汽輪機凝水調節的自動控制分析研究

許　濤，張鯤羽，李少軍（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

汽輪機凝水調節的自動控制分析研究

許濤，張鯤羽，李少軍
（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

針對某汽輪發電機組凝水系統實際使用需求，介紹凝水調節系統自動控制的工作原理、組成和結構設計，采用 PLC 語言編制完成 PID 調節控制模塊程序，該程序根據設定的水位值，自動向水位調節器執行機構發出模擬量指令信號，控制水位調節器開啟或關閉至各管路的窗口，從而實現回水或排水功能。通過專門搭建的試驗平臺模擬實際使用工況對水位調節系統進行試驗驗證。試驗驗證結果顯示設計的水位調節器及水位自動控制程序在各種變工況條件下均能維持水箱內設定的水位，為后續機組凝水系統安全穩定運行提供試驗數據支撐。

汽輪發電機組；凝水系統；PID調節控制模塊；水位調節器

0　引　言

凝水系統是汽輪發電機組系統的重要組成部分，主要包括冷凝器、電動凝水泵、抽氣器、水位調節器、汽水分離器等。冷凝器把汽輪機末級的乏汽經海水冷卻后，通過電動凝水泵從冷凝器內抽送，在循環系統中達到了冷卻的作用。冷凝器水箱中水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進而影響整個蒸汽動力裝置的熱經濟性和安全可靠性。水位過高，將減少蒸汽的冷卻面積，影響冷凝效果，從而引起真空度的下降，降低汽輪機的有效焓降以及整機的熱效率；水位過低，將影響凝水泵的工作性能，當凝水泵的吸入壓力過低時，將發生氣蝕現象，更加嚴重時會造成設備的損壞［1］。因此，凝水系統中必須設置有水位調節裝置，以使冷凝器水位維持在合理范圍內［2］。在凝水系統中，水位調節器自動調節冷凝器內的水位，使冷凝器的水位在機組任意工況下均能維持在一定的高度范圍內，從而保證汽輪發電機組的正常運行，因此它是汽輪機凝水系統的關鍵設備。

1　凝水系統工作原理

凝水系統工作原理如圖 1 所示。由圖可知，冷凝器水箱內的凝水通過凝水泵進入抽氣器后，再經過水位調節器排至熱井或回至冷凝器。當水位調節器處于自動調節狀態時，若冷凝器水箱水位高于控制箱邏輯程序設定值，控制箱輸出控制信號指令，電動執行機構向上運動，使排水窗口打開，同時回水窗口關閉，使冷凝器水箱水位下降；反之，若冷凝器水箱水位低于控制箱邏輯程序設定值，控制箱控制電動執行機構向下運動，排水窗口關閉，同時回水窗口打開，冷凝器水箱水位上升。

圖 1　凝水系統工作原理圖Fig. 1　Condensate water system operational principle schematic

2　水位調節系統工作原理、組成

水位調節系統主要包括水位調節器、磁翻板液位計、控制箱等。其中水位調節器由執行機構、殼體、滑閥等組成，如圖 2 所示。磁翻板液位計用于測取冷凝器水箱的水位信號，將水位的高度信號轉化為 4～20 mA的電信號并輸出至控制箱?？刂葡涓鶕粚嶋H高度與設定高度之差，向執行機構發出指令信號，使執行機構帶動滑閥上下移動，從而開啟或關閉至各管路的窗口。滑閥全行程為 12 mm，向上運動開啟排水窗口，向下運動開啟回水窗口。

圖 2　水位調節器圖Fig. 2　Water level modulator scheme

2.1水位調節器

水位調節器的執行機構采用英國 ROTORK 公司生產的 CVL-500 電動執行機構，圖 3 為電動執行機構示意圖。它通過電機傳動齒輪控制調節閥桿上下移動來實現凝水系統的平衡。CVL-500 電動執行機構具備 2個獨立的位置傳感器，齒輪間隙誤差和位置誤差可以減至最低；采用高效、無刷的直流電機，保證了連續無限制調節下的自由動作；采用簡單、耐用的高效直齒輪傳動，具有較高的可靠性；具有反轉保護可承受來自閥門 125% 額定力的任何反轉推力；“雙密封”設計的接線終端為動力、控制和反饋指示提供了緊湊的連線接口。

電動執行機構的相關參數如表 1 所示。

圖 3　電動執行機構示意圖Fig. 3　Motor-driven actuator diagrammatic sketch

表 1　電動執行機構參數Tab. 1　electric actuator parameters

2.2磁翻板液位計

磁翻板液位計用于測量冷凝器水箱的水位，并輸出 4～20 mA 水位信號。磁翻板液位計通過上下 2 個法蘭與冷凝器相連接，總量程為 500 mm。磁翻板液位計浮筒內裝有浮子，內置磁鐵，外側依次排列帶有永久磁鐵的雙色翻板，其外形與內部結構如圖 4所示。浮子位置隨水位變化進行上下移動，通過磁性將外側的翻板翻轉，因此水位變化可直觀反應到磁翻板上，同時水位的高低可通過電流信號輸出到控制箱，實現對水位的反饋。

2.3水位調節自動控制系統

圖 5 為水位調節器控制邏輯圖。冷凝器內的水位主要通過磁翻板液位計進行測量。通過測取冷凝器水箱的水位信號，將水位的高度信號轉化為 4～20 mA 的電信號并輸出至控制箱。控制箱根據水位實際高度與設定高度之差進行邏輯運算，向執行機構發出模擬量指令信號，使執行機構通過傳動機構帶動滑閥上下移動，從而開啟或關閉至各管路的窗口，實現回水或排水功能。同時磁翻板液位計將實時的水位信號反饋至機旁控制箱，電動執行機構閥位信號也反饋至機旁控制箱，機旁控制箱根據此兩路反饋并進行邏輯運算，再次輸出模擬信號，控制電機的正、反轉，進而維持冷凝器內的正常水位。

為了配合水位調節器系統，在控制箱中增添了接收磁翻板液位計的 4～20 mA 的水位信號和輸出閥位控制信號。

控制箱中控制器采用西門子的 S7-300，接收磁翻板液位計的水位信號（圖 6），水位 0～500 mm 分別對應 4～20 mA 電信號。

圖 5　凝水系統控制圖Fig. 5　Control chart of condensate system

圖 6　磁翻板水位Fig. 6　Magnetic turning plate water level

圖 7　PID 調節模塊Fig. 7　PID adjustment module

圖 8　水位調節器調節閥開度控制Fig. 8　Control valve opening control of water level regulator

在控制箱的程序中自定義建立了 PID 調節模塊［3 - 7］（圖 7），控制邏輯程序將采集到的磁翻板水位信號和電動執行機構的閥位信號進行 PID 邏輯運算，把運算結果作為模擬信號輸出給電動執行機構，向執行機構發出指令信號，使執行機構帶動滑閥上下移動（如圖 8），滑閥全行程為 12 mm，向上運動開啟排水窗口，向下運動開啟回水窗口。所以水位調節器的調節閥開度從 0～12 不斷變化，保持水位穩定。

在邏輯控制程序中還設置了故障報警功能，水位整定值設置為 300 mm，當水位低于 100 mm 或高于470 mm 時，會觸發程序中水位高/低標志位，進而觸發控制箱的水位低/高報警功能（見圖 9）。

圖 9　水位高/低程序控制Fig. 9　Water level high/low program control

3　水位調節試驗及分析

為了確保水位自動調節功能實現，搭建了專用試驗平臺，模擬凝水系統對設計的水位調節器進行了模擬試驗，試驗內容主要包括靜態試驗和動態試驗，通過靜態試驗可實現不同進水量的模擬，以研究各個工況下水位調節器的性能及其對凝水泵的影響，掌握冷凝器水箱水位波動的情況；動態試驗則用于模擬突加突卸過程，以評價水位調節器的動態性能。

試驗系統原理如圖 10 所示。

圖 10　水位調節器試驗原理圖Fig. 10　Schematic diagram of water level regulator test

試驗結果見表 2 和表 3。詳細的試驗數據見《水位調節器試驗表》。

通過試驗可知，在試驗室內專用試驗臺架上，通過控制箱中 PID 模塊的調節，該水位調節器能很好地對水箱內的水位進行自動調節。

表 2　水位調節器試驗記錄1Tab. 2　Water level regulator test record 1

表 3　水位調節器試驗記錄2Tab. 3　Water level regulator test record 2

4　結　語

通過分析可知，汽輪機排汽在冷凝器內部經冷卻后并進入冷凝器水箱，水箱底部設有管路聯接至凝水泵，凝水經由凝水泵增壓后分兩路，一路直接進入水位調節器、另一路經抽氣器后進入水位調節器，水位調節器根據汽輪機排汽量的大小調節閥門開度，改變排水管路與回水管路的流量分配，使冷凝器水箱水位保持恒定［8］。從而保證汽輪發電機組的正常運行，因此，水位調節器是汽輪機凝水系統的關鍵設備。

［1］胡宗成，高怡秋，楊懿. 凝水系統水位調節閥流量系數特性研究［J］. 艦船科學技術，2013，35（10）：65-68，73. HU Zong-cheng，GAO Yi-qiu，YANG Yi. Research on flow coefficient of level control valve in condensate water system［J］. Ship Science and Technology，2013，35（10）：65-68，73.

［2］陳亮. 主冷凝器水位調節器的設計研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005.

［3］李鑫. 淺談西門子PLC的PID參數整定［J］. 科技視界，2014（14）：89，111.

［4］任俊杰，李永霞，李媛，等. 基于PLC的閉環控制系統PID控制器的實現［J］. 制造業自動化，2009，31（4）：20-23.

［5］孫小權，錢少明. 基于PLC的PID控制器設計與實現［J］. 應用科技，2008，35（6）：29-32.

［6］姚振群，楊東方. PLC閉環控制系統中PID控制器的實現［J］.現代機械，2005（4）：64-65，77.

［7］曾海燕. 基于西門子PLC的結構化PID控制器設計與實現［J］.國內外機電一體化技術，2011（2）：18-20.

［8］須一宏，朱蕾，靳軍. 小型汽輪機凝水系統的特性匹配與計算［J］. 電站輔機，2009，30（2）：16-19，43.

Analysis of automatic control turbine condensate water conditioning

XU Tao，ZHANG Kun-yu，LI Shao-jun
（The 704 Research Institute of CSIC，Shanghai 200031，China）

In this paper a condensate water system of the steam turbine unit，the author of this paper practial use requirements，condensate regulating system are introduced，the working principle of automatic control，composition and structure design，PLC language compiled the PID control module program，the program according to the water level of the set value，automatic water level controller to actuator signal analog instruction，control the water level regulator open or close to the window of each line，so as to realize water or drainage function. Through specially built test platform to simulate the actual working conditions of water level control system for the test. Test results show that the design water level regulator andwater level automatic control program can maintain in various operating conditions set water tank water level，for subsequent condensate system provide a test data to support the safe and stable operation.

steam turbo generator unit；condensate system；The PID control module；water level regulator

U664.1

A

1672 - 7619（2016）08 - 0086 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.018

2015 - 11 - 23；

2016 - 02 - 02

許濤（1987 - ），男，碩士，助理工程師，從事自動化控制及電氣控制設計工作。