小型汽輪發(fā)電機(jī)組主汽壓力自動(dòng)控制的改進(jìn)

詹守權(quán)，張?jiān)A，張明揚(yáng)

(鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司,遼寧營口 115007)

引言

鋼鐵行業(yè)中，煤氣鍋爐由于其造價(jià)低，燃料使用二次能源，見效快等優(yōu)勢，應(yīng)用較廣。某鋼鐵廠建有兩臺(tái)90 t煤氣鍋爐，配套兩臺(tái)20 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。每臺(tái)鍋爐燃燒高爐煤氣60000 m3/h,焦?fàn)t煤氣5000 m3/h；燃燒器8 個(gè)，采取前墻上下層水平布置，每層4 個(gè)，每個(gè)燃燒器均配置高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、一次風(fēng)的調(diào)節(jié)閥。汽輪機(jī)側(cè)采用母管制運(yùn)行，控制器采用的是美國伍德沃德（WOODWARD）公司生產(chǎn)的505數(shù)字調(diào)節(jié)控制器。由于鍋爐側(cè)自動(dòng)化程度較低，加減煤氣均為手動(dòng)調(diào)整。在額定工況下，由于受到高爐煤氣管網(wǎng)壓力等因素的影響，導(dǎo)致鍋爐負(fù)荷上下波動(dòng)范圍在8 t 左右；汽輪機(jī)采取滑壓運(yùn)行方式，主汽壓力超限則采用人工對(duì)505 控制器模擬轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整來保證主汽壓力，調(diào)整頻繁，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。近年來，隨著自動(dòng)化水平和生產(chǎn)安全意識(shí)日漸提高，對(duì)機(jī)組控制提出了新的要求。在大型燃煤發(fā)電機(jī)組均實(shí)現(xiàn)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的背景下[1],為此決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力自動(dòng)控制功能。

1 主蒸汽定壓力閉環(huán)PID控制方式

由于鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，改造困難，且投資較大，參考相關(guān)發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方式的選擇[2]，經(jīng)過多次分析論證后采取了汽輪機(jī)側(cè)控制機(jī)前主蒸汽壓力作為最佳方案。將505控制器引入機(jī)前主蒸汽壓力信號(hào)，通過505 控制器內(nèi)部的串級(jí)控制回路來達(dá)到機(jī)前主蒸汽壓力的自動(dòng)控制，即采取傳統(tǒng)的比例積分微分（PID）控制調(diào)節(jié)方式，給定主蒸汽壓力設(shè)定值（SV）,當(dāng)實(shí)際主蒸汽壓力過程值（PV）偏離SV 后，偏差值進(jìn)入比例積分微分（PID）控制器將產(chǎn)生輸出，控制505 控制器進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)速的加減，進(jìn)而通過汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）實(shí)現(xiàn)調(diào)速汽門的開大或關(guān)小，來調(diào)節(jié)壓力。硬件配置上則通過RS485 串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器與操作員站HMI進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)操作員站控制兩臺(tái)機(jī)組，見圖1。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)505 控制器可以很好地將主蒸汽壓力控制在允許的范圍，但由于調(diào)速汽門頻繁調(diào)整，鍋爐煤氣壓力波動(dòng)，鍋爐蓄熱能力因素的影響，導(dǎo)致鍋爐蒸汽流量、水位波動(dòng)較大，最大時(shí)達(dá)到±100 mm，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。故該種調(diào)節(jié)方式無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組的主蒸汽壓力自動(dòng)控制。

圖1 505系統(tǒng)硬件配置圖

2 帶有死區(qū)的開關(guān)量控制方式

在機(jī)組側(cè)采用開關(guān)量的方式自動(dòng)控制主蒸汽壓力，見表1。即當(dāng)主蒸汽壓力高于上限值4.8 MPa，繼電器3#動(dòng)作，505 控制器通過升高模擬轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，調(diào)速汽門開大，機(jī)組負(fù)荷增加；當(dāng)主蒸汽壓力低于下限值（4.6 MPa）時(shí)，繼電器4#動(dòng)作，則降低模擬轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，調(diào)速汽門關(guān)小，機(jī)組負(fù)荷減少從而使主蒸汽壓力回到正常范圍。接線圖見圖2所示。

表1 開關(guān)量方式組態(tài)表

圖2 開關(guān)量方式接線圖

經(jīng)過多次試驗(yàn)得出：該控制方式下，由于壓力超出正常運(yùn)行范圍后（4.6～4.8 MPa），505 控制器持續(xù)發(fā)出模擬轉(zhuǎn)速升或降的指令，直至壓力回至正常運(yùn)行范圍內(nèi)。由于鍋爐熱慣性較大、壓力、流量滯后大等原因，所以鍋爐側(cè)的壓力反應(yīng)慢，無法跟上汽機(jī)側(cè)的調(diào)整節(jié)奏，造成過調(diào)現(xiàn)象，即當(dāng)升降轉(zhuǎn)速目標(biāo)值（負(fù)荷）過大，導(dǎo)致壓力波動(dòng)更大。由于連續(xù)的調(diào)整，機(jī)組負(fù)荷變化較大，最高達(dá)20 MW,最低僅10 MW 左右，鍋爐側(cè)汽包水位、蒸汽流量等參數(shù)均大幅度波動(dòng)，無法滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

另外，機(jī)組控制器505是標(biāo)準(zhǔn)控制器，僅能簡單修改內(nèi)部一些參數(shù)，無法通過靈活編程實(shí)現(xiàn)上述要求，如何通過增加一個(gè)獨(dú)立的控制器，接收兩臺(tái)機(jī)組主蒸汽壓力信號(hào)，通過獨(dú)立的控制器來調(diào)整兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)主汽壓力的自動(dòng)調(diào)整和兩臺(tái)機(jī)組的優(yōu)先級(jí)控制，于是提出了第三種方案——主蒸汽壓力裕度控制方式。

3 主蒸汽壓力分段裕度控制方式

3.1 控制原理

分段裕度控制，即將壓力分成若干段進(jìn)行調(diào)節(jié)，如表2，將壓力控制一定的壓力區(qū)間范圍，并設(shè)定了調(diào)節(jié)的死區(qū)，即在額定壓力4.65～4.70 MPa 之間不進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)壓力超過該范圍時(shí)，則以間隔0.01 MPa，以不同的的升轉(zhuǎn)數(shù)速率和作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將壓力調(diào)回到正常范圍。這樣可以消除由于鍋爐側(cè)原因造成的壓力滯后性的問題，當(dāng)由于鍋爐側(cè)壓力突然波動(dòng)，造成主蒸汽壓力從4.7 MPa升至4.72 MPa時(shí)，通過調(diào)節(jié)壓力降到4.71 MPa后又升到4.72 MPa，此時(shí)不對(duì)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免壓力的突然波動(dòng)造成過調(diào)現(xiàn)象。

表2 可變速率調(diào)節(jié)的壓力分段表

3.2 控制系統(tǒng)硬件組成

因?yàn)樵衅啓C(jī)控制器為伍德沃德公司生產(chǎn)的505 數(shù)字調(diào)速控制器，所以新增的獨(dú)立控制器也采用同為該公司生產(chǎn)的Flex500B 控制器，該控制器完全兼容用戶現(xiàn)有的505數(shù)字調(diào)節(jié)控制器，見圖3。

圖3 Flex500B控制器實(shí)物圖

控制系統(tǒng)采用雙冗余供電電源，即使一路電源故障，另外一路仍可保證控制器的正常供電。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)故障，兩臺(tái)機(jī)組保持當(dāng)前狀態(tài)，機(jī)組不停機(jī)，用戶可以手動(dòng)單獨(dú)調(diào)整每臺(tái)機(jī)組。協(xié)調(diào)控制器可以在線更換，不需要機(jī)組停機(jī)。圖4 為改造后系統(tǒng)硬件配置圖。

圖4 改造后系統(tǒng)硬件配置圖

3.2 程序功能簡介及試驗(yàn)結(jié)果

在原有的操作員站上增加控制畫面，當(dāng)投入?yún)f(xié)調(diào)控制后，此時(shí)機(jī)組為主蒸汽壓力手動(dòng)控制；投入自動(dòng)后，為主蒸汽壓力裕度控制自動(dòng)控制方式。當(dāng)控制器進(jìn)行調(diào)整后，主蒸汽壓力仍無法回落至可控范圍時(shí)，控制器將自動(dòng)退出并通知操作員，進(jìn)行人為調(diào)整。

改造后，經(jīng)過多次試驗(yàn)，該控制方式能很好地將壓力控制在4.45～4.9 MPa 區(qū)間內(nèi)（圖5），鍋爐水位波動(dòng)范圍在±30 mm 以內(nèi)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷波動(dòng)范圍在3 MW以內(nèi)，可以滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

圖5 分段裕度控制投入后的主蒸汽壓力曲線

4 結(jié)論

主汽壓自動(dòng)控制系統(tǒng)改造后，降低了操作人員的操作頻率，解決了由于主蒸汽壓力大范圍波動(dòng)而造成負(fù)荷波動(dòng)的問題，提高了系統(tǒng)的安全性,但由于該系統(tǒng)僅為單一的主汽壓力控制方式，與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式對(duì)比，其調(diào)整的精度、穩(wěn)定性還有一定差距，后續(xù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

本項(xiàng)目的探索為今后其他機(jī)組，特別是小型發(fā)電機(jī)組的升級(jí)改造積累了寶貴工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)鋼鐵和石化領(lǐng)域動(dòng)力機(jī)組用戶、透平制造商都有一定的借鑒意義。