文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2022）12-058-04中圖分類(lèi)號：TP273

★ 李明（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，山東濟南250000）

★ 李雄偉（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，陜西西安710061）

★ 張天宇（南京郵電大學(xué)通達學(xué)院，江蘇揚州225127）

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

關(guān)鍵詞：高效汽輪機；國產(chǎn)化；DEH系統

在工業(yè)生產(chǎn)中，直接用汽輪機作為原動(dòng)力機來(lái)驅動(dòng)一些大型的機械設備。工業(yè)汽輪機既可使用燃料或利用各類(lèi)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(zhù)化工、煉油和冶金等工業(yè)的發(fā)展，以及節約能源的需求，工業(yè)汽輪機將得到更廣泛的應用。為了更好地節約能源，小型工業(yè)汽輪機正日益受到重視。

在國內首批生物質(zhì)發(fā)電項目中，普遍存在運行經(jīng)濟性問(wèn)題，即便財政補貼到位、機組運行積極，企業(yè)仍勉強處于盈虧平衡點(diǎn)上。因此，目前如何提高汽輪機的效率成為迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。如果通過(guò)高效汽輪機改造可提高15%的效率，意味著(zhù)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)濟性。

汽輪機數字電液控制系統（DEH）是電站汽輪發(fā)電機組重要的組成部分，是汽輪機起動(dòng)、停止、正常運行和事故工況下的調節控制器。DEH控制系統與EH系統組成的電液控制系統，通過(guò)控制汽輪機主汽門(mén)和調門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現對汽輪發(fā)電機組的轉速、負荷、壓力等的控制。近20年來(lái)，國內汽輪機控制系統的發(fā)展經(jīng)歷了一段較快的成長(cháng)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)域得到了廣泛的應用，汽輪機DEH控制系統也由此得到了快速的發(fā)展。

和利時(shí)DEH在國內一流專(zhuān)家的指導下，從1997年成功開(kāi)發(fā)應用，至今已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出適合于1000MW、600MW、300MW、200MW及中小機組的汽輪機數字式電液調節系統，應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(dòng)機組，能為各個(gè)用戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)化、個(gè)性化解決方案。和利時(shí)T800K系列DEH控制系統，以和利時(shí)HOLLiASMACS-K系統為平臺，屬于和利時(shí)DEH第三代產(chǎn)品。

某生物質(zhì)熱電項目引進(jìn)高效反動(dòng)式技術(shù)國產(chǎn)化后制造的新型汽輪機，應用和利時(shí)T800K系列DEH控制系統并網(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(guò)1000萬(wàn)元，效率明顯優(yōu)于傳統機組。

1 系統硬件結構

該項目使用和利時(shí)DEH控制系統，硬件：T800K，軟件：HOLLiASMACSV6；液壓部分使用高壓抗燃油MOOG761伺服閥，六線(xiàn)制位移傳感器LVDT。執行機構采用國內較少見(jiàn)的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執行機構（2套），高壓調節汽閥執行機構（3套）及中壓調節汽閥執行機構（3套）。其中DEH專(zhuān)用模塊為伺服模塊K-SV01和測速模塊K-FC01。伺服模塊K-SV01與現場(chǎng)電液轉換器、油動(dòng)機、位移傳感器共同組成電液控制系統，實(shí)現對汽輪機調節閥的控制。伺服單元具有LVDT調制解調功能，伺服單元將下發(fā)的指令與LVDT反饋信號進(jìn)行比較，完成調門(mén)的閉環(huán)控制功能。與K-FC01共同使用可以實(shí)現快速調頻功能。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系統配置3塊測速模塊K-FC01，每一個(gè)模塊既是一個(gè)測量卡件，也是一個(gè)轉速保護卡件，單個(gè)卡件具有超速103%和110%報警輸出，3塊卡件通過(guò)硬接線(xiàn)方式組成超速3取2信號輸出，可以減少誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率。同時(shí)，與伺服單元共同使用，可以實(shí)現DEH孤網(wǎng)運行功能。汽輪機高調和中調共6臺油動(dòng)機使用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(xiàn)制雙支LVDT信號。

圖1 系統硬件結構圖

圖2 系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

2 系統軟件方案

DEH系統由兩大部分組成，即液壓控制系統和電氣控制系統。液壓控制系統作為調節系統的動(dòng)力單元，用以驅動(dòng)閥門(mén)，使閥門(mén)的開(kāi)度按著(zhù)閥位指令而改變；電氣控制系統實(shí)現各種控制功能，如轉速控制、功率控制、主汽壓力控制、手/自動(dòng)切換等，并最終形成各個(gè)閥門(mén)的閥位指令。

該項目使用和利時(shí)MACSV6軟件實(shí)現機組DEH控制方案，并結合機組特性進(jìn)行了針對性?xún)?yōu)化調整，使之能夠滿(mǎn)足控制要求和技術(shù)要求。主要功能包含：控制回路、限制保護回路和試驗回路。

機組設置升速和升負荷曲線(xiàn)，掛閘且滿(mǎn)足啟動(dòng)條件后，3臺高調油動(dòng)機以順序閥方式開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)精確的流量計算，以1850rpm/min的升速率，從盤(pán)車(chē)轉速（160rpm）升速至額定轉速（7535rpm），中間不經(jīng)暖機，沖轉時(shí)間不足5分鐘。定速并各項試驗完成，機組并網(wǎng)后自動(dòng)初負荷，經(jīng)熱狀態(tài)判斷置位自動(dòng)負荷曲線(xiàn)生效并計時(shí)，機組自動(dòng)/手動(dòng)方式升負荷至額定功率。

（1）機組升速過(guò)程中，DEH為轉速閉環(huán)無(wú)差調節系統。給定轉速與實(shí)際轉速之差，經(jīng)PID（中文）調節器運算后，通過(guò)伺服系統控制油動(dòng)機開(kāi)度，使實(shí)際轉速跟隨給定轉速變化。操作員通過(guò)操作員站上的軟操盤(pán)設置升速率、目標轉速后，給定轉速自動(dòng)以設定的升速率向目標轉速逼近，實(shí)際轉速隨之變化。國內常規機組包含轉速臨界區，當進(jìn)入臨界轉速區時(shí)，需要自動(dòng)以臨界升速率快速過(guò)臨界。在升速過(guò)程中，通常需對汽輪機進(jìn)行暖機，以減小熱應力。本次項目機組以固定1850rpm/min升速率進(jìn)行升速，顯著(zhù)減少了機組啟動(dòng)所需時(shí)間。

（2）機組同期并網(wǎng)時(shí)，總閥位給定立即階躍增加4~6%，使發(fā)電機帶上初負荷，并由轉速PI控制方式轉為閥位控制方式。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無(wú)擾切換。并且可與協(xié)調控制主控器配合，完成機爐協(xié)調控制功能。在閥控方式下，操作員通過(guò)設置目標閥位或按閥位增減按鈕控制油動(dòng)機的開(kāi)度。在閥位不變時(shí)，發(fā)電機功率將隨蒸汽參數變化而變化。本次項目機組并網(wǎng)后可直接進(jìn)入功率控制方式，經(jīng)熱狀態(tài)判斷后以對應的負荷曲線(xiàn)在功控方式自動(dòng)升負荷至額定功率。配合設置的計時(shí)器對升負荷過(guò)程進(jìn)行監控，確保機組在負荷曲線(xiàn)范圍內安全運行。

（3）為了確保機組的安全，還設置了多種超速限制、負荷限制、主汽壓力限制及打閘保護功能。部分試驗還需進(jìn)行在線(xiàn)試驗，如主汽門(mén)活動(dòng)性試驗，調門(mén)活動(dòng)性試驗，以驗證機組運行可靠與正確。機組通過(guò)多個(gè)點(diǎn)位的溫度傳感器判斷熱狀態(tài)，采集機組重要運行狀態(tài)信號，計算運行曲線(xiàn)和參數，以順序閥的閥門(mén)管理方式，按照安全、經(jīng)濟的原則自動(dòng)完成汽輪機的啟動(dòng)升負荷及變工況控制。

圖3 機組并網(wǎng)后的電調主控狀態(tài)

圖4 機組并網(wǎng)后的負荷限制功能

3 系統調試及應用總結

（1）流量折線(xiàn)實(shí)現的三調門(mén)順序閥控制。汽輪機執行機構采用國內較少見(jiàn)的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執行機構（2套），高壓調節汽閥執行機構（3套）及中壓調節汽閥執行機構（3套）。高調和中調共6臺油動(dòng)機使用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(shí)現閥門(mén)管理。

機組升速與升負荷初期，均曾出現持續、明顯波動(dòng)的現象。升速時(shí)閥門(mén)微小波動(dòng)（≤1mm）情況下，轉速波動(dòng)曾達到±30rpm。經(jīng)詳細排查與分析，3臺高壓調門(mén)的流量參數較特殊，閥門(mén)開(kāi)啟初始階段流量變化大，閥門(mén)靈敏度高，對閥門(mén)控制精度和動(dòng)態(tài)響應性能提出了高于常規機組的要求。經(jīng)流量換算后采用DEH_CRTRRB設置順序閥折線(xiàn)，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，檢查維護位移傳感器LVDT等各項工作，使用千分表固定于調門(mén)螺桿，以0.005mm的梯度反復進(jìn)行拉閥試驗，調試完成后定速7535轉時(shí)波動(dòng)≤±1rpm，最終實(shí)現了良好的控制效果。

（2）汽輪機升速和升負荷曲線(xiàn)自動(dòng)控制。該系統升速和升負荷階段，均要求按照曲線(xiàn)實(shí)現汽輪機自啟動(dòng)控制。調試初期并網(wǎng)后功率控制亦曾出現明顯波動(dòng)，不能穩定升負荷，功率閉環(huán)復位跳至閥位開(kāi)環(huán)方式。該現象考慮為功率PID經(jīng)驗參數不適用所致。結合流量/開(kāi)度曲線(xiàn)，引入功控PID參數估算方法。經(jīng)計算后修改PID參數，微調后即取得了良好的功率控制效果。

圖5 系統功率PID參數

圖6 常順序閥運行方式下的工藝狀態(tài)

4 總結

該項目引進(jìn)高效反動(dòng)式汽輪機技術(shù)進(jìn)行國產(chǎn)化，機組啟動(dòng)快速，自動(dòng)化程度高，節省了操作員工作時(shí)間和強度。經(jīng)專(zhuān)業(yè)機構測算，汽輪機效率可高出國內同行業(yè)汽輪機15%～20%，為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)所需汽輪機提供了更優(yōu)質(zhì)的選擇。同時(shí)國內小型存量機組也存在巨大的改造空間。2020年9月中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。隨著(zhù)國內持續推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結構和能源結構調整，努力兼顧經(jīng)濟發(fā)展和綠色轉型同步進(jìn)行，效率低的老舊汽輪機組將逐步淘汰，生物質(zhì)、垃圾發(fā)電、太陽(yáng)能光熱發(fā)電等新領(lǐng)域所需汽輪機有了更優(yōu)質(zhì)的選擇，對配套的DEH控制系統也提出了新的要求和方向。

作者簡(jiǎn)介：

李  明（1984-），男，山東濟南人，工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為汽輪機控制技術(shù)。

李雄偉（1983-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為DEH系統設計。

張天宇（1999-），男，山東德州人，學(xué)士，現就讀于南京郵電大學(xué)通達學(xué)院，研究方向為工廠(chǎng)過(guò)程自動(dòng)化控制、DCS系統控制、DEH電液控制系統、PLC系統控制等。

參考文獻：

[1] 陸會(huì )明．控制裝置與儀表[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 和利時(shí). DEH工程調試及維護[Z]. 2021.

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊