汽轮机旁路控制策略的研制与应用

1  引言
    
    　济钢余热发电二期工程是三套组成 “2+2+2+1”建制的联合循环发电机组，即每单元有两台煤压机，两台燃机，两台锅炉，一台汽机组成。
   
    　蒸汽轮机是燃气-蒸汽联合循环发电工程发电的主体设备之一，利用蒸汽的热能转变为旋转机械能，由于汽机发电机组在高速旋转的同时又处于高温高压下运行，因此汽机控制系统连锁控制，保护具有重要意义。

   　 汽机系统采用dcs系统进行控制，主要包括汽机蒸汽系统压力、温度等的检测、旁路系统、eh油系统、润滑油系统、凝结水系统、真空系统的检测及相关控制。汽机的旁路系统为高低压串联系统，在机组启动过程中可以加速工质的循环过程，提高机组的升温、升压速度，并根据压力设定值控制减压阀的开度使系统不致超压。在机组甩负荷时可以有效地保护汽轮机并回收工质。
            
2  控制系统
    
   　 2.1 系统构成
   
  　  控制系统采用dcs集散控制系统，采用可靠的冗余技术。由上位监控站、现场控制站、通讯网络ethernet几部分组成。包括中央i/o单元、扩展i/o单元、cpu模块、连接模块、各种i/o模块，实现数据采集、回路控制、顺序控制等功能。dp网络连接远程站，通讯网络ethernet用于连接监控站并传输数据。
   
   　 操作平台windows2000 professional+sp4，开发软件为包括：control builder f专业软件。用于硬件配置，过程级和操作员站的组态，建立一个系统范围内统一的数据库。

　　digivis中文版 。用于流程显示、报警信息管理、趋势归档、各种记录、系统诊断、操作控制等。
   
   　 control it basic (xxx点)。i/o点数的限制。
   
  　  trend server作为趋势服务器，收集历史记录。
   
   　 控制系统下位编程软件的实施过程中，针对工艺流程及现场设备的技术特点，信号处理、电动门控制、gps时钟同步、系统通讯等功能采用组态软件开发，调节回路组态采用功能图开发方式。

    　监控界面完成系统的模拟量、开关量、脉冲量、温度量，保护信息等的数据采集、计算、判别、报警、保护，事件顺序记录（soe），报表统计，曲线分析，并根据需要向现场保护测控单元层发布命令实现对电气设备的控制和调节。该界面友善、方便、数据库安全、可靠。在集中控制室内操作，控制台是机组运行监视、控制的中心，控制台上布置有crt操作站。除了保留几个紧急事故按钮外，全部采用上位机操作，也可用大屏幕对机组进行监控、操作。
   
    　2.2 主要功能及控制策略
   
  　  汽机启动分为三种模式：自动、手动、半自动。当启动完成后，汽机速度控制在最小速度。在怠速/额定状态下最小速度为怠速值，在顺序启动状态下最小速度低怠速值。自动顺序启动完成了从低怠速保持至暖机，到高怠速，到设定的比率速度的整个过程的自动完成。暖机时间及加速速率取决于汽机是冷启或热启。
   
    　为了保证机组的安全运行，在汽轮机上一般设置了各种自动保护设备。当运行参数超过机组安全运行允许的范围时，它将及时动作，使汽轮机自动停机，避免事故的进一步扩大。旁路系统装置是发电机组重要的设备，旁路系统设备的可靠性对电厂安全和经济运行影响较大，它确保热力设备启动和运行安全；尽量延长机组的使用寿命；提高机组的综合经济效益。
            
3  旁路系统（bpc）
    
   　 旁路系统控制策略能够满足机组在启动、正常运行、甩负荷工况下，各阀门自动或手动（遥控操作）的进行快速启动。能保证当主汽、再热蒸汽运行压力、温度超过设定范围时，旁路装置能自动打开或关闭，并按机组运行情况进行压力、温度自动调节，直到恢复正常值。旁路系统保证新蒸汽的压力或温度高于设定的工作压力时，能够及时打开，放掉一部分蒸汽，从而保证进入主汽门的压力稳定在一定的范围内。进入旁路的蒸汽最终进入凝汽器，由于蒸汽温度较高，在旁路系统设有二级减温。另外，在旁路系统备有联锁，当系统中某些工艺参数不满足时，产生相应的快开或快关动作。旁路流程如图1。

         　　　　　　　　　　　　　　　   图1  旁路流程图
   
 　   3.1 功能设置
   
   　 汽机旁路为高、低压两级串联旁路系统。高压旁路被控对象为减压阀、喷水隔离阀、喷水调节阀；低压旁路为减压阀、一级喷水调节阀、二级喷水阀。所有阀门由单速电动执行器驱动。旁路控制系统有启动、溢流和安全三个主要功能（即三用阀功能），此外还有回收工质、暖管、清洗、减少汽阀和叶片侵蚀等功能。

   　 （1）启动功能：其目的是为改善机组的启动特性而设置的。可以提高锅炉在启动过程中的燃烧率；使蒸汽温度与汽轮机缸温得到最佳匹配；从而缩短机组启动的时间，减少寿命损耗。

    　（2）溢流功能：其目的实际为吸收机、炉之间的不平衡负荷而设置的。可以排泄机组在负荷瞬变过度过程中的剩余蒸汽；调整稳定争气压力；维持锅炉在不投油情况下的最低稳燃负荷。

   　 （3）安全功能：取代锅炉安全阀的功能。机组旁路系统投入备用后，当机组的机前实际压力与机组高压旁路压力设定值差值大于旁路超压偏置设定值时，旁路系统将自动参与压力调节，维持主蒸汽压力等于设定值。
   
  　  3.2  旁路系统的调节、控制和保护功能
   
  　  锅炉点火前高、低压旁路处于关闭状态，旁路系统如投入自动，系统按照一定的曲线开启阀门。当达到汽机的冲转参数时，deh向bpc发出关闭信号，高、低压旁路按照一定的逻辑关闭，正常工况下它不再开启。
   
   　 旁路系统可在启动工况提升汽温、汽压。机组在锅炉点火至汽机冲转前，投入高、低压旁路系统(也称高旁、低旁)可加快蒸汽升温升压速度，缩短机组启动时间。并附有稳定蒸汽压力，以及在事故工况下的保护功能。可适应机组冷、热态等各种条件下的启动要求；负荷变化过程的压力调节；保护过热、减少安全阀动作、回收工质等。并设有溢流功能。还可适应汽轮机甩负荷维持空负荷运行，汽轮机跳闸实现停机不停炉。

   　 （1）压力控制:控制主蒸汽压力，设有定阀位控制、定压控制。低旁设有低压力限值，设有高压力限值，以保证机组升负荷后低旁阀位全关。温度控制：控制高、低压旁路阀后温度，保持冷段蒸汽温度及不使凝汽器温度过高；可实现不同蒸汽流量工况下的变参数调节。
   
  　  2）保护功能：旁路阀快开、快关功能：为了机组及设备的安全，快关优先于快开；高旁阀开、低旁阀开；低旁阀关、高旁阀关；快开：在机组事故工况下，旁路快开，起超压保护作用；快关：高旁出口温度过高或低旁关闭均使高旁快关；凝汽器真空低、凝汽器温度高、凝汽器水位高、低旁减温水压力低等均使低旁快关。
   
    　3.3 旁路的控制策略
    
    　（1）高压旁路：在高旁阀控方式下，通过旁路主控画面可设置目标阀位和阀位变化率，来调整主汽压力。高压旁路压力调节阀以电动隔离门前蒸汽压力为过程值当高于设定值时打开高压旁路压力调节阀，低于设定值时关闭调节阀。高旁控制原理如图2。

         　　　　　　　　　　　　　　   图2  高压旁路控制原理
   
  　  y max -bp 阀位最大值设定； bp-高旁阀；p sactual -最终主汽压力设定值； dp-压力偏差设定；y s -阀位指令；bpe-高旁喷水阀； p steam -主汽压力；  bd-高旁隔离阀； pt-比例积分器。
 
  　  （2）低压旁路系统：低压旁路系统的作用就是在启动或甩负荷时把再热汽旁路到凝汽器， 以达到保护预热器和汽轮机的目的，
   
  　  低压旁路系统包括低旁压力控制和低旁温度控制两套系统。
   
 　   低压旁路在机组启动阶段， 运行人员可以设定最小压力pm in (外给定1×105pa)来控制再热器出口压力，以维持一定的蒸汽流量通过预热器。当汽机冲转后，压力设定值ps随汽机调速级压力(代表汽机负荷) 变化而变化，低旁滑压运行。压力设定值ps=p rh+$p，以保证lbp阀处于关闭状态。为保护凝汽器，lbp阀设有快关装置ssb，当以下任一情况出现时， 快关装置将会动作， lbp阀在2s内关闭：凝汽器压力>-5.066×104pa；凝汽器温度>80℃；喷水压力<5×105pa；凝汽器水位高。
   
  　  对于低旁温度控制系统是其控制系统的被调量不是低旁后温度， 而是低旁减温调节阀的开度，即低旁温度控制是一种随动调节。低旁减温调节阀的开度是由再热汽压力、低旁减压阀的开度和再热汽温度共同决定的， 其表达式如下：
   
            令    ta=max(t-250，0)
            a=1+0.0043ta×0.14(0.5 p+1)
            b=f(p)×20+0.2
            c=1.18f(l)l
            则k=kp+a·b·c
   
   　 其中t为再热汽温度；p为再热汽压力；l为低旁减压阀开度；kp为低旁减温水调节阀最小开度；k为低旁减温水调节阀开度。
    
　   3.4 旁路的安全控制及保护
   
    　（1）以下任一条件满足时，高旁减压阀强关：
            
            汽机超速110%(旁路投入) ；
            高旁后温度高于390℃(延迟10s) ；
            高旁喷水压力低；
            deh 要求切除旁路。
   
  　  （2）无高旁强关信号，同时机前压力大于6mpa时，以下任一条件发生时，高旁减压阀强开：
   
            汽机跳闸；
            发电机跳闸；
            机前压力升压过快。
   
   　 （3）低旁压力保护。以下任一条件满足时，低旁减压阀强关：
           
            凝汽器真空低于(三取二) 85kpa ；
            低旁喷水压力低；
            低旁后温度高于190 ℃；
            凝汽器水位高，deh 要求切除旁路( 低旁进口压力低于0.11mpa)当无低旁强关信号，同时低旁一级喷水阀大于10%，在以下任一条件满足时，低旁减压阀强开：高旁强开；汽机超速110%。
            
4  结束语
            
   　 机组运行结果表明：bpc系统在锅炉点火至汽轮机挂闸前的过程中起到了提升蒸汽温度、压力的作用，对提高机组的启动性能、缩短启动时间发挥了作用。控制系统组态软件透明、画面丰富。电动旁路系统与液动旁路系统相比，具有易维护、易操作的优点。保证了电厂可靠、安全、稳定运行，对于发展循环经济、争取最佳效益、创清洁工厂起着重大作用。