汽輪機啟動控制系統優化設計及應用*

申宏偉

(霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山發電廠，山西 呂梁 033000)

0 引 言

隨著社會對電力能源需求不斷加大，電力企業設備的發展和優化需要不斷地研究和創新。汽輪機作為發電廠重要的生產設備之一，對電廠的穩定和持續工作具有重要作用。在電廠正常運轉過程中，如果汽輪機啟動中存在不穩定因素則會導致整個發電機組無法響應生產需求；另一方面汽輪機穩定的啟動可以更好的匹配鍋爐的運行。針對汽輪機啟動過程中壓閥組預熱速率過高和高壓閥組低溫沖轉問題，筆者通過闡述汽輪機高壓閥組預熱速率優化和沖轉控制優化，排除汽輪機啟動不穩定因素，使汽輪機啟動控制更加安全有效[1]。為汽輪機啟動控制的進一步優化和安全操作提供參考。

1 汽輪機控制系統概述

某電廠使用K-1000-60/3000型汽輪機組，對稱布置，機組內4個低壓缸和一個高壓缸，低壓缸放置在中間4個高壓缸以低壓缸為中心兩兩對稱分布。控制系統的主要原件采用西門子PLC，顯示監測采用OM696系統，診斷系統為ES/DS。汽輪機組的電液控制系統為TXP控制平臺，重要包括電液調節系統EDH和電路控制系統AS620B。為了防止系統運行中的誤動和拒動現象采用了3對AP，并以3取2的運行方式對系統進行控制，這樣可以使系統的運行更加平穩[2]。

目前，由專業技術人員設計了一個程序用于控制汽輪機啟動過程中的沖轉和預熱，該程序主要分三個階段進行控制：第一階段，預熱汽輪機液壓系統高壓閥組；第二階段，控制汽輪機沖轉達到1 000 r/min；第三階段，將沖轉加速至3 000 r/min。該程序控制方式簡單，對于汽輪機的啟動優化具有較大的優化空間，因此，作者針對上文中的三個階段存在的不足進行了優化，使汽輪機的啟動控制流程更加合理[3]。

2 汽輪機啟動優化方案

冷卻空氣流通通道部分熱應力的控制對于汽輪機的啟動過程非常關鍵，也就是在整個啟動過程中需要盡量減少或避免熱蒸汽流入不必要的設備空間內，避免熱應力超出可控范圍而導致設備出現故障或損壞。之所以對汽輪機進行熱應力控制就是要將所有部件的熱應力保持在所允許的范圍之內，從而才能保證汽輪機整個系統的安全平穩運行，因此汽輪機啟動時在并網、升速、沖轉環節都要保持任何元件都有良好的熱應狀態，這樣才能使機組在整個運行過程中產生的損耗盡量保持最低狀態[4]。而想要通過保持良好的熱應力達到降低損耗的目的，主要是對機組在進行啟動、負荷變化和停機動作時所產生的溫度波動進行調節，因為在產生較大的溫度變化速率時，會在轉子上出現超出標準的溫度梯度，同時造成很大的熱應力，對機組系統產生影響甚至出現故障，因此做好轉子的熱效應控制即可保持電力機組汽輪機的熱應力不會超出允許的控制范圍。而暖機和預熱是汽輪機啟動過程中出現熱應力的主要時間段，因此對這兩個控制過程進行深入研究，提出以下優化方案。

2.1 高壓閥組預熱速率優化

在汽輪機預熱時經常出現高壓閥組溫度上升速度超限的狀態，此時要進行人為干預就必須先切除啟動程序，而切除啟動程序會影響發電機并網的勵磁，此時退出啟動程序會造成嚴重后果。因此，操作人員在啟動程序開啟后無法完成高壓閥組預熱速度的手動干預。在這種條件下，既不能影響發電機勵磁，而對整個系統造成危害，因而不能手動完成高壓閥組預熱手動干預，所以，本次汽輪機啟動高壓閥組預熱速率優化設計中，需要完成閥門BA25和閥門45AA201的預熱控制方式改為自動控制，將其在預熱升溫速度保持在4 ℃/h以下。根據以上實際情況和現場分析提出兩種解決方案[5]。

(1)重新設置一套控制系統單獨控制高壓閥組的預熱速度，使閥門越熱控制脫離汽輪機啟動控制程序，當發生高壓閥組預熱速度超過所允許范圍的情況發生時，現場操作人員可以利用這套新程序單獨控制，即使自動控制失靈也可以將這個控制系統單獨切除，進行手動控制，同時也能夠保證汽輪機的并網、勵磁能夠正常順利進行，不會對系統的其它部位產生影響[6]。

(2)將高壓閥組的預熱控制仍在啟動程序流程之內，但控制形式從高電平連續加熱改為脈沖斷續加熱，并在操作面板上增加預熱頻率設置模塊，當系統啟動程序開啟之后，可根據高壓閥組的溫度變化速度自動調節加熱頻率，這種控制形式下，通過調節加熱脈沖頻率，從而調節加熱速度。當自動調節頻率失靈的狀態下，也可以通過預熱頻率設置模塊進行手動設置，以保證預熱速度保持在允許的范圍之內[7]。

第一種方案需要重新設計電路，將高壓閥組預熱線路從線路中分離出來，再根據新的線路重新連接，并且還要單獨重新編寫一整套控制程序；第二種方法相對簡單，不需要改造線路，只需要在源程序和控制面板中增加壓閥組預熱程序模塊即可。因此，選用第二種方案。

2.2 沖轉控制優化

有關汽輪機啟動標準中規定：汽輪機轉速將要達到1 100 r/min之前，高壓缸溫度尚未達到150 ℃，則必須使汽輪機以1 100 r/min的速率旋轉，并保持10 min，以保證足夠的預熱時間使高壓缸達到所需要的預熱溫度。根據日常操作汽輪機從1 100 r/min向3 000 r/min沖轉是第二階段向第三階段轉換的過程，完全依靠操作人員手動完成，若操作人員只考慮轉速而忽略了高壓缸低溫問題就極有可能產生誤操作，并且在現有的啟動程序控制中并沒有對高壓缸低溫沖轉進行閉鎖。在這種控制條件下，系統中存在極大的不安全因素，需要對汽輪機啟動第二階段向第三階段轉換控制進行優化。

針對以上問題，需要對汽輪機啟動過程中第二階段向第三階段轉換控制進行優化，在汽輪機轉速1 050 r/min向3 000 r/min沖轉之前增加高壓閥組低溫閉鎖程序，即高壓閥組溫度達不到150 ℃時，若操作人員進行沖轉操作，系統自動中斷沖轉程序，同時讓汽輪機保持1 050 r/min的轉速運行10 min，待10 min后打開閉鎖，開啟第三階段沖轉程序。利用自動控制閉鎖程序可以完全避免汽輪機啟動中二階段向三階段高壓閥組低溫沖轉問題，使發電機組的運行更加安全穩定。三階段沖轉閉鎖控制流程如圖1所示。

圖1 三階段沖轉閉鎖控制流程

3 實踐應用效果

汽輪機啟動控制系統優化后，高壓閥組自動預熱速率平穩，不在出現預熱速率過高的情況。通過手動控制高壓閥組加熱頻率，也能夠完成對加熱速率的控制，高壓閥組加熱速率過快得到很好的解決。由1 050 r/min向上沖轉時，若出現高壓閥組溫度低于150 ℃時，系統會自動中斷沖轉程序，同時讓汽輪機保持1 050 r/min的轉速運行10 min，待10 min后打開閉鎖，開啟第三階段沖轉程序，高壓閥組低溫沖轉問題得到解決。

4 結 語

汽輪機是發電廠重要的生產設備，其正常運轉對發電廠的安全穩定運營具有關鍵作用。汽輪機的啟動優化對機組的并網、勵磁等環節都有很大影響，因此汽輪機的啟動過程控制必須嚴格按照相關規定和標準進行操作。文中通過對汽輪機現有的啟動控制程序進行分析，針對高壓閥組預熱速率過高和高壓閥組低溫沖轉問題，對汽輪機啟動控制程序進一步優化，排除了汽輪機啟動過程中的不穩定因素，使汽輪機的啟動控制更加安全有效。