崔懷明
(國(guó)能神華九江發(fā)電有限責(zé)任公司 江西九江 332500)
汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠中的主要設(shè)備,在高溫與高壓工況下可發(fā)揮將所產(chǎn)生的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的重要作用。數(shù)字電液控制系統(tǒng)則是協(xié)助汽輪機(jī)維持正常運(yùn)行狀態(tài)的核心系統(tǒng)類型,可保證汽輪機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性,其性能直接關(guān)聯(lián)著發(fā)電機(jī)組是否能夠保證運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與安全性。伴隨火電廠的不斷發(fā)展,其自動(dòng)控制系統(tǒng)同樣獲得了持續(xù)更新,相應(yīng)模型參數(shù)不斷被改進(jìn),充分發(fā)揮了其在供電過(guò)程中頻率性能優(yōu)勢(shì),尤其是在汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)出現(xiàn)后,無(wú)論是進(jìn)口閥控制還是電網(wǎng)頻率輸出均保證了控制的精確性?;诖?,針對(duì)火電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)分析并進(jìn)行關(guān)鍵內(nèi)容的優(yōu)化,具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
此系統(tǒng)的基本形態(tài)主要包括用于功能控制的人機(jī)交互界面、測(cè)量元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制裝置等,包含了電子控制裝置與高壓抗燃油供油系統(tǒng)等。
一是電子控制裝置是包含了工程師站、操作員站以及控制柜,并需要提供配套的手操盤(pán)。二是高壓抗燃油供油系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用在于保證高壓抗燃油提供的穩(wěn)定性,為汽輪機(jī)閥門(mén)伺服機(jī)構(gòu)與危機(jī)跳閘系統(tǒng)等提供驅(qū)動(dòng)力。該系統(tǒng)通常包含了2 套泵組,為提高效率可同時(shí)工作或互為備用。三是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在汽輪機(jī)中所安置的調(diào)節(jié)閥與高壓主汽閥等皆可作為汽輪機(jī)的控制閥門(mén),每個(gè)閥門(mén)均配備單獨(dú)的油動(dòng)機(jī)與伺服回路控制系統(tǒng)[1]。由電子控制系統(tǒng)將電子指令輸出后,經(jīng)伺服放大器處理即可傳輸至電液轉(zhuǎn)換器,從而將液壓信號(hào)輸出,促使電液轉(zhuǎn)換器主閥移動(dòng)。其中,伺服閥也被稱之為電液轉(zhuǎn)換器,能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào),通常包含一個(gè)力矩馬達(dá)與配套的機(jī)械反饋系統(tǒng)。
1.2.1 汽輪機(jī)自動(dòng)程序控制
此功能可對(duì)汽輪機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)視,從而是在較少的人工干預(yù)條件下實(shí)現(xiàn)盤(pán)車(chē)轉(zhuǎn)速帶的同步效果,直至達(dá)到滿負(fù)荷全過(guò)程控制的根本目的[2]?;谧詣?dòng)程序控制能夠依據(jù)內(nèi)外部所提供的熱應(yīng)力大小設(shè)定相應(yīng)的升速率、負(fù)荷率,并能夠始終將轉(zhuǎn)子的應(yīng)力控制在對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,無(wú)論是并網(wǎng)過(guò)程還是閥門(mén)切換,均可持續(xù)對(duì)其邏輯回路進(jìn)行完善并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
1.2.2 汽輪機(jī)閥門(mén)管理
汽輪機(jī)處于不同類型的運(yùn)行環(huán)境下,為將機(jī)組經(jīng)濟(jì)性與快速性進(jìn)一步提升,切換進(jìn)氣方式極為重要。通常使用數(shù)字電液控制系統(tǒng)切換閥門(mén)的控制方式,達(dá)到兩種經(jīng)濟(jì)模式靈活切換的目的。
1.2.3 閥門(mén)試驗(yàn)功能
基于數(shù)字電壓控制系統(tǒng)能夠逐個(gè)對(duì)閥門(mén)的運(yùn)行效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從而確保發(fā)生事故后能夠在第一時(shí)間可靠關(guān)閉相應(yīng)閥門(mén),主要包括活動(dòng)試驗(yàn)與閥門(mén)嚴(yán)密性試驗(yàn)兩種試驗(yàn)類型。
1.2.4 甩負(fù)荷控制與超速控制
超速控制功能實(shí)現(xiàn)主要基于OPC 電磁閥,可實(shí)現(xiàn)主氣閥與調(diào)節(jié)閥的快速關(guān)閉,從而有效避免汽輪機(jī)由于轉(zhuǎn)速過(guò)快而導(dǎo)致跳閘甚至飛車(chē)事故等現(xiàn)象[3]。甩負(fù)荷預(yù)警器則一般應(yīng)用于超出30%額定負(fù)荷的檢測(cè),通過(guò)對(duì)電磁閥動(dòng)作的控制關(guān)閉相應(yīng)汽門(mén)。這種情況下負(fù)荷將自動(dòng)歸零并由系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制回路的切換。
1.2.5 監(jiān)控功能
汽輪機(jī)機(jī)組無(wú)論是處于運(yùn)行還是停機(jī)狀態(tài)下,均由監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)控,主要包括運(yùn)行狀態(tài)各類參數(shù)的顯示、狀態(tài)指示器以及發(fā)生故障后顯現(xiàn)出的提示信息。屏幕界面的監(jiān)測(cè)需要獲取到汽輪機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù),進(jìn)而顯示出其相應(yīng)的運(yùn)行曲線,體現(xiàn)出內(nèi)部程序的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
以350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組為例,基于對(duì)其結(jié)構(gòu)組成與功能組成的全面分析,聯(lián)系機(jī)組的實(shí)際工作情況即可發(fā)現(xiàn)此類汽輪機(jī)設(shè)備的數(shù)字電液控制系統(tǒng)存在著較多的應(yīng)用不足之處。
一是設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)不合理,尤其是在現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜且多變的條件下,受氣壓干擾的影響使系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用效果相對(duì)較差。二是汽輪機(jī)系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜,并需要保證給予發(fā)電機(jī)組與鍋爐系統(tǒng)之間的運(yùn)行協(xié)調(diào)性,需要控制的參數(shù)較多且有著較高的精度要求[4],這就使控制系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)控制不及時(shí)與不同步的情況。三是從工藝設(shè)備的角度來(lái)看,汽輪發(fā)電機(jī)組在質(zhì)量監(jiān)控不到位與調(diào)試把控不嚴(yán)格的條件下,使其在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出了汽輪機(jī)軸振偏大的不良現(xiàn)象。四是所使用的閥門(mén)密閉性相對(duì)較差,尤其是在對(duì)缸溫信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中,若參數(shù)設(shè)置不合理則會(huì)增大機(jī)組跳閘甚至大軸彎曲等現(xiàn)象的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)數(shù)字電液控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在硬件配置方面主要包含了控制柜、電源柜、工程師站以及操作員站等。舉例設(shè)計(jì)方案共設(shè)置4個(gè)機(jī)柜。第一個(gè)控制柜用于對(duì)計(jì)算機(jī)柜進(jìn)行控制,具備系統(tǒng)的基本控制功能,包括轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的全面控制,兼顧了超速保護(hù)的相關(guān)功能[5];第二個(gè)控制柜為基本控制端子柜,展開(kāi)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行控制的過(guò)程中,可將信號(hào)與就地設(shè)備相連接;第三個(gè)機(jī)柜為電源柜與繼電器柜;第四個(gè)機(jī)柜為網(wǎng)絡(luò)柜。圖1為數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)柜布置圖。

圖1 數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)柜布置圖
2.1.1 網(wǎng)絡(luò)配置
無(wú)論是信號(hào)傳遞系統(tǒng)還是工程師站以及操作員站,所有的硬件設(shè)備均需要基于控制柜中的DPU相互連接,并與下方控制板卡建立聯(lián)系從而保證控制的實(shí)時(shí)性。
2.1.2 模塊選擇
一是閥定位模塊。閥門(mén)的開(kāi)度是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制與負(fù)荷控制的重要基礎(chǔ),需要基于控制系統(tǒng)形成對(duì)應(yīng)的閥位控制定值,形成對(duì)應(yīng)每個(gè)閥門(mén)的指令并將其傳遞到液壓伺服卡,達(dá)到對(duì)閥門(mén)位置進(jìn)行精準(zhǔn)控制的目的。舉例系統(tǒng)中所使用的閥定位模塊主要為對(duì)閥門(mén)的閉環(huán)位置進(jìn)行控制,起到了連接控制系統(tǒng)與電液伺服驅(qū)動(dòng)的重要作用,并且有處理器保證閥門(mén)定位的精準(zhǔn)性[6]。此類定位模塊將控制器對(duì)閥門(mén)的位置設(shè)定值予以充分利用,可將指令信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出,并在微處理器的配合下提供閥位設(shè)定值所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的冗余輸出控制信號(hào),經(jīng)由伺服閥執(zhí)行器上的線圈處理后即可保證閥位控制的及時(shí)性。位移傳感器主要安裝在閥桿上,基于閥位信號(hào)的檢測(cè)可建立控制效果較好的閉環(huán)回路。
二是速度檢測(cè)模塊。此模塊主要用于對(duì)詞組探頭輸出信號(hào)的測(cè)量,基于信號(hào)頻率的分析即可明確汽輪機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行速度?,F(xiàn)場(chǎng)卡與邏輯卡是速度檢測(cè)模塊的主要組成結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)卡主要用于針對(duì)探頭所獲取到的脈沖輸入信號(hào)的讀取,而邏輯卡則可將獲取的速度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸入對(duì)應(yīng)系統(tǒng),可提供需求的邏輯功能。舉例系統(tǒng)中主要包含了數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、熱電阻輸入模塊以及熱電偶輸入模塊。
2.2.1 轉(zhuǎn)速控制
并網(wǎng)前首先需要汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn),將汽輪機(jī)啟動(dòng)后完全開(kāi)啟高壓與中壓調(diào)節(jié)閥,基于主氣閥調(diào)節(jié)器對(duì)高壓進(jìn)氣量進(jìn)行控制,進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。設(shè)定值達(dá)到后即可對(duì)控制回路進(jìn)行切換,主氣閥門(mén)全開(kāi)與控制電流開(kāi)環(huán)的條件下,對(duì)應(yīng)的高壓調(diào)節(jié)閥控制回路具有閉環(huán)特點(diǎn)。回路切換完成后則需要將汽輪機(jī)持續(xù)升速至3 000 r/min。對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制主要依賴于數(shù)字電液控制系統(tǒng)的速度規(guī)定與測(cè)速模塊所獲取到的信號(hào),偏差比較后即可形成對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)器的閥位指令,只需要基于伺服閥的轉(zhuǎn)換即可控制閥門(mén)開(kāi)度,促使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸匹配預(yù)定值,進(jìn)而將轉(zhuǎn)速偏差完全消除。圖2為轉(zhuǎn)速控制的主要回路框圖。

圖2 轉(zhuǎn)速控制的主要回路框圖
2.2.2 功率控制
開(kāi)環(huán)與閉環(huán)是功率控制的兩種類型,其中開(kāi)環(huán)控制主要為閥位控制,需要操作人員對(duì)功率的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行關(guān)注,基于閥位的操作設(shè)定即可對(duì)氣門(mén)開(kāi)度進(jìn)行改變,達(dá)到靈活控制的目的。此類控制方案對(duì)于操作人員有著相應(yīng)的技術(shù)要求,操作人員不僅控制權(quán)力較大,且整個(gè)操作過(guò)程具有靈活性的特點(diǎn),是閉環(huán)控制一旦失效后的有效后備。
閉環(huán)控制條件下可將實(shí)際功率與功率指令的信號(hào)相比較,校正控制器后即可完成調(diào)節(jié)及壓力給定的轉(zhuǎn)換,此時(shí)一級(jí)壓力指令與機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行功率相匹配。而在使用調(diào)節(jié)級(jí)壓力對(duì)回路進(jìn)行控制的過(guò)程中,經(jīng)功率校正回路的處理使對(duì)應(yīng)的輸出可與給定的壓力反饋信號(hào)相比較,基于控制器的矯正完成后即可將其轉(zhuǎn)換為閥門(mén)的開(kāi)度信號(hào)。數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中通常包含了調(diào)節(jié)壓力回路與功率控制回路,所形成的串級(jí)控制回路能夠?qū)⒐β士刂苹芈放c調(diào)節(jié)機(jī)壓力調(diào)節(jié)回路分別作為外環(huán)與內(nèi)環(huán)。若受到負(fù)荷設(shè)定值改變的影響,對(duì)應(yīng)的內(nèi)環(huán)回路將快速響應(yīng)完成相應(yīng)控制,在第一時(shí)間將擾動(dòng)的影響予以消除[7]。配合外環(huán)功率回路的適當(dāng)修正負(fù)荷與設(shè)定值的偏差,可確保實(shí)際的負(fù)荷與預(yù)先設(shè)定值相同。基于串級(jí)控制中的內(nèi)回路可將調(diào)節(jié)的快速性予以強(qiáng)化,進(jìn)而將因蒸汽參數(shù)所帶來(lái)的內(nèi)部擾動(dòng)因素予以消除。
2.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)舉例的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要基于 Ovation 系統(tǒng)展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究工作,作為一種具有分散性特點(diǎn)的控制系統(tǒng),此系統(tǒng)主要應(yīng)用于智能電廠與數(shù)字電廠領(lǐng)域,其特有的多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了決策支持、數(shù)據(jù)集成以及綜合優(yōu)化應(yīng)用的效果,滿足了用戶對(duì)當(dāng)下所使用控制系統(tǒng)的功能需求[8]。在配套相應(yīng)數(shù)量的核心交換機(jī)條件下,可連接公共系統(tǒng)與輔助控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完美映射、數(shù)據(jù)集成以及互鎖等綜合操作,確保操作人員即使是在同一控制室內(nèi)同樣可以對(duì)連接的多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行全面監(jiān)視與相關(guān)操作,達(dá)到了對(duì)歷史數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程予以簡(jiǎn)化的重要目的。
基于對(duì)數(shù)字電液控制系統(tǒng)中所包含硬件與軟件的全面分析,聯(lián)系實(shí)際工作情況可發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)備設(shè)施、控制邏輯以及工藝流程方面存在著較多急需改進(jìn)的問(wèn)題。例如:系統(tǒng)所研究的主要為350 MW的循環(huán)流化床鍋爐與單抽氣式汽輪發(fā)電機(jī),從其實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看表現(xiàn)出了諸多問(wèn)題?;趯?duì)以上內(nèi)容的深入研究,可梳理出問(wèn)題的改進(jìn)思路,可基于此類優(yōu)化方案將機(jī)組的整體運(yùn)行效能進(jìn)一步提升,并保證其運(yùn)行的安全性。
針對(duì)此類問(wèn)題所需要采取的改進(jìn)措施如下。
3.1.1 機(jī)械安裝的角度
首先,充分發(fā)揮機(jī)組檢修機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),結(jié)合機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)各個(gè)軸承的載荷進(jìn)行重新計(jì)算與分配,從而避免產(chǎn)生極個(gè)別軸瓦承載過(guò)大的現(xiàn)象影響到其運(yùn)行質(zhì)量;其次,需要對(duì)各個(gè)軸瓦的軸徑進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),若發(fā)現(xiàn)有缺陷產(chǎn)生則需要及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ),確保零部件的表面質(zhì)量滿足運(yùn)行質(zhì)量需求;再次,需要對(duì)各個(gè)軸承段轉(zhuǎn)子的頂起高度進(jìn)行檢查與科學(xué)調(diào)整,確保所頂起的高度與制造廠的相關(guān)規(guī)范要求相匹配,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子揚(yáng)度的檢查與調(diào)整即可確保設(shè)定參數(shù)滿足規(guī)范要求;最后,各個(gè)油檔與各個(gè)軸段的間隙也應(yīng)進(jìn)行檢查與調(diào)整,設(shè)定匹配參數(shù)即可滿足制造廠對(duì)零部件的相關(guān)規(guī)范要求;另外,各個(gè)軸瓦的下瓦套與軸承之間的接觸質(zhì)量需要進(jìn)行全面檢查,保證二者的接觸良好性是避免產(chǎn)生軸承振動(dòng)的關(guān)鍵因素。
3.1.2 控制啟動(dòng)角度
對(duì)控制邏輯進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化,從而確保在機(jī)組正式啟動(dòng)前基于機(jī)組的狀態(tài)對(duì)蒸汽參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整,確保設(shè)定的參數(shù)匹配氣缸的實(shí)際溫度。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中,一般選擇具有低參數(shù)與大容量特點(diǎn)的啟動(dòng)方法,要保證轉(zhuǎn)子與氣缸的膨脹一致性。啟動(dòng)邏輯方面則需要保證蒸汽參數(shù)平穩(wěn)變化的控制有效性,避免產(chǎn)生大幅度波動(dòng)現(xiàn)象,從而影響到汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量。
受閥門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)的影響,使得在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中極有可能導(dǎo)致管道內(nèi)的冷凝水大量進(jìn)入高壓缸中,這就使在機(jī)組實(shí)際啟動(dòng)的過(guò)程中存在上下缸溫差較大的現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致汽輪機(jī)的缸體產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的溫差變形。在部分汽封間隙逐漸變小甚至消失的條件下,汽輪機(jī)在沖轉(zhuǎn)完成與高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中其動(dòng)靜部分將發(fā)生較為嚴(yán)重的摩擦,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的表面局部應(yīng)力將有超出材料屈服極限的可能,這也是導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子永久彎曲變形的主要原因。
改進(jìn)措施主要包括以下幾點(diǎn):一是需要對(duì)汽輪機(jī)的啟動(dòng)相關(guān)邏輯進(jìn)行優(yōu)化,明確禁止啟動(dòng)的必要條件并將汽輪機(jī)的啟動(dòng)熱控制邏輯進(jìn)行固化,若條件不滿足則嚴(yán)禁啟動(dòng)汽輪機(jī);二是需要依照相關(guān)要求采取防止汽輪機(jī)進(jìn)水的一系列措施,這就需要對(duì)汽輪機(jī)本體輸水管道的操作邏輯進(jìn)行優(yōu)化,做好疏水閥的改進(jìn)工作。
實(shí)際調(diào)試過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)低壓缸噴水表現(xiàn)出了一定的邏輯問(wèn)題,不僅無(wú)法保證低壓缸的自動(dòng)噴水及時(shí)性,轉(zhuǎn)換為手動(dòng)操作后仍然有可能無(wú)法起到操作作用。
針對(duì)此問(wèn)題的改進(jìn)措施主要為對(duì)配置環(huán)節(jié)的邏輯進(jìn)行檢查,優(yōu)化操作邏輯后即可達(dá)到解決目的。以往的低壓缸噴水出廠前通常是由PID 設(shè)定的相應(yīng)邏輯值,使得其使用性能較差。而若改回開(kāi)閉則在邏輯正確的情況下即可解決相應(yīng)問(wèn)題。
低速度條件下轉(zhuǎn)速探頭顯示相應(yīng)數(shù)據(jù),而高速條件下探頭數(shù)據(jù)不顯示為常見(jiàn)問(wèn)題。此問(wèn)題的改進(jìn)措施主要是對(duì)探頭的安裝距離與測(cè)量范圍進(jìn)行全面檢查,并對(duì)探頭距離重新調(diào)整,能夠起到避免由于距離過(guò)大而導(dǎo)致探頭測(cè)量范圍超出的作用,從而保證轉(zhuǎn)速探頭獲取信息的全面性與準(zhǔn)確性。
綜上所述,通過(guò)對(duì)火電廠汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能組成的分析,聯(lián)系其運(yùn)行的實(shí)際情況可發(fā)現(xiàn)存在于控制系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的不足之處。結(jié)合系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn),即可制訂相應(yīng)的優(yōu)化方案,并能夠針對(duì)控制系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)所發(fā)生的實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)相應(yīng)優(yōu)化處理,借由優(yōu)化過(guò)后的相應(yīng)控制程序即可將控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性進(jìn)一步提升,是維持汽輪機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)的重要基礎(chǔ)。