C6-35/8型抽凝式汽轮机调节系统的数字电液控制改造

陈文强,吴剑恒

(福建省石狮热电有限责任公司,福建石狮362700)

1 改造前设备情况及存在问题

石狮热电公司1号与2号汽轮机为杭州汽轮机股份有限公司制造的C6-35/8型单缸直联调整抽汽冷凝式汽轮机,额定转速3000 r/m in,额定进汽压力3.43 MPa,进汽温度435℃,一级(工业)调整抽汽额定压力0.78 MPa,额定抽汽流量49 t/h。2台C6-35/8型抽凝式汽轮机组调速系统采用西门子SRⅣ全液压式调节保安系统,调节用油与机组润滑油系统共用一个供油系统,由主油泵提供(启停过程由交流辅助油泵提供)。机组的启动和升速采用开环控制,靠人工监视和通过调节调速器启动装置调整高压调节汽阀开度,达到控制转速的目的。机组在带一定电负荷后,再投入热负荷,抽汽压力智能调压器根据抽汽压力信号产生脉冲油压控制信号,并利用调速器和调节器分别控制高、低压调节汽阀的开度,实现热、电负荷自治调节;抽汽压力变化范围为0.584～0.976MPa,抽汽量根据需要在其变化范围(0～49 t/h)内连续可调。

运行结果表明,机组原设计采用的西门子SRⅣ全液压式调节保安系统,在转速控制和负荷调节中存在许多不足,特别是热电负荷调节产生耦合自整性不够,系统仅采用比例调节,调节的灵敏度低、迟缓率大、负荷响应慢、适应性差,而且精确性低、超调量大、负荷摆动大,高压和低压油动机不同步,因此无法最大限度控制乏汽,纯凝发电减少、控制品质不高,同时同步器调节范围有限(一般96%～106%),有时不能满足额定初终参数下运行需要,表现为加不满负荷或减不完负荷,易卡涩,故障率高。由于系统的调节参数在制造厂内整定后,现场很难改变,因此设备的调试困难,检修和维护工作量大。另外,该控制系统不具备与其他系统的通信能力,无法实现机组协调控制,不能满足提高机组整体自动化水平的要求。

2 DEH改造方案

针对以上问题,决定对原有汽轮机液压调节系统进行技术改造,实现电调控制功能。改造希望尽可能少更换现有设备,以最少的投资实现机组的DEH控制功能。改造方案采用低压透平油数字电调,通过改变油动机和调节汽门的连接方式实现对机组的闭环控制,保留危急遮断机构,增加AST遮断及OPC保护等,要求热、电负荷调节既各自独立又互为耦合。

DEH系统主要由电子设备,液压设备两大部分及相应接口部件电液转换器等组成。电子部分设备主要包括:控制柜(控制器、I/O模件、电源)、操作员站、工程师站等。为提高系统的可靠性,系统中主要部件采用冗余设计,从而使系统具有高的可靠性和可用性。改造方案中另外一项提高可靠性的措施是隔离和屏蔽,对各模拟量输入均采用隔离放大器,开关量输入输出采用光电隔离,模拟量信号采用对绞对屏电缆,并且具有良好的单点接地。DEH系统和DCS系统通过网络连接,软硬件一体化,相互之间无缝连接,数据共享,操作站功能也可以共享。液压系统部分高压油动机的控制改造为由DDV阀等组成的电液控制装置来完成,每个油动机对应一套DDV阀,一套OPC阀及其它部件。如图1所示。

图1 DEH控制系统网络结构

其中液压伺服系统是DEH的执行机构,它接受DEH的控制指令,实现高压调节阀的连续控制和高压主汽阀的开关控制。DEH控制信号通过电液转换器与油动机构成的电液油动机接口、电液转换器与油动机滑阀及油动机活塞紧密结合在一起,油动机脉动油直接由电液转换器控制,构成了电液伺服油动机。DEH伺服单元与电液伺服油动机、油动机行程传感器LVDT组成位置随动系统,将原液压调节系统中的转速测量、同步器给定、调速器滑阀、中间滑阀、油动机反馈滑阀等全部排除在系统之外。改造后的液压伺服系统主要由高压调节阀油动机和操纵座、低压调节阀油动机和操纵座以及低压透平油保安系统组成。液压控制系统是在原调节保安系统的基础上进行改造并新增加部分部件,组成一个新的液压控制系统,从而实现纯电调控制。改造后的液压控制系统由一个调速系统、调压系统和保护系统组成,用以控制高压调节阀油动机、低压调节阀油动机和自动主汽门。

改造方案保留了原液压系统低压供油油源、原系统中的高低压油动机及其传动机构,保留危急遮断器、危急遮断器油门、危急遮断器试验阀、手动遮断阀及磁力断路油门等,取消了液压系统的调速放大滑阀、同步器、旋转阻尼、启动滑阀等,并配置1套DDV双联调节装置,将电控信号线性地转换为控制油压来控制油动机,配以位移传感器,从而构成1个伺服控制回路。该DDV调节装置由2套DDV伺服阀、双联OPC电磁阀、卸载阀、滤油器、节流阀、压力表、油路块及其座架组成,并配置4支位移传感器及支架。油动机采用双位移传感器,进行高选以检测油动机行程,并作为反馈信号输入到DEH;配置双联电磁阀及控制油门。系统增加一套双联电磁阀,目的是提高系统安全可靠性。停机信号送到双联电磁阀并使其动作后,安全油泄掉,快速关闭主汽门油动机,同时引起控制油门动作,从而快速关闭调门油动机。改造中还配置了挂闸电磁阀,用来远方挂闸,当挂闸指令发出后,危急遮断器油门和控制油门复位,安全油建立,使主汽门打开具备条件。系统配置了 3只压力开关检测安全油,并将信号送DEH,供挂闸及联锁保护用。系统增设了DEH控制系统,由SUPCON WebField ECS-100通过配置DEH专用测速模块、伺服模块、DEH操作站和硬接线手操器,构成DEH控制系统。专用DEH手操盘用预制电缆与伺服模块连接,作为DEH的后备手操,可以实现一些重要的应急操作。改造时拆除了汽轮机全液压式调节保安系统的调速器、抽汽调节执行器、甩负荷电磁阀等主要部件和部分油管道,保留原保安系统,新安装DDV双联调节器、启动挂闸联合阀组、两支LVDT位移传感器等DEH液压系统部件,增加OPC电磁阀,同时在集控室内安装DEH控制系统部分和操作员站、工程师站等。

3 DEH主要功能

DEH的主要功能可以分为仿真控制、运行控制、运行保护等3大部分。

3.1 仿真控制

模拟仿真运行控制可以离线实现汽轮机的现场挂闸开自动主汽门(实际动作)、升速(模拟仿真)、开启调节汽门(实际动作)、超速限制实验(模拟仿真)、同期并网(模拟仿真)、定值限制保护(模拟仿真)、运行控制方式切换以及各种信号故障的试验。可以方便地做好开机前的控制策略测试以及一些项目的检查验收工作。

3.2 运行控制

运行控制包括电功率控制、转速控制、机组抽汽控制回路、汽机复位和摩检以及自同期并网控制等。

(1)功率控制回路 功率控制回路是用来对机组进行各种变工况调节,DEH根据运行人员给定的负荷变化率与负荷目标值控制机组负荷的增加或减少。该回路可与阀位控制回路及后备手操进行无扰切换。负荷目标值或阀位给定值均可在电气控制室进行“加/减”操作。控制权的切换在汽机控制室进行,在电气控制室增设“控制允许/控制禁止”指示灯和“负荷目标值/阀位”指示表。机组并网前,上述“加/减”操作用来实现手动期的“加/减”操作,在手动方式下,由操作人员操作阀门“增、减”键直接控制负荷升降。DEH系统出现故障时,系统自动切换到后备硬手操盘操作阀门“增”、“减”键,通过伺服卡来控制调节汽阀开度,维持机组运行。

(2)转速控制回路 转速控制回路是DEH的基本控制功能,主要实现目标转速的控制,转速信号通过现场信号3选2获得,当汽轮机挂闸后,可通过程序控制启动方式、操作员设定目标转速以及升速率,由高、低压调节汽门联合控制汽轮机完成冲转、低速暖机、过临界转速、中速暖机、3000 r/min定速、自动同期并网。在升速过程中,机组能自动快速通过预置的临界转速。

机组抽汽控制回路本机组采用“以热定电”供热控制方式来满足用户对热负荷的要求。机组带上50%负荷后,可投入供热,先打开抽汽电动门和抽汽速关逆止门,然后通过操作员站在手动方式下控制低压调门缓慢关小,待抽汽电动门后压力高于热网压力后,DEH开始控制机组运行于供热工况。供热投入后,热负荷的调节通过给定压力与实际压力比较计算后,输出低压调门控制信号,减少或增加进入低压缸流量,从而改变热负荷。当实际抽汽压力减少时,DEH控制关小低压调门,当低压调门关至最小仍不能达到抽汽压力时,通过开大高压调节阀来增加进汽,最终达到供热要求;当实际抽汽压力增大时,DEH控制开大低压调门,当低压调门开至最大仍不能满足要求时,通过关小高压调节阀来减少进汽,最终达到供热要求。

(3)汽机复位与摩检功能 汽机复位功能要通过启动挂闸电磁阀动作,实现远方自动挂闸和开主汽门,在危急遮断器复位油路上装一只电磁阀用来完成复位功能。为满足机组启动,尤其是大修后首次启动,通常需要对摩擦进行检查,DEH系统内设置有摩检功能,当操作员选择“摩检”功能后,DEH将机组按 100 r/min的速率进行升速,速度升至300 r/m in后稳定3～5m in,然后关闭调速汽门,停止进汽,使机组惰走,由运行人员进行听音,完成摩擦检查,磨擦检查状态可随时由操作人员中断,直接进入升速冲转阶段。

(4)机组自同期并网控制功能 DEH提供同期与并网、初负荷和一次调频限制功能,当机组完成启动升速后,达到同步转速2950～3050 r/min即可进行同期操作。首先由电气向汽机发“同期请求”,汽机司机同意后,即进入同期方式,此时DEH会接受电气发来的指令,调整汽轮机转速和网频一致。机组并网后,DEH立即自动使机组带上一定初负荷,以防止逆功率运行。初负荷值用户根据需要可进行调整,同时,计算机可根据当时的主汽压力进行修正。由于电网运行的需要,机组需具备一次调频功能。但有时又希望既要满足一定的功频特性,又不希望机组参与调频运行;为此,在DEH中设有调频限制逻辑。当系统运行于功率闭环时,运行人员根据需要,进行“频限”投/切操作,决定机组是否参加一次调频运行;机组参与一次调频作用的不等率可调。

3.3 DEH保护功能

(1)超速保护 根据公司现场实际要求,DEH系统设置了转速超102%(3060 r/min),超109% (3270 r/min),超112%(3360 r/min)以及机械危急遮断器超速等保护功能。当转速超3060 r/min时, DEH首先动作按OPC电磁阀并快速按一定比例关调门,抑制转速飞升,当速度小于3000 r/min后,恢复转速控制,维持机组3000 r/min;如转速继续飞升达到110%时,DEH将输出指令,使AST电磁阀动作同时连跳OPC电磁阀以保证机组安全。DEH还具有控制机组完成超速试验功能,当机组定速后,需要做超速试验时可通过操作命令“超速试验”来启动该功能。然后可以依次进行102%(3060 r/min), 109%(3270 r/min)和机械危急遮断器试验,输入目标转速后汽轮机开始升速,以完成超速试验。当机组作危急遮断器超速试验时,DEH将测速卡的定值提高设定到112%即3360 r/min,屏蔽110%等保护功能,以保证机械超速能进行,同时112%超速作为后备保护手段,如危急遮断器超速保护未动而转速达到3360 r/min时,DEH输出停机指令,AST电磁阀动作使机组跳闸以保证安全。DEH系统在任何时候都会记下本次运行的最高转速。

(2)电信号打闸保护 TSI部分的保护通过ETS输出、DEH的打闸信号(含超速109%保护和手操器停机信号)、DCS手打停机信号,这三个信号共同构成ETS系统,信号并联后经继电器扩展输出给AST电磁阀。在DEH系统中AST电磁阀动作的同时,OPC快关电磁阀也会动作,同时阀位输出信号也减少到零。

(3)DEH自诊断保护功能 DEH工作站通过与DCS系统的整合,可以利用与DCS其他控制站的数据通讯功能快速检测出模板级、通道级信号的状态,然后利用相应逻辑判断对运行人员的操作命令进行检查以防止误操作,尤其是启动、升速时,须核对机组真空、主汽压力、上下缸壁温差等信号。当诊断出某一信号存在故障时,系统自动将其输出锁定在当前值或退出到某一安全状态。这些过程运行人员可通过操作员站的CRT画面进行全程参数监视。

4 DEH改造效果

平均无故障时间MTBF为150000 h;平均故障维修时间MTTR小于3min;转速的控制范围为40～3600 r/min;转速测量精度优于0.5 r/min;转速控制精度为±1 r/min;负荷控制范围为0～120%;负荷控制精度为0.5%;主汽压力控制精度为±0.1 MPa;一次调频不等率为3%～6%,在线连续可调;抽汽压力不等率为0～20%,在线连续可调;一次调频死区为0～30 r/min,在线连续可调;高压油动机快关时间不大于0.25 s(设有缓冲区以减小阀门冲击);低压油动机快关时间不大于0.5 s;甩全负荷最大飞升转速不大于7%;控制系统迟缓率不大于0.06%。

DEH控制系统采用计算机控制,精度高、可靠性好,汽轮机运行人员只需通过操作员站进行键盘操作,就可达到对机组的控制。2台C6-35/8型抽凝式汽轮机DEH改造后,经过多次启、停机及长周期运行考验,运行情况良好,在机组启动升速、跨越临界转速、超速试验、并网升降负荷、变工况运行、抗扰动能力以及自动主汽门和调速汽门活动等试验方面,都明显体现出DEH系统的优越性,能够更加合理地分配供热、发电能量,使机组到热电联产工况调整到最佳,实现机组的经济运行;并具有在线检修维护、调试方便快捷等优点,达到了良好的预期效果,提升汽轮机运行的安全可靠性。同时,DEH和DCS系统运行在同一个网络上,数据完全共享,实现DCS-DEH一体化设计,维护方便、可靠性高。

根据机组的实际情况,每台抽凝机组可减少排入凝汽器的乏汽3 t/h,即增加了3 t/h的供汽能力;按机组年运行7800 h计算,每年增加供汽量46800 t,增加供汽收入390万元(但减少发电量5756.4MWh),同时可节省电耗150MWh,年减少了循环冷却水损失30000 t;并且由此提高真空1.5 kPa,可降低主蒸汽消耗,折算节约标准煤232.5 t;提高了机组的可靠性,降低了维护检修费用约4万元,并减轻了运行人员的劳动强度。

5 结束语

运行实践表明,DEH系统在福建省石狮热电有限责任公司2台C6-35/8型抽汽凝汽式汽轮机上的改造是成功的,证明DEH系统可以在小容量供热机组上应用。随着科学的进步,技术的完善以及使用单位人员对DEH认识的提高,汽轮机DEH电液调节系统的优越性将体现得更加充分。