汽輪機抽汽控制的應用分析

馮慧山

(中國石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

汽輪機抽汽控制的應用分析

馮慧山

(中國石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

某重整抽提裝置循環氫壓縮機組汽輪機控制采用了汽輪機轉速和抽汽壓力雙調節模塊,并經過雙閥解耦模塊計算修正后分別控制汽輪機主蒸汽進汽閥和級間閥開度的控制方案,以達到平衡控制汽輪機負荷和抽汽壓力的目的。針對該系統在實際應用中出現的問題,通過對抽汽壓力控制進行分析,表明該控制方案在機組開車時可起到盡快建立汽輪機蒸汽系統平衡的作用。但在機組開工穩定后,抽汽壓力調節會放大抽汽壓力波動對機組平衡的影響,切除汽輪機抽汽壓力調節能更好地保持汽輪機的穩定。既可實現該機組預定的復雜調節功能又能實現平穩可靠運行。

抽汽調節;轉速調節;雙閥解耦;切除

1 研究背景

某1.2 Mt/a重整抽提裝置循環氫壓縮機組汽輪機為帶中間抽汽的背壓式汽輪機,自開工以來因汽輪機抽汽與管網系統存在問題,一個月內已造成兩次停車,由于未真正搞清楚停車原因,很長一段時間汽輪機抽汽系統一直未投用。由于汽輪機抽汽產生的2.2 MPa蒸汽是后續抽提單元換熱系統所用2.2 MPa蒸汽的主要來源之一,不投用汽輪機抽汽系統在蒸汽平衡和能耗上都會存在一定問題,所以有必要對此問題進行深一步探討。

2 工藝流程與控制原理

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

汽輪機中間抽汽產生的 2.2 MPa蒸汽與3.5 MPa蒸汽經減壓閥產生的2.2 MPa蒸汽匯合組成2.2 MPa蒸汽管網為后續抽提單元重沸器提供熱源,2.2 MPa蒸汽線上設有兩個壓力測點 PT-91382,PT-70104,分別控制汽輪機抽汽壓力PIC-91382和減壓壓力PIC-70104。

汽輪機的控制模塊如圖2所示,汽輪機轉速調節器SIC和PIC-91382分別由兩個調節器模塊控制,其輸出值 r1和 r2經雙閥解耦模塊計算修正后輸出兩路信號——rV1控制主蒸汽進氣閥V1;rV2控制級間閥V2。

圖2 機組控制原理

其中解耦控制模塊的作用:當調節汽輪機轉速(負荷)時,通過解耦計算使V1,V2兩閥按一定比例同向動作,以使抽汽壓力不受到調速干擾。當抽汽壓力調節時,通過解耦計算使V1,V2兩閥按一定比例反向動作,以使轉速(負荷)不受到抽汽壓力調節的干擾。兩閥按什么比例動作是由預先設置在雙閥解耦模塊中的幾個參數(TB,HR,FR)決定的,這些參數是根據蒸汽透平性能曲線計算而來。

3 運行情況

開車不久該機組即發生了故障停車。自控系統記錄下來的實時趨勢如圖3所示。

圖3 機組停車歷史趨勢(2010-01-15T18:46:43開始)

在2010-01-15 T 19:45,由于2.2 MPa蒸汽管網壓力波動,壓力值從2.2 MPa左右降至2.0 MPa以下,在抽汽壓力調節作用下汽輪機級間閥門V2由70%快速關至55%左右,在解耦模塊的作用下主蒸汽進氣閥V1也隨之打開一些,同時由于PIC-70104處于自動狀態,必然也會隨2.2 MPa蒸汽管網壓力下降而增大開度(因PIC-70104控制在DCS中未組態輸出趨勢記錄,所以這一變化未記錄下來),在三個閥門的共同作用下,進入2.2 MPa蒸汽管網的蒸汽流量迅速增大,使管網壓力快速反彈達到了2.6 MPa,造成抽汽側安全閥起跳。致使大量蒸汽放空,透平焓降過低,做功減少,造成了汽輪機轉速降低,由正常轉速(5 150 r/min)降低至約2 000 r/min,停機。

4 數據分析

a)抽汽壓力測量值首先要經過PIC-91382進行壓力調節計算,這是一個普通的PID反饋調節模塊,當抽汽壓力出現偏差時,很難指望它能直接把抽汽壓力調回設定值,一般都要經過2～3次振蕩才能將抽汽壓力調回到設定值。

由于 2.2 MPa蒸汽管線上有兩個調節器(PIC-91382,PIC-70104)在同向作用,更加重了振蕩的程度。所以每當2.2 MPa蒸汽管線上壓力波動時,rV2都要經過幾次較強振蕩后才能最終收斂至設定值。

b)雙閥解耦模塊是大量應用在采用抽汽/背壓式汽輪機上的一個比較成熟的設計,從趨勢記錄上看在2010-01-15 T 19:45之前2.2 MPa蒸汽管網也有幾次波動,雙閥調節系統在抽汽壓力調節過程中,雖然 rV2發生一定的波動但因雙閥解耦模塊的作用,rV1反方向同時作用,并未造成汽輪機轉速 的明 顯波 動。即 使 在 2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管網壓力發生較大波動,至安全閥起跳前汽輪機轉速也沒有發生太大變化(僅下降100 r/min左右),基本上達到了雙閥解耦的目的。

c)綜上分析可以認為造成故障的直接原因是2.2 MPa蒸汽管網壓力在短時間內發生了較大下降,但根本原因是抽汽壓力調節作用過強,短時間內V2閥關閉和V1閥開啟幅度太大,使大量蒸汽瞬時進入2.2 MPa蒸汽管網,引起了壓力的劇烈上升。

d)這種帶抽汽的汽輪機在國內煉油裝置第一次使用,與電廠和化工裝置使用的不同之處在于電廠和化工裝置都是將汽輪機抽汽并入相應等級的全廠性蒸汽管網,而此次設計則是重整抽提裝置重沸器自用,用汽系統容量相對很小,抽汽管線壓力波動較頻繁并且波動幅度相對強烈。所以如果PIC-91382處于自動狀態,經常性出現的抽汽壓力波動帶動rV2頻繁出現振蕩,無法避免,嚴重時會出現超壓現象。而現實中蒸汽管網的壓力波動幾乎是不可避免的。

5 實施對策

在管網壓力 PIC-70104與抽汽壓力 PIC-91382的耦合、汽輪機轉速 SIC和抽汽壓力 PIC-91382的耦合等諸多矛盾中,主要矛盾集中在抽汽壓力控制器PIC-91382。

當抽汽壓力值變化Δp時,對應 r2就會變化Δr2V1,rV2同時也會變化ΔrV2。PIC-91382自動狀態時:Δr2=Δp K1(積分作用忽略)

式中 K1——PIC-91382調節模塊放大倍數; K2——解耦系數。

PIC-91382手動狀態時:

可見如果在系統開工穩定后某一時刻(如圖3所示趨勢圖中的 2010-01-15 T 19:33)把 PIC-91382切為手動,rV2就成了一個定值(圖3中的72%左右,可人工修改),而不再是隨抽汽壓力變化的值(ΔrV2=0),從而切斷了2.2 MPa蒸汽管網壓力波動對汽輪機運行的直接影響,則2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管網的壓力波動(2 min內下降了5%左右)時,閥門V2就不會迅速關閉,主蒸汽閥V1也不會隨之快速打開,超壓造成停車的后果就會避免。

盡管PIC-91382切為手動后失去了對抽汽壓力變化的調節反應,2.2 MPa蒸汽管網的壓力也會在管網壓力PIC-70104的單獨調節下,通過改變蒸汽減壓線的流量使管網壓力回歸正常。PV-70104正常調節范圍為開度28%～81.6%,對應流量為11.08～27.01 t/h,16 t/h左右的變化范圍彌補后面換熱器正常的用汽量變化,調節2.2 MPa蒸汽管網壓力是完全勝任的。

6 結束語

通過對現場抽汽壓力控制的初步分析和探討,表明在機組開車時,機組負荷調節、抽汽壓力調節和相應的開車程序共同作用可盡快建立起汽輪機蒸汽系統平衡,是必要的。但在機組開工穩定后,對調節模塊 PIC-91382增加手/自動切換功能,切除汽輪機抽汽壓力調節可最大限度地減小汽輪機抽汽管網對機組的影響,保持汽輪機的穩定,同時汽輪機控制器保留調速、雙閥解耦等模塊不變,雙閥解耦功能仍然具備,這樣機組負荷調節時,不會對抽汽壓力產生大的影響。

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TP202

B

1007-7324(2010)06-0074-03

2010-09-21(修改稿)。

馮慧山(1963—),男,天津人,1985年畢業于撫順石油學院生產過程自動化專業,主要從事過程自動化管理工作,任高級工程師。