浅谈汽轮机的控制系统

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浅谈汽轮机的控制系统
            
             云 南 云 维 集 团 电 仪 公 司    黄 兆 荣
        摘要：本文简述了汽轮机的工作原理、结构以及现有的控制技术和手段。根据汽轮机的原理和控制系统特性，利用先进的控制技术改造而成即实用又简单的控制系统。
        关键词：转速控制    功率控制    压力    负载
        Improved to control system of steam turbine
        Yunnan yunweico.ltd  Huang  zhao  rong
Alstract; The article synops is of principle struce tural and control technique of steam turbine  according to the principle cod chcvractestic of control system; utilization advance technique improred to old control system be practical bity and simpl if ication
        Key Woeds;  specd.cotrol  power control  pressave  local
        －、概述：汽轮机是由本体、汽轮机转子、油路、蒸汽路等部分组成。蒸汽经电动门主气阀、自动门主汽阀、调节汽阀到喷嘴冲动叶轮使叶轮转动。入口压力与出口压力之间的差压越大、转子的转速就越快。转子转动带动负载做功。负载的变化会影响转速，入口和出口蒸汽压力的变化也会影响转速的变化，凝结水温度的变化和真空的变化也会影响转速的变化。
        汽轮机控制系统设计根据是转子的能量平衡方程式 即：
        J * d ε / dt = M T  –  M G  –  Mf  
        J  为转子的转动惯量  （Kg.m.s2 ）  ε为转子角速度    MT  蒸汽转矩
        M G  为发电机的电磁转矩      Mf   为阻力力矩  
        M T = 4.73 * D * H0 * η0e / n
        D  是进汽轮机蒸汽流量 ( Kg/h )  H 0  绝热焓降  
        η0 e 是汽机相对效率  n 转速      
发电机的电磁转矩取主要决于负载的特性  数学表示为
        Mg  =  K1 + K * n + K3 * n
        Mf  与真空、转速及油温等因素有关
从以上可以看出，改变汽轮机的进汽量D 就能改变MT，MT能随Mg的变化，维持转速在规定的范围内变化。
        汽轮机控制系统的任务是机组做功的功率与外界负载相适应时，保持发电机运行稳定，当外界负载或机组本身变化时，平衡被打破，这时调节系统改变汽轮机的功率使之建立新的平衡。并保持转速的偏差在规定范围之内。
    从以上的变化中可以看出转速的变化综合反映了各个因素变化的情况。因此只要将转速控制在规定范围内，其它的因素就容易控制好。
        以前的控制系统是全液压调节系统，由
速度传感器
                     
压力变换器                         液压调速器                                                                             
                                                    

        错油门                                      油动机
油箱、注油器、逆止阀、主油泵、节流孔组成。动作过程方框图如图1所示
   
        现有汽轮机的控制系统主要是采用DEH控制系统，主要控制方法是（EH）和数字控制系统（D），而DEH控制系统主要采用磁力断路油门、错油门、油动机DDV、 OPC、控制器等，这些控制手段完全依靠油来进行控制信号的传递，因此对油质的要求很高。而设备内的油长时间使用就会产生油垢、堵塞油孔从而产生安全隐患。
        系统的硬件结构     DEH系统由计算机控制部分与液压控制部分(EH)两部伤组成。DEH部分完成控制、控制逻辑的运算，通过操作员站等人机接口设备完成运行、操作、监控及系统管理。对汽轮机、发电机运行参数的实时采集，经过各种控制策略、控制回路的运算，最终的阀门控制指令输出到执行机构，由液压执行部件驱动调节汽阀完成对机组的负荷、转速等被调节变量的控制。人机接口是操作人员或系统工程师与DEH系统的人机界面。操作员通过操作员站对DEH进行操作，给出汽轮机的运行方式、控制目标值等各种控制指令，完成各种试验，进行回路投切等。    EH系统是DEH的执行机构，主要包括供油装置（油泵、油箱）、油管路及附件（蓄能器等）、执行机构（油动机）、危急遮断系统等。供油系统为系统提供压力油。执行机构响应DEH的指令信号，控制油动机的位置，以调节汽轮机各蒸汽进汽阀的开度，从而控制汽轮机运行。危急遮断系统响应控制系统或汽轮机保护系统发出的指令，当DEH发出超速控制信号时，紧急关闭调节阀；当汽轮机保护系统发出停机信号或机械超速等动作引起汽轮机安全油泄去时，危急遮断系统紧急关闭全部汽轮机蒸汽进汽门，使机组安全停机。调门的安全油为OPC油，主汽门的安全油为AST安全油。OPC安全油泄去时，调门快速关闭；AST安全油泄去时，同时通过单向阀泄去OPC安全油，所有阀门快速关闭，汽轮机紧急跳闸。因此，必须对原来的控制手段进行改造才能提高汽轮机的工作效率和可靠性。
        二，改进方法：在保证汽轮机正常工作的前提下。充分利用现有的控制手段、测量手段和执行机构。如DCS、FCS等控制系统；以及光电式、感应式、霍耳式等速度传感器；气动、液动和电动执行机构。并对这些控制设备和控制技术进行适当的改造，就可以提高现有汽轮机的工作效率和可靠性。
        DCS控制系统是目前应用最广泛的控制系统，可靠性高，功能强大，使用方便。它有控制、报警、累积、联锁等功能。釆用ABB公司的AC800F。
        系统概述
Industrial IT系统是ABB公司推出的一种全能综合型开放控制系统，该系统融传统的DCS和PLC优点于一体并支持多种国际现场总线标准。它既具备DCS的复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面(HMI)及方便的工程软件，同时又具有与高档PLC指标相当的高速逻辑和顺序控制性能。
        系统既可连接常规I/O，又可连接RemoteI/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等各种现场总线设备。
        系统具备高度的灵活性和极好的扩展性，无论是小型生产装置的控制，还是超大规模的全厂一体化控制，甚至对于跨厂的管理控制应用，Industrial IT都能应付自如。
        系统分为两级：操作管理级(操作站OS、工程师站ES及网关GS)和过程控制级(过程站PS及现场控制器AC800F)。在操作管理级上不仅实现传统的控制系统监控操作功能(预定义及自由格式动态画面显示、趋势显示、弹出式报警及操作指导信息、报表打印、硬件诊断等)，而且完成配方管理及数据交换等管理功能。过程控制级实现包括复杂控制在内的各种回路调节（各种PID、比值、Simith……）和高速逻辑控制、顺序控制以及批量间歇控制功能。
组态与调试工具软件Control Build F
        Control Build F是Industrial IT系统的工程工具，它是集组态(包括硬件配置、控制策略、HIS即人机接口等组态)、工程调试和诊断功能为一体的工具软件包。Control Build F采用统一的系统全局数据库和交叉参考工具，不仅能方便地完成控制组态，而且是一个高性能的过程调试工具。Industrial IT系统过程控制站PS和现场控制器AC800F所需的各种控制算法和策略都是由
Control Build F来组态的，并采用图形化的组态方法(符合IEC61131- 3标准)。
        Control Build F也用于对操作站人机接口(HIS)功能的组态并还可直接对现场总线设备进行组态。
控制算法和策略组态可选用以下 IEC61131- 3标准组态方法中的一种或几种：
        FBD （功能方块图 ）  LD （梯形图 ）
SFC （顺序功能图 ） IL （指令表 ）  ST（结构化文本 ）
        Control Build F安装在Industrial IT系统工程师站上,完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的PS、FC及操作站OS中。
        系统提供一个含有190多种功能模块(标准算法程序)的功能块库。用户还可自定义功能块。ControlBuild F提供200多个标准图形符号(静态和动态)及大量美观实用的立体图例可供HIS组态选用。
        Control Build F在执行组态编译时能自动查找定位错误源，交叉参考功能可帮助工程师迅速查找对应的变量位号、功能块及操作画面。Control Build F可引入或导出ASCII程序、显示画面、变量位号和部分项目树。Control Build F还可输出包括全部组态结果的图形化工程文档。
Control Build F还具有如下特点：
使用同一工程软件完成控制策略组态和HMI组态。(即硬件配置组态、过程控制编程、操作站组态一体化)
高性能图形化组态编辑工具，符合IEC1131-3标准
功能库提供190多个功能(算法)模块
宏库提供200多个可扩展和定义的图形符号和大量三维图例供画面组态
采用项目树使得程序生成灵活，程序组织清晰明了
采用统一的系统全局数据库
Windows下的在线帮助功能
项目文件备份    口令保护
        操作管理级
        操作管理级主要包括操作站、工程师站、数据网关、管理计算机及相应软件，另外还包括打印机、操作台等辅助设备。操作站的任务是生产监控，即综合监视来自过程控制级的所有信息，进行监示、报警、趋势生成、记录、打印输出及人工干预操作(发送命令、修改参数等)。工程师站用于系统软件组态和调试投运。
操作员站上的操作监控软件DigiVis及工程师站上的组态调试软件Control Build F是操作管理级必须的软件(均基于WindowsNT)。另外可选的软件主要有权限锁定软件(DigiLock)、批量控制软件(DigiBatch)、运行在管理PC机上的生产数据浏览软件(DigiBrowse)及运行在数据网关PC上的开放数据接口软件(DigiDDE, DigiOPC, DigiAPI)。
        速度传感器用途更加广泛，可靠性更高。
具体改造步骤：以抽汽式汽轮机带动发电机的控制系统为例进行说明。调速系统 　
汽轮机在并网前是进行速度控制，而并网后进行功率控制。并网前的控制是以速度为主控参数、干扰因素有蒸汽压力、抽出蒸汽压力、真空等。　起动后，汽轮机进入正常运行状态。产生的机械输出功率经发电机转换成电磁功率，提供给电网负载。电网负载经常是变化，电功率变化速率远比机械功率快得多。机械输出功率不能及时调节时，汽轮机的转速便随着变化，破坏电网频率的变化。因此，为了保证发电机负荷在空载至满载的整个范围内汽轮机总是在额定转速下稳定运行，汽轮机必须装设调速系统。其控制图如图2所示：



        2、并网后，汽轮机是以发电为主，这时的主控制参数是发电量即功率。如果输出功率等于给定功率时，那么机组的实际转速也就等于转速的给定值，控制器的输出不变，进汽调节汽阀处于相对应的静止状态；当电网实际功率变化时，转速也发生相应的变化，控制器的输出值发生变化，变化值经电－液转换器等都有相应的输出，驱动油动机去调节进汽调节汽阀的开度，以调节发电机的输出功率。调整给定功率值可以改变汽轮机的负荷能力。在起动升速过程中发电机空载，功率反馈通道没有反馈信息，这时调节转速给定值可以改变汽轮机的转速。控制回路图如图2所示。


        以上控制回路的控制质量能满足工艺要求偏差小于1%，为了进一步提高控制质量，对图2、3控制回路进行改造，改造后的控制回路，控制偏差将小于0.5%。汽轮机的转速在3000±15转/分之间。比现有3000±30转/分偏差小。
        3、控制手段采用速度传感器、速度变送器、DCS控制系统、执行机构。该控制系统对油的质量要求不高。只有执行结构须用油，油路断开后调节气阀自动关闭、其时间不到1秒钟。
        4、安全可靠：为提高汽轮机的安全可靠性，将速度传感器（两台）安装在汽轮机外壳的机头上，变送器两台，AI卡两块互为冗余，另外还有三个速度显示回路。功率变送器釆用三块，两块用在控制系统中、AI卡互为冗余，一块用于显示和累积。自动主汽门保留，主蒸汽压力调节回路也保留。其余一些安全措施也保留。
    在速度控制回路中，设置了103%高报警，110%高高报警，打闸停车。使自动主汽门迅速关断主蒸汽。
    三、改进后的控制系统：改进后的控制系统使汽轮机机组抗干忧性更强，运行更稳定，操作维护更方便。使用的元件更少，可靠性更高。
        1、速度控制系统如图4所示
        2、功率控制回路如图5所示
        两个控制回路切换时是无忧切换。
        从以上方框图可以看到，改造后的控制系统省去了压力变换器，错油门，调压器等液动设备。功能不省，只是将液动设备改为电动设备。同时将油动机进行略加改动即可。
        四、结束语：压力控制系统，真空控制系统及油温控制均釆用单回路控制系统。
        五、参考文献：
             1、DEH安装使用说明书
             2、ABB AC800F培训教材
             3、沈惠坊  张克舫 编   《汽轮机技术问答》 中国石化出版社2001年4月出版
        4、北京化工学院等合编  厉玉呜主编   《化工仪表及自动化》  化学工业出版社1981年7月出版