小型汽輪機控制系統原理及應用

吳 婷，李建明

（國家能源集團 寧夏煤業煤制油儀表管理中心，寧夏 寧東 750411）

目前國內煤化工項目以高能耗為特點，煤化工企業為降低成本，利用生產裝置內部所產生的余熱，一部分大型離心泵的驅動裝置選擇小型汽輪機組或水輪機。這樣做不僅可有效降低電能消耗，而且提高了能源利用效率，符合低碳環保綠色發展理念。以往對壓縮機組控制保護系統的重點研究方向主要集中在大型離心式壓縮機方面，對小型汽輪機組的控制系統組成、調速控制、機組保護等方面通常不夠重視，在實際的工程應用中出現了一些問題。本文描述分析并研究某工程所采用的離心泵配套汽輪機的控制系統及實際使用情況，并根據實際應用情況進行了部分改造，有較廣泛的借鑒意義。

1 汽輪機控制系統組成

1.1 機械狀態監測系統

汽輪機在運行過程中要求保持轉子平穩運行，這就要求設備具有高穩定性、低故障率。保證設備完好的主要手段是對設備運轉過程中的動態參數、靜態參數進行實時監控，機械轉態檢測系統可以跟蹤轉動設備各類數據的實時變化隨時反映給控制系統，以便維護人員提前做出調整[1]。重要設備可配置故障診斷系統，便于專業人員對異常情況進行分析。需要實時監控預警的參數有兩大類：一類稱為轉動機械量，如振動、位移、鍵相位、軸瓦溫度、轉速等；另一類是機組輔助系統設及的過程參數，如驅動蒸汽的壓力、溫度、排汽溫度，干氣密封相關參數以及潤滑油壓力等。汽輪機組所配備的數據采集系統將完成這部分的工作并對信號進行處理，通過在線監測系統選取最具代表性的參數進行測量，構建在線監測系統網絡，通過局域網充分發揮檢測系統的作用，參考常規故障特征及故障案例，可以實現故障診斷和預判[3]。

1.2 聯鎖及超速保護系統

聯鎖保護系統主要功能是發生異常情況時及時停機，保護設備。該系統保護過程為：當系統采集到的機組相關信號超出其正常運行允許范圍[1]，發出動作指令，聯鎖保護系統接到該信號后立即采取相應動作（打閘），使汽輪機打閘停機，截斷主蒸汽，以避免傷害操作人員或損壞設備本體。

汽輪機的保護內容有：超速，振動、位移高，真空度低，蒸汽壓力、溫度、過熱度低等。

1.3 調速系統

汽輪機轉速調節系統的作用是：正常運行時，通過改變汽輪機的進汽量，使汽輪機的功率輸出滿足外界的負荷要求，且使調節后的轉速偏差在允許的范圍內；在危急事故工況下，快速關閉調節氣門或主汽門，使機組維持空轉或快速停機[4]。轉速控制系統的可靠性、穩定性直接影響汽輪機的安全性，一旦出現超速事故將造成嚴重的人員和設備損失。升速過程要求迅速通過臨界轉速區，過臨界后轉速控制要求穩定。這里的控制主要是指蒸汽與轉速的單閉環控制，也包括排汽壓力控制系統等。

1.4 液壓伺服系統

轉速測量系統將轉子的轉動信號轉變成脈沖數字信號，通過PID 算法輸出控制信號。輸出控制信號通過放大電路將控制信號進行功率放大，信號送至油動機產生控制作用；油動機是一種液壓位置伺服馬達，按照放大電路的控制信號驅動配汽機構產生行程變化的作用力，最終實現調速閥門開度變化；配汽機構的作用是將油動機的行程變化轉變為各調節汽門的開度變化，通過配汽機構的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系；同步器作用于中間放大器，產生控制油動機行程的控制信號，單機運行時改變汽輪機的轉速，并網運行時改變機組的功率；啟動裝置在機組啟動時用于沖轉，并提升轉速至同步器動作轉速。

機組轉速調節系統的最終執行主要通過液壓油實現，大型機組配備獨立的控制油系統實現對液壓調速機構的自動控制，將4mA～20mA 電信號通過電液轉換器轉換為油壓的變化并通過錯油門的位移變化實現蒸汽調節。小型機組可配備WOODWARD 公司PG-PL 一體化機械液壓調速器，實現液壓調速。

2 汽輪機調速系統

2.1 調速系統工作原理

液壓調速系統的特點是響應快、功率大、負載大等，其獨特的優點在大負荷、高靈敏度控制要求中得到了廣范的應用。電液伺服系統使用電液轉換器，將4mA～20mA標準信號換為油壓的變化并通過錯油門的位移變化實現行程控制，從而解決了一些大型、重型機械設備的伺服控制問題[5]。

液壓調速系統的特點是能夠在復雜情況及干擾下，實現汽輪機轉速的快速跟蹤響應，因而實現機組做功與離心泵負荷之間的能量平衡。它的輸出量能夠準確、快速地跟隨輸入的變化，且跟蹤線性好。同時，可大幅度地放大系統的輸出功率。

本文列舉某企業離心泵在實際使用中選擇WOODWARD PEAK150/200 作為調速系統實現轉速控制。PEAK150/200作為汽輪機組調速控制的核心子系統，可按照汽輪機不同的特性自主升速曲線，其內部結構具備升速特性曲線自定義功能，通過自定義模式轉速自動輸出曲線實現最優化。為保證轉速在安全運行區域內加以調節，也可以依據機泵實際負荷的實際功率對控制曲線進行優化。

轉速控制回路由轉速探頭（該項目配有5 支磁阻式速度探頭：兩組轉速信號送至PEAK150/200 作轉速調節，另外3 組信號供給GII 做獨立的超速打閘）、PG-PL 執行器等組成。機組的轉速脈沖信號被轉速探頭測量回路直接送至調速系統，調節器根據轉速設定值的不同生成一個20mA～160mA 的電信號，發出給PG-PL 執行器調節蒸汽量。該項目中，GII 系統負責超速保護，為保證工作的可靠性，聯鎖邏輯設計為三取二動作。PEAK150/200 系統負責實現汽輪機轉速的控制曲線，SETPOINT 系統負責實現對機組軸位移、軸振動的監控和保護。

PEAK150/200 調速系統作為整個汽輪機控制系統的核心部分，通過標準4mA～20mA 信號可以與相關的集散控制系統、緊急停車系統等共同組成一個完整的信號回路，使信號在不同系統之間有效動作。在整個轉速控制回路中，調速控制系統通過對電信號的控制、接收和發送控制指令給PG-PL，PG-PL 接收到信號后能夠依照接收的信號通過驅動線圈對指令進行對應，在操作的過程中有效調節驅動油動機[2]。

2.2 聯鎖及超速保護系統

2.2.1 超速保護系統

根據API670 對于超速保護系統的規范，獨立性方面要求電子超速保護系統必須與其他速度控制系統分離配置，不應同其它調節、保護系統組合或構成同一系統，否則可能會影響整個超速保護系統的應答時間[6]。當部分信號通過通訊方式實現互聯時，不應該使用通訊信號參與到跳車邏輯中。即使通訊信號中斷，超速保護系統的保護功能仍然能夠可靠動作。功能性方面要求轉速測量采用3 個獨立的測量電路。當機組轉速超過設定值時，3 個測量電路都可以觸發超速信號。當真正超速時，通過三取二邏輯觸發打閘信號。兩個或以上通道失效，應該觸發打閘動作，且必須使用手動復位，每個超速觸發電路都要使用單獨的安全型繼電器。當檢測到超速觸發時，3 個超速保護的安全繼電器可以同時斷開輸出觸點。

圖1 殼體內部油泥及閥芯磨損情況Fig.1 Wear of oil sludge and valve element inside the housing

2.2.2 蒸汽系統及機械狀態監測保護系統

蒸汽相關的停機保護參數有蒸汽壓力、溫度、過熱度及真空度。相關參數達到限值將觸發保護聯鎖，通過SIS系統進行打閘停機。

機械狀態監測系統（MMS）采集軸振動、位移參數，當振動、位移達到限值，MMS 系統動作，通過SIS 系統打閘停機。

3 PG-PL執行器故障及改造情況

該項目中兩臺離心泵汽輪機的PG-PL 執行器在實際使用中效果較差：一是運行5年期間多次發生故障，嚴重影響了設備運行的穩定性，對工廠連續生產造成了惡劣的影響；二是PG-PL 執行器中的油動機由離心泵主軸配合蝸輪蝸桿機構驅動，當離心泵無轉速時，調速器無法動作[7]。

PG-PL 執行器在實際使用中有兩種典型故障：一是液壓油更換不及時、油質差導致其內部油路堵塞，部件磨損嚴重，出現故障后需要專業維修平臺及人員維修，無法滿足工廠生產需求；二是渦輪蝸桿機構齒輪嚙合不良，甚至導致齒輪破裂，裝置生產被迫中斷。

2020年將故障的PG-PL 調速執行器拆檢維檢，外觀檢查完好，配件齊全。對調速器進行修前檢測，無動作；脫開電控箱使用模擬信號給定，調速器仍無動作。因此，認為是PG-PL 調速器內部故障導致無動作，電控箱是否正常工作不能確定。

對PG-PL 調速器進行完全解體，發現內部腔體內附著大量油泥膠質物和銹蝕物，包括殼體內部、線圈、油道、閥口等多處均被油泥完全堵死，動力活塞、閥芯、飛鐵、傳動軸等關鍵部件表面附著大量油泥膠質物和銹蝕物。調速器完全解體后進行清洗，對重要備件進行檢查效驗，發現部分備件磨損或損壞需要更換。其中，中間體內部單向閥卡住，經各種方法嘗試均無法取出，已經與殼體抱死，需要整體更換。線圈由于內側起鼓且油泥膠質物大量附著，根據經驗會影響性能，需要更換。

除以上顯而易見的備件損壞以外，備件的磨損以及銹蝕還對上蓋、油腔、動力缸、底座造成了磨損，這很可能導致新的備件安裝后仍有配合間隙或者對新備件造成更快的磨損，使PG-PL 調速器不一定能夠恢復到出廠實驗報告的參數標準，并且在以后長期的運行當中，仍有可能出現波動或卡澀的問題。

所以最終將這臺PG-PL 調速執行器進行報廢處理，主要原因總結兩點：

1）除需要更換的備件外，PG-PL 調速執行器大部分備件仍存在不可逆的磨損，必然影響使用壽命和穩定性。

2）如中間體、線圈等不易損備件，從美國WOODWARD 訂購周期較長，且價格昂貴，維修的性價比極低。

鑒于以上兩種情況，該廠將PG-PL 執行器改造氣動執行機構、配備智能閥門定位器實現調速閥閥位遠程給定。經過兩年時間檢驗，運行穩定。

4 結束語

相對于大型離心式壓縮機組，小型汽輪機負荷小、控制系統結構相對簡單，可以通過氣動執行機構配合調速控制器實現液壓伺服系統同樣的控制功能，大幅度地降低了操作人員的勞動強度，在精簡結構的基礎上實現了從啟機過程到負荷調節全方位的自動控制。在自動啟機運行模式，小型獨立控制系統可以根據生產負荷變化及時調整氣動調速閥開度從而調整機組蒸汽量進汽，免除了操作人員大量的人工調節。

使用獨立的小型調速器，可以極大地避免在進行機組轉速調整時人為操作不當而導致的誤動作和負荷波動。采用獨立可靠的超速保護器，可以有效降低外界擾動等因素引起的汽輪機超速保護系統誤動作或不動作的概率。