汽輪機(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

申宏偉

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山發(fā)電廠，山西 呂梁 033000)

0 引 言

隨著社會(huì)對(duì)電力能源需求不斷加大，電力企業(yè)設(shè)備的發(fā)展和優(yōu)化需要不斷地研究和創(chuàng)新。汽輪機(jī)作為發(fā)電廠重要的生產(chǎn)設(shè)備之一，對(duì)電廠的穩(wěn)定和持續(xù)工作具有重要作用。在電廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果汽輪機(jī)啟動(dòng)中存在不穩(wěn)定因素則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)電機(jī)組無法響應(yīng)生產(chǎn)需求；另一方面汽輪機(jī)穩(wěn)定的啟動(dòng)可以更好的匹配鍋爐的運(yùn)行。針對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中壓閥組預(yù)熱速率過高和高壓閥組低溫沖轉(zhuǎn)問題，筆者通過闡述汽輪機(jī)高壓閥組預(yù)熱速率優(yōu)化和沖轉(zhuǎn)控制優(yōu)化，排除汽輪機(jī)啟動(dòng)不穩(wěn)定因素，使汽輪機(jī)啟動(dòng)控制更加安全有效[1]。為汽輪機(jī)啟動(dòng)控制的進(jìn)一步優(yōu)化和安全操作提供參考。

1 汽輪機(jī)控制系統(tǒng)概述

某電廠使用K-1000-60/3000型汽輪機(jī)組，對(duì)稱布置，機(jī)組內(nèi)4個(gè)低壓缸和一個(gè)高壓缸，低壓缸放置在中間4個(gè)高壓缸以低壓缸為中心兩兩對(duì)稱分布?？刂葡到y(tǒng)的主要原件采用西門子PLC，顯示監(jiān)測(cè)采用OM696系統(tǒng)，診斷系統(tǒng)為ES/DS。汽輪機(jī)組的電液控制系統(tǒng)為TXP控制平臺(tái)，重要包括電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)EDH和電路控制系統(tǒng)AS620B。為了防止系統(tǒng)運(yùn)行中的誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象采用了3對(duì)AP，并以3取2的運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣可以使系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)[2]。

目前，由專業(yè)技術(shù)人員設(shè)計(jì)了一個(gè)程序用于控制汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中的沖轉(zhuǎn)和預(yù)熱，該程序主要分三個(gè)階段進(jìn)行控制：第一階段，預(yù)熱汽輪機(jī)液壓系統(tǒng)高壓閥組；第二階段，控制汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)達(dá)到1 000 r/min；第三階段，將沖轉(zhuǎn)加速至3 000 r/min。該程序控制方式簡(jiǎn)單，對(duì)于汽輪機(jī)的啟動(dòng)優(yōu)化具有較大的優(yōu)化空間，因此，作者針對(duì)上文中的三個(gè)階段存在的不足進(jìn)行了優(yōu)化，使汽輪機(jī)的啟動(dòng)控制流程更加合理[3]。

2 汽輪機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化方案

冷卻空氣流通通道部分熱應(yīng)力的控制對(duì)于汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程非常關(guān)鍵，也就是在整個(gè)啟動(dòng)過程中需要盡量減少或避免熱蒸汽流入不必要的設(shè)備空間內(nèi)，避免熱應(yīng)力超出可控范圍而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障或損壞。之所以對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行熱應(yīng)力控制就是要將所有部件的熱應(yīng)力保持在所允許的范圍之內(nèi)，從而才能保證汽輪機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，因此汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)在并網(wǎng)、升速、沖轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)都要保持任何元件都有良好的熱應(yīng)狀態(tài)，這樣才能使機(jī)組在整個(gè)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗盡量保持最低狀態(tài)[4]。而想要通過保持良好的熱應(yīng)力達(dá)到降低損耗的目的，主要是對(duì)機(jī)組在進(jìn)行啟動(dòng)、負(fù)荷變化和停機(jī)動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的溫度波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樵诋a(chǎn)生較大的溫度變化速率時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子上出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)的溫度梯度，同時(shí)造成很大的熱應(yīng)力，對(duì)機(jī)組系統(tǒng)產(chǎn)生影響甚至出現(xiàn)故障，因此做好轉(zhuǎn)子的熱效應(yīng)控制即可保持電力機(jī)組汽輪機(jī)的熱應(yīng)力不會(huì)超出允許的控制范圍。而暖機(jī)和預(yù)熱是汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中出現(xiàn)熱應(yīng)力的主要時(shí)間段，因此對(duì)這兩個(gè)控制過程進(jìn)行深入研究，提出以下優(yōu)化方案。

2.1 高壓閥組預(yù)熱速率優(yōu)化

在汽輪機(jī)預(yù)熱時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)高壓閥組溫度上升速度超限的狀態(tài)，此時(shí)要進(jìn)行人為干預(yù)就必須先切除啟動(dòng)程序，而切除啟動(dòng)程序會(huì)影響發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的勵(lì)磁，此時(shí)退出啟動(dòng)程序會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此，操作人員在啟動(dòng)程序開啟后無法完成高壓閥組預(yù)熱速度的手動(dòng)干預(yù)。在這種條件下，既不能影響發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成危害，因而不能手動(dòng)完成高壓閥組預(yù)熱手動(dòng)干預(yù)，所以，本次汽輪機(jī)啟動(dòng)高壓閥組預(yù)熱速率優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要完成閥門BA25和閥門45AA201的預(yù)熱控制方式改為自動(dòng)控制，將其在預(yù)熱升溫速度保持在4 ℃/h以下。根據(jù)以上實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)分析提出兩種解決方案[5]。

(1)重新設(shè)置一套控制系統(tǒng)單獨(dú)控制高壓閥組的預(yù)熱速度，使閥門越熱控制脫離汽輪機(jī)啟動(dòng)控制程序，當(dāng)發(fā)生高壓閥組預(yù)熱速度超過所允許范圍的情況發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以利用這套新程序單獨(dú)控制，即使自動(dòng)控制失靈也可以將這個(gè)控制系統(tǒng)單獨(dú)切除，進(jìn)行手動(dòng)控制，同時(shí)也能夠保證汽輪機(jī)的并網(wǎng)、勵(lì)磁能夠正常順利進(jìn)行，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其它部位產(chǎn)生影響[6]。

(2)將高壓閥組的預(yù)熱控制仍在啟動(dòng)程序流程之內(nèi)，但控制形式從高電平連續(xù)加熱改為脈沖斷續(xù)加熱，并在操作面板上增加預(yù)熱頻率設(shè)置模塊，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)程序開啟之后，可根據(jù)高壓閥組的溫度變化速度自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱頻率，這種控制形式下，通過調(diào)節(jié)加熱脈沖頻率，從而調(diào)節(jié)加熱速度。當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率失靈的狀態(tài)下，也可以通過預(yù)熱頻率設(shè)置模塊進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，以保證預(yù)熱速度保持在允許的范圍之內(nèi)[7]。

第一種方案需要重新設(shè)計(jì)電路，將高壓閥組預(yù)熱線路從線路中分離出來，再根據(jù)新的線路重新連接，并且還要單獨(dú)重新編寫一整套控制程序；第二種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要改造線路，只需要在源程序和控制面板中增加壓閥組預(yù)熱程序模塊即可。因此，選用第二種方案。

2.2 沖轉(zhuǎn)控制優(yōu)化

有關(guān)汽輪機(jī)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速將要達(dá)到1 100 r/min之前，高壓缸溫度尚未達(dá)到150 ℃，則必須使汽輪機(jī)以1 100 r/min的速率旋轉(zhuǎn)，并保持10 min，以保證足夠的預(yù)熱時(shí)間使高壓缸達(dá)到所需要的預(yù)熱溫度。根據(jù)日常操作汽輪機(jī)從1 100 r/min向3 000 r/min沖轉(zhuǎn)是第二階段向第三階段轉(zhuǎn)換的過程，完全依靠操作人員手動(dòng)完成，若操作人員只考慮轉(zhuǎn)速而忽略了高壓缸低溫問題就極有可能產(chǎn)生誤操作，并且在現(xiàn)有的啟動(dòng)程序控制中并沒有對(duì)高壓缸低溫沖轉(zhuǎn)進(jìn)行閉鎖。在這種控制條件下，系統(tǒng)中存在極大的不安全因素，需要對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)第二階段向第三階段轉(zhuǎn)換控制進(jìn)行優(yōu)化。

針對(duì)以上問題，需要對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中第二階段向第三階段轉(zhuǎn)換控制進(jìn)行優(yōu)化，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速1 050 r/min向3 000 r/min沖轉(zhuǎn)之前增加高壓閥組低溫閉鎖程序，即高壓閥組溫度達(dá)不到150 ℃時(shí)，若操作人員進(jìn)行沖轉(zhuǎn)操作，系統(tǒng)自動(dòng)中斷沖轉(zhuǎn)程序，同時(shí)讓汽輪機(jī)保持1 050 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行10 min，待10 min后打開閉鎖，開啟第三階段沖轉(zhuǎn)程序。利用自動(dòng)控制閉鎖程序可以完全避免汽輪機(jī)啟動(dòng)中二階段向三階段高壓閥組低溫沖轉(zhuǎn)問題，使發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定。三階段沖轉(zhuǎn)閉鎖控制流程如圖1所示。

圖1 三階段沖轉(zhuǎn)閉鎖控制流程

3 實(shí)踐應(yīng)用效果

汽輪機(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化后，高壓閥組自動(dòng)預(yù)熱速率平穩(wěn)，不在出現(xiàn)預(yù)熱速率過高的情況。通過手動(dòng)控制高壓閥組加熱頻率，也能夠完成對(duì)加熱速率的控制，高壓閥組加熱速率過快得到很好的解決。由1 050 r/min向上沖轉(zhuǎn)時(shí)，若出現(xiàn)高壓閥組溫度低于150 ℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)中斷沖轉(zhuǎn)程序，同時(shí)讓汽輪機(jī)保持1 050 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行10 min，待10 min后打開閉鎖，開啟第三階段沖轉(zhuǎn)程序，高壓閥組低溫沖轉(zhuǎn)問題得到解決。

4 結(jié) 語

汽輪機(jī)是發(fā)電廠重要的生產(chǎn)設(shè)備，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有關(guān)鍵作用。汽輪機(jī)的啟動(dòng)優(yōu)化對(duì)機(jī)組的并網(wǎng)、勵(lì)磁等環(huán)節(jié)都有很大影響，因此汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程控制必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。文中通過對(duì)汽輪機(jī)現(xiàn)有的啟動(dòng)控制程序進(jìn)行分析，針對(duì)高壓閥組預(yù)熱速率過高和高壓閥組低溫沖轉(zhuǎn)問題，對(duì)汽輪機(jī)啟動(dòng)控制程序進(jìn)一步優(yōu)化，排除了汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中的不穩(wěn)定因素，使汽輪機(jī)的啟動(dòng)控制更加安全有效。