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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-058-04中圖分類號：TP273

★ 李明（杭州和利時自動化有限公司，山東濟(jì)南250000）

★ 李雄偉（杭州和利時自動化有限公司，陜西西安710061）

★ 張?zhí)煊睿暇┼]電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚州225127）

摘要：近年來，大量中小型汽輪發(fā)電機(jī)組在余熱發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)也由此得到了快速的發(fā)展。為提高生產(chǎn)工藝運行穩(wěn)定性，面對設(shè)備儀器的快速更新，應(yīng)用新型技術(shù)完善優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以提高汽輪發(fā)電機(jī)組的效率。本文結(jié)合項目實踐對DEH控制系統(tǒng)在某項目現(xiàn)場的應(yīng)用進(jìn)行了簡要總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高效汽輪機(jī)；國產(chǎn)化；DEH系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，直接用汽輪機(jī)作為原動力機(jī)來驅(qū)動一些大型的機(jī)械設(shè)備。工業(yè)汽輪機(jī)既可使用燃料或利用各類工業(yè)生產(chǎn)流程在鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽，也可利用生產(chǎn)流程中的余汽。隨著化工、煉油和冶金等工業(yè)的發(fā)展，以及節(jié)約能源的需求，工業(yè)汽輪機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用。為了更好地節(jié)約能源，小型工業(yè)汽輪機(jī)正日益受到重視。

在國內(nèi)首批生物質(zhì)發(fā)電項目中，普遍存在運行經(jīng)濟(jì)性問題，即便財政補貼到位、機(jī)組運行積極，企業(yè)仍勉強處于盈虧平衡點上。因此，目前如何提高汽輪機(jī)的效率成為迫切需要解決的技術(shù)問題。如果通過高效汽輪機(jī)改造可提高15%的效率，意味著同樣燃料的情況下，可以多發(fā)15%的電，將大幅提高運行經(jīng)濟(jì)性。

汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）是電站汽輪發(fā)電機(jī)組重要的組成部分，是汽輪機(jī)起動、停止、正常運行和事故工況下的調(diào)節(jié)控制器。DEH控制系統(tǒng)與EH系統(tǒng)組成的電液控制系統(tǒng)，通過控制汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門的開度，實現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓力等的控制。近20年來，國內(nèi)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一段較快的成長期，在火電、熱電、新能源等行業(yè)中逐漸替代進(jìn)口品牌產(chǎn)品。大量中小型汽輪發(fā)電機(jī)組在余熱發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)也由此得到了快速的發(fā)展。

和利時DEH在國內(nèi)一流專家的指導(dǎo)下，從1997年成功開發(fā)應(yīng)用，至今已經(jīng)開發(fā)研制出適合于1000MW、600MW、300MW、200MW及中小機(jī)組的汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)用范圍遍布大型火電、熱電聯(lián)產(chǎn)、余熱利用、生物質(zhì)發(fā)電及工業(yè)拖動機(jī)組，能為各個用戶提供專業(yè)化、個性化解決方案。和利時T800K系列DEH控制系統(tǒng)，以和利時HOLLiASMACS-K系統(tǒng)為平臺，屬于和利時DEH第三代產(chǎn)品。

某生物質(zhì)熱電項目引進(jìn)高效反動式技術(shù)國產(chǎn)化后制造的新型汽輪機(jī)，應(yīng)用和利時T800K系列DEH控制系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電后，同樣鍋爐和相同蒸汽量，上網(wǎng)電量由6MW/h提高到7.2MW/h，每年增發(fā)電收益超過1000萬元，效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)組。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該項目使用和利時DEH控制系統(tǒng)，硬件：T800K，軟件：HOLLiASMACSV6；液壓部分使用高壓抗燃油MOOG761伺服閥，六線制位移傳感器LVDT。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用國內(nèi)較少見的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2套），高壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）及中壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）。其中DEH專用模塊為伺服模塊K-SV01和測速模塊K-FC01。伺服模塊K-SV01與現(xiàn)場電液轉(zhuǎn)換器、油動機(jī)、位移傳感器共同組成電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的控制。伺服單元具有LVDT調(diào)制解調(diào)功能，伺服單元將下發(fā)的指令與LVDT反饋信號進(jìn)行比較，完成調(diào)門的閉環(huán)控制功能。與K-FC01共同使用可以實現(xiàn)快速調(diào)頻功能。伺服模塊輸出最大信號范圍為-200mA～200mA，與DDV、MOOG、CPC、VOITH等常用伺服閥均可配套使用。一套DEH系統(tǒng)配置3塊測速模塊K-FC01，每一個模塊既是一個測量卡件，也是一個轉(zhuǎn)速保護(hù)卡件，單個卡件具有超速103%和110%報警輸出，3塊卡件通過硬接線方式組成超速3取2信號輸出，可以減少誤動和拒動的概率。同時，與伺服單元共同使用，可以實現(xiàn)DEH孤網(wǎng)運行功能。汽輪機(jī)高調(diào)和中調(diào)共6臺油動機(jī)使用6塊K-SV01伺服卡控制MOOG761伺服閥，接收±50mA控制信號，指令從K-SV01伺服卡SO通道輸出，K-SV01接入六線制雙支LVDT信號。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件方案

DEH系統(tǒng)由兩大部分組成，即液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動力單元，用以驅(qū)動閥門，使閥門的開度按著閥位指令而改變；電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)各種控制功能，如轉(zhuǎn)速控制、功率控制、主汽壓力控制、手/自動切換等，并最終形成各個閥門的閥位指令。

該項目使用和利時MACSV6軟件實現(xiàn)機(jī)組DEH控制方案，并結(jié)合機(jī)組特性進(jìn)行了針對性優(yōu)化調(diào)整，使之能夠滿足控制要求和技術(shù)要求。主要功能包含：控制回路、限制保護(hù)回路和試驗回路。

機(jī)組設(shè)置升速和升負(fù)荷曲線，掛閘且滿足啟動條件后，3臺高調(diào)油動機(jī)以順序閥方式開啟，經(jīng)過精確的流量計算，以1850rpm/min的升速率，從盤車轉(zhuǎn)速（160rpm）升速至額定轉(zhuǎn)速（7535rpm），中間不經(jīng)暖機(jī)，沖轉(zhuǎn)時間不足5分鐘。定速并各項試驗完成，機(jī)組并網(wǎng)后自動初負(fù)荷，經(jīng)熱狀態(tài)判斷置位自動負(fù)荷曲線生效并計時，機(jī)組自動/手動方式升負(fù)荷至額定功率。

（1）機(jī)組升速過程中，DEH為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差，經(jīng)PID（中文）調(diào)節(jié)器運算后，通過伺服系統(tǒng)控制油動機(jī)開度，使實際轉(zhuǎn)速跟隨給定轉(zhuǎn)速變化。操作員通過操作員站上的軟操盤設(shè)置升速率、目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，給定轉(zhuǎn)速自動以設(shè)定的升速率向目標(biāo)轉(zhuǎn)速逼近，實際轉(zhuǎn)速隨之變化。國內(nèi)常規(guī)機(jī)組包含轉(zhuǎn)速臨界區(qū)，當(dāng)進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時，需要自動以臨界升速率快速過臨界。在升速過程中，通常需對汽輪機(jī)進(jìn)行暖機(jī)，以減小熱應(yīng)力。本次項目機(jī)組以固定1850rpm/min升速率進(jìn)行升速，顯著減少了機(jī)組啟動所需時間。

（2）機(jī)組同期并網(wǎng)時，總閥位給定立即階躍增加4~6%，使發(fā)電機(jī)帶上初負(fù)荷，并由轉(zhuǎn)速PI控制方式轉(zhuǎn)為閥位控制方式。并網(wǎng)后DEH的控制方式可在閥位控制、功率控制、主汽壓力控制方式之間方便地?zé)o擾切換。并且可與協(xié)調(diào)控制主控器配合，完成機(jī)爐協(xié)調(diào)控制功能。在閥控方式下，操作員通過設(shè)置目標(biāo)閥位或按閥位增減按鈕控制油動機(jī)的開度。在閥位不變時，發(fā)電機(jī)功率將隨蒸汽參數(shù)變化而變化。本次項目機(jī)組并網(wǎng)后可直接進(jìn)入功率控制方式，經(jīng)熱狀態(tài)判斷后以對應(yīng)的負(fù)荷曲線在功控方式自動升負(fù)荷至額定功率。配合設(shè)置的計時器對升負(fù)荷過程進(jìn)行監(jiān)控，確保機(jī)組在負(fù)荷曲線范圍內(nèi)安全運行。

（3）為了確保機(jī)組的安全，還設(shè)置了多種超速限制、負(fù)荷限制、主汽壓力限制及打閘保護(hù)功能。部分試驗還需進(jìn)行在線試驗，如主汽門活動性試驗，調(diào)門活動性試驗，以驗證機(jī)組運行可靠與正確。機(jī)組通過多個點位的溫度傳感器判斷熱狀態(tài)，采集機(jī)組重要運行狀態(tài)信號，計算運行曲線和參數(shù)，以順序閥的閥門管理方式，按照安全、經(jīng)濟(jì)的原則自動完成汽輪機(jī)的啟動升負(fù)荷及變工況控制。

圖3 機(jī)組并網(wǎng)后的電調(diào)主控狀態(tài)

圖4 機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷限制功能

3 系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用總結(jié)

（1）流量折線實現(xiàn)的三調(diào)門順序閥控制。汽輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用國內(nèi)較少見的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2套），高壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）及中壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）。高調(diào)和中調(diào)共6臺油動機(jī)使用6塊K-SV01伺服卡進(jìn)行控制，控制要求為固定順序閥方式實現(xiàn)閥門管理。

機(jī)組升速與升負(fù)荷初期，均曾出現(xiàn)持續(xù)、明顯波動的現(xiàn)象。升速時閥門微小波動（≤1mm）情況下，轉(zhuǎn)速波動曾達(dá)到±30rpm。經(jīng)詳細(xì)排查與分析，3臺高壓調(diào)門的流量參數(shù)較特殊，閥門開啟初始階段流量變化大，閥門靈敏度高，對閥門控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能提出了高于常規(guī)機(jī)組的要求。經(jīng)流量換算后采用DEH_CRTRRB設(shè)置順序閥折線，將高壓缸流量指令分配給CV1~CV3閥位給定，優(yōu)化CV1~CV3伺服控制參數(shù)，檢查維護(hù)位移傳感器LVDT等各項工作，使用千分表固定于調(diào)門螺桿，以0.005mm的梯度反復(fù)進(jìn)行拉閥試驗，調(diào)試完成后定速7535轉(zhuǎn)時波動≤±1rpm，最終實現(xiàn)了良好的控制效果。

（2）汽輪機(jī)升速和升負(fù)荷曲線自動控制。該系統(tǒng)升速和升負(fù)荷階段，均要求按照曲線實現(xiàn)汽輪機(jī)自啟動控制。調(diào)試初期并網(wǎng)后功率控制亦曾出現(xiàn)明顯波動，不能穩(wěn)定升負(fù)荷，功率閉環(huán)復(fù)位跳至閥位開環(huán)方式。該現(xiàn)象考慮為功率PID經(jīng)驗參數(shù)不適用所致。結(jié)合流量/開度曲線，引入功控PID參數(shù)估算方法。經(jīng)計算后修改PID參數(shù)，微調(diào)后即取得了良好的功率控制效果。

圖5 系統(tǒng)功率PID參數(shù)

圖6 常順序閥運行方式下的工藝狀態(tài)

4 總結(jié)

該項目引進(jìn)高效反動式汽輪機(jī)技術(shù)進(jìn)行國產(chǎn)化，機(jī)組啟動快速，自動化程度高，節(jié)省了操作員工作時間和強度。經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)測算，汽輪機(jī)效率可高出國內(nèi)同行業(yè)汽輪機(jī)15%～20%，為工業(yè)過程自動化生產(chǎn)所需汽輪機(jī)提供了更優(yōu)質(zhì)的選擇。同時國內(nèi)小型存量機(jī)組也存在巨大的改造空間。2020年9月中國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。隨著國內(nèi)持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，努力兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型同步進(jìn)行，效率低的老舊汽輪機(jī)組將逐步淘汰，生物質(zhì)、垃圾發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電等新領(lǐng)域所需汽輪機(jī)有了更優(yōu)質(zhì)的選擇，對配套的DEH控制系統(tǒng)也提出了新的要求和方向。

作者簡介：

李  明（1984-），男，山東濟(jì)南人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為汽輪機(jī)控制技術(shù)。

李雄偉（1983-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為DEH系統(tǒng)設(shè)計。

張?zhí)煊睿?999-），男，山東德州人，學(xué)士，現(xiàn)就讀于南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，研究方向為工廠過程自動化控制、DCS系統(tǒng)控制、DEH電液控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)控制等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸會明．控制裝置與儀表[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 和利時. DEH工程調(diào)試及維護(hù)[Z]. 2021.

[3] 和利時. HOLLiAS_MACS_K系列硬件使用手冊[Z]. 2019.

摘自《自動化博覽》2022年12月刊