抗蒸汽管網壓力波動的汽輪機調速方案

溫旭 WEN Xu

（沈陽鼓風機集團自動控制系統工程有限公司，沈陽 110000）

1 概述

目前對于化工生產過程中的核心動設備抽汽式汽輪機轉速控制，普遍的解決方案是在汽輪機的高壓缸前設置主進汽閥用來控制汽輪機轉速，在高壓缸與低壓缸之間設置抽汽閥用來控制次高壓管網的抽汽壓力，二者配合來調節裝置的負荷。然而，當來自高壓蒸汽管網的主蒸汽壓力波動時，直接會影響汽輪機轉速，從而間接的影響次高壓管網的抽汽壓力；反之當次高壓管網的抽汽壓力被迫產生擾動時，也會影響汽輪機轉速，從而也會間接影響來自高壓蒸汽管網的主蒸汽壓力，造成控制纏繞、耦合效應，很難在短時間內達到系統平穩，影響裝置安全生產，這種雙壓力互擾的波動是工藝操作人員不愿看到的。

2 抽汽式汽輪機控制

由于本文所設計的控制參數非常重要，每個參數設置三個測量點做三取中為有效值。具體包括：主蒸氣壓力，抽氣壓力，和轉速實測值等。

在汽輪機的高壓缸前設置高壓進汽閥用來控制來自高壓蒸汽管網的主蒸汽壓力，在高壓缸與低壓缸之間設置低壓進汽閥用來控制汽輪機轉速，抽汽式汽輪機布置圖見圖1。GCV閥與ECV閥進行雙閥解耦控制，以保轉速控制優先的原則，二者配合來調節裝置的負荷。

圖1 抽汽式汽輪機布置圖

具體的，當汽輪機開車條件滿足后，按啟動按鈕，此時GCV閥控制轉速，進入暖機，升速，過臨界，進入運行模式，ECV閥門從啟動開始按一定爬坡速率從0%逐漸開運行到100%全開，（爬坡速率可設置，最好在機組暖機模式前達到100%全開）低壓缸此時為全凝狀態即為蒸汽全部進入汽輪機低壓缸，此時汽輪機轉速由GCV閥控制，ECV閥全開未投入控制。

2.1 運行模式GCV控制轉速，ECV未投入控制

進入運行模式后，GCV閥門依然控制轉速，ECV閥門全開狀態，未投入控制（即非自動解耦控制也非手動控制）。當ECV閥門開度為100%時，表明在汽輪機低壓缸全凝狀態下，如果抽氣壓力處于高報警，說明汽輪機低壓缸容納不下過盈的蒸汽，導致抽氣壓力持續升高，影響次高壓管網壓力，此時可以設置自動降低轉速設定值，以降負荷的方式來調節汽輪機轉速。轉速設定值降低，PID輸出GCV閥開度減小，轉速設定值降速到運行模式的下限轉速為止。

ECV閥門可選擇手動給定閥位，ECV閥門做限位45%，即為ECV閥最小只能開到45%。ECV閥門選擇手動給定閥位的條件是進入運行模式且ECV閥門未投入自動解耦控制且GCV閥開度大于一定設定值41.7%時（此設定值為汽輪機最小抽汽時的主蒸汽進氣流量與汽輪機最大抽汽時的主蒸汽進氣流量的比值，具體可在汽輪機廠家提供的功率流量曲線中查到，意為需要汽輪機機組具有一定的負載時使能，不同機型設定值不同）。

2.2 運行模式GCV控制汽輪機入口壓力，ECV控制機組轉速

進入運行模式后，當抽汽壓力正常且在運行模式且GCV閥門輸出大于41.7% 且蒸汽入口壓力測點正常即ECV閥投入條件滿足時（ECV閥投入條件見圖2），方可投用ECV閥門自動解耦控制，否則自動退出ECV閥門自動解耦控制模式，退出后GCV控制轉速，ECV閥按一定爬坡速率逐漸全開。當ECV閥門自動解耦控制投入后，GCV閥門控制蒸汽入口壓力，ECV閥門控制機組轉速，且以轉速控制優先。由于GCV閥控制對象的變化，需要設置兩組PI參數，一組PI參數用于控制轉速，另一組PI參數用于控制蒸汽入口壓力，當GCV閥門自動控制模式時自動切換對應的PI參數。汽輪機啟動GCV閥與ECV閥控制流程見圖3。

圖2 ECV閥控制投入條件

圖3 汽輪機啟動GCV閥與ECV閥控制流程圖

此時壓縮機入口壓力串級控制可投，壓縮機入口壓力設定值和實測值產生偏差后PID輸出改變轉速設定值，ECV閥門控制轉速。壓縮機入口壓力設定值大于實測值時，轉速設定值下降；壓縮機入口壓力設定值小于實測值時，轉速設定值上升。建議在系統不穩定的情況下不投串級控制，在系統穩定的情況下嘗試投入壓縮機入口壓力串級控制[1]。

2.3 GCV閥與ECV閥解耦控制

解耦控制系統[2]是采用某種結構，尋找合適的控制規律，消除系統中各控制回路之間的相互耦合關系，使每一個輸入只控制相應的一個輸出，每一個輸出又只受到一個控制的作用。解耦控制[3]是多變量系統控制的有效手段。當ECV閥投入使用后，GCV閥與ECV閥自動解耦控制見圖4，ECV控制汽輪機轉速，GCV閥控制管網蒸汽壓力。

圖4 GCV與ECV解耦控制功能圖

根據TRICONEX開發手冊提供的控制算法[4]：

其中：

HR為汽輪機高、低壓缸的馬力比（功率比）；

TB為汽輪機摩擦損失比（阻力比）；

FR為汽輪機高、低壓缸的流量比（最小抽汽流量與最大抽汽流量比）；

根據汽輪機廠家提供的汽輪機功率、流量特性曲線[5]見圖5得出

圖5 汽輪機功率流量特性曲線

①蒸汽壓力一定時PV=SP時：

轉速SP>PV時：GCV閥門保持一定（保持當前值不變），ECV閥動作升高，當ECV閥全開后，GCV閥再升高；

轉速SP

轉速SP=PV時：GCV閥門保持一定（保持當前值不變）；GCV閥門保持一定（保持當前值不變）。

②轉速一定時SP=PV時：

蒸汽壓力SP>PV時：GCV閥下降，ECV閥升高，當ECV閥全開后，GCV保持（以保證轉速優先原則）；

蒸汽壓力SP

蒸汽壓力SP=PV時：GCV閥門保持一定（保持當前值不變）；GCV閥門保持一定（保持當前值不變）。

③蒸汽壓力SP>PV且轉速SP>PV時：GCV下降，ECV升高，當ECV全開后，GCV升高（以保證轉速優先原則）。

④蒸汽壓力SP>PV且轉速SPPV時：GCV升高，ECV升高，當ECV全開后，GCV繼續升高。

⑤蒸汽壓力SP

在次高壓管網設置抽氣逆止電磁閥，當機組聯鎖停機時抽氣逆止電磁閥失電；當機組運行模式時，且ECV閥門輸出開度小于100%時得電控制。

2.4 正常停車

正常停車時，要切換到原始狀態，即ECV自動切除，ECV手動不投入，串級自動切除，在運行模式下按正常停機按鈕即可。

通過一系列解耦控制，既保證了來自高壓蒸汽管網的主蒸汽壓力穩定，又保證了汽輪機轉速穩定，解決了雙壓力互擾纏繞耦合，實現了抽汽凝汽式汽輪機的前壓控制，有效保證轉速控制優先穩定的原則。本方案同樣適合抽汽背壓式汽輪機的雙閥（GCV和ECV）控制。

3 非抽汽式汽輪機控制

3.1 傳統方法控制汽輪機轉速

傳統方法，以汽輪機實際轉速作為控制參數，采用經典閉環PID調節汽輪機油動機，油動機驅動主汽門，當汽輪機實際轉速減小時，PID調節增大，主汽門開度增大；當汽輪機實際轉速增大時，PID調節減小，主汽門開度減小。當蒸汽管網壓力出現波動，影響汽輪機進汽量，汽輪機轉速會出現偏差，汽輪機主汽門根據PID控制器的作用做出補償響應。這對汽輪機蒸汽管網安全等級要求較高，要求運行環境穩定，對汽輪機蒸汽管網穩定依賴性強。

3.2 創新方法控制汽輪機轉速

創新方法，汽輪機蒸汽管網壓力經常會隨著工況變化而產生波動。經典閉環PID調節難以控制及時。若能在汽輪機蒸汽管網壓力出現擾動時就進行干予，而不是等到汽輪機轉速出現偏差后再進行控制，這樣就能更好的消除汽輪機蒸汽管網壓力擾動對被控參數汽輪機轉速的影響。

在汽輪機主汽門前設置汽輪機蒸汽管網壓力測量點，作為干擾量設定DV，以汽輪機轉速作為控制變量PV，采用前饋反饋控制方案見圖6。

圖6 汽輪機前饋反饋控制傳遞函數

經典PID傳遞函數為

Kp為比例系數；

TiS為積分時間；

TdS為微分時間；

Kc為前饋標稱增益；

Tp為擾動通道的時滯時間；

Td為控制通道的時滯時間。

增加擾動濾波，設置擾動死區時間和擾動死區范圍。例如：當汽輪機蒸汽管網壓力擾動死區時間或擾動死區范圍超過設定值時，又或者二者同時超過設定值時，前饋控制作用使能。

舉例說明：汽輪機蒸汽管網壓力為10MPa（A），汽輪機轉速PV=10000RPM，汽輪機主汽門在經典閉環PID控制作用下輸出為50%。此時汽輪機蒸汽管網壓力發生擾動，當汽輪機蒸汽管網壓力減小時，前饋輸出為5%，汽輪機主汽門在前饋反饋控制作用下輸出為MV=50%+（5%）=55%；當汽輪機蒸汽管網壓力增大時，前饋輸出為-5%，汽輪機主汽門在前饋反饋控制作用下輸出為MV=50%+（-5%）=45%。

其控制思想為基于汽輪機蒸汽管網壓力的擾動來消除其對汽輪機轉速的影響。這使得汽輪機蒸汽管網壓力出現擾動之初，控制系統可以預先做出響應，對汽輪機轉速擾動進行預判和干預，而不需要等到汽輪機轉速出現偏差后再進行補償，這為汽輪機轉速控制提供一個穩定的，可靠的，抗干擾能力強的轉速控制方案。

4 結束語

基于TRICON控制系統對控制方案進行組態，采用TRICON控制器下位機軟件TriStation 1131解耦控制功能模塊TWOVLV_IPSP04，上位機采用Invensys公司旗下的Intouch軟件對其進行上位機組態。其抽氣式汽輪機控制方案應用于蘭州石化24萬噸/年乙烯產能恢復項目裂解氣壓縮機控制系統中見圖7，完美解決了蒸汽管網調配能力薄弱的問題，所應用的汽輪機在控制轉速穩定的同時兼顧保證了蒸汽入口壓力的穩定。非抽氣式汽輪機控制方案應用于蘭州石化90萬噸/年柴油加氫裝置循環氫壓縮機控制系統中，完美解決了汽輪機調速能力弱和滯后的問題，能夠在汽輪機轉速發生改變前提前預判機組轉速變化趨勢并加以干預。先進的控制方案提高了機組的安全性和穩定性，為老廠裝置改造和新廠裝置磨合提供了創新的解決思路，得到了蘭州石化領導的認可和肯定。

圖7 抽汽式汽輪機GCV與ECV解耦控制運行畫面