135MW中间再热（抽汽）凝汽式汽轮机控制系统的应用

135MW中间再热（抽汽）凝汽式汽轮机控制系统的应用 135MW中间再热（抽汽）凝汽式汽轮机控制系统的应用 发表时间:2003-7-25 作者：何士忠 摘要： 1  前言 1．1  125Mw机组的改造与135Mw机组的推出     125(135)机组的建设、投产是经历了三个高峰期：七十年代至八十年代初是第一个高峰期，在大容量进口机组尚未大量涌入国内时，成了火电基本建设战线的首选机组；八十年代末至九十年代则是第二个高峰期，2X125+2x300Mw成了不少基建项目青睐的模式，由中型到大型机组，借此积累经验和聚集资金；现今又进入了第三个高峰期，这同机组本身技术含量提高、容量增大而赢得用户不无关系。     伴随着125(135)机组的建设、投产过程，制造厂商也在对其产品进行不断的改进、完善，历经4次比较大的技术改造动作，而九十年代中期以后的最近一次的改造则是动作幅度最大、技术含量最高、成效最为显著的。根据当时能源部、机械部提出的节能、减少环境污染、调峰及二班制运行的要求，STC利用合资方西屋公司的引进技术，并采用三菱公司的先进技术，以积木块的思想，推出新一代的世界先进水平的135—150Mw等级的超高压中间再热凝汽式汽轮机。其额定工况时的热耗≤8176KJ／Kw·h(1953Kcal／Kw·h)，而创国内300Mw投运机组最高水平的大连电厂、利港电厂的350Mw汽轮机组的热耗分别为7834KJ／Kw·h(1871Kcal／Kw·h)、7905KJ／Kw·h(1888Kcal／Kw·h)。这类135Mw机组在上世纪末已有建成、投产发电的，而投运10余年、甚至20来年的老125Mw机组在热工自动化控制系统改造同时也开展了本体的扩容改造。这一切更加凸现了125(135)机组运行安全可靠、建设周期短、投入产出比高的优势，同时也增加了这类容量机组的运行灵活性。当然，改进后的135～150Mw机组还是适宜于带基本负荷，但也可作为调频调峰机组使用。 1．2  135Mw汽轮机与125Mw汽轮机的比较     STC利用西屋、三菱公司的6个亚临界积木块和4个典型50Hz产品的全套设计资料，在135Mw汽轮机上采用一系列世界级、先进级的设计技术，与125Mw汽轮机比较有了很大的改变。表1仅是两者主要的、与热工自动化相关的区别对照。     表1的后三项：调速系统、保护系统和本体监测系统即是本文要介绍的135Mw中间再热(抽汽)凝汽式汽轮机热工控制系统的三个主要组成部分，同时应用户需要、型式的差异，调节保安部套也会有所不同，故未具体展开，结合正文再作简述。 2  135Mw汽轮机数字式电一液控制系统(DEH) 2．1  纯液压机械式调速系统存在的问题     原125Mw汽轮机的调速系统均为传统的纯液压机械式调节系统，通过旋转阻尼感受汽轮机转速信号，产生与转速的平方成正比的一次油压，又经放大器放大后成为二次油压，再经流量放大器成三次油压，进入蒸汽阀油动机控制各阀门的开度。纯液压调节系统调节机理基本相同，液压部件则因汽轮机产地、型式不同有些区别。     就国产125Mw汽轮机而言，不外乎有两种主要类型：上汽型与哈汽型。作为调节系统的两大环节——调节器与执行机构，上汽型与哈汽型相应的液压部件就不尽相同：前者的液压调节器、蒸汽阀油动机配汽机构分别为蝶阀放大器、杠杆配汽结构；后者相应的则是滑阀放大器、凸轮配汽结构。撇开液压调节器在汽轮机调速系统上共有的不可回避的问题，在传动机构故障率、液压部件的卡涩机率上，上汽型比哈汽型要小些，但液压调速系统的固有缺陷依然存在。     纯液压机械式调速系统存在的问题主要有： (1)系统乃有差控制系统，本身动态特性差、惯性大，投运后的系统负荷摆动频繁、油压波动，系统的调节品质难以保证。 (2)机组冲转需人工操作挂闸，人工操纵主汽阀控制暖机速度，整个升速过程开环控制，系统稳定性差。调速系统的迟缓率较大，响应滞后直接影响了机组的并网过程。 (3)液压调节器(蝶阀或滑阀放大器)不能胜任定功率的要求，机组正常运行时增、减负荷多半由人工操作同步器来完成，即使外加同步器接口之类硬件也难以改观，难于实现CCS协调控制和AGC控制。 (4)原有的油动机配汽机构(杠杆或凸轮结构)无法实现单／多阀方式的阀门管理，阀门重叠度大，进汽节流损失大，汽机效率降低。 (5)原有的低压双侧油动机体积大，关闭时间长，汽机甩负荷时容易超速，有碍汽轮机安全运行。 (6)抽凝机组带电、热负荷运行，液压调压器接受抽汽压力信号，产生脉冲油压通过油动机控制抽汽调阀来调整供汽量，无法实施解耦控制，热电负荷相互干扰。     因此，135Mw机组必须对原125Mw机组的调速系统作出改进。 2．2  汽轮机调速系统几种改进的比较     新135Mw机组、老125Mw机组扩容改造都对汽轮机调速系统作了改进，方案有多种，从电液调并存到纯电调，从低压纯电调到高压纯电调，还有只对同步器作出改造的，表2是这些方案在改进要点、主要特点与适应场合等方面的比较。     显而易见，汽轮机调速系统的4种改进方案，在对原液压系统及其部套的改造力度上是顺序加大的。改造同步器方案是改进汽轮机调速系统的最早思路，不变的纯液调控制方式使方案带有改良的色彩，现已鲜见应用。而电液调并存方案则是汽轮机制造厂商一开始向用户推出的改进模式，对已经在大容量机组广泛应用的纯电调控制系统移植到135Mw机组上明显流露出自信心不足，这与对原液压系统及其部套的改动不大、对象的可控性无本质性改善不无关联。该方案并不被用户看好，难有应用。     后2种纯电调的改进方案，低压纯电调、高压纯电调控制系统才是被新135Mw机组、老125Mw机组扩容改造工程应用推广的。如果用户未提出异议，135Mw汽轮机制造厂商一般推荐的是低压纯电调，而一些专门从事DEH的制造厂商也不想同汽轮机本体制造厂商“撞车”，其主打产品多为高压纯电调。于是出现了这样一个现象：新建135Mw机组的汽轮机调速系统以低压纯电调控制系统居多，高压纯电调控制系统多见于老125Mw机组扩容改造工程中。 2．3  低压纯电调与高压纯电调控制系统的比较     这两种调速控制系统本体上的主要差别在于液压控制系统部分，即EH油系统(管路)及其液压控制部套上。功能上的主要差别在于汽轮机运行中的阀门管理上。就是汽轮机制造厂商在新135Mw机组推出的低压纯电调模式也不尽相同，如STC推出过EH工作油压分别为1．2与2．7MPa(高压纯电调的EH工作油压为14MPa)的低压纯电调系统，它们的液压控制部套组成与阀门管理功能等方面也有所区别。下面还是以形式列出这两种调速控制系统在本体、功能上的主要差别。     从采用DEH后的汽轮机调节系统的基本功能看，低压纯电调与高压纯电调的两种系统基本一致。如前述这两种调节系统在新建135Mw机组与老125Mw机组扩容改造工程中都有应用，都能满足这类容量机组安全生产和经济运行的基本要求。毋庸置疑，与专用于汽轮机润滑、保安等系统的低压透平油分离，采用高压抗燃油的纯电调系统在液压执行机构——阀门油动机动作的快速性、可靠性上优于低压纯电调系统，增加的投资也颇可观。工程上究竟选用何种纯电调系统，还要综合诸多因素比较后确定。 2．4  135Mw汽轮机DEH的系统功能     如上述，这里说的DEH的系统功能涵盖了低压纯电调与高压纯电调两种控制系统基本一致的功能要求，且限于篇幅，不作过多的说明。 (1)汽轮机转速与负荷的控制功能 ·自动升速系统能保证汽轮机采用与其热状态、进汽条件和允许的汽机寿命消耗相适应的最大升速率，由盘车转速提升到额定转速的控制，适应汽轮机带旁路通过高压缸启动(和中压缸启动—根据实际需要确定)的升速方式。 ·具有与自动同期装置的接口，依此进行发电机自动同步调节从而实现其自动同步并网，并具有假同期试验功能，以检查自动同期系统的可靠性与准确性。 ·在完成发电机同步并网后实现汽轮发电机从接带初始负荷到带满负荷的自动控制，并根据电网要求，参与一次调频和二次调频，对频差的响应有可作修改的不同的死区。 ·具备控制阀门开度和控制实发功率的两种方式去改变汽轮发电机的负荷。开环控制根据功率定值及频差信号确定阀门的开度指令，闭环控制则以汽轮发电机的实发功率(或调节级压力)作为反馈信号进行负荷自动调节。 ·目标负荷可直接接受DCS的AGC指令。当机组运行出现异常时，能对机组的功能或所带负荷作出相应的限制： 实测功率与功率定值的差值超过规定值时的功率反馈限制(切除)，负荷控制由闭环切换为开环，并降低功率定值： 在线热应力计算的应力裕度系数降至规定值时的变负荷率限制，按比例降低人工选定的变负荷率，甚至发出跳闸信号手动选择停机； 人工给定、可变的最高、最低负荷限制； 能产生与转速加速度成反比的阀门开度指令的加速度限制回路，在机组甩部分负荷时迅速减小阀门开度的加速度限制； 主汽压力降至异常值或其下降速度超过规定值时，主汽压力限制回路输出减小汽阀开度指令去限制负荷，协助锅炉恢复主汽压力的主汽压力限制，显然此时的汽阀控制回路不再接受负荷控制回路的指令。 ·能在汽轮机两种进汽方式(全周或部分)时对调节汽阀进行选择和切换的阀门管理，防止切换过程中的扰动，保证喷嘴调节时高压调门的重叠度要求。能 在线进行各个主汽门、调门的严密性与活动试验，而不影响汽轮机的运行。 (2)汽轮机起停与运行中的监视功能 ·连续采集和处理所有与汽轮机、汽轮发电机的起停和正常运行有关的测量信号及设备状态信息，及时向操作员提供运行信息，一旦机组运行异常，立即给出报警，提供操作指导。 ·监视和操作系统至少具有下列具体功能：     工艺流程及参数显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示及报警显示等；     定期、操作员请求及参数追忆等制表记录；     机组正常起动、停运及事故跳闸工况下的操作指导。 (3)超速保护功能 ·汽轮机转速超过额定转速的103％时，快关调门(OPC)；超过110％时，关闭高、中压主汽门及全部调门停机(AST)。 ·发电机跳闸或电网解列时，立即关闭高、中压调门，延时后再将它们重新开启维持汽轮机在同步转速下空转的甩全负荷保护。 ·提供操作员在汽轮机正常运行情况下依靠软手操进行103％超速和110％超速试验的手段。 (4)简易的自启停功能 ·根据予置的汽轮机启动曲线(冷态、温态与热态)以最少的人工干予进行汽机(转速、负荷)自动控制。 ·实时计算汽轮机转子热应力，提供应力限制，自动修正转速、负荷的变化率(此项功能根据需要取舍。如无，则汽轮机升速过程中的升速率由人工设定；     负荷控制中的变负荷率亦由人工设定，或接受CCS的变负荷率指令，而负荷限制功能中的变负荷率限制值亦由人工改变)。 2．5  135Mw汽轮机DEH系统设计中的几个问题 (1)DEH的软硬件配置     DEH系统由数字式电子控制装置、液压伺服系统与就地仪表设备三大块组成。其电子控制装置有自身的DPU，I／O站、卡与端子(板)、继电器及其电源等(通常为2个控制柜)，手操板、操作员站与工程师站各1个。 ·DEH的软硬件配置有以下两种模式：一是与机组DCS一体化，采用同一系统的软硬件、同一全局数据库，系统之间实现了数据共享；DEH有专用的操作员站，而工程师站可与DCS共用。如选用上海新华公司的XDPS—400系统的浙江长兴电厂#5机的改造工程、选用上海福克斯波罗公司的I／A’S系统的江苏镇江电厂一期工程等．另一是与DCS采用不同系统的软硬件，DEH将被要求提供与DCS之间的符合国际的数据通讯接口以及满足相互规约的通讯软件。     这方面的工程应用实例远多于前一种，且都能较好地满足两个不同系统间的数据通讯的要求。鉴于此，笔者以为不应一味苛求DEH要与DCS采用一体化的软硬件配置。 ·阀门控制卡(伺服驱动模件)采用专用卡件，除新华公司提供的DEH有自制的VCC卡外，通常均由汽轮机厂专供。 ·DEH手操板设置的必要性     作为DEH运行方式之一—手动运行方式的一种手段，汽轮机厂与DEH制造厂商都为系统配置了手动操作面板，笔者以为工程设计中可以不设置，理由有四： a. 135Mw汽轮机DEH的运行方式     主张尽可能不采用手动运行方式，更不推荐长期采用这种控制方式； b. 手动运行方式仅是DEH自动方式的后备，当DEH自动或手动从其它控制方式切换为手动运行方式时，操作员可在严密监视转速、功率与阀门开度前提下采用键盘对阀门进行一对一的开环控制。开机时的挂闸复置也可在键盘上操作。系统外另有独立于DCS的紧急停机按钮。系统在这种控制方式下仍具备超速保护(OPC)与主汽压力限制(TPC)等功能。这一切保证了汽轮机短时间在这一控制方式下的运行安全； c. 手动运行方式是一种有条件的控制方式，当DEH在工程师站故障、3路转速或功率(调节级压力)信号有2路输入发生故障或实测功率与功率定值的差值超过规定值等情况下才受控于这种后备运行方式。如果DEH电源全部消失、冗余DPU全部故障等则属汽轮机控制系统重大故障，手操板已不起作用，汽轮机只有紧急停机； d. 不再设置手操板、以键盘操作进行DEH的手动运行方式，也为机组采用四功能的DCS后精简常规监控设备、取消立盘、优化单元控制室布置创造条件。 (2)DEH的I/O及与其它主要系统的接口设计 ·DEH系统采用了多重的冗余设计，如冗余的数据高速公路(节点总线或实时网)、冗余的控制处理单元(DPU)及双机容错软件设计，冗余的I/O总线或现场总线，双路位置反馈(LVDT)，双路交流总电源供电，冗余的直流24V(及48V)外电源及冗作法的I/O卡件电源。除此而外，在I/O设置及其卡件配置上也考虑了冗余设计：重要信号冗余与相关卡件的冗余，例如重要的系统输入信号(转速、功率及调节级压力等)与重要的输出控制信号(调节汽阀、AST电磁阀等)作了三(双)重冗余，分散在多个I/O卡件上。 ·DEH所有外部输入、输出信号(现场或其它系统)均采用硬接线联接方式。 ·DEH的I/O设置及其点数因自身系统(如低压还是高压纯电调、阀门管理功能等)与其它系统(如DCS的CCS设计、ETS是否包括在DEH内、TSI的配置等)情况不一而异。DEH的I/O总点数约在150～220点间，与相同情况的200Mw汽轮机DEHI/O点数接近。 ·DEH与其它主要系统的接口不外乎：     一与DCS(CCS)有遥控主汽压设定值(1点AI，高压调门开度、频率偏置与负荷参考(3点AO)，快速减负荷(RB，3点DI)，遥控允许(1点DI)， 遥控负荷增、减(计数方式，2点DI)，DEH遥控投入(1点DO)，DEH闭锁负荷增、减(2点DO)及DEH功率、调压回路投入(2点DO)。后两种输出信号根据CCS设计取舍，故有11或15点I／O；     二与AS有自动同期请求投入(1点DI)，自动同期给定转速增、减(脉宽方式，2点DI)及DEH受自动同期控制(1点DO)，共有4点I／O，与电气其它信号略：     三与SOE有110％超速使AST电磁阀动作(DO)与DEH失电及其DPU故障要求汽机停机(DO)2点I/O；     四与ETS有要求汽机停机的DEH失电及其DPU故障(DO)，要求汽机复置(DO)2点I／O。而DEH汽机转速110％、采用高压纯电调时的EH油箱液位低于保护值的停机信号逻辑(前者三取二，后者2点先分别同报警信号相“与”再作“与”)由DEH完成，且直接送至AST电磁阀控制回路。至于采用高压纯电调时的EH油压低于保护值的停机信号逻辑(4点两两相“或”再作“与”)由ETS完成，也直接送至AST电磁阀控制回路。当然这只是一些工程的具体做法，并非绝对要求这样做，只要不漏项、符合汽机遮断的原理而且最直接可靠就行。 3  135Mw汽轮机紧急停机保护系统(ETS) 3．1  135Mw汽轮机液压保护系统的特点     尽管新135Mw汽轮机保护系统与老125Mw汽轮机保护系统一样同为液压系统，还沿用了一些原有液压保安部套或改进后的部件，但在具体做法上有很大的不同，甚至有本质上的区别。前述STC推出的135Mw汽轮机也有几种不同机型，以控制油压分别为1．2(151型)及2．7(180,181型)MPa的主要机型为例，即使在液压保安部套及具体做法上略有差异，但与老125Mw汽轮机相比，都有如下的特点： (1)老125Mw汽轮机的紧急停机保护是通过磁力断路油门电磁铁泄去安全油压关闭主汽门及调速汽门；而新135Mw汽轮机则以危急遮断控制块替代，4只自动关闭遮断电磁阀在安全油管路上作串、并联联接，形成两通道，紧急停机保护时全失电打开，泄去安全油压及控制油压关闭主汽门及调速汽门。 (2)老125Mw汽轮机的甩负荷保护是通过二次油泄放电磁阀泄去二次油压关闭各调速汽门；而新135Mw汽轮机则是泄去控制油压关闭各调速汽门。控制油压为1．2MPa的机型是由2只OPC机械超速保护电磁阀，接受超速103％信号动作(全通电打开)，泄去控制油压关闭各调门；控制油压为2．7MPa的机型是在GV、IV阀的高、中压油动机上装有电磁切换阀，接受电超速保护信号，切断控制油并接通回油以加快动作速度，提高机组甩负荷的动态性能(均由DEH完成)。 (3)控制油压为1．2MPa的机型仍沿用老125Mw汽轮机的启动器、启动阀保安部套建立复位油、安全油使危急遮断油门复位；控制油压为2．7MPa的机型则是采用电磁阀控制气缸活塞驱动危急遮断油门复位装置使其复位。ETS完成复置功能后，将由DEH启动汽轮机。 (4)上述控制块内安全油被4只电磁阀分为两个通道，每一通道又由ETS中电源的两个不同通道供电，这样的设计不仅有效地防止了紧急停机保护的误动或拒动，也不会因某一路电源中断或恢复而发生保护的误动作。 (5)具有一系列在汽轮机运行过程中既不解列保护功能也不影响其正常运行的动作试验手段。上述自动关闭遮断即是一例，另外有润滑油压、凝汽器真空及轴承油压等试验块，这些试验组件布置成两个相同的通道借助隔离阀可进行在线试验。 (6)用于汽轮机抽汽逆流保护的空气引导阀。汽轮机正常运行时，安全油使压缩空气通向抽汽逆止门使其打开：停机时，安全油压下降，切断上述通路并与大气相通，抽汽逆止门快速关闭。 3．2  135Mw汽轮机停机保护系统     这里仅就STC的控制油压分别为1．2及2．7MPa的两种机型的停机保护系统原理方块图及保安部套作一介绍，且限于篇幅对后者不再作具体说明，见表4。 3．3  135Mw汽轮机紧急停机保护项目及具体做法     汽轮机紧急停机保护项目应按制造厂商的供货情况设置。     保护值均应由汽轮机制造厂商提出。而遥控停机信号则是直接接至停机的驱动回路，通常选用双按钮，接入直流电源回路动作中间继电器，后者的常闭接点接入ETS的AST电磁阀控制回路。控制回路应按两通道设计；控制回路中，上述常闭接点与ETS输出信号“与”。     对采用高压纯电调控制系统的汽轮机，紧急停机保护项目还应有： ·EH油压低于保护值 ·EH油箱液位低于保护值     ETS的做法很多，有做在DCS里的，有做在DEH里的，也有单独由PLC做的，前两者受工程DCS、DEH分包商所欢迎，汽轮机制造厂商多数向用户推荐后者的做法。这些做法在工程中都有实践，都能满足汽轮机安全运行的要求，难分高低，真要论个长短也当另文比较。工程设计时还得倾听业主的意见及要求。 4  135Mw汽轮机监测仪表系统(TSI)     这里仅介绍TSI的设计要求及其项目配置与功能。新135Mw汽轮机一般均由汽轮机制造厂商配供TSI，较早投产的老125Mw气轮机热工自动化改造项目则要新增TSI仪表。TSI的设置，应能在汽轮机盘车、启动、运行和超速试验以及停机过程中，可以连续输出汽轮机转子及汽缸机械状态参数，并在超出予置的运行极限值时发出报警、危险保护值时发出汽轮机遮断信号。简言之，TSI应能提供全程监视、报警及停机信号。 135Mw汽轮机的TSI项目有转速(零转速)、轴向位移、差胀，振动，键相、缸胀及偏心的监测。以目前工程最常用的Bently公司3500系列汽轮机监测仪表为例，其配置、功能等如表5所示。 F-2003-2   〖 关闭本页 〗