汽轮机抽汽控制的应用分析

冯慧山

(中国石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

汽轮机抽汽控制的应用分析

冯慧山

(中国石油化工股份公司天津分公司,天津 300271)

某重整抽提装置循环氢压缩机组汽轮机控制采用了汽轮机转速和抽汽压力双调节模块,并经过双阀解耦模块计算修正后分别控制汽轮机主蒸汽进汽阀和级间阀开度的控制方案,以达到平衡控制汽轮机负荷和抽汽压力的目的。针对该系统在实际应用中出现的问题,通过对抽汽压力控制进行分析,表明该控制方案在机组开车时可起到尽快建立汽轮机蒸汽系统平衡的作用。但在机组开工稳定后,抽汽压力调节会放大抽汽压力波动对机组平衡的影响,切除汽轮机抽汽压力调节能更好地保持汽轮机的稳定。既可实现该机组预定的复杂调节功能又能实现平稳可靠运行。

抽汽调节;转速调节;双阀解耦;切除

1 研究背景

某1.2 Mt/a重整抽提装置循环氢压缩机组汽轮机为带中间抽汽的背压式汽轮机,自开工以来因汽轮机抽汽与管网系统存在问题,一个月内已造成两次停车,由于未真正搞清楚停车原因,很长一段时间汽轮机抽汽系统一直未投用。由于汽轮机抽汽产生的2.2 MPa蒸汽是后续抽提单元换热系统所用2.2 MPa蒸汽的主要来源之一,不投用汽轮机抽汽系统在蒸汽平衡和能耗上都会存在一定问题,所以有必要对此问题进行深一步探讨。

2 工艺流程与控制原理

工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

汽轮机中间抽汽产生的 2.2 MPa蒸汽与3.5 MPa蒸汽经减压阀产生的2.2 MPa蒸汽汇合组成2.2 MPa蒸汽管网为后续抽提单元重沸器提供热源,2.2 MPa蒸汽线上设有两个压力测点 PT-91382,PT-70104,分别控制汽轮机抽汽压力PIC-91382和减压压力PIC-70104。

汽轮机的控制模块如图2所示,汽轮机转速调节器SIC和PIC-91382分别由两个调节器模块控制,其输出值 r1和 r2经双阀解耦模块计算修正后输出两路信号——rV1控制主蒸汽进气阀V1;rV2控制级间阀V2。

图2 机组控制原理

其中解耦控制模块的作用:当调节汽轮机转速(负荷)时,通过解耦计算使V1,V2两阀按一定比例同向动作,以使抽汽压力不受到调速干扰。当抽汽压力调节时,通过解耦计算使V1,V2两阀按一定比例反向动作,以使转速(负荷)不受到抽汽压力调节的干扰。两阀按什么比例动作是由预先设置在双阀解耦模块中的几个参数(TB,HR,FR)决定的,这些参数是根据蒸汽透平性能曲线计算而来。

3 运行情况

开车不久该机组即发生了故障停车。自控系统记录下来的实时趋势如图3所示。

图3 机组停车历史趋势(2010-01-15T18:46:43开始)

在2010-01-15 T 19:45,由于2.2 MPa蒸汽管网压力波动,压力值从2.2 MPa左右降至2.0 MPa以下,在抽汽压力调节作用下汽轮机级间阀门V2由70%快速关至55%左右,在解耦模块的作用下主蒸汽进气阀V1也随之打开一些,同时由于PIC-70104处于自动状态,必然也会随2.2 MPa蒸汽管网压力下降而增大开度(因PIC-70104控制在DCS中未组态输出趋势记录,所以这一变化未记录下来),在三个阀门的共同作用下,进入2.2 MPa蒸汽管网的蒸汽流量迅速增大,使管网压力快速反弹达到了2.6 MPa,造成抽汽侧安全阀起跳。致使大量蒸汽放空,透平焓降过低,做功减少,造成了汽轮机转速降低,由正常转速(5 150 r/min)降低至约2 000 r/min,停机。

4 数据分析

a)抽汽压力测量值首先要经过PIC-91382进行压力调节计算,这是一个普通的PID反馈调节模块,当抽汽压力出现偏差时,很难指望它能直接把抽汽压力调回设定值,一般都要经过2～3次振荡才能将抽汽压力调回到设定值。

由于 2.2 MPa蒸汽管线上有两个调节器(PIC-91382,PIC-70104)在同向作用,更加重了振荡的程度。所以每当2.2 MPa蒸汽管线上压力波动时,rV2都要经过几次较强振荡后才能最终收敛至设定值。

b)双阀解耦模块是大量应用在采用抽汽/背压式汽轮机上的一个比较成熟的设计,从趋势记录上看在2010-01-15 T 19:45之前2.2 MPa蒸汽管网也有几次波动,双阀调节系统在抽汽压力调节过程中,虽然 rV2发生一定的波动但因双阀解耦模块的作用,rV1反方向同时作用,并未造成汽轮机转速 的明 显波 动。即 使 在 2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管网压力发生较大波动,至安全阀起跳前汽轮机转速也没有发生太大变化(仅下降100 r/min左右),基本上达到了双阀解耦的目的。

c)综上分析可以认为造成故障的直接原因是2.2 MPa蒸汽管网压力在短时间内发生了较大下降,但根本原因是抽汽压力调节作用过强,短时间内V2阀关闭和V1阀开启幅度太大,使大量蒸汽瞬时进入2.2 MPa蒸汽管网,引起了压力的剧烈上升。

d)这种带抽汽的汽轮机在国内炼油装置第一次使用,与电厂和化工装置使用的不同之处在于电厂和化工装置都是将汽轮机抽汽并入相应等级的全厂性蒸汽管网,而此次设计则是重整抽提装置重沸器自用,用汽系统容量相对很小,抽汽管线压力波动较频繁并且波动幅度相对强烈。所以如果PIC-91382处于自动状态,经常性出现的抽汽压力波动带动rV2频繁出现振荡,无法避免,严重时会出现超压现象。而现实中蒸汽管网的压力波动几乎是不可避免的。

5 实施对策

在管网压力 PIC-70104与抽汽压力 PIC-91382的耦合、汽轮机转速 SIC和抽汽压力 PIC-91382的耦合等诸多矛盾中,主要矛盾集中在抽汽压力控制器PIC-91382。

当抽汽压力值变化Δp时,对应 r2就会变化Δr2V1,rV2同时也会变化ΔrV2。PIC-91382自动状态时:Δr2=Δp K1(积分作用忽略)

式中 K1——PIC-91382调节模块放大倍数; K2——解耦系数。

PIC-91382手动状态时:

可见如果在系统开工稳定后某一时刻(如图3所示趋势图中的 2010-01-15 T 19:33)把 PIC-91382切为手动,rV2就成了一个定值(图3中的72%左右,可人工修改),而不再是随抽汽压力变化的值(ΔrV2=0),从而切断了2.2 MPa蒸汽管网压力波动对汽轮机运行的直接影响,则2010-01-15 T 19:45 2.2 MPa蒸汽管网的压力波动(2 min内下降了5%左右)时,阀门V2就不会迅速关闭,主蒸汽阀V1也不会随之快速打开,超压造成停车的后果就会避免。

尽管PIC-91382切为手动后失去了对抽汽压力变化的调节反应,2.2 MPa蒸汽管网的压力也会在管网压力PIC-70104的单独调节下,通过改变蒸汽减压线的流量使管网压力回归正常。PV-70104正常调节范围为开度28%～81.6%,对应流量为11.08～27.01 t/h,16 t/h左右的变化范围弥补后面换热器正常的用汽量变化,调节2.2 MPa蒸汽管网压力是完全胜任的。

6 结束语

通过对现场抽汽压力控制的初步分析和探讨,表明在机组开车时,机组负荷调节、抽汽压力调节和相应的开车程序共同作用可尽快建立起汽轮机蒸汽系统平衡,是必要的。但在机组开工稳定后,对调节模块 PIC-91382增加手/自动切换功能,切除汽轮机抽汽压力调节可最大限度地减小汽轮机抽汽管网对机组的影响,保持汽轮机的稳定,同时汽轮机控制器保留调速、双阀解耦等模块不变,双阀解耦功能仍然具备,这样机组负荷调节时,不会对抽汽压力产生大的影响。

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TP202

B

1007-7324(2010)06-0074-03

2010-09-21(修改稿)。

冯慧山(1963—),男,天津人,1985年毕业于抚顺石油学院生产过程自动化专业,主要从事过程自动化管理工作,任高级工程师。