小型汽輪發電機組主汽壓力自動控制的改進

詹守權，張元華，張明揚

(鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司,遼寧營口 115007)

引言

鋼鐵行業中，煤氣鍋爐由于其造價低，燃料使用二次能源，見效快等優勢，應用較廣。某鋼鐵廠建有兩臺90 t煤氣鍋爐，配套兩臺20 MW汽輪發電機組。每臺鍋爐燃燒高爐煤氣60000 m3/h,焦爐煤氣5000 m3/h；燃燒器8 個，采取前墻上下層水平布置，每層4 個，每個燃燒器均配置高爐煤氣、焦爐煤氣、一次風的調節閥。汽輪機側采用母管制運行，控制器采用的是美國伍德沃德（WOODWARD）公司生產的505數字調節控制器。由于鍋爐側自動化程度較低，加減煤氣均為手動調整。在額定工況下，由于受到高爐煤氣管網壓力等因素的影響，導致鍋爐負荷上下波動范圍在8 t 左右；汽輪機采取滑壓運行方式，主汽壓力超限則采用人工對505 控制器模擬轉速進行調整來保證主汽壓力，調整頻繁，人員勞動強度大。近年來，隨著自動化水平和生產安全意識日漸提高，對機組控制提出了新的要求。在大型燃煤發電機組均實現機爐協調控制的背景下[1],為此決定對機組進行改造，實現主蒸汽壓力自動控制功能。

1 主蒸汽定壓力閉環PID控制方式

由于鍋爐系統自動化程度低，改造困難，且投資較大，參考相關發電機組協調控制系統方式的選擇[2]，經過多次分析論證后采取了汽輪機側控制機前主蒸汽壓力作為最佳方案。將505控制器引入機前主蒸汽壓力信號，通過505 控制器內部的串級控制回路來達到機前主蒸汽壓力的自動控制，即采取傳統的比例積分微分（PID）控制調節方式，給定主蒸汽壓力設定值（SV）,當實際主蒸汽壓力過程值（PV）偏離SV 后，偏差值進入比例積分微分（PID）控制器將產生輸出，控制505 控制器進行模擬轉速的加減，進而通過汽輪機電液調節系統（DEH）實現調速汽門的開大或關小，來調節壓力。硬件配置上則通過RS485 串口轉以太網轉換器與操作員站HMI進行通訊，從而實現一臺操作員站控制兩臺機組，見圖1。

經過多次試驗，發現505 控制器可以很好地將主蒸汽壓力控制在允許的范圍，但由于調速汽門頻繁調整，鍋爐煤氣壓力波動，鍋爐蓄熱能力因素的影響，導致鍋爐蒸汽流量、水位波動較大，最大時達到±100 mm，嚴重影響機組安全運行。故該種調節方式無法實現機組的主蒸汽壓力自動控制。

圖1 505系統硬件配置圖

2 帶有死區的開關量控制方式

在機組側采用開關量的方式自動控制主蒸汽壓力，見表1。即當主蒸汽壓力高于上限值4.8 MPa，繼電器3#動作，505 控制器通過升高模擬轉速目標值，調速汽門開大，機組負荷增加；當主蒸汽壓力低于下限值（4.6 MPa）時，繼電器4#動作，則降低模擬轉速目標值，調速汽門關小，機組負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 開關量方式組態表

圖2 開關量方式接線圖

經過多次試驗得出：該控制方式下，由于壓力超出正常運行范圍后（4.6～4.8 MPa），505 控制器持續發出模擬轉速升或降的指令，直至壓力回至正常運行范圍內。由于鍋爐熱慣性較大、壓力、流量滯后大等原因，所以鍋爐側的壓力反應慢，無法跟上汽機側的調整節奏，造成過調現象，即當升降轉速目標值（負荷）過大，導致壓力波動更大。由于連續的調整，機組負荷變化較大，最高達20 MW,最低僅10 MW 左右，鍋爐側汽包水位、蒸汽流量等參數均大幅度波動，無法滿足實際運行要求。

另外，機組控制器505是標準控制器，僅能簡單修改內部一些參數，無法通過靈活編程實現上述要求，如何通過增加一個獨立的控制器，接收兩臺機組主蒸汽壓力信號，通過獨立的控制器來調整兩臺機組的負荷，實現主汽壓力的自動調整和兩臺機組的優先級控制，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行調節，如表2，將壓力控制一定的壓力區間范圍，并設定了調節的死區，即在額定壓力4.65～4.70 MPa 之間不進行壓力調節，當壓力超過該范圍時，則以間隔0.01 MPa，以不同的的升轉數速率和作用時間進行調節，從而將壓力調回到正常范圍。這樣可以消除由于鍋爐側原因造成的壓力滯后性的問題，當由于鍋爐側壓力突然波動，造成主蒸汽壓力從4.7 MPa升至4.72 MPa時，通過調節壓力降到4.71 MPa后又升到4.72 MPa，此時不對壓力進行調節，避免壓力的突然波動造成過調現象。

表2 可變速率調節的壓力分段表

3.2 控制系統硬件組成

因為原有汽輪機控制器為伍德沃德公司生產的505 數字調速控制器，所以新增的獨立控制器也采用同為該公司生產的Flex500B 控制器，該控制器完全兼容用戶現有的505數字調節控制器，見圖3。

圖3 Flex500B控制器實物圖

控制系統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。協調控制系統故障，兩臺機組保持當前狀態，機組不停機，用戶可以手動單獨調整每臺機組。協調控制器可以在線更換，不需要機組停機。圖4 為改造后系統硬件配置圖。

圖4 改造后系統硬件配置圖

3.2 程序功能簡介及試驗結果

在原有的操作員站上增加控制畫面，當投入協調控制后，此時機組為主蒸汽壓力手動控制；投入自動后，為主蒸汽壓力裕度控制自動控制方式。當控制器進行調整后，主蒸汽壓力仍無法回落至可控范圍時，控制器將自動退出并通知操作員，進行人為調整。

改造后，經過多次試驗，該控制方式能很好地將壓力控制在4.45～4.9 MPa 區間內（圖5），鍋爐水位波動范圍在±30 mm 以內，發電機負荷波動范圍在3 MW以內，可以滿足實際運行要求。

圖5 分段裕度控制投入后的主蒸汽壓力曲線

4 結論

主汽壓自動控制系統改造后，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而造成負荷波動的問題，提高了系統的安全性,但由于該系統僅為單一的主汽壓力控制方式，與機爐協調控制方式對比，其調整的精度、穩定性還有一定差距，后續仍需進一步優化。

本項目的探索為今后其他機組，特別是小型發電機組的升級改造積累了寶貴工程經驗,對鋼鐵和石化領域動力機組用戶、透平制造商都有一定的借鑒意義。