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摘要：本文簡述了汽輪機的工作原理、結構以及現(xiàn)有的控制技術和手段。根據(jù)汽輪機的原理和控制系統(tǒng)特性，利用先進的控制技術改造而成即實用又簡單的控制系統(tǒng)

淺談汽輪機的控制系統(tǒng)

摘要：本文簡述了汽輪機的工作原理、結構以及現(xiàn)有的控制技術和手段。根據(jù)汽輪機的原理和控制系統(tǒng)特性，利用先進的控制技術改造而成即實用又簡單的控制系統(tǒng)。

關鍵詞：轉速控制功率控制壓力負載

Improvedtocontrolsystemofsteamturbine

Yunnanyunweico.ltdHuangzhaorong

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KeyWoeds;specd.cotrolpowercontrolpressavelocal

－、概述：汽輪機是由本體、汽輪機轉子、油路、蒸汽路等部分組成。蒸汽經(jīng)電動門主氣閥、自動門主汽閥、調節(jié)汽閥到噴嘴沖動葉輪使葉輪轉動。入口壓力與出口壓力之間的差壓越大、轉子的轉速就越快。轉子轉動帶動負載做功。負載的變化會影響轉速，入口和出口蒸汽壓力的變化也會影響轉速的變化，凝結水溫度的變化和真空的變化也會影響轉速的變化。

汽輪機控制系統(tǒng)設計根據(jù)是轉子的能量平衡方程式即：

J*dε/dt=MT–MG–Mf

J為轉子的轉動慣量（Kg.m.s2）ε為轉子角速度MT蒸汽轉矩

MG為發(fā)電機的電磁轉矩Mf為阻力力矩

MT=4.73*D*H0*η0e/n

D是進汽輪機蒸汽流量(Kg/h)H0絕熱焓降

η0e是汽機相對效率n轉速

發(fā)電機的電磁轉矩取主要決于負載的特性數(shù)學表示為

Mg=K1+K*n+K3*n

Mf與真空、轉速及油溫等因素有關

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

汽輪機控制系統(tǒng)的任務是機組做功的功率與外界負載相適應時，保持發(fā)電機運行穩(wěn)定，當外界負載或機組本身變化時，平衡被打破，這時調節(jié)系統(tǒng)改變汽輪機的功率使之建立新的平衡。并保持轉速的偏差在規(guī)定范圍之內(nèi)。

從以上的變化中可以看出轉速的變化綜合反映了各個因素變化的情況。因此只要將轉速控制在規(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)是全液壓調節(jié)系統(tǒng)，由

速度傳感器

壓力變換器液壓調速器

錯油門油動機

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

現(xiàn)有汽輪機的控制系統(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、錯油門、油動機DDV、OPC、控制器等，這些控制手段完全依靠油來進行控制信號的傳遞，因此對油質的要求很高。而設備內(nèi)的油長時間使用就會產(chǎn)生油垢、堵塞油孔從而產(chǎn)生安全隱患。

系統(tǒng)的硬件結構   DEH系統(tǒng)由計算機控制部分與液壓控制部分(EH)兩部傷組成。DEH部分完成控制、控制邏輯的運算，通過操作員站等人機接口設備完成運行、操作、監(jiān)控及系統(tǒng)管理。對汽輪機、發(fā)電機運行參數(shù)的實時采集，經(jīng)過各種控制策略、控制回路的運算，最終的閥門控制指令輸出到執(zhí)行機構，由液壓執(zhí)行部件驅動調節(jié)汽閥完成對機組的負荷、轉速等被調節(jié)變量的控制。人機接口是操作人員或系統(tǒng)工程師與DEH系統(tǒng)的人機界面。操作員通過操作員站對DEH進行操作，給出汽輪機的運行方式、控制目標值等各種控制指令，完成各種試驗，進行回路投切等。   EH系統(tǒng)是DEH的執(zhí)行機構，主要包括供油裝置（油泵、油箱）、油管路及附件（蓄能器等）、執(zhí)行機構（油動機）、危急遮斷系統(tǒng)等。供油系統(tǒng)為系統(tǒng)提供壓力油。執(zhí)行機構響應DEH的指令信號，控制油動機的位置，以調節(jié)汽輪機各蒸汽進汽閥的開度，從而控制汽輪機運行。危急遮斷系統(tǒng)響應控制系統(tǒng)或汽輪機保護系統(tǒng)發(fā)出的指令，當DEH發(fā)出超速控制信號時，緊急關閉調節(jié)閥；當汽輪機保護系統(tǒng)發(fā)出停機信號或機械超速等動作引起汽輪機安全油泄去時，危急遮斷系統(tǒng)緊急關閉全部汽輪機蒸汽進汽門，使機組安全停機。調門的安全油為OPC油，主汽門的安全油為AST安全油。OPC安全油泄去時，調門快速關閉；AST安全油泄去時，同時通過單向閥泄去OPC安全油，所有閥門快速關閉，汽輪機緊急跳閘。因此，必須對原來的控制手段進行改造才能提高汽輪機的工作效率和可靠性。

二，改進方法：在保證汽輪機正常工作的前提下。充分利用現(xiàn)有的控制手段、測量手段和執(zhí)行機構。如DCS、FCS等控制系統(tǒng)；以及光電式、感應式、霍耳式等速度傳感器；氣動、液動和電動執(zhí)行機構。并對這些控制設備和控制技術進行適當?shù)母脑?，就可以提高現(xiàn)有汽輪機的工作效率和可靠性。

DCS控制系統(tǒng)是目前應用最廣泛的控制系統(tǒng)，可靠性高，功能強大，使用方便。它有控制、報警、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)點于一體并支持多種國際現(xiàn)場總線標準。它既具備DCS的復雜模擬回路調節(jié)能力、友好的人機界面(HMI)及方便的工程軟件，同時又具有與高檔PLC指標相當?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)場總線設備。

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

系統(tǒng)分為兩級：操作管理級(操作站OS、工程師站ES及網(wǎng)關GS)和過程控制級(過程站PS及現(xiàn)場控制器AC800F)。在操作管理級上不僅實現(xiàn)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)監(jiān)控操作功能(預定義及自由格式動態(tài)畫面顯示、趨勢顯示、彈出式報警及操作指導信息、報表打印、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。過程控制級實現(xiàn)包括復雜控制在內(nèi)的各種回路調節(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即人機接口等組態(tài))、工程調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)全局數(shù)據(jù)庫和交叉參考工具，不僅能方便地完成控制組態(tài)，而且是一個高性能的過程調試工具。IndustrialIT系統(tǒng)過程控制站PS和現(xiàn)場控制器AC800F所需的各種控制算法和策略都是由

ControlBuildF來組態(tài)的，并采用圖形化的組態(tài)方法(符合IEC61131-3標準)。

ControlBuildF也用于對操作站人機接口(HIS)功能的組態(tài)并還可直接對現(xiàn)場總線設備進行組態(tài)。

控制算法和策略組態(tài)可選用以下IEC61131-3標準組態(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（結構化文本）

ControlBuildF安裝在IndustrialIT系統(tǒng)工程師站上,完成后的組態(tài)結果由工程師站通過系統(tǒng)網(wǎng)絡下載至相應的PS、FC及操作站OS中。

系統(tǒng)提供一個含有190多種功能模塊(標準算法程序)的功能塊庫。用戶還可自定義功能塊。ControlBuildF提供200多個標準圖形符號(靜態(tài)和動態(tài))及大量美觀實用的立體圖例可供HIS組態(tài)選用。

ControlBuildF在執(zhí)行組態(tài)編譯時能自動查找定位錯誤源，交叉參考功能可幫助工程師迅速查找對應的變量位號、功能塊及操作畫面。ControlBuildF可引入或導出ASCII程序、顯示畫面、變量位號和部分項目樹。ControlBuildF還可輸出包括全部組態(tài)結果的圖形化工程文檔。

ControlBuildF還具有如下特點：

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標準

功能庫提供190多個功能(算法)模塊

宏庫提供200多個可擴展和定義的圖形符號和大量三維圖例供畫面組態(tài)

采用項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)全局數(shù)據(jù)庫

Windows下的在線幫助功能

項目文件備份口令保護

操作管理級

操作管理級主要包括操作站、工程師站、數(shù)據(jù)網(wǎng)關、管理計算機及相應軟件，另外還包括打印機、操作臺等輔助設備。操作站的任務是生產(chǎn)監(jiān)控，即綜合監(jiān)視來自過程控制級的所有信息，進行監(jiān)示、報警、趨勢生成、記錄、打印輸出及人工干預操作(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)和調試投運。

操作員站上的操作監(jiān)控軟件DigiVis及工程師站上的組態(tài)調試軟件ControlBuildF是操作管理級必須的軟件(均基于WindowsNT)。另外可選的軟件主要有權限鎖定軟件(DigiLock)、批量控制軟件(DigiBatch)、運行在管理PC機上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)瀏覽軟件(DigiBrowse)及運行在數(shù)據(jù)網(wǎng)關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：以抽汽式汽輪機帶動發(fā)電機的控制系統(tǒng)為例進行說明。調速系統(tǒng) 

汽輪機在并網(wǎng)前是進行速度控制，而并網(wǎng)后進行功率控制。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。起動后，汽輪機進入正常運行狀態(tài)。產(chǎn)生的機械輸出功率經(jīng)發(fā)電機轉換成電磁功率，提供給電網(wǎng)負載。電網(wǎng)負載經(jīng)常是變化，電功率變化速率遠比機械功率快得多。機械輸出功率不能及時調節(jié)時，汽輪機的轉速便隨著變化，破壞電網(wǎng)頻率的變化。因此，為了保證發(fā)電機負荷在空載至滿載的整個范圍內(nèi)汽輪機總是在額定轉速下穩(wěn)定運行，汽輪機必須裝設調速系統(tǒng)。其控制圖如圖2所示：

2、并網(wǎng)后，汽輪機是以發(fā)電為主，這時的主控制參數(shù)是發(fā)電量即功率。如果輸出功率等于給定功率時，那么機組的實際轉速也就等于轉速的給定值，控制器的輸出不變，進汽調節(jié)汽閥處于相對應的靜止狀態(tài)；當電網(wǎng)實際功率變化時，轉速也發(fā)生相應的變化，控制器的輸出值發(fā)生變化，變化值經(jīng)電－液轉換器等都有相應的輸出，驅動油動機去調節(jié)進汽調節(jié)汽閥的開度，以調節(jié)發(fā)電機的輸出功率。調整給定功率值可以改變汽輪機的負荷能力。在起動升速過程中發(fā)電機空載，功率反饋通道沒有反饋信息，這時調節(jié)轉速給定值可以改變汽輪機的轉速?？刂苹芈穲D如圖2所示。

以上控制回路的控制質量能滿足工藝要求偏差小于1%，為了進一步提高控制質量，對圖2、3控制回路進行改造，改造后的控制回路，控制偏差將小于0.5%。汽輪機的轉速在3000±15轉/分之間。比現(xiàn)有3000±30轉/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)行機構。該控制系統(tǒng)對油的質量要求不高。只有執(zhí)行結構須用油，油路斷開后調節(jié)氣閥自動關閉、其時間不到1秒鐘。

4、安全可靠：為提高汽輪機的安全可靠性，將速度傳感器（兩臺）安裝在汽輪機外殼的機頭上，變送器兩臺，AI卡兩塊互為冗余，另外還有三個速度顯示回路。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。自動主汽門保留，主蒸汽壓力調節(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，設置了103%高報警，110%高高報警，打閘停車。使自動主汽門迅速關斷主蒸汽。

三、改進后的控制系統(tǒng)：改進后的控制系統(tǒng)使汽輪機機組抗干憂性更強，運行更穩(wěn)定，操作維護更方便。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

兩個控制回路切換時是無憂切換。

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，錯油門，調壓器等液動設備。功能不省，只是將液動設備改為電動設備。同時將油動機進行略加改動即可。

四、結束語：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：

1、DEH安裝使用說明書

2、ABBAC800F培訓教材

3、沈惠坊張克舫編《汽輪機技術問答》中國石化出版社2001年4月出版

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