥電液組件、測(cè)速裝置、速關(guān)控制組合3閥系統(tǒng)(三取二超速停車(chē)電磁閥)、速關(guān)閥行程監(jiān)視器一套。防爆接線盒、其余配套配件(支架、管接頭、儀表配件)等。④留機(jī)械式超速跳閘裝置OPC。改造成先進(jìn)的電子控制系統(tǒng)：重新設(shè)計(jì)測(cè)速裝置，需安裝6個(gè)新的測(cè)速探頭，2路到調(diào)速器，3路到超速保護(hù)器，一個(gè)備用。⑤增加2/3超速保護(hù)器。要求功能有：實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示、峰值轉(zhuǎn)速顯示及存儲(chǔ)、單元可在線測(cè)試、單元可在線更換等。技術(shù)特性有：三取二停機(jī)方式，避免誤停機(jī)，停機(jī)轉(zhuǎn)速250～25 000 r/min，轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)頻率100～32 000 Hz，顯示屏顯示故障原因，通過(guò)面板方便設(shè)定停機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，各單元(A、B、C)都有獨(dú)立的供電源。⑥采用成熟的冗余雙閥電液組件，德國(guó)VOITH制造。正常運(yùn)行時(shí)互相備用，在線更換故障電液閥。本次改造采用德國(guó)福伊特(Voith Turbo)電液轉(zhuǎn)換器VOITH系列，是將4～20 mA控制信號(hào)線性成比例地轉(zhuǎn)換為油壓輸出。⑦安裝液壓速關(guān)控制組合三閥系統(tǒng)(三取二超速停車(chē)電磁閥)。速關(guān)控制組合具有以下功能：①完成汽輪機(jī)速關(guān)閥的在線試驗(yàn)。②汽輪機(jī)的自動(dòng)及手動(dòng)緊急停車(chē)，同時(shí)具備電磁閥三取二超速停車(chē)功能。③向調(diào)節(jié)汽閥輸出相應(yīng)的控制油壓信號(hào)。④打開(kāi)汽輪機(jī)速關(guān)閥。⑤危急保安裝置自動(dòng)復(fù)位。⑥快裝儀表接口。

2.2 電液調(diào)速系統(tǒng)工作原理

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路主要由轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)字式調(diào)速器、電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)汽閥組成。數(shù)字式調(diào)速器接受來(lái)自轉(zhuǎn)速傳感器變送的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，將接收到的轉(zhuǎn)速信號(hào)與轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行比較后輸出4～20 mA的電信號(hào)給電液轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二次油壓，二次油壓通過(guò)油動(dòng)機(jī)操縱調(diào)節(jié)汽閥。數(shù)字式調(diào)速器的轉(zhuǎn)速設(shè)定值接受外部信號(hào)控制，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

2.3 啟動(dòng)系統(tǒng)的功能

啟動(dòng)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路有密切的聯(lián)系，它由啟動(dòng)閥和速關(guān)閥組成。啟動(dòng)閥僅用于開(kāi)啟速關(guān)閥。汽輪機(jī)的啟動(dòng)(沖轉(zhuǎn))、升速、降速和投自動(dòng)(轉(zhuǎn)速遙控)都可以在數(shù)字式調(diào)速器的前面板上完成。速關(guān)閥與數(shù)字式調(diào)速器聯(lián)鎖，只有在速關(guān)閥完全開(kāi)啟后，才能用數(shù)字式調(diào)速器或遠(yuǎn)控操作板進(jìn)行操作。

2.4 改造達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速12 294 r/min，調(diào)速范圍8 816～13 224 r/min，跳閘轉(zhuǎn)速15 263 r/min；汽輪機(jī)的啟動(dòng)油壓0.85～0.9 MPa；汽輪機(jī)的二次油壓0.15～0.45 MPa；汽輪機(jī)的速關(guān)油壓0～0.9 MPa；氣壓機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)控制精度為±300 r/min，改造后為NEMA SM-23 D級(jí)，即可達(dá)±50 r/min。

3 調(diào)速系統(tǒng)升級(jí)改造的使用效果

①通過(guò)氣壓機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的研究，配置一套冗余雙閥電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)法增加備機(jī)的情況下，對(duì)氣壓機(jī)組易發(fā)生故障部位即調(diào)速系統(tǒng)電液組件的雙備用。此技術(shù)采用德國(guó)VOITH制造的冗余雙閥電液組件，正常運(yùn)行時(shí)互相配用，在一個(gè)電液閥出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)在線更換故障電液閥而不影響系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。該技術(shù)大大提高了調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性，對(duì)關(guān)鍵機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的改造具有借鑒意義。②調(diào)速系統(tǒng)改造之后，系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，大大提高了氣壓機(jī)組的控制精度。機(jī)組的控制精度可達(dá)NEMA SM-23 D級(jí)，即±50 r/min。電液調(diào)速系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自啟動(dòng)、暖機(jī)、升速、電超速跳閘保護(hù)等，能夠有效地避免汽輪機(jī)的臨界振動(dòng)速度，進(jìn)而降低共振帶來(lái)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的損壞，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、平穩(wěn)、安全自啟動(dòng)，降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。③改造后的調(diào)速系統(tǒng)具有技術(shù)上的先進(jìn)性、可操作性、可靠性、穩(wěn)定性。項(xiàng)目采用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)改造后，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)正常，設(shè)備運(yùn)行狀況一直比較穩(wěn)定，達(dá)到國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平，電液調(diào)速系統(tǒng)操作靈活、運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

從該項(xiàng)目采用的技術(shù)來(lái)看，通過(guò)將舊的機(jī)械液壓式調(diào)速系統(tǒng)升級(jí)改造為電子液壓式調(diào)速系統(tǒng)，控制模式由機(jī)械式傳動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)部轉(zhuǎn)速PID作用后，輸出4～20 mA模擬信號(hào)給現(xiàn)場(chǎng)的冗余電液轉(zhuǎn)換器，冗余轉(zhuǎn)換器又將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二次油壓(0.15～0.45 MPa)，從而通過(guò)油動(dòng)機(jī)改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣閥開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速快速逼近并穩(wěn)定在設(shè)定值，以達(dá)到工藝要求。這種控制模式縮短了液壓油控制傳動(dòng)鏈，有效避免了機(jī)械部件磨損造成的運(yùn)動(dòng)失效，提高了控制精度及平穩(wěn)性。另外機(jī)械液壓式調(diào)速系統(tǒng)控制氣壓機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)，只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的暖機(jī)升速，無(wú)法有效避免臨界轉(zhuǎn)速。而升級(jí)改造后的505調(diào)速器可通過(guò)內(nèi)部軟件科學(xué)的設(shè)置升速曲線，進(jìn)而能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自啟動(dòng)、暖機(jī)、升速、電超速跳閘保護(hù)等，能夠有效地避免汽輪機(jī)的臨界振動(dòng)速度，進(jìn)而降低共振帶來(lái)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的損壞，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、平穩(wěn)、安全自啟動(dòng)，也降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。