火电厂汽轮机数字电液控制系统的设计与优化.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.17 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION火电厂汽轮机数字电液控制系统的设计与优化崔怀明(国能神华九江发电有限责任公司 江西九江 332500)摘要：火电厂汽轮机所使用的数字电液控制系统，在一定程度上决定了机组的整体运行质量与效率，因此对其展开设计与优化工作极为关键。该文分析了数字式电液控制系统结构组成与功能组成，简要描述了数字式电液调节系统在实际使用过程中所存在的不足之处，重点阐述了火电厂汽轮机数字电液控制系统的设计与优化要点，希望能够为同行业工作者提供一些帮助。关键词：火电厂汽轮机 数字电液控制系统 结构与功能组成 设计与优化要点中图分类号：TM621文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)17-0065-04Design and Optimization of the Digital Electro-hydraulic Control System for Steam Turbines in Thermal Power PlantsCUI Huaiming(CHN Energy Shenhua Jiujiang Power Generation Co.,Ltd.,Jiujiang,Jiangxi Province,332500 China)Abstract:The digital electro-hydraulic control system used by steam turbines in thermal power plants determines the overall operation quality and efficiency of the unit to a certain extent,so it is critical to design and optimize it.This paper analyzes the structural and functional composition of the digital electro-hydraulic control system,briefly describes the shortcomings of the digital electro-hydraulic control system in the actual use process,and focuses on the key points of the design and optimization of the digital electro-hydraulic control system for steam turbines in thermal power plants,hoping to provide some help for workers in the same industry.Key Words:Steam turbine in the thermal power plant;Digital electro-hydraulic control system;Structure and functional composition;Key points of design and optimization汽轮机是火力发电厂中的主要设备，在高温与高压工况下可发挥将所产生的蒸汽热能转化为机械功的重要作用。数字电液控制系统则是协助汽轮机维持正常运行状态的核心系统类型，可保证汽轮机组运行的安全性与稳定性，其性能直接关联着发电机组是否能够保证运行的经济性与安全性。伴随火电厂的不断发展，其自动控制系统同样获得了持续更新，相应模型参数不断被改进，充分发挥了其在供电过程中频率性能优势，尤其是在汽轮机数字电液控制系统出现后，无论是进口阀控制还是电网频率输出均保证了控制的精确性。基于此，针对火电厂汽轮机数字电液控制系统展开设计分析并进行关键内容的优化，具有极为重要的现实意义。1 汽轮机电液控制系统1.1 数字式电液控制系统结构组成此系统的基本形态主要包括用于功能控制的人机交互界面、测量元件、执行机构以及控制装置等，包含了电子控制装置与高压抗燃油供油系统等。一是电子控制装置是包含了工程师站、操作员站以及控制柜，并需要提供配套的手操盘。二是高压抗燃油供油系统。该系统的主要作用在于保证高压抗燃油提供的稳定性，为汽轮机阀门伺服机构与危机跳闸系统等提供驱动力。该系统通常包含了2套泵组，为提高效率可同时工作或互为备用。三是执行机构。在汽轮机中所安置的调节阀与高压主汽阀等皆可作为汽轮机的控制阀门，每个阀门均配备单独的油动机与伺DOI：10.16661/ki.1672-3791.2302-5042-2088作者简介：崔怀明（1978），男，硕士，工程师，研究方向为电厂设备管理。65SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.17 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯服回路控制系统1。由电子控制系统将电子指令输出后，经伺服放大器处理即可传输至电液转换器，从而将液压信号输出，促使电液转换器主阀移动。其中，伺服阀也被称之为电液转换器，能够将输入的电信号转换为液压信号，通常包含一个力矩马达与配套的机械反馈系统。1.2 数字式电液控制系统功能组成1.2.1 汽轮机自动程序控制此功能可对汽轮机的实时运行参数进行全面监视，从而是在较少的人工干预条件下实现盘车转速带的同步效果，直至达到满负荷全过程控制的根本目的2。基于自动程序控制能够依据内外部所提供的热应力大小设定相应的升速率、负荷率，并能够始终将转子的应力控制在对应范围内。从实际应用情况来看，无论是并网过程还是阀门切换，均可持续对其逻辑回路进行完善并自动实现。1.2.2 汽轮机阀门管理汽轮机处于不同类型的运行环境下，为将机组经济性与快速性进一步提升，切换进气方式极为重要。通常使用数字电液控制系统切换阀门的控制方式，达到两种经济模式灵活切换的目的。1.2.3 阀门试验功能基于数字电压控制系统能够逐个对阀门的运行效果进行实验，从而确保发生事故后能够在第一时间可靠关闭相应阀门，主要包括活动试验与阀门严密性试验两种试验类型。1.2.4 甩负荷控制与超速控制超速控制功能实现主要基于OPC电磁阀，可实现主气阀与调节阀的快速关闭，从而有效避免汽轮机由于转速过快而导致跳闸甚至飞车事故等现象3。甩负荷预警器则一般应用于超出30%额定负荷的检测，通过对电磁阀动作的控制关闭相应汽门。这种情况下负荷将自动归零并由系统进行转速控制回路的切换。1.2.5 监控功能汽轮机机组无论是处于运行还是停机状态下，均由监控系统进行统一的状态监控，主要包括运行状态各类参数的显示、状态指示器以及发生故障后显现出的提示信息。屏幕界面的监测需要获取到汽轮机运行的关键参数，进而显示出其相应的运行曲线，体现出内部程序的实际运行状态。1.3 数字式电液控制系统在实际使用过程中所存在的不足之处以350 MW汽轮发电机组为例，基于对其结构组成与功能组成的全面分析，联系机组的实际工作情况即可发现此类汽轮机设备的数字电液控制系统存在着较多的应用不足之处。一是设计的调节系统参数不合理，尤其是在现场工况复杂且多变的条件下，受气压干扰的影响使系统整体调节系统的应用效果相对较差。二是汽轮机系统相对较为复杂，并需要保证给予发电机组与锅炉系统之间的运行协调性，需要控制的参数较多且有着较高的精度要求4，这就使控制系统在实际使用过程中很容易出现控制不及时与不同步的情况。三是从工艺设备的角度来看，汽轮发电机组在质量监控不到位与调试把控不严格的条件下，使其在实际应用过程中表现出了汽轮机轴振偏大的不良现象。四是所使用的阀门密闭性相对较差，尤其是在对缸温信号数据进行检测的过程中，若参数设置不合理则会增大机组跳闸甚至大轴弯曲等现象的发生风险。2 数字电液控制系统的设计要点2.1 硬件配置对数字电液控制系统来说，在硬件配置方面主要包含了控制柜、电源柜、工程师站以及操作员站等。举例设计方案共设置4个机柜。第一个控制柜用于对计算机柜进行控制，具备系统的基本控制功能，包括转速、负荷的全面控制，兼顾了超速保护的相关功能5；第二个控制柜为基本控制端子柜，展开对汽轮机进行控制的过程中，可将信号与就地设备相连接；第三个机柜为电源柜与继电器柜；第四个机柜为网络柜。图1为数字电液调节系统机柜布置图。2.1.1 网络配置无论是信号传递系统还是工程师站以及操作员站，所有的硬件设备均需要基于控制柜中的DPU相互连接，并与下方控制板卡建立联系从而保证控制的实时性。图1 数字电液调节系统机柜布置图66SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.17 动 力 与 电 气科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION2.1.2 模块选择一是阀定位模块。阀门的开度是实现转速控制与负荷控制的重要基础，需要基于控制系统形成对应的阀位控制定值，形成对应每个阀门的指令并将其传递到液压伺服卡，达到对阀门位置进行精准控制的目的。举例系统中所使用的阀定位模块主要为对阀门的闭环位置进行控制，起到了连接控制系统与电液伺服驱动的重要作用，并且有处理器保证阀门定位的精准性6。此类定位模块将控制器对阀门的位置设定值予以充分利用，可将指令信号对应输出，并在微处理器的配合下提供阀位设定值所对应产生的冗余输出控制信号，经由伺服阀执行器上的线圈处理后即可保证阀位控制的及时性。位移传感器主要安装在阀杆上，基于阀位信号的检测可建立控制效果较好的闭环回路。二是速度检测模块。此模块主要用于对词组探头输出信号的测量，基于信号频率的分析即可明确汽轮机实时运行速度。现场卡与逻辑卡是速度检测模块的主要组成结构，现场卡主要用于针对探头所获取到的脉冲输入信号的读取，而逻辑卡则可将获取的速度信号进行转换后输入对应系统，可提供需求的逻辑功能。举例系统中主要包含了数字量输入模块、模拟量输入模块、热电阻输入模块以及热电偶输入模块。2.2 软件设计2.2.1 转速控制并网前首先需要汽轮机冲转，将汽轮机启动后完全开启高压与中压调节阀，基于主气阀调节器对高压进气量进行控制，进而达到转速控制的目的。设定值达到后即可对控制回路进行切换，主气阀门全开与控制电流开环的条件下，对应的高压调节阀控制回路具有闭环特点。回路切换完成后则需要将汽轮机持续升速至3 000 r/min。对转速进行控制主要依赖于数字电液控制系统的速度规定与测速模块所获取到的信号，偏差比较后即可形成对应调节器的阀位指令，只需要基于伺服阀的转换即可控制阀门开度，促使汽轮机的转速逐渐匹配预定值，进而将转速偏差完全消除。图2为转速控制的主要回路框图。2.2.2 功率控制开环与闭环是功率控制的两种类型，其中开环控制主要为阀位控制，需要操作人员对功率的实时变化进行关注，基于阀位的操作设定即可对气门开度进行改变，达到灵活控制的目的。此类控制方案对于操作人员有着相应的技术要求，操作人员不仅控制权力较大，且整个操作过程具有灵活性的特点，是闭环控制一旦失效后的有效后备。闭环控制条件下可将实际功率与功率指令的信号相比较，校正控制器后即可完成调节及压力给定的转换，此时一级压力指令与机组实际的运行功率相匹配。而在使用调节级压力对回路进行控制的过程中，经功率校正回路的处理使对应的输出可与给定的压力反馈信号相比较，基于控制器的矫正完成后即可将其转换为阀门的开度信号。数字电液调节系统中通常包含了调节压力回路与功率控制回路，所形成的串级控制回路能够将功率控制回路与调节机压力调节回路分别作为外环与内环。若受到负荷设定值改变的影响，对应的内环回路将快速响应完成相应控制，在第一时间将扰动的影响予以消除7。配合外环功率回路的适当修正负荷与设定值的偏差，可确保实际的负荷与预先设定值相同。基于串级控制中的内回路可将调节的快速性予以强化，进而将因蒸汽参数所带来的内部扰动因素予以消除。2.2.3 监控系统举例的电液调节系统主要基于 Ovation系统展开设计与研究工作，作为一种具有分散性特点的控制系统，此系统主要应用于智能电厂与数字电厂领域，其特有的多网络结构保证了决策支持、数据集成以及综合优化应用的效果，满足了用户对当下所使用控制系统的功能需求8。在配套相应数量的核心交换机条件下，可连接公共系统与辅助控制系统，实现数据的完美映射、数据集成以及互锁等综合操作，确保操作人员即使是在同一控制室内同样可以对连接的多台机组进行全面监视与相关操作，达到了对历史数据采集与存储流程予以简化的重要目的。3 数字电液控制系统的优化处理要点基于对数字电液控制系统中所包含硬件与软件的全面分析，联系实际工作情况可发现汽轮发电机组在设备设施、控制逻辑以及工艺流程方面存在着较多急需改进的问题。例如：系统所研究的主要为350 MW的循环流化床锅炉与单抽气式汽轮发电机，从其实际图2 转速控制的主要回路框图67SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯动 力 与 电 气 2023 NO.17 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯应用情况来看表现出了诸多问题。基于对以上内容的深入研究，可梳理出问题的改进思路，可基于此类优化方案将机组的整体运行效能进一步提升，并保证其运行的安全性。3.1 5X与6X轴承振动较大所诱发的保护跳机针对此类问题所需要采取的改进措施如下。3.1.1 机械安装的角度首先，充分发挥机组检修机的应用优势，结合机组的实际运行情况对各个轴承的载荷进行重新计算与分配，从而避免产生极个别轴瓦承载过大的现象影响到其运行质量；其次，需要对各个轴瓦的轴径进行质量检测，若发现有缺陷产生则需要及时进行修补，确保零部件的表面质量满足运行质量需求；再次，需要对各个轴承段转子的顶起高度进行检查与科学调整，确保所顶起的高度与制造厂的相关规范要求相匹配，通过对转子扬度的检查与调整即可确保设定参数满足规范要求；最后，各个油档与各个轴段的间隙也应进行检查与调整，设定匹配参数即可满足制造厂对零部件的相关规范要求；另外，各个轴瓦的下瓦套与轴承之间的接触质量需要进行全面检查，保证二者的接触良好性是避免产生轴承振动的关键因素。3.1.2 控制启动角度对控制逻辑进行持续优化，从而确保在机组正式启动前基于机组的状态对蒸汽参数进行科学调整，确保设定的参数匹配气缸的实际温度。在机组启动过程中，一般选择具有低参数与大容量特点的启动方法，要保证转子与气缸的膨胀一致性。启动逻辑方面则需要保证蒸汽参数平稳变化的控制有效性，避免产生大幅度波动现象，从而影响到汽轮发电机组的运行质量。3.2 转子弯曲变形受阀门关闭不严的影响，使得在汽轮机运行过程中极有可能导致管道内的冷凝水大量进入高压缸中，这就使在机组实际启动的过程中存在上下缸温差较大的现象，进而导致汽轮机的缸体产生了较为严重的温差变形。在部分汽封间隙逐渐变小甚至消失的条件下，汽轮机在冲转完成与高速转动的过程中其动静部分将发生较为严重的摩擦，对应转子的表面局部应力将有超出材料屈服极限的可能，这也是导致高压转子永久弯曲变形的主要原因。改进措施主要包括以下几点：一是需要对汽轮机的启动相关逻辑进行优化，明确禁止启动的必要条件并将汽轮机的启动热控制逻辑进行固化，若条件不满足则严禁启动汽轮机；二是需要依照相关要求采取防止汽轮机进水的一系列措施，这就需要对汽轮机本体输水管道的操作逻辑进行优化，做好疏水阀的改进工作。3.3 低压缸喷水问题实际调试过程中，经常会发现低压缸喷水表现出了一定的逻辑问题，不仅无法保证低压缸的自动喷水及时性，转换为手动操作后仍然有可能无法起到操作作用。针对此问题的改进措施主要为对配置环节的逻辑进行检查，优化操作逻辑后即可达到解决目的。以往的低压缸喷水出厂前通常是由PID设定的相应逻辑值，使得其使用性能较差。而若改回开闭则在逻辑正确的情况下即可解决相应问题。3.4 转速探头显示问题低速度条件下转速探头显示相应数据，而高速条件下探头数据不显示为常见问题。此问题的改进措施主要是对探头的安装距离与测量范围进行全面检查，并对探头距离重新调整，能够起到避免由于距离过大而导致探头测量范围超出的作用，从而保证转速探头获取信息的全面性与准确性。4 结语综上所述，通过对火电厂汽轮机数字电液控制系统结构与功能组成的分析，联系其运行的实际情况可发现存在于控制系统应用过程中的不足之处。结合系统的软硬件设计要点，即可制订相应的优化方案，并能够针对控制系统应用环节所发生的实际问题展开相应优化处理，借由优化过后的相应控制程序即可将控制系统的可靠性与稳定性进一步提升，是维持汽轮机正常运行状态的重要基础。参考文献1 杨鹏,陈佳,许文钊.火电厂汽轮机常见的振动故障分析及故障诊断技术J.科学技术创新,2022(19):180-183.2 昃刚,巩振泉,杨一盈,等.火电厂汽轮机缸体接管封堵开裂原因分析与焊接修复J.电站辅机,2022,43(2):10-15,24.3 韩庆海.火电厂汽轮机异常振动的原因及改善措施探讨J.设备管理与维修,2022(8):68-69.4 刘楠,邢海鹏.火电厂锅炉汽轮机系统的节能环保问题及措施J.海峡科技与产业,2022,35(1):69-71.5 梁晓剑.关于火电厂锅炉汽轮机节能环保措施的探讨J.中国设备工程,2021(20):240-242.6 张岳昊.火电厂600MW汽轮机常见故障分析及处理J.化学工程与装备,2021(10):212-214.7 杨静.菲律宾CALACA某燃煤电厂控制系统设计D.郑州:郑州大学,2019.8 王小坡.基于3D技术的汽轮机检修培训考核系统D.保定:华北电力大学,2019.68