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摘要：本文簡(jiǎn)述了汽輪機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的控制技術(shù)和手段。根據(jù)汽輪機(jī)的原理和控制系統(tǒng)特性，利用先進(jìn)的控制技術(shù)改造而成即實(shí)用又簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)

淺談汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)

摘要：本文簡(jiǎn)述了汽輪機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有的控制技術(shù)和手段。根據(jù)汽輪機(jī)的原理和控制系統(tǒng)特性，利用先進(jìn)的控制技術(shù)改造而成即實(shí)用又簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速控制功率控制壓力負(fù)載

Improvedtocontrolsystemofsteamturbine

Yunnanyunweico.ltdHuangzhaorong

Alstract;Thearticlesynopsisofprinciplestruceturalandcontroltechniqueofsteamturbineaccordingtotheprinciplecodchcvractesticofcontrolsystem;utilizationadvancetechniqueimproredtooldcontrolsystembepracticalbityandsimplification

KeyWoeds;specd.cotrolpowercontrolpressavelocal

－、概述：汽輪機(jī)是由本體、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、油路、蒸汽路等部分組成。蒸汽經(jīng)電動(dòng)門主氣閥、自動(dòng)門主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥到噴嘴沖動(dòng)葉輪使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。入口壓力與出口壓力之間的差壓越大、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就越快。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)負(fù)載做功。負(fù)載的變化會(huì)影響轉(zhuǎn)速，入口和出口蒸汽壓力的變化也會(huì)影響轉(zhuǎn)速的變化，凝結(jié)水溫度的變化和真空的變化也會(huì)影響轉(zhuǎn)速的變化。

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)是轉(zhuǎn)子的能量平衡方程式即：

J*dε/dt=MT–MG–Mf

J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m.s2）ε為轉(zhuǎn)子角速度MT蒸汽轉(zhuǎn)矩

MG為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Mf為阻力力矩

MT=4.73*D*H0*η0e/n

D是進(jìn)汽輪機(jī)蒸汽流量(Kg/h)H0絕熱焓降

η0e是汽機(jī)相對(duì)效率n轉(zhuǎn)速

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩取主要決于負(fù)載的特性數(shù)學(xué)表示為

Mg=K1+K*n+K3*n

Mf與真空、轉(zhuǎn)速及油溫等因素有關(guān)

從以上可以看出，改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量D就能改變MT，MT能隨Mg的變化，維持轉(zhuǎn)速在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是機(jī)組做功的功率與外界負(fù)載相適應(yīng)時(shí)，保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)外界負(fù)載或機(jī)組本身變化時(shí)，平衡被打破，這時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變汽輪機(jī)的功率使之建立新的平衡。并保持轉(zhuǎn)速的偏差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

從以上的變化中可以看出轉(zhuǎn)速的變化綜合反映了各個(gè)因素變化的情況。因此只要將轉(zhuǎn)速控制在規(guī)定范圍內(nèi)，其它的因素就容易控制好。

以前的控制系統(tǒng)是全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由

速度傳感器

壓力變換器液壓調(diào)速器

錯(cuò)油門油動(dòng)機(jī)

油箱、注油器、逆止閥、主油泵、節(jié)流孔組成。動(dòng)作過(guò)程方框圖如圖1所示

現(xiàn)有汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)主要是采用DEH控制系統(tǒng)，主要控制方法是（EH）和數(shù)字控制系統(tǒng)（D），而DEH控制系統(tǒng)主要采用磁力斷路油門、錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)DDV、OPC、控制器等，這些控制手段完全依靠油來(lái)進(jìn)行控制信號(hào)的傳遞，因此對(duì)油質(zhì)的要求很高。而設(shè)備內(nèi)的油長(zhǎng)時(shí)間使用就會(huì)產(chǎn)生油垢、堵塞油孔從而產(chǎn)生安全隱患。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)   DEH系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制部分與液壓控制部分(EH)兩部傷組成。DEH部分完成控制、控制邏輯的運(yùn)算，通過(guò)操作員站等人機(jī)接口設(shè)備完成運(yùn)行、操作、監(jiān)控及系統(tǒng)管理。對(duì)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過(guò)各種控制策略、控制回路的運(yùn)算，最終的閥門控制指令輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由液壓執(zhí)行部件驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)汽閥完成對(duì)機(jī)組的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等被調(diào)節(jié)變量的控制。人機(jī)接口是操作人員或系統(tǒng)工程師與DEH系統(tǒng)的人機(jī)界面。操作員通過(guò)操作員站對(duì)DEH進(jìn)行操作，給出汽輪機(jī)的運(yùn)行方式、控制目標(biāo)值等各種控制指令，完成各種試驗(yàn)，進(jìn)行回路投切等。   EH系統(tǒng)是DEH的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要包括供油裝置（油泵、油箱）、油管路及附件（蓄能器等）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）、危急遮斷系統(tǒng)等。供油系統(tǒng)為系統(tǒng)提供壓力油。執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)DEH的指令信號(hào)，控制油動(dòng)機(jī)的位置，以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)各蒸汽進(jìn)汽閥的開度，從而控制汽輪機(jī)運(yùn)行。危急遮斷系統(tǒng)響應(yīng)控制系統(tǒng)或汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出的指令，當(dāng)DEH發(fā)出超速控制信號(hào)時(shí)，緊急關(guān)閉調(diào)節(jié)閥；當(dāng)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)信號(hào)或機(jī)械超速等動(dòng)作引起汽輪機(jī)安全油泄去時(shí)，危急遮斷系統(tǒng)緊急關(guān)閉全部汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽門，使機(jī)組安全停機(jī)。調(diào)門的安全油為OPC油，主汽門的安全油為AST安全油。OPC安全油泄去時(shí)，調(diào)門快速關(guān)閉；AST安全油泄去時(shí)，同時(shí)通過(guò)單向閥泄去OPC安全油，所有閥門快速關(guān)閉，汽輪機(jī)緊急跳閘。因此，必須對(duì)原來(lái)的控制手段進(jìn)行改造才能提高汽輪機(jī)的工作效率和可靠性。

二，改進(jìn)方法：在保證汽輪機(jī)正常工作的前提下。充分利用現(xiàn)有的控制手段、測(cè)量手段和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如DCS、FCS等控制系統(tǒng)；以及光電式、感應(yīng)式、霍耳式等速度傳感器；氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。并對(duì)這些控制設(shè)備和控制技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，就可以提高現(xiàn)有汽輪機(jī)的工作效率和可靠性。

DCS控制系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)，可靠性高，功能強(qiáng)大，使用方便。它有控制、報(bào)警、累積、聯(lián)鎖等功能。釆用ABB公司的AC800F。

系統(tǒng)概述

IndustrialIT系統(tǒng)是ABB公司推出的一種全能綜合型開放控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)融傳統(tǒng)的DCS和PLC優(yōu)點(diǎn)于一體并支持多種國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它既具備DCS的復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機(jī)界面(HMI)及方便的工程軟件，同時(shí)又具有與高檔PLC指標(biāo)相當(dāng)?shù)母咚龠壿嫼晚樞蚩刂菩阅堋?/p>

系統(tǒng)既可連接常規(guī)I/O，又可連接RemoteI/O及Profibus、FF、CAN、Modbus等各種現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備。

系統(tǒng)具備高度的靈活性和極好的擴(kuò)展性，無(wú)論是小型生產(chǎn)裝置的控制，還是超大規(guī)模的全廠一體化控制，甚至對(duì)于跨廠的管理控制應(yīng)用，IndustrialIT都能應(yīng)付自如。

系統(tǒng)分為兩級(jí)：操作管理級(jí)(操作站OS、工程師站ES及網(wǎng)關(guān)GS)和過(guò)程控制級(jí)(過(guò)程站PS及現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F)。在操作管理級(jí)上不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)監(jiān)控操作功能(預(yù)定義及自由格式動(dòng)態(tài)畫面顯示、趨勢(shì)顯示、彈出式報(bào)警及操作指導(dǎo)信息、報(bào)表打印、硬件診斷等)，而且完成配方管理及數(shù)據(jù)交換等管理功能。過(guò)程控制級(jí)實(shí)現(xiàn)包括復(fù)雜控制在內(nèi)的各種回路調(diào)節(jié)（各種PID、比值、Simith……）和高速邏輯控制、順序控制以及批量間歇控制功能。

組態(tài)與調(diào)試工具軟件ControlBuildF

ControlBuildF是IndustrialIT系統(tǒng)的工程工具，它是集組態(tài)(包括硬件配置、控制策略、HIS即人機(jī)接口等組態(tài))、工程調(diào)試和診斷功能為一體的工具軟件包。ControlBuildF采用統(tǒng)一的系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)和交叉參考工具，不僅能方便地完成控制組態(tài)，而且是一個(gè)高性能的過(guò)程調(diào)試工具。IndustrialIT系統(tǒng)過(guò)程控制站PS和現(xiàn)場(chǎng)控制器AC800F所需的各種控制算法和策略都是由

ControlBuildF來(lái)組態(tài)的，并采用圖形化的組態(tài)方法(符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn))。

ControlBuildF也用于對(duì)操作站人機(jī)接口(HIS)功能的組態(tài)并還可直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。

控制算法和策略組態(tài)可選用以下IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)方法中的一種或幾種：

FBD（功能方塊圖）LD（梯形圖）

SFC（順序功能圖）IL（指令表）ST（結(jié)構(gòu)化文本）

ControlBuildF安裝在IndustrialIT系統(tǒng)工程師站上,完成后的組態(tài)結(jié)果由工程師站通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下載至相應(yīng)的PS、FC及操作站OS中。

系統(tǒng)提供一個(gè)含有190多種功能模塊(標(biāo)準(zhǔn)算法程序)的功能塊庫(kù)。用戶還可自定義功能塊。ControlBuildF提供200多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))及大量美觀實(shí)用的立體圖例可供HIS組態(tài)選用。

ControlBuildF在執(zhí)行組態(tài)編譯時(shí)能自動(dòng)查找定位錯(cuò)誤源，交叉參考功能可幫助工程師迅速查找對(duì)應(yīng)的變量位號(hào)、功能塊及操作畫面。ControlBuildF可引入或?qū)С鯝SCII程序、顯示畫面、變量位號(hào)和部分項(xiàng)目樹。ControlBuildF還可輸出包括全部組態(tài)結(jié)果的圖形化工程文檔。

ControlBuildF還具有如下特點(diǎn)：

使用同一工程軟件完成控制策略組態(tài)和HMI組態(tài)。(即硬件配置組態(tài)、過(guò)程控制編程、操作站組態(tài)一體化)

高性能圖形化組態(tài)編輯工具，符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)

功能庫(kù)提供190多個(gè)功能(算法)模塊

宏庫(kù)提供200多個(gè)可擴(kuò)展和定義的圖形符號(hào)和大量三維圖例供畫面組態(tài)

采用項(xiàng)目樹使得程序生成靈活，程序組織清晰明了

采用統(tǒng)一的系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

Windows下的在線幫助功能

項(xiàng)目文件備份口令保護(hù)

操作管理級(jí)

操作管理級(jí)主要包括操作站、工程師站、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、管理計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件，另外還包括打印機(jī)、操作臺(tái)等輔助設(shè)備。操作站的任務(wù)是生產(chǎn)監(jiān)控，即綜合監(jiān)視來(lái)自過(guò)程控制級(jí)的所有信息，進(jìn)行監(jiān)示、報(bào)警、趨勢(shì)生成、記錄、打印輸出及人工干預(yù)操作(發(fā)送命令、修改參數(shù)等)。工程師站用于系統(tǒng)軟件組態(tài)和調(diào)試投運(yùn)。

操作員站上的操作監(jiān)控軟件DigiVis及工程師站上的組態(tài)調(diào)試軟件ControlBuildF是操作管理級(jí)必須的軟件(均基于WindowsNT)。另外可選的軟件主要有權(quán)限鎖定軟件(DigiLock)、批量控制軟件(DigiBatch)、運(yùn)行在管理PC機(jī)上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)瀏覽軟件(DigiBrowse)及運(yùn)行在數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)PC上的開放數(shù)據(jù)接口軟件(DigiDDE,DigiOPC,DigiAPI)。

速度傳感器用途更加廣泛，可靠性更高。

具體改造步驟：以抽汽式汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。調(diào)速系統(tǒng) 

汽輪機(jī)在并網(wǎng)前是進(jìn)行速度控制，而并網(wǎng)后進(jìn)行功率控制。并網(wǎng)前的控制是以速度為主控參數(shù)、干擾因素有蒸汽壓力、抽出蒸汽壓力、真空等。起動(dòng)后，汽輪機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)生的機(jī)械輸出功率經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電磁功率，提供給電網(wǎng)負(fù)載。電網(wǎng)負(fù)載經(jīng)常是變化，電功率變化速率遠(yuǎn)比機(jī)械功率快得多。機(jī)械輸出功率不能及時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速便隨著變化，破壞電網(wǎng)頻率的變化。因此，為了保證發(fā)電機(jī)負(fù)荷在空載至滿載的整個(gè)范圍內(nèi)汽輪機(jī)總是在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，汽輪機(jī)必須裝設(shè)調(diào)速系統(tǒng)。其控制圖如圖2所示：

2、并網(wǎng)后，汽輪機(jī)是以發(fā)電為主，這時(shí)的主控制參數(shù)是發(fā)電量即功率。如果輸出功率等于給定功率時(shí)，那么機(jī)組的實(shí)際轉(zhuǎn)速也就等于轉(zhuǎn)速的給定值，控制器的輸出不變，進(jìn)汽調(diào)節(jié)汽閥處于相對(duì)應(yīng)的靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)電網(wǎng)實(shí)際功率變化時(shí)，轉(zhuǎn)速也發(fā)生相應(yīng)的變化，控制器的輸出值發(fā)生變化，變化值經(jīng)電－液轉(zhuǎn)換器等都有相應(yīng)的輸出，驅(qū)動(dòng)油動(dòng)機(jī)去調(diào)節(jié)進(jìn)汽調(diào)節(jié)汽閥的開度，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率。調(diào)整給定功率值可以改變汽輪機(jī)的負(fù)荷能力。在起動(dòng)升速過(guò)程中發(fā)電機(jī)空載，功率反饋通道沒(méi)有反饋信息，這時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定值可以改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂苹芈穲D如圖2所示。

以上控制回路的控制質(zhì)量能滿足工藝要求偏差小于1%，為了進(jìn)一步提高控制質(zhì)量，對(duì)圖2、3控制回路進(jìn)行改造，改造后的控制回路，控制偏差將小于0.5%。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速在3000±15轉(zhuǎn)/分之間。比現(xiàn)有3000±30轉(zhuǎn)/分偏差小。

3、控制手段采用速度傳感器、速度變送器、DCS控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該控制系統(tǒng)對(duì)油的質(zhì)量要求不高。只有執(zhí)行結(jié)構(gòu)須用油，油路斷開后調(diào)節(jié)氣閥自動(dòng)關(guān)閉、其時(shí)間不到1秒鐘。

4、安全可靠：為提高汽輪機(jī)的安全可靠性，將速度傳感器（兩臺(tái)）安裝在汽輪機(jī)外殼的機(jī)頭上，變送器兩臺(tái)，AI卡兩塊互為冗余，另外還有三個(gè)速度顯示回路。功率變送器釆用三塊，兩塊用在控制系統(tǒng)中、AI卡互為冗余，一塊用于顯示和累積。自動(dòng)主汽門保留，主蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路也保留。其余一些安全措施也保留。

在速度控制回路中，設(shè)置了103%高報(bào)警，110%高高報(bào)警，打閘停車。使自動(dòng)主汽門迅速關(guān)斷主蒸汽。

三、改進(jìn)后的控制系統(tǒng)：改進(jìn)后的控制系統(tǒng)使汽輪機(jī)機(jī)組抗干憂性更強(qiáng)，運(yùn)行更穩(wěn)定，操作維護(hù)更方便。使用的元件更少，可靠性更高。

1、速度控制系統(tǒng)如圖4所示

2、功率控制回路如圖5所示

兩個(gè)控制回路切換時(shí)是無(wú)憂切換。

從以上方框圖可以看到，改造后的控制系統(tǒng)省去了壓力變換器，錯(cuò)油門，調(diào)壓器等液動(dòng)設(shè)備。功能不省，只是將液動(dòng)設(shè)備改為電動(dòng)設(shè)備。同時(shí)將油動(dòng)機(jī)進(jìn)行略加改動(dòng)即可。

四、結(jié)束語(yǔ)：壓力控制系統(tǒng)，真空控制系統(tǒng)及油溫控制均釆用單回路控制系統(tǒng)。

五、參考文獻(xiàn)：

1、DEH安裝使用說(shuō)明書

2、ABBAC800F培訓(xùn)教材

3、沈惠坊張克舫編《汽輪機(jī)技術(shù)問(wèn)答》中國(guó)石化出版社2001年4月出版

4、北京化工學(xué)院等合編厲玉嗚主編《化工儀表及自動(dòng)化》化學(xué)工業(yè)出版社1981年7月出版