貴冶KKK飽和蒸汽透平控制原理及編程組態(tài)

江春明

(江西銅業(yè)集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424)

1 引言

在貴溪冶煉廠三十萬噸銅冶煉工程項目中，作為余熱利用的重要環(huán)節(jié)，我廠引進了德國KKK公司的飽和蒸汽透平機組[1](2#透平)，為實現(xiàn)高、低壓蒸汽的平衡，達到余熱利用的最大化，該機組采用的是所謂“一擔挑”形式，即高壓透平部分采用AFA4 G6a背壓式透平，低壓透平部分采用的是AFA6 G6b凝汽式透平，高、低壓透平共用一個發(fā)電機。閃速爐、轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生的4.0MPa飽和蒸汽經(jīng)高壓透平吸收熱能發(fā)電后降壓至0.90MPa，與硫酸余熱鍋爐產(chǎn)生的1.0MPa飽和蒸汽混合后，再次進入低壓透平發(fā)電，最后排入復水器回收冷凝水。發(fā)電機出線則通過并網(wǎng)裝置、高壓柜與2#動力中心高壓母線相連，與二系統(tǒng)電網(wǎng)并網(wǎng)運行。具體工藝流程如圖1。

2 2#透平控制原理及編程組態(tài)

圖1 2#透平機組基本工藝流程

我廠2#透平發(fā)電機組實際上相當于兩臺透平機組，高壓透平部分采用的是“505”汽輪機控制器[2]，低壓透平部分采用的是SIPART DR22過程調(diào)節(jié)器。整個透平發(fā)電機組的開停機、高壓蒸汽壓力串級控制、發(fā)電機負荷控制等主要控制功能均由“505”控制器負責，而低壓部分的DR22過程調(diào)節(jié)器作用僅相當于一個PID調(diào)節(jié)器，用于透平機組運行后根據(jù)低壓蒸汽壓力來調(diào)節(jié)低壓透平主蒸汽閥門的開度，使低壓蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。因此，在低壓透平故障情況下，將低壓透平與發(fā)電機的聯(lián)軸器脫開后，高壓透平機組部分可實現(xiàn)單獨運行，但如果高壓透平部分發(fā)生故障，低壓透平機組不能單獨運行。故本文僅著重介紹“505”控制器的控制過程。

“505”汽輪機控制器是美國WOODWARD公司研究開發(fā)的以微處理器為基礎(chǔ)的汽輪機用數(shù)字式調(diào)節(jié)器[3]，其配套產(chǎn)品還有 CPC(電液轉(zhuǎn)換器)、DSLC(數(shù)字同步控制器)、LVDT(調(diào)節(jié)閥開度線性測量裝置)等，可應用于單調(diào)節(jié)閥或雙調(diào)節(jié)閥控制的汽輪機，我廠2#透平為單調(diào)節(jié)閥汽輪機，其控制模型如圖2。

圖2 2#透平控制模型

2.1 “505”控制器基本控制原理

“505”控制器內(nèi)部有兩個獨立的控制通道，速度/負載PID和輔助控制器PID，還有一個不是PID調(diào)節(jié)器，是閥位限制器，如圖3。

圖3 “505”控制器基本功能邏輯圖

從上圖我們可以看出，調(diào)節(jié)閥實際開度指令受三個指令源控制，第一是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，第二是輔助調(diào)節(jié)器的輸出，第三是閥位限制器的輸出。這三個輸出信號不是疊加，而是通過一個低選總線 (LSS)選擇哪一個最終作用到輸出端。低選總線的作用是哪個控制模塊給出的信號低，就用哪個信號，這就決定了汽輪機始終處于一個安全運行的模式，正常調(diào)節(jié)時不會過負荷，不會超速。除此之外，速度/負載控制器能通過其它控制器—串級控制器—進行操作。串級控制器被“級聯(lián)”到速度控制器，從而速度控制器的設(shè)定值直接可以通過串級控制器的輸出進行改變。輔助控制器能起一個控制通道作用或作為一個限制通道。所有這些PID控制器具有利用模擬輸入信號進行遠程定位其設(shè)定值的選項。此外，“505”控制器還具有頻率控制，異步負載分享 (帶一個DSLC)，臨界速度回避，空閑/額定控制以及自動啟動順序。同時“505”控制器具有兩個串行通信端口，通過使用MODIBUS協(xié)議，這兩個端口可用來監(jiān)控和控制透平機。

2.2 2#透平實際控制過程

在2#透平實際運行過程中，“505”控制器在透平機處于不同運行階段下主要有三種自動控制方式[4]，即轉(zhuǎn)速自動控制方式、串級自動控制方式、負荷輔助控制方式。下面就逐一進行分析:

(1)速度自動控制方式:即通常我們所說的調(diào)速運行方式，從透平開始啟動沖轉(zhuǎn)，一直到斷路器合閘前均處于速度自動控制模式狀態(tài)。在此控制狀態(tài)下，“505”接收來自透平機的速度檢測信號，速度PID控制放大器然后將該信號與速度設(shè)定相比較，產(chǎn)生一個輸出信號給執(zhí)行機構(gòu)(通過一個低信號選擇總線)，從而維持透平在設(shè)定轉(zhuǎn)速下運行?？刂圃硪妶D4。

圖4 速度自動控制邏輯圖

(2)串級自動控制方式[5]:2#透平發(fā)電機是利用余熱蒸汽進行發(fā)電的，為了不影響熔煉主工藝的生產(chǎn)，需要維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，因此透平在正常運行過程中，必須采用調(diào)壓運行方式，即蒸汽量多時多發(fā)電，蒸汽量少時少發(fā)電，而主蒸汽壓力基本保持不變。當發(fā)電機并網(wǎng)斷路器合閘后，串級控制被激活，“505”控制器自動由速度控制方式切換為串級控制方式。串級控制也是一個PID調(diào)節(jié)器，可編程用于控制相關(guān)或受透平速度或負載影響的任何一個系統(tǒng)過程，通常配置用作透平入口或出口壓力控制器，在我廠用作透平入口壓力控制器。它與速度PID串級，將透平入口蒸汽壓力變送器來的4～20mA的過程信號與串級設(shè)定值相比較 (前壓控制)，比較結(jié)果輸出用于重新設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的速度設(shè)定值，從而改變透平負荷直到透平入口主蒸汽壓力與設(shè)定壓力匹配為止。串級控制原理見圖5。

圖5 串級自動控制邏輯圖

(3)負荷輔助控制方式:“505”輔助控制通道能被用于控制一個參數(shù)或限制一個參數(shù)，通常用來控制或限制單元負載/電源、工廠進口/出口級別，進口壓力，排氣壓力，溫度或其它與透平負載直接相關(guān)的參數(shù)。輔助輸入是4～20mA的電流信號，輔助PID控制放大器將該輸入信號與設(shè)定值相比較，然后產(chǎn)生一個控制輸出信號給數(shù)字LSS(低信號選擇)總線。LSS總線將最低的信號發(fā)給執(zhí)行器驅(qū)動電路。在此我們將發(fā)電機負荷作為輔助控制信號，以限制發(fā)電機功率，保證發(fā)電機始終工作在額定負荷下。當蒸汽量超出額定進汽量時，負荷輔助控制方式將使得發(fā)電機負荷穩(wěn)定在額定負荷下，不會出現(xiàn)過載狀況，此時主汽門開度被限定在一定位置，不再隨著主蒸汽壓力的變化而增大，當蒸汽壓力超過透平蒸汽旁路設(shè)定壓力時，由旁路管道進行泄壓。負荷輔助控制原理見圖6。

圖6 負荷輔助控制邏輯圖

(4)2#透平實際運行過程:當發(fā)出【啟動準備】信號后，高、低壓透平主截止閥同時打開，輔助油泵運行建立油壓，PLC判斷啟動條件滿足后發(fā)出“允許啟動”信號，此時按【透平啟動】按鈕，“505”控制器發(fā)出透平主蒸汽閥開啟信號，沖轉(zhuǎn)透平，透平速度在“505”自動控制下由0rpm一直上升到1470rpm保持不變，然后按【并網(wǎng)啟動】按鈕，“505”接受同期并網(wǎng)裝置發(fā)出的速度調(diào)節(jié)脈沖信號，控制透平速度逐步上升到1500rpm，實現(xiàn)發(fā)電機并網(wǎng)，此前整個透平處于調(diào)速運行狀態(tài)。當斷路器合閘后，“505”立即切換為串級自動控制模式，透平處于調(diào)壓運行狀態(tài)，透平進入正常運行，在整個透平正常運行過程中，負荷輔助控制模式一直工作，保證透平在額定負荷下安全運行。

2.3 “505”控制器編程組態(tài)

為實現(xiàn)上述的控制功能，“505”控制器需要對其內(nèi)部的服務方式功能塊進行編程組態(tài)[6]，主要功能組組態(tài)情況如下:

3 結(jié)語

隨著飽和蒸汽透平發(fā)電機技術(shù)的不斷成熟與完善，利用余熱蒸汽發(fā)電也將被越來越多的工廠所采用，“505”汽輪機控制器的應用也將更加廣泛，通過對“505”控制器功能和原理不斷深入地摸索與了解，將使我們可以從容應對在透平運行過程中出現(xiàn)的任何問題。

[1]代云修.汽輪機設(shè)備及運行[M].北京:中國電力出版社，2005.

[2]蔡丹軍.505E電子調(diào)速器透平控制系統(tǒng)的應用[J].乙烯工業(yè)，2004，16(3):44－47.

[3]肖增弘，徐豐.汽輪機數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社，2003.

[4]陳渝光.電氣自動控制原理與系統(tǒng)[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[5]黃兆榮.淺談汽輪機控制[J].化工設(shè)計通訊，2007，33(4):43－47.

[6]管旭.可編程控制器原理及應用[M].大連:大連理工大學出版社，2008.