C6-35/8型抽凝式汽輪機調節系統的數字電液控制改造

陳文強,吳劍恒

(福建省石獅熱電有限責任公司,福建石獅362700)

1 改造前設備情況及存在問題

石獅熱電公司1號與2號汽輪機為杭州汽輪機股份有限公司制造的C6-35/8型單缸直聯調整抽汽冷凝式汽輪機,額定轉速3000 r/m in,額定進汽壓力3.43 MPa,進汽溫度435℃,一級(工業)調整抽汽額定壓力0.78 MPa,額定抽汽流量49 t/h。2臺C6-35/8型抽凝式汽輪機組調速系統采用西門子SRⅣ全液壓式調節保安系統,調節用油與機組潤滑油系統共用一個供油系統,由主油泵提供(啟停過程由交流輔助油泵提供)。機組的啟動和升速采用開環控制,靠人工監視和通過調節調速器啟動裝置調整高壓調節汽閥開度,達到控制轉速的目的。機組在帶一定電負荷后,再投入熱負荷,抽汽壓力智能調壓器根據抽汽壓力信號產生脈沖油壓控制信號,并利用調速器和調節器分別控制高、低壓調節汽閥的開度,實現熱、電負荷自治調節;抽汽壓力變化范圍為0.584～0.976MPa,抽汽量根據需要在其變化范圍(0～49 t/h)內連續可調。

運行結果表明,機組原設計采用的西門子SRⅣ全液壓式調節保安系統,在轉速控制和負荷調節中存在許多不足,特別是熱電負荷調節產生耦合自整性不夠,系統僅采用比例調節,調節的靈敏度低、遲緩率大、負荷響應慢、適應性差,而且精確性低、超調量大、負荷擺動大,高壓和低壓油動機不同步,因此無法最大限度控制乏汽,純凝發電減少、控制品質不高,同時同步器調節范圍有限(一般96%～106%),有時不能滿足額定初終參數下運行需要,表現為加不滿負荷或減不完負荷,易卡澀,故障率高。由于系統的調節參數在制造廠內整定后,現場很難改變,因此設備的調試困難,檢修和維護工作量大。另外,該控制系統不具備與其他系統的通信能力,無法實現機組協調控制,不能滿足提高機組整體自動化水平的要求。

2 DEH改造方案

針對以上問題,決定對原有汽輪機液壓調節系統進行技術改造,實現電調控制功能。改造希望盡可能少更換現有設備,以最少的投資實現機組的DEH控制功能。改造方案采用低壓透平油數字電調,通過改變油動機和調節汽門的連接方式實現對機組的閉環控制,保留危急遮斷機構,增加AST遮斷及OPC保護等,要求熱、電負荷調節既各自獨立又互為耦合。

DEH系統主要由電子設備,液壓設備兩大部分及相應接口部件電液轉換器等組成。電子部分設備主要包括:控制柜(控制器、I/O模件、電源)、操作員站、工程師站等。為提高系統的可靠性,系統中主要部件采用冗余設計,從而使系統具有高的可靠性和可用性。改造方案中另外一項提高可靠性的措施是隔離和屏蔽,對各模擬量輸入均采用隔離放大器,開關量輸入輸出采用光電隔離,模擬量信號采用對絞對屏電纜,并且具有良好的單點接地。DEH系統和DCS系統通過網絡連接,軟硬件一體化,相互之間無縫連接,數據共享,操作站功能也可以共享。液壓系統部分高壓油動機的控制改造為由DDV閥等組成的電液控制裝置來完成,每個油動機對應一套DDV閥,一套OPC閥及其它部件。如圖1所示。

圖1 DEH控制系統網絡結構

其中液壓伺服系統是DEH的執行機構,它接受DEH的控制指令,實現高壓調節閥的連續控制和高壓主汽閥的開關控制。DEH控制信號通過電液轉換器與油動機構成的電液油動機接口、電液轉換器與油動機滑閥及油動機活塞緊密結合在一起,油動機脈動油直接由電液轉換器控制,構成了電液伺服油動機。DEH伺服單元與電液伺服油動機、油動機行程傳感器LVDT組成位置隨動系統,將原液壓調節系統中的轉速測量、同步器給定、調速器滑閥、中間滑閥、油動機反饋滑閥等全部排除在系統之外。改造后的液壓伺服系統主要由高壓調節閥油動機和操縱座、低壓調節閥油動機和操縱座以及低壓透平油保安系統組成。液壓控制系統是在原調節保安系統的基礎上進行改造并新增加部分部件,組成一個新的液壓控制系統,從而實現純電調控制。改造后的液壓控制系統由一個調速系統、調壓系統和保護系統組成,用以控制高壓調節閥油動機、低壓調節閥油動機和自動主汽門。

改造方案保留了原液壓系統低壓供油油源、原系統中的高低壓油動機及其傳動機構,保留危急遮斷器、危急遮斷器油門、危急遮斷器試驗閥、手動遮斷閥及磁力斷路油門等,取消了液壓系統的調速放大滑閥、同步器、旋轉阻尼、啟動滑閥等,并配置1套DDV雙聯調節裝置,將電控信號線性地轉換為控制油壓來控制油動機,配以位移傳感器,從而構成1個伺服控制回路。該DDV調節裝置由2套DDV伺服閥、雙聯OPC電磁閥、卸載閥、濾油器、節流閥、壓力表、油路塊及其座架組成,并配置4支位移傳感器及支架。油動機采用雙位移傳感器,進行高選以檢測油動機行程,并作為反饋信號輸入到DEH;配置雙聯電磁閥及控制油門。系統增加一套雙聯電磁閥,目的是提高系統安全可靠性。停機信號送到雙聯電磁閥并使其動作后,安全油泄掉,快速關閉主汽門油動機,同時引起控制油門動作,從而快速關閉調門油動機。改造中還配置了掛閘電磁閥,用來遠方掛閘,當掛閘指令發出后,危急遮斷器油門和控制油門復位,安全油建立,使主汽門打開具備條件。系統配置了 3只壓力開關檢測安全油,并將信號送DEH,供掛閘及聯鎖保護用。系統增設了DEH控制系統,由SUPCON WebField ECS-100通過配置DEH專用測速模塊、伺服模塊、DEH操作站和硬接線手操器,構成DEH控制系統。專用DEH手操盤用預制電纜與伺服模塊連接,作為DEH的后備手操,可以實現一些重要的應急操作。改造時拆除了汽輪機全液壓式調節保安系統的調速器、抽汽調節執行器、甩負荷電磁閥等主要部件和部分油管道,保留原保安系統,新安裝DDV雙聯調節器、啟動掛閘聯合閥組、兩支LVDT位移傳感器等DEH液壓系統部件,增加OPC電磁閥,同時在集控室內安裝DEH控制系統部分和操作員站、工程師站等。

3 DEH主要功能

DEH的主要功能可以分為仿真控制、運行控制、運行保護等3大部分。

3.1 仿真控制

模擬仿真運行控制可以離線實現汽輪機的現場掛閘開自動主汽門(實際動作)、升速(模擬仿真)、開啟調節汽門(實際動作)、超速限制實驗(模擬仿真)、同期并網(模擬仿真)、定值限制保護(模擬仿真)、運行控制方式切換以及各種信號故障的試驗。可以方便地做好開機前的控制策略測試以及一些項目的檢查驗收工作。

3.2 運行控制

運行控制包括電功率控制、轉速控制、機組抽汽控制回路、汽機復位和摩檢以及自同期并網控制等。

(1)功率控制回路 功率控制回路是用來對機組進行各種變工況調節,DEH根據運行人員給定的負荷變化率與負荷目標值控制機組負荷的增加或減少。該回路可與閥位控制回路及后備手操進行無擾切換。負荷目標值或閥位給定值均可在電氣控制室進行“加/減”操作?？刂茩嗟那袚Q在汽機控制室進行,在電氣控制室增設“控制允許/控制禁止”指示燈和“負荷目標值/閥位”指示表。機組并網前,上述“加/減”操作用來實現手動期的“加/減”操作,在手動方式下,由操作人員操作閥門“增、減”鍵直接控制負荷升降。DEH系統出現故障時,系統自動切換到后備硬手操盤操作閥門“增”、“減”鍵,通過伺服卡來控制調節汽閥開度,維持機組運行。

(2)轉速控制回路 轉速控制回路是DEH的基本控制功能,主要實現目標轉速的控制,轉速信號通過現場信號3選2獲得,當汽輪機掛閘后,可通過程序控制啟動方式、操作員設定目標轉速以及升速率,由高、低壓調節汽門聯合控制汽輪機完成沖轉、低速暖機、過臨界轉速、中速暖機、3000 r/min定速、自動同期并網。在升速過程中,機組能自動快速通過預置的臨界轉速。

機組抽汽控制回路本機組采用“以熱定電”供熱控制方式來滿足用戶對熱負荷的要求。機組帶上50%負荷后,可投入供熱,先打開抽汽電動門和抽汽速關逆止門,然后通過操作員站在手動方式下控制低壓調門緩慢關小,待抽汽電動門后壓力高于熱網壓力后,DEH開始控制機組運行于供熱工況。供熱投入后,熱負荷的調節通過給定壓力與實際壓力比較計算后,輸出低壓調門控制信號,減少或增加進入低壓缸流量,從而改變熱負荷。當實際抽汽壓力減少時,DEH控制關小低壓調門,當低壓調門關至最小仍不能達到抽汽壓力時,通過開大高壓調節閥來增加進汽,最終達到供熱要求;當實際抽汽壓力增大時,DEH控制開大低壓調門,當低壓調門開至最大仍不能滿足要求時,通過關小高壓調節閥來減少進汽,最終達到供熱要求。

(3)汽機復位與摩檢功能 汽機復位功能要通過啟動掛閘電磁閥動作,實現遠方自動掛閘和開主汽門,在危急遮斷器復位油路上裝一只電磁閥用來完成復位功能。為滿足機組啟動,尤其是大修后首次啟動,通常需要對摩擦進行檢查,DEH系統內設置有摩檢功能,當操作員選擇“摩檢”功能后,DEH將機組按 100 r/min的速率進行升速,速度升至300 r/m in后穩定3～5m in,然后關閉調速汽門,停止進汽,使機組惰走,由運行人員進行聽音,完成摩擦檢查,磨擦檢查狀態可隨時由操作人員中斷,直接進入升速沖轉階段。

(4)機組自同期并網控制功能 DEH提供同期與并網、初負荷和一次調頻限制功能,當機組完成啟動升速后,達到同步轉速2950～3050 r/min即可進行同期操作。首先由電氣向汽機發“同期請求”,汽機司機同意后,即進入同期方式,此時DEH會接受電氣發來的指令,調整汽輪機轉速和網頻一致。機組并網后,DEH立即自動使機組帶上一定初負荷,以防止逆功率運行。初負荷值用戶根據需要可進行調整,同時,計算機可根據當時的主汽壓力進行修正。由于電網運行的需要,機組需具備一次調頻功能。但有時又希望既要滿足一定的功頻特性,又不希望機組參與調頻運行;為此,在DEH中設有調頻限制邏輯。當系統運行于功率閉環時,運行人員根據需要,進行“頻限”投/切操作,決定機組是否參加一次調頻運行;機組參與一次調頻作用的不等率可調。

3.3 DEH保護功能

(1)超速保護 根據公司現場實際要求,DEH系統設置了轉速超102%(3060 r/min),超109% (3270 r/min),超112%(3360 r/min)以及機械危急遮斷器超速等保護功能。當轉速超3060 r/min時, DEH首先動作按OPC電磁閥并快速按一定比例關調門,抑制轉速飛升,當速度小于3000 r/min后,恢復轉速控制,維持機組3000 r/min;如轉速繼續飛升達到110%時,DEH將輸出指令,使AST電磁閥動作同時連跳OPC電磁閥以保證機組安全。DEH還具有控制機組完成超速試驗功能,當機組定速后,需要做超速試驗時可通過操作命令“超速試驗”來啟動該功能。然后可以依次進行102%(3060 r/min), 109%(3270 r/min)和機械危急遮斷器試驗,輸入目標轉速后汽輪機開始升速,以完成超速試驗。當機組作危急遮斷器超速試驗時,DEH將測速卡的定值提高設定到112%即3360 r/min,屏蔽110%等保護功能,以保證機械超速能進行,同時112%超速作為后備保護手段,如危急遮斷器超速保護未動而轉速達到3360 r/min時,DEH輸出停機指令,AST電磁閥動作使機組跳閘以保證安全。DEH系統在任何時候都會記下本次運行的最高轉速。

(2)電信號打閘保護 TSI部分的保護通過ETS輸出、DEH的打閘信號(含超速109%保護和手操器停機信號)、DCS手打停機信號,這三個信號共同構成ETS系統,信號并聯后經繼電器擴展輸出給AST電磁閥。在DEH系統中AST電磁閥動作的同時,OPC快關電磁閥也會動作,同時閥位輸出信號也減少到零。

(3)DEH自診斷保護功能 DEH工作站通過與DCS系統的整合,可以利用與DCS其他控制站的數據通訊功能快速檢測出模板級、通道級信號的狀態,然后利用相應邏輯判斷對運行人員的操作命令進行檢查以防止誤操作,尤其是啟動、升速時,須核對機組真空、主汽壓力、上下缸壁溫差等信號。當診斷出某一信號存在故障時,系統自動將其輸出鎖定在當前值或退出到某一安全狀態。這些過程運行人員可通過操作員站的CRT畫面進行全程參數監視。

4 DEH改造效果

平均無故障時間MTBF為150000 h;平均故障維修時間MTTR小于3min;轉速的控制范圍為40～3600 r/min;轉速測量精度優于0.5 r/min;轉速控制精度為±1 r/min;負荷控制范圍為0～120%;負荷控制精度為0.5%;主汽壓力控制精度為±0.1 MPa;一次調頻不等率為3%～6%,在線連續可調;抽汽壓力不等率為0～20%,在線連續可調;一次調頻死區為0～30 r/min,在線連續可調;高壓油動機快關時間不大于0.25 s(設有緩沖區以減小閥門沖擊);低壓油動機快關時間不大于0.5 s;甩全負荷最大飛升轉速不大于7%;控制系統遲緩率不大于0.06%。

DEH控制系統采用計算機控制,精度高、可靠性好,汽輪機運行人員只需通過操作員站進行鍵盤操作,就可達到對機組的控制。2臺C6-35/8型抽凝式汽輪機DEH改造后,經過多次啟、停機及長周期運行考驗,運行情況良好,在機組啟動升速、跨越臨界轉速、超速試驗、并網升降負荷、變工況運行、抗擾動能力以及自動主汽門和調速汽門活動等試驗方面,都明顯體現出DEH系統的優越性,能夠更加合理地分配供熱、發電能量,使機組到熱電聯產工況調整到最佳,實現機組的經濟運行;并具有在線檢修維護、調試方便快捷等優點,達到了良好的預期效果,提升汽輪機運行的安全可靠性。同時,DEH和DCS系統運行在同一個網絡上,數據完全共享,實現DCS-DEH一體化設計,維護方便、可靠性高。

根據機組的實際情況,每臺抽凝機組可減少排入凝汽器的乏汽3 t/h,即增加了3 t/h的供汽能力;按機組年運行7800 h計算,每年增加供汽量46800 t,增加供汽收入390萬元(但減少發電量5756.4MWh),同時可節省電耗150MWh,年減少了循環冷卻水損失30000 t;并且由此提高真空1.5 kPa,可降低主蒸汽消耗,折算節約標準煤232.5 t;提高了機組的可靠性,降低了維護檢修費用約4萬元,并減輕了運行人員的勞動強度。

5 結束語

運行實踐表明,DEH系統在福建省石獅熱電有限責任公司2臺C6-35/8型抽汽凝汽式汽輪機上的改造是成功的,證明DEH系統可以在小容量供熱機組上應用。隨著科學的進步,技術的完善以及使用單位人員對DEH認識的提高,汽輪機DEH電液調節系統的優越性將體現得更加充分。