小型汽輪機控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用

吳 婷，李建明

（國家能源集團 寧夏煤業(yè)煤制油儀表管理中心，寧夏 寧東 750411）

目前國內(nèi)煤化工項目以高能耗為特點，煤化工企業(yè)為降低成本，利用生產(chǎn)裝置內(nèi)部所產(chǎn)生的余熱，一部分大型離心泵的驅(qū)動裝置選擇小型汽輪機組或水輪機。這樣做不僅可有效降低電能消耗，而且提高了能源利用效率，符合低碳環(huán)保綠色發(fā)展理念。以往對壓縮機組控制保護系統(tǒng)的重點研究方向主要集中在大型離心式壓縮機方面，對小型汽輪機組的控制系統(tǒng)組成、調(diào)速控制、機組保護等方面通常不夠重視，在實際的工程應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題。本文描述分析并研究某工程所采用的離心泵配套汽輪機的控制系統(tǒng)及實際使用情況，并根據(jù)實際應(yīng)用情況進行了部分改造，有較廣泛的借鑒意義。

1 汽輪機控制系統(tǒng)組成

1.1 機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

汽輪機在運行過程中要求保持轉(zhuǎn)子平穩(wěn)運行，這就要求設(shè)備具有高穩(wěn)定性、低故障率。保證設(shè)備完好的主要手段是對設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控，機械轉(zhuǎn)態(tài)檢測系統(tǒng)可以跟蹤轉(zhuǎn)動設(shè)備各類數(shù)據(jù)的實時變化隨時反映給控制系統(tǒng)，以便維護人員提前做出調(diào)整[1]。重要設(shè)備可配置故障診斷系統(tǒng)，便于專業(yè)人員對異常情況進行分析。需要實時監(jiān)控預(yù)警的參數(shù)有兩大類：一類稱為轉(zhuǎn)動機械量，如振動、位移、鍵相位、軸瓦溫度、轉(zhuǎn)速等；另一類是機組輔助系統(tǒng)設(shè)及的過程參數(shù)，如驅(qū)動蒸汽的壓力、溫度、排汽溫度，干氣密封相關(guān)參數(shù)以及潤滑油壓力等。汽輪機組所配備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將完成這部分的工作并對信號進行處理，通過在線監(jiān)測系統(tǒng)選取最具代表性的參數(shù)進行測量，構(gòu)建在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過局域網(wǎng)充分發(fā)揮檢測系統(tǒng)的作用，參考常規(guī)故障特征及故障案例，可以實現(xiàn)故障診斷和預(yù)判[3]。

1.2 聯(lián)鎖及超速保護系統(tǒng)

聯(lián)鎖保護系統(tǒng)主要功能是發(fā)生異常情況時及時停機，保護設(shè)備。該系統(tǒng)保護過程為：當(dāng)系統(tǒng)采集到的機組相關(guān)信號超出其正常運行允許范圍[1]，發(fā)出動作指令，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)接到該信號后立即采取相應(yīng)動作（打閘），使汽輪機打閘停機，截斷主蒸汽，以避免傷害操作人員或損壞設(shè)備本體。

汽輪機的保護內(nèi)容有：超速，振動、位移高，真空度低，蒸汽壓力、溫度、過熱度低等。

1.3 調(diào)速系統(tǒng)

汽輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是：正常運行時，通過改變汽輪機的進汽量，使汽輪機的功率輸出滿足外界的負(fù)荷要求，且使調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速偏差在允許的范圍內(nèi)；在危急事故工況下，快速關(guān)閉調(diào)節(jié)氣門或主汽門，使機組維持空轉(zhuǎn)或快速停機[4]。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性直接影響汽輪機的安全性，一旦出現(xiàn)超速事故將造成嚴(yán)重的人員和設(shè)備損失。升速過程要求迅速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，過臨界后轉(zhuǎn)速控制要求穩(wěn)定。這里的控制主要是指蒸汽與轉(zhuǎn)速的單閉環(huán)控制，也包括排汽壓力控制系統(tǒng)等。

1.4 液壓伺服系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)變成脈沖數(shù)字信號，通過PID 算法輸出控制信號。輸出控制信號通過放大電路將控制信號進行功率放大，信號送至油動機產(chǎn)生控制作用；油動機是一種液壓位置伺服馬達，按照放大電路的控制信號驅(qū)動配汽機構(gòu)產(chǎn)生行程變化的作用力，最終實現(xiàn)調(diào)速閥門開度變化；配汽機構(gòu)的作用是將油動機的行程變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦髡{(diào)節(jié)汽門的開度變化，通過配汽機構(gòu)的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關(guān)系；同步器作用于中間放大器，產(chǎn)生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)運行時改變機組的功率；啟動裝置在機組啟動時用于沖轉(zhuǎn)，并提升轉(zhuǎn)速至同步器動作轉(zhuǎn)速。

機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最終執(zhí)行主要通過液壓油實現(xiàn)，大型機組配備獨立的控制油系統(tǒng)實現(xiàn)對液壓調(diào)速機構(gòu)的自動控制，將4mA～20mA 電信號通過電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為油壓的變化并通過錯油門的位移變化實現(xiàn)蒸汽調(diào)節(jié)。小型機組可配備WOODWARD 公司PG-PL 一體化機械液壓調(diào)速器，實現(xiàn)液壓調(diào)速。

2 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)

2.1 調(diào)速系統(tǒng)工作原理

液壓調(diào)速系統(tǒng)的特點是響應(yīng)快、功率大、負(fù)載大等，其獨特的優(yōu)點在大負(fù)荷、高靈敏度控制要求中得到了廣范的應(yīng)用。電液伺服系統(tǒng)使用電液轉(zhuǎn)換器，將4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號換為油壓的變化并通過錯油門的位移變化實現(xiàn)行程控制，從而解決了一些大型、重型機械設(shè)備的伺服控制問題[5]。

液壓調(diào)速系統(tǒng)的特點是能夠在復(fù)雜情況及干擾下，實現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)速的快速跟蹤響應(yīng)，因而實現(xiàn)機組做功與離心泵負(fù)荷之間的能量平衡。它的輸出量能夠準(zhǔn)確、快速地跟隨輸入的變化，且跟蹤線性好。同時，可大幅度地放大系統(tǒng)的輸出功率。

本文列舉某企業(yè)離心泵在實際使用中選擇WOODWARD PEAK150/200 作為調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。PEAK150/200作為汽輪機組調(diào)速控制的核心子系統(tǒng)，可按照汽輪機不同的特性自主升速曲線，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具備升速特性曲線自定義功能，通過自定義模式轉(zhuǎn)速自動輸出曲線實現(xiàn)最優(yōu)化。為保證轉(zhuǎn)速在安全運行區(qū)域內(nèi)加以調(diào)節(jié)，也可以依據(jù)機泵實際負(fù)荷的實際功率對控制曲線進行優(yōu)化。

轉(zhuǎn)速控制回路由轉(zhuǎn)速探頭（該項目配有5 支磁阻式速度探頭：兩組轉(zhuǎn)速信號送至PEAK150/200 作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，另外3 組信號供給GII 做獨立的超速打閘）、PG-PL 執(zhí)行器等組成。機組的轉(zhuǎn)速脈沖信號被轉(zhuǎn)速探頭測量回路直接送至調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值的不同生成一個20mA～160mA 的電信號，發(fā)出給PG-PL 執(zhí)行器調(diào)節(jié)蒸汽量。該項目中，GII 系統(tǒng)負(fù)責(zé)超速保護，為保證工作的可靠性，聯(lián)鎖邏輯設(shè)計為三取二動作。PEAK150/200 系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)速的控制曲線，SETPOINT 系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)對機組軸位移、軸振動的監(jiān)控和保護。

PEAK150/200 調(diào)速系統(tǒng)作為整個汽輪機控制系統(tǒng)的核心部分，通過標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA 信號可以與相關(guān)的集散控制系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)等共同組成一個完整的信號回路，使信號在不同系統(tǒng)之間有效動作。在整個轉(zhuǎn)速控制回路中，調(diào)速控制系統(tǒng)通過對電信號的控制、接收和發(fā)送控制指令給PG-PL，PG-PL 接收到信號后能夠依照接收的信號通過驅(qū)動線圈對指令進行對應(yīng)，在操作的過程中有效調(diào)節(jié)驅(qū)動油動機[2]。

2.2 聯(lián)鎖及超速保護系統(tǒng)

2.2.1 超速保護系統(tǒng)

根據(jù)API670 對于超速保護系統(tǒng)的規(guī)范，獨立性方面要求電子超速保護系統(tǒng)必須與其他速度控制系統(tǒng)分離配置，不應(yīng)同其它調(diào)節(jié)、保護系統(tǒng)組合或構(gòu)成同一系統(tǒng)，否則可能會影響整個超速保護系統(tǒng)的應(yīng)答時間[6]。當(dāng)部分信號通過通訊方式實現(xiàn)互聯(lián)時，不應(yīng)該使用通訊信號參與到跳車邏輯中。即使通訊信號中斷，超速保護系統(tǒng)的保護功能仍然能夠可靠動作。功能性方面要求轉(zhuǎn)速測量采用3 個獨立的測量電路。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速超過設(shè)定值時，3 個測量電路都可以觸發(fā)超速信號。當(dāng)真正超速時，通過三取二邏輯觸發(fā)打閘信號。兩個或以上通道失效，應(yīng)該觸發(fā)打閘動作，且必須使用手動復(fù)位，每個超速觸發(fā)電路都要使用單獨的安全型繼電器。當(dāng)檢測到超速觸發(fā)時，3 個超速保護的安全繼電器可以同時斷開輸出觸點。

圖1 殼體內(nèi)部油泥及閥芯磨損情況Fig.1 Wear of oil sludge and valve element inside the housing

2.2.2 蒸汽系統(tǒng)及機械狀態(tài)監(jiān)測保護系統(tǒng)

蒸汽相關(guān)的停機保護參數(shù)有蒸汽壓力、溫度、過熱度及真空度。相關(guān)參數(shù)達到限值將觸發(fā)保護聯(lián)鎖，通過SIS系統(tǒng)進行打閘停機。

機械狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（MMS）采集軸振動、位移參數(shù)，當(dāng)振動、位移達到限值，MMS 系統(tǒng)動作，通過SIS 系統(tǒng)打閘停機。

3 PG-PL執(zhí)行器故障及改造情況

該項目中兩臺離心泵汽輪機的PG-PL 執(zhí)行器在實際使用中效果較差：一是運行5年期間多次發(fā)生故障，嚴(yán)重影響了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，對工廠連續(xù)生產(chǎn)造成了惡劣的影響；二是PG-PL 執(zhí)行器中的油動機由離心泵主軸配合蝸輪蝸桿機構(gòu)驅(qū)動，當(dāng)離心泵無轉(zhuǎn)速時，調(diào)速器無法動作[7]。

PG-PL 執(zhí)行器在實際使用中有兩種典型故障：一是液壓油更換不及時、油質(zhì)差導(dǎo)致其內(nèi)部油路堵塞，部件磨損嚴(yán)重，出現(xiàn)故障后需要專業(yè)維修平臺及人員維修，無法滿足工廠生產(chǎn)需求；二是渦輪蝸桿機構(gòu)齒輪嚙合不良，甚至導(dǎo)致齒輪破裂，裝置生產(chǎn)被迫中斷。

2020年將故障的PG-PL 調(diào)速執(zhí)行器拆檢維檢，外觀檢查完好，配件齊全。對調(diào)速器進行修前檢測，無動作；脫開電控箱使用模擬信號給定，調(diào)速器仍無動作。因此，認(rèn)為是PG-PL 調(diào)速器內(nèi)部故障導(dǎo)致無動作，電控箱是否正常工作不能確定。

對PG-PL 調(diào)速器進行完全解體，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部腔體內(nèi)附著大量油泥膠質(zhì)物和銹蝕物，包括殼體內(nèi)部、線圈、油道、閥口等多處均被油泥完全堵死，動力活塞、閥芯、飛鐵、傳動軸等關(guān)鍵部件表面附著大量油泥膠質(zhì)物和銹蝕物。調(diào)速器完全解體后進行清洗，對重要備件進行檢查效驗，發(fā)現(xiàn)部分備件磨損或損壞需要更換。其中，中間體內(nèi)部單向閥卡住，經(jīng)各種方法嘗試均無法取出，已經(jīng)與殼體抱死，需要整體更換。線圈由于內(nèi)側(cè)起鼓且油泥膠質(zhì)物大量附著，根據(jù)經(jīng)驗會影響性能，需要更換。

除以上顯而易見的備件損壞以外，備件的磨損以及銹蝕還對上蓋、油腔、動力缸、底座造成了磨損，這很可能導(dǎo)致新的備件安裝后仍有配合間隙或者對新備件造成更快的磨損，使PG-PL 調(diào)速器不一定能夠恢復(fù)到出廠實驗報告的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且在以后長期的運行當(dāng)中，仍有可能出現(xiàn)波動或卡澀的問題。

所以最終將這臺PG-PL 調(diào)速執(zhí)行器進行報廢處理，主要原因總結(jié)兩點：

1）除需要更換的備件外，PG-PL 調(diào)速執(zhí)行器大部分備件仍存在不可逆的磨損，必然影響使用壽命和穩(wěn)定性。

2）如中間體、線圈等不易損備件，從美國WOODWARD 訂購周期較長，且價格昂貴，維修的性價比極低。

鑒于以上兩種情況，該廠將PG-PL 執(zhí)行器改造氣動執(zhí)行機構(gòu)、配備智能閥門定位器實現(xiàn)調(diào)速閥閥位遠(yuǎn)程給定。經(jīng)過兩年時間檢驗，運行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

相對于大型離心式壓縮機組，小型汽輪機負(fù)荷小、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，可以通過氣動執(zhí)行機構(gòu)配合調(diào)速控制器實現(xiàn)液壓伺服系統(tǒng)同樣的控制功能，大幅度地降低了操作人員的勞動強度，在精簡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了從啟機過程到負(fù)荷調(diào)節(jié)全方位的自動控制。在自動啟機運行模式，小型獨立控制系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷變化及時調(diào)整氣動調(diào)速閥開度從而調(diào)整機組蒸汽量進汽，免除了操作人員大量的人工調(diào)節(jié)。

使用獨立的小型調(diào)速器，可以極大地避免在進行機組轉(zhuǎn)速調(diào)整時人為操作不當(dāng)而導(dǎo)致的誤動作和負(fù)荷波動。采用獨立可靠的超速保護器，可以有效降低外界擾動等因素引起的汽輪機超速保護系統(tǒng)誤動作或不動作的概率。