探究火力發電機組汽輪機旁路系統控制技術

凱士比閥業（常州）有限公司 尹 進

電廠運行的汽輪發電機組旁路系統，主要由閥門本體（低旁蒸汽轉換閥，高胖噴水減溫閥等）、執行機構（電動執行器，氣動執行器，液動執行器等）及控制系統（一次儀表，旁路動力柜，旁路控制柜等）組成，多具有提高鍋爐蒸汽容量、快速啟動、保護鍋爐、防范超壓現象等實際功能，而且根據系統既有運行效果，發現旁路系統還能有效控制凝汽器高溫、高水位、低真空風險，有益于保護汽輪發電機組安全。

1 火力發電機組汽輪機旁路系統控制目的

為優化某單位合作電廠汽輪發電機組旁路系統運行效果，早期應用可編程控制器發揮控制作業，隨著時代進步，此種控制技術已然無法滿足實際工作需求。故提出以分散式控制技術代替傳統控制技術，以妥善解決異常工況下產生的不良問題。

1.1 應對間歇動作風險

以某電廠所使用的600MW超臨界火電機組汽輪機旁路系統為例，配有DG型直流本生鍋爐（鍋爐壓力為25.49MPa，每小時1827t燃煤燃燒量）和配套給水泵（調速汽動型，容量50%），該系統實際運行過程曾在某一時間里出現了間歇動作，導致執行機構部分遭受壓力異常變化狀況，為避免壓力驟變誘發旁路系統停機后果，提出以直徑為?以上NPT管道拓展空氣流量，保證壓縮空氣得以充分流通。同時，還期待利用分散式控制系統消除間歇動作頻繁發生風險，增強間歇動作的應對能力，自此產生“停電不停機”的持久性運行效果。

1.2 正確調節閥位顯示

電廠發電機組汽輪機旁路系統預計在分散式控制技術助力下，提高閥位顯示正確度。早期電廠在高低旁路閥位顯示過程中曾出現顯示錯誤情況，造成電廠領導需要專門安排專業人員隨時完成閥門精準定位任務，無形中加劇投入成本，并且在初步啟動時，因閥門尚未實現“完全開啟”，致使閥位顯示區間不大。而通過運用分散式控制系統，期待適當降低閥位顯示誤差，并在技術保障下精簡工作崗位，最大化提高資源利用率。因而閥位顯示精準度也是分散式控制技術實踐應用的重要目的。

1.3 改善閥門振蕩行為

在電廠應用分散式控制系統，還期待進一步改善閥門振蕩行為。在傳統控制技術（可編程控制器）應用階段，曾出現過閥門劇烈振蕩現象，從監控影像慢速觀看中，汽輪機旁路系統執行機構部分執行器每秒時間里有7個抖動頻率，振蕩范圍最小為10%，定位后確定為閥門閉合35%以內，致使振蕩行為下引發“跳機”后果。另外，觀察機組振蕩范圍時，X方向出現了130μm的變化幅度，整體溫度出現5℃左右的降溫表現，促使電廠鍋爐難以實現完全燃燒，為解決該問題專門針對振蕩原因展開研究，考慮集中于閥壓差異常監測部分。

經過應用新控制技術，應當保證整體閥門振蕩行為發生率得到有效降低。源于此技術可以對汽輪機閥門開度等相關參數實施精準控制，使電廠發電機組汽輪機旁路系統保有穩定持久的運行狀態。

2 火力發電機組汽輪機旁路系統控制技術要點

2.1 優配系統旁路容量

針對某單位合作電廠火力發電機組汽輪機旁路系統應用分散式控制技術，最為主要的是應先行考慮好旁路容量需求，隨即根據實際條件改造旁路容量，通過均衡配置創造有利的技術應用條件。根據有關研究，電廠汽輪機及鍋爐運行期間，旁路容量可根據公式分析：即：，其中：De和Dc表示額定參數下及啟動條件下旁路閥全開狀態對應的質量流量（kg/h）；P、Pc代表對應的壓力（MPa）；Ve、Vc為對應的比容（m3/kg）。

經過分析代入相關數據，即0.6MPa的蒸汽壓力；1560t/h的蒸汽流量，可以確定旁路系統高低壓旁路容量比例宜控制在100%：70%，相比傳統控制技術下對應的42%：55%，顯然更具可靠性。關于旁路容量參數的調整，要求改造后汽輪機運行期間，能盡快啟動發電機組，并且還要舒緩高負荷響應負擔，以提高旁路容量的方式應對異常工況。特別是高壓旁路，經過分散式控制技術可以縮短鍋爐燃煤燃燒期間的等待時間。而低壓旁路容量在有效控制中，還能實現再熱蒸汽的合理調控，以免投入過多成本用于投放減溫水。基于分散式控制技術改造電廠汽輪發電機組旁路系統，是目前改革重點，不僅可以滿足上述提出的技術應用目的，還能縮減投入成本，助力取得更高收益。因此，優配高低壓旁路容量屬于電廠引進分散式控制技術的首要前提[1]。

2.2 自適應旁路閥壓差

旁路系統可能因閥壓差波動明顯出現振蕩行為，因而分散式控制技術的應用，還要體現出旁路閥壓差的自適應控制作用。經過對電廠近3年旁路系統故障事件的綜合分析，發現曾出現過2次“跳機”情況，即汽輪機跳閘，且閥前壓力在3.4MPa到3.5MPa以內，受反饋偏差情況的影響，電廠旁路系統難以表現出穩定的運行狀態，并且還發生過閥桿斷裂情況，雖然僅有1次，但也對電廠常規發電計劃帶來了不利影響，其閥前壓力測量后為3.7MPa。利用分散式控制技術自適應控制旁路系統閥壓差現象時，須將旁路系統閥前壓力控制在3.3MPa左右，以期消除閥壓差波動風險。

為進一步知曉分散式控制技術的應用可行性，專門采用建模方式構建“節流絕熱下旁路系統模型”，基于節流絕熱條件可按照下列方程式建模：其中：P1、P2代表參照面1和2對應壓強（Pa）；v1、v2為對應流速（m/s）；γ和g分別代表絕熱系數和重力常數；A代表截面積（m2）；Q代表摩擦損失量（J）ρ1和ρ2代表不同程參照面下對應的蒸汽密度（kg/m3）。以節流件對應的閥壓差參數變化規律還可推算出質量流量（qm，kg/s）計算步驟。

其中：d、γ、λ、ΔP、β各自代表節流通徑（m）、絕熱系數、節流前后壓力比、壓差（Pa）、直徑比。按照該公式可了解到：隨著質量流量的增加，壓差隨之提高，表明控制壓差時應同步控制好質量流量。通常在比較異常工況及正常工況下汽輪發電機組變化情況時，異常工況下容易出現負荷提高、壓力增加、溫度升高表現，且正常工況下閥前蒸汽壓力基本不變，蒸汽溫度稍微提高，而出現壓差波動現象后，閥前蒸汽溫度緩慢上升，閥前蒸汽壓力則以先增后降趨勢變化，造成旁路系統難以保持穩定狀態，電廠鍋爐燃燒率也將受到影響。

而分散式控制技術可以利用對大流量定位器、氣控閥、電磁閥、氣鎖閥等多個閥門的自適應控制將壓力數據控制在標準范圍內。通過對100%閥門開度下閥前壓力與閥后壓力差值的整合分析，分散式控制技術應用后，明顯壓差變化區間有所減小。因該技術能夠實現壓力定值的合理界定，所以可展現自適應控制優勢[2]。在控制蒸汽壓力期間，若實際壓力為“0”，將導致旁路閥啟動異常后果，此時還應在控制系統輔助下調整好旁路閥開度與蒸汽壓力的對應關系。如壓力值達到0.45MPa，此時高旁閥位開度應高于30%，當達到0.5MPa設定值標準時，此時在壓力上升條件下，應保證高旁路壓力設定值控制在8.92MPa左右，便于實現高旁閥位的“應時變化”，致使在控制系統輔助下，始終將壓力值保持在0.8MPa平穩狀態下，隨即進行壓力跟蹤操作，優化壓差調控效果。

表1 控制技術應用前后電廠旁路系統預期改造效果對比

2.3 優化控制功能模塊

以分散式控制技術取代電廠汽輪發電機組旁路系統傳統控制技術，除了要合理改造旁路容量，體現自適應控制作用外，還需要在滿足硬件設施（現場傳感器、現場控制器）配置條件下，加強軟件功能模塊的完善設計。即運行遠程維護監控系統，用于動態監測旁路系統運行狀態。分散式控制技術助力下研發新控制系統，其功能模塊應涵蓋以下三項。

數據采集與處理功能。該功能主要是在旁路系統突發故障情況時，以系統預警方式提醒電廠工作人員妥善處理故障隱患，通常以事故追蹤、跳機記錄、報警顯示、數據自動存儲為主；模擬量控制功能。控制系統可以根據模擬蒸汽壓力、蒸汽溫度等參數，預判故障隱患，繼而產生減少旁路系統誤動作發生率。某單位合作電廠在研發控制系統此項功能期間，應側重于動態補償與靜態精準分析兩項內容，保證顯示的模擬量貼合實際情況。其操作步驟為被控制對象→傳感器→輸入通道→分散式控制系統→顯示數據；設定值→分散式控制系統→輸出通道→旁路系統執行機構→被控制對象[3]。

順序控制功能。該功能能夠對旁路系統展開分級控制，圍繞汽輪發電機組啟停順序實現有效保護。因過度分級容易出現延時顯示情況，所以多以驅動級控制模式為主，該控制層級為傳感器、閥門部件與之對應的基礎層級，同時還包括子組級和功能組級控制層級。

值得關注的是，在功能研發期間，還應設計完善的分布式處理單元，配置50ms掃描周期，100ms模擬量掃描周期，1ms以下分辨率的相關軟件。經過在電廠汽輪發電機組旁路系統運行過程試運行分散式控制系統，確實在多樣功能助力下整體故障風險得到了顯著控制，具備“持久不停機”運行特征。在控制高低旁噴水減溫調節品質時，應設定好控制系統啟動條件，即390℃以上的蒸汽溫度；低旁快關狀態；高壓減壓閥手動快關，并且在運行負荷＞200MW期間，還可自動啟動快關快開功能。至于低壓旁路控制功能則要求排氣管道排氣背壓高≥58kPa；排汽裝置液位高于1800mm；低旁出口溫度高于200℃，就此強化控制系統應有作用。

2.4 調控二次蒸汽溫度

待新控制系統軟件功能模塊得以完善后，還應強化二次蒸汽溫度調控功能。期待電廠以新技術縮減溫水投放成本，以保持蒸汽熱平衡的方式提高生產效益。根據下列公式知曉減溫水焓值（h1w）增加將造成二次蒸汽焓值（h2s）提高。即：h2s=h1s+h1w+Δh，式中h1s和△h指代一次蒸汽焓值與損耗焓值。

為合理調控二次蒸汽溫度，通過尋優算法達到分散式控制技術改造目的。一般二次蒸汽溫度偏差值（e）的分析需要兼顧噴水減溫閥、蒸汽轉換閥開度（Hs、Hw）變化結果，具體可以整理成以下公式：e（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw）=SPT2S-T2S（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw），式中：SpT2S、T2S指代設定值與實際值（二次蒸汽溫度，℃）。經研究確定通過對適應于電廠旁路系統運行期間汽輪發電機組最佳二次蒸汽溫度的反饋分析，可得到最優值，隨即根據對偏差值的有效控制，提高二次蒸汽溫度合理性，保證通過設定最優值優化系統運行效果。

為驗證分散式控制系統的可行性，電廠具體按照上述提出的多項舉措提出試運行計劃，經對比改造前后二次蒸汽溫度變化幅度，判定旁路系統運行中機組蒸汽溫度數據未發生波動明顯狀況，驗證新技術確有節約成本效果。