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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2022）12-058-04中圖分類號(hào)：TP273

★ 李明（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，山東濟(jì)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?zhí)煊睿暇┼]電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

摘要：近年來(lái)，大量中小型汽輪發(fā)電機(jī)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(yīng)用，汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)也由此得到了快速的發(fā)展。為提高生產(chǎn)工藝運(yùn)行穩(wěn)定性，面對(duì)設(shè)備儀器的快速更新，應(yīng)用新型技術(shù)完善優(yōu)化控制系統(tǒng)，可以提高汽輪發(fā)電機(jī)組的效率。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)踐對(duì)DEH控制系統(tǒng)在某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)。

關(guān)鍵詞：高效汽輪機(jī)；國(guó)產(chǎn)化；DEH系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，直接用汽輪機(jī)作為原動(dòng)力機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)一些大型的機(jī)械設(shè)備。工業(yè)汽輪機(jī)既可使用燃料或利用各類工業(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。隨著化工、煉油和冶金等工業(yè)的發(fā)展，以及節(jié)約能源的需求，工業(yè)汽輪機(jī)將得到更廣泛的應(yīng)用。為了更好地節(jié)約能源，小型工業(yè)汽輪機(jī)正日益受到重視。

在國(guó)內(nèi)首批生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目中，普遍存在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，即便財(cái)政補(bǔ)貼到位、機(jī)組運(yùn)行積極，企業(yè)仍勉強(qiáng)處于盈虧平衡點(diǎn)上。因此，目前如何提高汽輪機(jī)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(jī)改造可提高15%的效率，意味著同樣燃料的情況下，可以多發(fā)15%的電，將大幅提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）是電站汽輪發(fā)電機(jī)組重要的組成部分，是汽輪機(jī)起動(dòng)、停止、正常運(yùn)行和事故工況下的調(diào)節(jié)控制器。DEH控制系統(tǒng)與EH系統(tǒng)組成的電液控制系統(tǒng)，通過(guò)控制汽輪機(jī)主汽門和調(diào)門的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、壓力等的控制。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了一段較快的成長(zhǎng)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(jī)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(yīng)用，汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)也由此得到了快速的發(fā)展。

和利時(shí)DEH在國(guó)內(nèi)一流專家的指導(dǎo)下，從1997年成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，至今已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制出適合于1000MW、600MW、300MW、200MW及中小機(jī)組的汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)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(jī)組，能為各個(gè)用戶提供專業(yè)化、個(gè)性化解決方案。和利時(shí)T800K系列DEH控制系統(tǒng)，以和利時(shí)HOLLiASMACS-K系統(tǒng)為平臺(tái)，屬于和利時(shí)DEH第三代產(chǎn)品。

某生物質(zhì)熱電項(xiàng)目引進(jìn)高效反動(dòng)式技術(shù)國(guó)產(chǎn)化后制造的新型汽輪機(jī)，應(yīng)用和利時(shí)T800K系列DEH控制系統(tǒng)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(tǒng)機(jī)組。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目使用和利時(shí)DEH控制系統(tǒng)，硬件：T800K，軟件：HOLLiASMACSV6；液壓部分使用高壓抗燃油MOOG761伺服閥，六線制位移傳感器LVDT。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用國(guó)內(nèi)較少見(jiàn)的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2套），高壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）及中壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）。其中DEH專用模塊為伺服模塊K-SV01和測(cè)速模塊K-FC01。伺服模塊K-SV01與現(xiàn)場(chǎng)電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)、位移傳感器共同組成電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的控制。伺服單元具有LVDT調(diào)制解調(diào)功能，伺服單元將下發(fā)的指令與LVDT反饋信號(hào)進(jìn)行比較，完成調(diào)門的閉環(huán)控制功能。與K-FC01共同使用可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)頻功能。伺服模塊輸出最大信號(hào)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(tǒng)配置3塊測(cè)速模塊K-FC01，每一個(gè)模塊既是一個(gè)測(cè)量卡件，也是一個(gè)轉(zhuǎn)速保護(hù)卡件，單個(gè)卡件具有超速103%和110%報(bào)警輸出，3塊卡件通過(guò)硬接線方式組成超速3取2信號(hào)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(xiàn)DEH孤網(wǎng)運(yùn)行功能。汽輪機(jī)高調(diào)和中調(diào)共6臺(tái)油動(dòng)機(jī)使用6塊K-SV01伺服卡控制MOOG761伺服閥，接收±50mA控制信號(hào)，指令從K-SV01伺服卡SO通道輸出，K-SV01接入六線制雙支LVDT信號(hào)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件方案

DEH系統(tǒng)由兩大部分組成，即液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)力單元，用以驅(qū)動(dòng)閥門，使閥門的開(kāi)度按著閥位指令而改變；電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如轉(zhuǎn)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)閥門的閥位指令。

該項(xiàng)目使用和利時(shí)MACSV6軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)組DEH控制方案，并結(jié)合機(jī)組特性進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化調(diào)整，使之能夠滿足控制要求和技術(shù)要求。主要功能包含：控制回路、限制保護(hù)回路和試驗(yàn)回路。

機(jī)組設(shè)置升速和升負(fù)荷曲線，掛閘且滿足啟動(dòng)條件后，3臺(tái)高調(diào)油動(dòng)機(jī)以順序閥方式開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)精確的流量計(jì)算，以1850rpm/min的升速率，從盤車轉(zhuǎn)速（160rpm）升速至額定轉(zhuǎn)速（7535rpm），中間不經(jīng)暖機(jī)，沖轉(zhuǎn)時(shí)間不足5分鐘。定速并各項(xiàng)試驗(yàn)完成，機(jī)組并網(wǎng)后自動(dòng)初負(fù)荷，經(jīng)熱狀態(tài)判斷置位自動(dòng)負(fù)荷曲線生效并計(jì)時(shí)，機(jī)組自動(dòng)/手動(dòng)方式升負(fù)荷至額定功率。

（1）機(jī)組升速過(guò)程中，DEH為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無(wú)差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，經(jīng)PID（中文）調(diào)節(jié)器運(yùn)算后，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制油動(dòng)機(jī)開(kāi)度，使實(shí)際轉(zhuǎn)速跟隨給定轉(zhuǎn)速變化。操作員通過(guò)操作員站上的軟操盤設(shè)置升速率、目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，給定轉(zhuǎn)速自動(dòng)以設(shè)定的升速率向目標(biāo)轉(zhuǎn)速逼近，實(shí)際轉(zhuǎn)速隨之變化。國(guó)內(nèi)常規(guī)機(jī)組包含轉(zhuǎn)速臨界區(qū)，當(dāng)進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)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(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行暖機(jī)，以減小熱應(yīng)力。本次項(xiàng)目機(jī)組以固定1850rpm/min升速率進(jìn)行升速，顯著減少了機(jī)組啟動(dòng)所需時(shí)間。

（2）機(jī)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(jī)帶上初負(fù)荷，并由轉(zhuǎn)速PI控制方式轉(zhuǎn)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?zé)o擾切換。并且可與協(xié)調(diào)控制主控器配合，完成機(jī)爐協(xié)調(diào)控制功能。在閥控方式下，操作員通過(guò)設(shè)置目標(biāo)閥位或按閥位增減按鈕控制油動(dòng)機(jī)的開(kāi)度。在閥位不變時(shí)，發(fā)電機(jī)功率將隨蒸汽參數(shù)變化而變化。本次項(xiàng)目機(jī)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(duì)應(yīng)的負(fù)荷曲線在功控方式自動(dòng)升負(fù)荷至額定功率。配合設(shè)置的計(jì)時(shí)器對(duì)升負(fù)荷過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，確保機(jī)組在負(fù)荷曲線范圍內(nèi)安全運(yùn)行。

（3）為了確保機(jī)組的安全，還設(shè)置了多種超速限制、負(fù)荷限制、主汽壓力限制及打閘保護(hù)功能。部分試驗(yàn)還需進(jìn)行在線試驗(yàn)，如主汽門活動(dòng)性試驗(yàn)，調(diào)門活動(dòng)性試驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)組運(yùn)行可靠與正確。機(jī)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(jī)組重要運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，計(jì)算運(yùn)行曲線和參數(shù)，以順序閥的閥門管理方式，按照安全、經(jīng)濟(jì)的原則自動(dòng)完成汽輪機(jī)的啟動(dòng)升負(fù)荷及變工況控制。

圖3 機(jī)組并網(wǎng)后的電調(diào)主控狀態(tài)

圖4 機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷限制功能

3 系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用總結(jié)

（1）流量折線實(shí)現(xiàn)的三調(diào)門順序閥控制。汽輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用國(guó)內(nèi)較少見(jiàn)的2+3+3布置，包括：高壓主汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2套），高壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）及中壓調(diào)節(jié)汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3套）。高調(diào)和中調(diào)共6臺(tái)油動(dòng)機(jī)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(xiàn)閥門管理。

機(jī)組升速與升負(fù)荷初期，均曾出現(xiàn)持續(xù)、明顯波動(dòng)的現(xiàn)象。升速時(shí)閥門微小波動(dòng)（≤1mm）情況下，轉(zhuǎn)速波動(dòng)曾達(dá)到±30rpm。經(jīng)詳細(xì)排查與分析，3臺(tái)高壓調(diào)門的流量參數(shù)較特殊，閥門開(kāi)啟初始階段流量變化大，閥門靈敏度高，對(duì)閥門控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能提出了高于常規(guī)機(jī)組的要求。經(jīng)流量換算后采用DEH_CRTRRB設(shè)置順序閥折線，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(shù)，檢查維護(hù)位移傳感器LVDT等各項(xiàng)工作，使用千分表固定于調(diào)門螺桿，以0.005mm的梯度反復(fù)進(jìn)行拉閥試驗(yàn)，調(diào)試完成后定速7535轉(zhuǎn)時(shí)波動(dòng)≤±1rpm，最終實(shí)現(xiàn)了良好的控制效果。

（2）汽輪機(jī)升速和升負(fù)荷曲線自動(dòng)控制。該系統(tǒng)升速和升負(fù)荷階段，均要求按照曲線實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自啟動(dòng)控制。調(diào)試初期并網(wǎng)后功率控制亦曾出現(xiàn)明顯波動(dòng)，不能穩(wěn)定升負(fù)荷，功率閉環(huán)復(fù)位跳至閥位開(kāi)環(huán)方式。該現(xiàn)象考慮為功率PID經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不適用所致。結(jié)合流量/開(kāi)度曲線，引入功控PID參數(shù)估算方法。經(jīng)計(jì)算后修改PID參數(shù)，微調(diào)后即取得了良好的功率控制效果。

圖5 系統(tǒng)功率PID參數(shù)

圖6 常順序閥運(yùn)行方式下的工藝狀態(tài)

4 總結(jié)

該項(xiàng)目引進(jìn)高效反動(dòng)式汽輪機(jī)技術(shù)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化，機(jī)組啟動(dòng)快速，自動(dòng)化程度高，節(jié)省了操作員工作時(shí)間和強(qiáng)度。經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)測(cè)算，汽輪機(jī)效率可高出國(guó)內(nèi)同行業(yè)汽輪機(jī)15%～20%，為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)所需汽輪機(jī)提供了更優(yōu)質(zhì)的選擇。同時(shí)國(guó)內(nèi)小型存量機(jī)組也存在巨大的改造空間。2020年9月中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)。隨著國(guó)內(nèi)持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，努力兼顧經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綠色轉(zhuǎn)型同步進(jìn)行，效率低的老舊汽輪機(jī)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(jī)有了更優(yōu)質(zhì)的選擇，對(duì)配套的DEH控制系統(tǒng)也提出了新的要求和方向。

作者簡(jiǎn)介：

李  明（1984-），男，山東濟(jì)南人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)槠啓C(jī)控制技術(shù)。

李雄偉（1983-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)镈EH系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

張?zhí)煊睿?999-），男，山東德州人，學(xué)士，現(xiàn)就讀于南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，研究方向?yàn)楣S過(guò)程自動(dòng)化控制、DCS系統(tǒng)控制、DEH電液控制系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)控制等。

參考文獻(xiàn)：

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年12月刊