燃气蒸汽联合循环机组汽轮机DEH控制优化

燃气蒸汽联合循环机组汽轮机DEH控制优化
卢辉;杨君君;罗建超;马绪胜
【摘要】本文以提高汽轮机DEH控制的自动化水平、改善调节品质、减少手动操作量为目标,对原设计控制方式进行优化,其中启动冲车、进汽阀控制、供热模式切
换控制优化的理念,可为其它机组提供参考与启发.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)010
【总页数】5页(P61-65)
【关键词】汽轮机;DEH;运行;启动冲车;进汽阀控制;模式切换;优化
【作者】卢辉;杨君君;罗建超;马绪胜
【作者单位】华能北京热电有限责任公司,北京100023;华能北京热电有限责任公司,北京100023;华能北京热电有限责任公司,北京100023;华能北京热电有限责任
公司,北京100023
【正文语种】中文
【中图分类】TM621
0 引言
某电厂“二拖一”分轴式燃气-蒸汽联合循环机组，由两台三菱M701F5型燃机与一台LZN352型汽轮机组成。

蒸汽轮机为再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机组，
不设计抽汽，不参与负荷调节，高中压模块和低压模块之间采用SSS离合器连接，
蒸汽轮发电机位于高压侧，低压模块可通过SSS离合器脱开，供热工况下蒸汽轮
机既可背压运行也可抽凝运行，非供热工况纯凝运行。

两台余热锅炉产生的高压主蒸汽经各自的高压并汽电动门合并后，通过高压进汽阀进入高压缸做功，排出的冷再热蒸汽分两路分别与两台余热锅炉的中压新蒸汽汇合后进入再热器，产生的再热蒸汽经各自的中压并汽电动门合并后，通过中压进汽阀进入中压缸做功。

两台炉产生的低压蒸汽经各自的低压并汽电动门合并后，通过低压进汽阀与中压缸排汽混合后经供热调阀（ELCV）引至热网加热器或经MESV和MECV进入低压缸做功，如图1所示。

对于调峰、供热机组来说，汽轮机的正常操作内容主要包括：启动冲车、暖机、并网、进汽阀门调节、供热模、式切换、定期试验等项目；其中，启动冲车、进汽阀门调节、供热模式切换3项操作内容尤其重要，控制过程的优劣对机组的安全、
稳定运行起到了决定性作用；由于LZN352为联合循环机组第一台全新汽轮机型，DEH控制方式仍沿用煤机的控制理念，与燃机的高自动化、快速启动的特性相比
存在颇多不灵活性。

因此，本文对以上3项操作项目控制方式的优化进行重点说明。

1 启动冲车控制的优化
根据汽轮机厂要求，汽轮机冲车升速时转速在0rpm～500rpm区间升速率为
100rpm/min，转速在500 rpm～3000rpm区间升速率为300rpm/min。

冷态时汽轮机需要在500rpm进行摩擦检查，在1850rpm时进行暖机。

原控制系统中
汽轮机目标转速、升速率均由值班员进行手动设置，值班员需要反复手动更换目标及速率设定，如果发生误操作，将威胁机组设备安全。

为彻底杜绝误操作并提高自动化水平，本文将目标转速、升速率的两个手动设定模块删除，如图2所示，将
设定直接做入控制逻辑中，增加冷、温、热态条件判定，由逻辑决定目标转速及升速率。

图1 二拖一联合循环机组汽轮机主蒸汽系统Fig.1 Main steam system of steam turbine for two-tow-one combined cycle unit
图2 转速设置逻辑模块优化Fig.2 Optimization of rotational speed setting logic module
优化后汽轮机的冲车过程只需一键启动，逻辑自动根据汽轮机当前状态进行各节点的暖机、升速，标准化启动过程，缩短了启动时间并防止误操作的发生。

2 进汽阀控制的优化
原设计进汽控制系统如图3所示，高、中、低压进汽压力给定、每个进汽阀门的
开度和变化率都由值班员手动设定，由于操作员认知不一样，阀门的开度和变化率的设定就存在很大随意性。

同时还有滑压、定压选择，低压压力手/自动控制，一
堆手动操作窗口让人无所适从，操作过程繁杂不便于快速上手熟悉。

图3 原设计进汽控制系统操作画面Fig.3 The original design of the steam control system operation screen
图4 进汽压力的设定Fig.4 The setting of steam inlet pressure
考虑到二拖一联合循环机组的特性：燃气轮机具有快速启动的优点，同时汽轮机负荷由燃机负荷决定，不参与负荷调节。

因此，目标是提高汽轮机的自动化控制水平，简化运行操作过程，提高联合循环效率。

在燃机启动后，利用燃机排气余热产生的蒸汽能尽快全部进入汽轮机做功，在汽机并网后，尽早地全开进汽阀门以减少节流损失，最大化地提高联合循环效率。

因而删除手动选择滑压、定压模块，同时删除高、中、低压进汽压力手动给定模块，引入汽轮机最低进汽压力的条件，在逻辑中进行对比判断。

当实际蒸汽压力大于最低进汽压力时，进汽阀逐渐全开然后进入滑压模式；当实际蒸汽压力小于最低进汽压力时，进汽阀逐渐关小以维持阀前压力不低于最低值，进入定压模式，如图4所示。

整个过程定压与滑压控制切换更加顺
畅高效，不需要人为进行压力设定，避免了当实际压力偏高时，而阀门仍未全开造
成节流损失，提高了效率。

图5 原设计供热模式画面Fig.5 The original design heating mode screen
由于高、中压缸是对冲布置，为维持轴向位移的稳定，高、中压缸应同时进汽以均衡轴向推力，这就要求高、中压进汽阀同时开、关。

原设计系统中，高、中压进汽阀开度及速率都是单独由值班员手动设置，无法保证高、中压进汽的匹配性，容易导致轴向位移来回串动。

因此，将高、中、低压进汽阀的所有手动设定模块删除，将高、中压进汽阀的控制合并为一个压控模块。

在汽轮机并网后投入该压控模块，高、中压进汽阀则自动跟踪各自阀前压力，与此同时对应的高、中压旁路系统处于后备压力模式，各自旁路以一定的压力升速率逐渐关闭，主汽阀同时逐渐开启以维持最低压力，阀位开度根据实际进汽压力与最低压力值的偏差进行PID计算得出，直至全开，整个控制过程通过逻辑设定参数实现，不需要任何手动设置。

高、中、低压进汽阀与高、中、低压旁路协调控制阀前压力，这种自动滑压控制与运行人员手动改变主蒸汽压力设定值的手段相比，不仅减少了运行人员的劳动强度，降低了误操作的风险，而且改善了自动系统的调节品质。

3 供热模式切换的优化
如图5所示原设计MECV、ELCV都设有手/自动选择、目标及升压率，由运行人
员设定抽汽压力，投入自动状态时，ELCV跟踪抽汽压力，但是汽轮机设有中排压力高、低保护，保护定值是由中压缸入口压力计算得出的两条高、低限曲线，如图6所示。

原设计控制方式下，中排压力完全失控，人为设定抽汽压力并不能保证中排压力在图6要求的压力控制曲线内，极有可能造成汽轮机中排压力保护动作跳闸，且存在误操作的可能性。

山东某电厂从试运开始一直使用的是该DEH控制系统，由于MECV、ELCV的控制目标不明确，且手动无法控制精准，一直未能顺利地进行供热模式切换。

汽轮机阀门状态的管理原则，如表1所示。

在背压模式下，中压缸排汽压力通过
ELCV来控制，逻辑优化如图7所示。

在抽凝模式下，中压缸排汽压力通过MECV 来控制，ELCV调整供热量。

供热模式下运行时MECV与ELCV需有且只有一个在自动状态控制中排压力，整个模式切换过程也应遵照该原则，同时以逻辑顺控功能组的形式来实现切换过程，可以做到操作过程衔接顺畅、无误，这也是在DEH系统中首次实现顺控进行模式切换的做法。

图6 中压缸排汽压力控制及报警保护曲线Fig.6 Pressure control and alarm protection curve of pressure cylinder exhaust gas
表1 汽轮机阀门状态管理原则Table 1 Steam turbine valve state management principles控制阀MECV ELCV模式一（背压供热）全关中压排汽压力控制模式二（纯凝工况）全开全关模式三（抽凝工况）中压排汽压力控制手动调节
3.1 纯凝转抽凝顺控
在纯凝模式下，选择“抽凝方式三”：
Step1：MECV投自动，跟踪中压缸排气压力；反馈1：MECV已投自动。

Step2：ELCV投手动；反馈2：ELCV已投手动。

Step3：切换完成。

切换完成后，值班员进行手动操作逐渐开大ELCV增加供热量，MECV此时会自动关小以控制中排压力稳定。

3.2 抽凝转背压顺控
在抽凝模式下，选择“背压方式一”：
Step1：解锁SSS离合器；反馈1：SSS离合器已解锁。

Step2：ELCV投自动，跟踪中压缸排气压力；反馈2：ELCV已投自动。

Step3：MECV投手动；反馈3：MECV已投手动。

Step4：以一定速率关MECV；反馈4：MECV已关。

Step5：关MESV；反馈5：MESV已关。

Step6：切换完成。

该模式下，由ELCV来按照图6所示曲线进行中压缸排汽压力的控制，若要调整供热量，需通过改变机组电负荷的方式进行调整。

3.3 背压转抽凝顺控
在背压模式下，选择“抽凝方式三”：
图7 ELCV控制逻辑优化后Fig.7 After ELCV control logic optimization
Step1：ELCV投自动，跟踪中压缸排气压力；反馈1：ELCV已投自动。

Step2：MECV投手动；反馈2：MECV已投手动。

Step3：开MESV；反馈3：MESV已开。

Step4：设定低压缸目标转速3000rpm；反馈4：低压缸转速3000rpm。

Step5：锁定SSS离合器；反馈5：SSS离合器已锁定。

Step6：MECV投自动，跟踪中压缸排气压力；反馈6：MECV已投自动。

Step7：ELCV投手动；反馈7：ELCV已投手动。

Step8：切换完成。

切换完成后，应手动快速减小ELCV开度，使MECV开大以避免低压缸因进汽量不足，鼓风造成低压缸排汽温度升高。

3.4 抽凝转纯凝顺控
在抽凝模式下，选择“纯凝方式二”：
Step1：MECV投自动，跟踪中压缸排气压力；反馈1：MECV已投自动。

Step2：ELCV投手动；反馈2：ELCV已投手动。

Step3：以一定速率关ELCV；反馈3：ELCV已关。

Step4：MECV投手动；反馈4：MECV已投手动。

Step5：以一定速率开MECV；反馈4：MECV已全开。

Step6：切换完成。

上述4个切换过程，相比原设计中MECV、ELCV都处于手动状态的切换而言，中排压力控制更精确稳定，提高了机组运行的安全稳定性。

将模式切换完全由逻辑控制，实现的标准化顺控，具有可复制性且能最大化地缩短切换操作时间，降低人为操作的运行风险。

该模式切换控制策略成功实施后，复制给上述山东该电厂，最终该厂也顺利完成了供热模式切换操作。

图8 优化后供热模式画面Fig.8 Optimized heating mode screen
4 操作界面的优化
汽轮机DEH是单独由汽轮机厂自主设计的一套控制系统，操作界面及画面风格与余热锅炉、公用等其他DCS系统风格都不一致，十分不协调。

因此，将原设计界面进行了重新布局，将汽轮机从启动到停止全过程操作中的状态用块状点亮形式表示，同时能操作的窗口用凸出按钮表示，不能操作的只平面显示，状态变化是通过颜色来辨别，让人一目了然，整个画面采用红色、蓝色两种亮色系来表示状态、参数，以突出运行监视重点。

如图8所示供热模式画面，为了便于操作过程中的监视，将中排压力控制值直接显示在操作画面上，用于观察监视ELCV、MECV的协调配合情况，对比上图5中原设计画面，操作更加简单，画面也更加简洁。

由于联合循环机组系统众多，监视画面十分繁杂，因而以最少的画面来展现尽可能多的参数内容变得至关重要，将重要参数内容集中在一起，删除重复性内容避免杂乱无章的摆设，最终将原设计的12副画面优化成6副，大大减轻了值班员的监视任务。

5 结语
针对原厂设计的DEH自动化程度低，操作步骤繁杂的缺点，本文以从汽轮机启动到正常运行模式切换的顺序，对启动冲车控制，进汽阀门控制，模式切换控制的优化进行了阐述。

优化后操作更加简单，自动控制更加完善，操作画面更加人性化；
同时大大缩短了操作时间，提高了启动过程的机组效率，其控制理念具有很强的可复制性。

参考文献：
【相关文献】
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