探究火力发电机组汽轮机旁路系统控制技术

凯士比阀业（常州）有限公司 尹 进

电厂运行的汽轮发电机组旁路系统，主要由阀门本体（低旁蒸汽转换阀，高胖喷水减温阀等）、执行机构（电动执行器，气动执行器，液动执行器等）及控制系统（一次仪表，旁路动力柜，旁路控制柜等）组成，多具有提高锅炉蒸汽容量、快速启动、保护锅炉、防范超压现象等实际功能，而且根据系统既有运行效果，发现旁路系统还能有效控制凝汽器高温、高水位、低真空风险，有益于保护汽轮发电机组安全。

1 火力发电机组汽轮机旁路系统控制目的

为优化某单位合作电厂汽轮发电机组旁路系统运行效果，早期应用可编程控制器发挥控制作业，随着时代进步，此种控制技术已然无法满足实际工作需求。故提出以分散式控制技术代替传统控制技术，以妥善解决异常工况下产生的不良问题。

1.1 应对间歇动作风险

以某电厂所使用的600MW超临界火电机组汽轮机旁路系统为例，配有DG型直流本生锅炉（锅炉压力为25.49MPa，每小时1827t燃煤燃烧量）和配套给水泵（调速汽动型，容量50%），该系统实际运行过程曾在某一时间里出现了间歇动作，导致执行机构部分遭受压力异常变化状况，为避免压力骤变诱发旁路系统停机后果，提出以直径为½以上NPT管道拓展空气流量，保证压缩空气得以充分流通。同时，还期待利用分散式控制系统消除间歇动作频繁发生风险，增强间歇动作的应对能力，自此产生“停电不停机”的持久性运行效果。

1.2 正确调节阀位显示

电厂发电机组汽轮机旁路系统预计在分散式控制技术助力下，提高阀位显示正确度。早期电厂在高低旁路阀位显示过程中曾出现显示错误情况，造成电厂领导需要专门安排专业人员随时完成阀门精准定位任务，无形中加剧投入成本，并且在初步启动时，因阀门尚未实现“完全开启”，致使阀位显示区间不大。而通过运用分散式控制系统，期待适当降低阀位显示误差，并在技术保障下精简工作岗位，最大化提高资源利用率。因而阀位显示精准度也是分散式控制技术实践应用的重要目的。

1.3 改善阀门振荡行为

在电厂应用分散式控制系统，还期待进一步改善阀门振荡行为。在传统控制技术（可编程控制器）应用阶段，曾出现过阀门剧烈振荡现象，从监控影像慢速观看中，汽轮机旁路系统执行机构部分执行器每秒时间里有7个抖动频率，振荡范围最小为10%，定位后确定为阀门闭合35%以内，致使振荡行为下引发“跳机”后果。另外，观察机组振荡范围时，X方向出现了130μm的变化幅度，整体温度出现5℃左右的降温表现，促使电厂锅炉难以实现完全燃烧，为解决该问题专门针对振荡原因展开研究，考虑集中于阀压差异常监测部分。

经过应用新控制技术，应当保证整体阀门振荡行为发生率得到有效降低。源于此技术可以对汽轮机阀门开度等相关参数实施精准控制，使电厂发电机组汽轮机旁路系统保有稳定持久的运行状态。

2 火力发电机组汽轮机旁路系统控制技术要点

2.1 优配系统旁路容量

针对某单位合作电厂火力发电机组汽轮机旁路系统应用分散式控制技术，最为主要的是应先行考虑好旁路容量需求，随即根据实际条件改造旁路容量，通过均衡配置创造有利的技术应用条件。根据有关研究，电厂汽轮机及锅炉运行期间，旁路容量可根据公式分析：即：，其中：De和Dc表示额定参数下及启动条件下旁路阀全开状态对应的质量流量（kg/h）；P、Pc代表对应的压力（MPa）；Ve、Vc为对应的比容（m³/kg）。

经过分析代入相关数据，即0.6MPa的蒸汽压力；1560t/h的蒸汽流量，可以确定旁路系统高低压旁路容量比例宜控制在100%：70%，相比传统控制技术下对应的42%：55%，显然更具可靠性。关于旁路容量参数的调整，要求改造后汽轮机运行期间，能尽快启动发电机组，并且还要舒缓高负荷响应负担，以提高旁路容量的方式应对异常工况。特别是高压旁路，经过分散式控制技术可以缩短锅炉燃煤燃烧期间的等待时间。而低压旁路容量在有效控制中，还能实现再热蒸汽的合理调控，以免投入过多成本用于投放减温水。基于分散式控制技术改造电厂汽轮发电机组旁路系统，是目前改革重点，不仅可以满足上述提出的技术应用目的，还能缩减投入成本，助力取得更高收益。因此，优配高低压旁路容量属于电厂引进分散式控制技术的首要前提[1]。

2.2 自适应旁路阀压差

旁路系统可能因阀压差波动明显出现振荡行为，因而分散式控制技术的应用，还要体现出旁路阀压差的自适应控制作用。经过对电厂近3年旁路系统故障事件的综合分析，发现曾出现过2次“跳机”情况，即汽轮机跳闸，且阀前压力在3.4MPa到3.5MPa以内，受反馈偏差情况的影响，电厂旁路系统难以表现出稳定的运行状态，并且还发生过阀杆断裂情况，虽然仅有1次，但也对电厂常规发电计划带来了不利影响，其阀前压力测量后为3.7MPa。利用分散式控制技术自适应控制旁路系统阀压差现象时，须将旁路系统阀前压力控制在3.3MPa左右，以期消除阀压差波动风险。

为进一步知晓分散式控制技术的应用可行性，专门采用建模方式构建“节流绝热下旁路系统模型”，基于节流绝热条件可按照下列方程式建模：其中：P1、P2代表参照面1和2对应压强（Pa）；v1、v2为对应流速（m/s）；γ和g分别代表绝热系数和重力常数；A代表截面积（m2）；Q代表摩擦损失量（J）ρ1和ρ2代表不同程参照面下对应的蒸汽密度（kg/m³）。以节流件对应的阀压差参数变化规律还可推算出质量流量（qm，kg/s）计算步骤。

其中：d、γ、λ、ΔP、β各自代表节流通径（m）、绝热系数、节流前后压力比、压差（Pa）、直径比。按照该公式可了解到：随着质量流量的增加，压差随之提高，表明控制压差时应同步控制好质量流量。通常在比较异常工况及正常工况下汽轮发电机组变化情况时，异常工况下容易出现负荷提高、压力增加、温度升高表现，且正常工况下阀前蒸汽压力基本不变，蒸汽温度稍微提高，而出现压差波动现象后，阀前蒸汽温度缓慢上升，阀前蒸汽压力则以先增后降趋势变化，造成旁路系统难以保持稳定状态，电厂锅炉燃烧率也将受到影响。

而分散式控制技术可以利用对大流量定位器、气控阀、电磁阀、气锁阀等多个阀门的自适应控制将压力数据控制在标准范围内。通过对100%阀门开度下阀前压力与阀后压力差值的整合分析，分散式控制技术应用后，明显压差变化区间有所减小。因该技术能够实现压力定值的合理界定，所以可展现自适应控制优势[2]。在控制蒸汽压力期间，若实际压力为“0”，将导致旁路阀启动异常后果，此时还应在控制系统辅助下调整好旁路阀开度与蒸汽压力的对应关系。如压力值达到0.45MPa，此时高旁阀位开度应高于30%，当达到0.5MPa设定值标准时，此时在压力上升条件下，应保证高旁路压力设定值控制在8.92MPa左右，便于实现高旁阀位的“应时变化”，致使在控制系统辅助下，始终将压力值保持在0.8MPa平稳状态下，随即进行压力跟踪操作，优化压差调控效果。

表1 控制技术应用前后电厂旁路系统预期改造效果对比

2.3 优化控制功能模块

以分散式控制技术取代电厂汽轮发电机组旁路系统传统控制技术，除了要合理改造旁路容量，体现自适应控制作用外，还需要在满足硬件设施（现场传感器、现场控制器）配置条件下，加强软件功能模块的完善设计。即运行远程维护监控系统，用于动态监测旁路系统运行状态。分散式控制技术助力下研发新控制系统，其功能模块应涵盖以下三项。

数据采集与处理功能。该功能主要是在旁路系统突发故障情况时，以系统预警方式提醒电厂工作人员妥善处理故障隐患，通常以事故追踪、跳机记录、报警显示、数据自动存储为主；模拟量控制功能。控制系统可以根据模拟蒸汽压力、蒸汽温度等参数，预判故障隐患，继而产生减少旁路系统误动作发生率。某单位合作电厂在研发控制系统此项功能期间，应侧重于动态补偿与静态精准分析两项内容，保证显示的模拟量贴合实际情况。其操作步骤为被控制对象→传感器→输入通道→分散式控制系统→显示数据；设定值→分散式控制系统→输出通道→旁路系统执行机构→被控制对象[3]。

顺序控制功能。该功能能够对旁路系统展开分级控制，围绕汽轮发电机组启停顺序实现有效保护。因过度分级容易出现延时显示情况，所以多以驱动级控制模式为主，该控制层级为传感器、阀门部件与之对应的基础层级，同时还包括子组级和功能组级控制层级。

值得关注的是，在功能研发期间，还应设计完善的分布式处理单元，配置50ms扫描周期，100ms模拟量扫描周期，1ms以下分辨率的相关软件。经过在电厂汽轮发电机组旁路系统运行过程试运行分散式控制系统，确实在多样功能助力下整体故障风险得到了显著控制，具备“持久不停机”运行特征。在控制高低旁喷水减温调节品质时，应设定好控制系统启动条件，即390℃以上的蒸汽温度；低旁快关状态；高压减压阀手动快关，并且在运行负荷＞200MW期间，还可自动启动快关快开功能。至于低压旁路控制功能则要求排气管道排气背压高≥58kPa；排汽装置液位高于1800mm；低旁出口温度高于200℃，就此强化控制系统应有作用。

2.4 调控二次蒸汽温度

待新控制系统软件功能模块得以完善后，还应强化二次蒸汽温度调控功能。期待电厂以新技术缩减温水投放成本，以保持蒸汽热平衡的方式提高生产效益。根据下列公式知晓减温水焓值（h1w）增加将造成二次蒸汽焓值（h2s）提高。即：h2s=h1s+h1w+Δh，式中h1s和△h指代一次蒸汽焓值与损耗焓值。

为合理调控二次蒸汽温度，通过寻优算法达到分散式控制技术改造目的。一般二次蒸汽温度偏差值（e）的分析需要兼顾喷水减温阀、蒸汽转换阀开度（Hs、Hw）变化结果，具体可以整理成以下公式：e（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw）=SPT2S-T2S（Hs,T1,p1,T2,p2,Tw,Pw,Hw），式中：SpT2S、T2S指代设定值与实际值（二次蒸汽温度，℃）。经研究确定通过对适应于电厂旁路系统运行期间汽轮发电机组最佳二次蒸汽温度的反馈分析，可得到最优值，随即根据对偏差值的有效控制，提高二次蒸汽温度合理性，保证通过设定最优值优化系统运行效果。

为验证分散式控制系统的可行性，电厂具体按照上述提出的多项举措提出试运行计划，经对比改造前后二次蒸汽温度变化幅度，判定旁路系统运行中机组蒸汽温度数据未发生波动明显状况，验证新技术确有节约成本效果。