6 MW汽轮发电机控制系统优化改造与应用

郭 建

（河钢集团宣钢公司，河北 张家口 075100）

0 前言

宣钢公司设备能源部2#3#发电机组均采用同步器控制系统，人为根据锅炉蒸汽压力和流量的变化，对汽轮机进汽量进行手动调节。随着现代化企业高精度、高效益的发展，对职工操作精度要求更高，操作时间要求更加精确，由于人工操作延迟与精度把握的差距，导致发电运行参数控制不准确，发电汽耗偏高，运行不经济，无法适应企业高效化的生产需求。为了使机组更经济、安全运行，针对机组的现状，特采用DCS 控制系统代替传统的手动同步器控制系统，提高自动化运行水平，当外界蒸汽工况发生变化时，使汽轮机的调节系统实现自动调节，达到参数调节精确度提高、运行稳定性增强的目的。

1 优化设计改造技术内容

1.1 改造背景

宣钢设备能源部2#3#发电机组的运行是利用宣钢高炉冶炼工艺过程中产生的高炉煤气，经锅炉燃烧后加热产生高温高压蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，带动发电机发电，从而减少能源浪费，提高厂自发电量的目的。高温高压蒸汽在汽轮机高压缸内做功后，一部分供给热用户，另一部分通过调速汽门进入低压缸继续做功，排出的乏汽经凝汽器进入给水回热系统，最终进入锅炉，重新加热后循环使用。

2#3#汽轮发电机组型号QF-6-2，主蒸汽压力（3.4±0.1） MPa，主蒸汽温度（440±10）℃，发电机容量6 MW，于1993 年投产运行。当设备运行工况发生变化时，要求实现机组协调控制，以配合锅炉蒸汽参数的调整，受生产负荷波动的影响，需要对进汽量及温度进行频繁调整。但同步器控制系统单纯依靠人工操作，当需要调整进汽量时，岗位职工需要通过手动控制同步器电机上下升降来控制错油门，调整油动机的开度，进一步调节调速汽阀的开度，控制进汽量的大小。该种调节方式，不仅调节精度不高，过调量偏差大，而且调节时间有延迟，使机组不能及时、准确地与锅炉进行同步调节，容易造成蒸汽压力的不平衡。另外，由于机组投产年代较早，已经在线服役接近30 年，机组控制系统的部分控制元件已经属于淘汰产品，目前厂家已经不再生产，存在无法更换备件的隐患，一旦出现故障，将对生产的正常运行造成一定的影响，基于以上原因，须对2#3#发电机机组进行控制系统升级改造，以提高机组的安全运行和自动控制能力。

1.2 改造内容

基于2#3#发电机现有的手动同步器控制系统运行情况、现场仪表和自动装置等设备设施的现状，在现有仪表和自动装置不存在影响的情况下，对机组安装一套DCS 控制系统，该系统由DEH 数字式电液控制系统、EH 伺服调节控制系统及其相关配套装置组成。采用DCS 控制系统可以有效提高汽轮机进汽阀门的控制精度，实现更加精确的汽轮机转速控制、负荷控制，使机炉协调控制更加密切[1]。

该DCS 自动控制系统的模块构成主要由操作员站、控制柜、电液转换器、油动机、差动变压器式位移传感器等主要部分组成[2]。发电机岗位运行职工通过操作员站完成对机组系统整体操作和系统状态的调整，当需要调整进汽量时，岗位职工只需通过操作员简单输出命令即可，控制系统将根据设定值直接控制自动主汽门的开度。

该DCS 系统具有与自动同期装置的接口，借助于自动同期装置，进行电机自动同步调节，使汽轮机转速与工况相适应，当要求实现机组协调控制和汽机跟随方式下的气压调节任务时，DCS 系统中设置的主汽压力控制回路，根据给定与主汽门前压力的偏差调节高调门开度维持主汽压力稳定，实现油动机控制与汽轮机负荷的平衡调节。同时可以实现1 t 左右精确的蒸汽量控制，并可实现0～100%的功率控制，大大增加了发电机的稳定性。

DEH 数字式电液控制系统采用计算机以数字的方式对一次信号进行采集和处理，根据预先设定的控制策略输出控制指令，驱动执行机构实施控制。DEH 系统它主要用来调节汽轮发电机组的转速和功率，为转速闭环无差调节系统，可以在发电机并往前、同期并网时以及并网后各阶段提供有效控制，实现发电机的自动同步并网。还具有超速保护、甩负荷保护、控制回路联锁保护等功能，为发电机组的安全运行提供可靠保证。

EH 伺服调节控制系统是由供油装置、伺服油动机、危急保安器以及配套管路附件等液压部件组成，采用46#抗磨液压油作为工作介质，系统工作压力为14 MPa，控制方式有就地和远方2 种。EH 油系统主要由两台EH 油泵组成，2 台EH 油泵投入联锁后，1 台泵工作，另1 台泵备用，工作泵跳闸或出口压力低则连锁备用油泵，它将控制输出信号转换成液压信号，响应速度相对较快，迟缓率低，使得发电机组的调节精确度大大提高[3]。

该次改造还进一步完善了汽轮发电机组的保护系统（ETS 系统），如图1 所示。改造前的保护系统有危急遮断器、危急遮断油门、轴向位移遮断器、磁力断路油门，以及油压、油温、振动报警等。该次改造在原有保护系统的基础上增加了超速保护、甩负荷保护和控制回路联锁保护。超速保护功能是当汽轮机转速超过额定转速的103%时，OPC 动作系统快关调门，当转速达到额定转速的110%时，超速保护系统发出停机指令，关闭自动主汽门及全部调门，使机组停机。甩负荷保护是当运行中的汽轮机由于电力系统故障导致发电机跳闸或电网解列时，DEH 系统立即关闭高压调节阀和中、低抽调门，并在延时一段时间后，再自动将调节阀重新开启，维持汽轮机在同步转速下空转，保证汽机能迅速重新并网。为了保证发生事故时阀门能可靠动作，DEH 系统还具备对调门进行在线试验的功能，通过操作员站在显示器上完成，在进行阀门在线试验时，汽轮机运行不受影响。

2 运行效果

改造于2019 年7 月完成，通过DCS 控制系统技术的改造应用，2#3#汽轮发电机组耗汽量明显降低，减少了汽轮发电机组的能耗，减轻了公司生产成本的压力，降低了岗位职工的劳动强度，发电机工况调节更加便捷，参数调节精确度明显提升，避免了工况调节的滞后性和不一致性。改造完成后，机组运行各项指标及功能精度均满足技术要求，特别是其可靠、完善的保护功能，能够满足机组长期安全稳定运行的需要，改造效果十分显著。

以下是改造前后2#3#发电机运行数据对比，见表1。

表1 2#3#发电机改造前后数据对比表

图1 发电机保护系统图

由表1可知，改造后发电蒸汽单耗较改造前降低4.7t/万kWh，降低比例为8.3%，节能效果明显。同时，发电机组设备整体运行工况更加平稳，与锅炉的同步调节更加顺畅、快速。保护系统的完善，使机组的稳定性和可靠性得到进一步提高，降低了事故发生率，设备使用寿命增加，有效提高了机组的安全、经济运行水平。

3 结论

DCS 控制系统技术是一种先进的汽轮机综合控制系统，随着科学技术要求的逐步提高，一些企业的老旧设备已经跟不上时代的要求，特别是在一些钢铁企业，落后的老旧设备严重地影响到企业的经济效益，制约着企业的高效发展。目前，已经有不少企业开始对中小型汽轮发电机的进行升级改造，用先进的工艺和技术代替正在使用的落后工艺和技术，DCS 自动控制系统由于其有着操作简单、技术成熟、稳定性强、保护功能强大等的优点，相信未来一定会有更好的应用前景。