505E数字调节器在抽汽式透平机上的应用实践

余和来 常宗锡 张应鹏

(云南锡业股份有限公司， 云南 个旧 650200)

505E数字调节器在抽汽式透平机上的应用实践

余和来 常宗锡 张应鹏

(云南锡业股份有限公司， 云南 个旧 650200)

分析了抽汽式透平机实际产、用汽情况及其结构、特点和程序控制。通过计算、设置、工况图分析以及仿真实验，阐述了对透平机505E抽汽系统改造后的实际运行效果以及对全厂用汽再平衡的重要作用和发电取得的显著效益。

505E数字控制器; 抽汽式透平机; 工况图; 用汽再平衡; 发电效益

0 前言

云锡股份铅业分公司电站汽轮机系抽汽式汽轮机组，是美国德莱塞兰公司产品、额定最大发电功率为9.167 MW，型号：透平(高速)R(耐热)型。其调速系统采用数字电液调节系统，由WOODWARD 505E 数字式调节器、电液转换(CPC)、调节汽阀等组成。系统通过RS- 485串行通信端口与工厂DCS系统通讯。

WOODWARD 505E数字式调节器由以32位微处理器为核心的模块化计算机控制，可根据用户运行参数、条件编程组态，通过输入输出接口，接收、输出模拟量、开关量信号进行控制。调节器接收转速传感器输入的转速信号、压力传感器输入的抽汽压力信号、功率传感器输入的电功率信号以及过程控制、辅助控制等回路输入的控制信号，运算后输出标准电流信号给电液转换器。电液转换器(CPC)接收调节器输出的标准电流信号，输出与电流信号相对应的油压信号。该油压信号经液压伺服机构放大后，控制油动机活塞移动，通过调节杠杆，改变调节汽阀的开度来改变汽轮机各段的进汽量，以满足电负荷和抽汽热负荷的需要。

该系统通过对各个阀门的控制实现冲转、并网、带负荷、阀门试验、抽汽控制等一系列控制功能，并完成对工况的监视、事故追忆和报警。该系统的主要功能有：转速目标值设定、转速调节、抽汽压力调节、负荷分配、功率目标值设定、不等率设定、冷热态自启动程序设定、跨越临界转速控制、超速试验及保护、外部停机输入、图形显示、输入输出监控、手动、自动方式转换等。

1 存在问题及改造理由

WOODWARD 505E数字式调节器是为抽汽式蒸汽透平、抽/补汽蒸汽透平和补汽式透平而设计的；抽汽式透平仅允许低压蒸汽(抽汽)排出透平，而不允许其倒流入透平，因此，在抽汽口应使用逆止阀防止蒸汽倒流。

505E数字调节器具有2个独立的控制通道：转速/负荷和辅助控制器。这2个控制器的输出经信号低选(LSS)，为比率/限制器提供转速/负荷指令信号。505E的附加功能还包括：频率控制、同步负荷分配、过临界转速、暖机/额定控制和顺序自动启动。505E还具有2个串行通信端口，通过Modbus协议均可用于监视和控制透平运行。

1.1 改造前透平机运行参数

改造前透平机蒸汽条件，见表1。运行参数见表2。

表1 改造前透平机蒸汽条件 单位：MPa

表2 改造前透平机运行参数

1.2 存在问题及改造理由

改造前后透平机运行参数如表1、2所示。从表2可看出，美国德莱塞兰公司将透平机抽气量最小值设为26 000 kg/h、正常值设为31 000 kg/h、最大值设为33 000 kg/h；若要保证汽轮机组正常安全运行：入口最小压力应为4.0 MPa(本文均为绝压) ，入口最小蒸汽流量 40 000 kg/h时才能投入抽汽。发电负荷为2 534 kW，抽汽量达到最小值26 000 kg/h是机组发电和同时投入抽汽运行的基本条件；本套机组正常抽汽压力为0.6 MPa，抽汽量26 000 kg/h，它们随入口蒸汽流量增大而增大。当入口最大压力为4.2 MPa，蒸汽流量为80 000 kg/h，抽汽压力为0.8 MPa时，发电负荷为9 167 kW，抽汽量达到最大33 000 kg/h。抽汽压力和抽汽量不能在超出以上规定的范围外使用。

该机组自2010年08月投入运行至2013年01月，实际运行情况是入口蒸汽压力 4.0 MPa，入口蒸汽流量为18 000～36 000 kg/h，均不能满足汽轮机投入抽汽的最低条件。因此，近3年来该汽机的抽汽功能均未能投入，在18 000～23 000 kg/h间生产、生活用低压蒸汽，包括电解、制酸、煤气站、生活用汽及管网损失，均是将压力4.0 MPa的新蒸汽直接通过减压装置减到0.6 MPa后使用；机组运行时抽汽功能使用不正常造成了很大的资源浪费，严重影响了机组的运行效率和企业效益。为了解决该问题，需对机组抽汽功能部分进行改进，使汽轮机组带抽汽正常运行。

2 505E数字调节器抽汽功能简介

505E可配置为通过联动控制调速(HP或高压)阀和抽汽(LP或低压)阀，来控制一次自动抽汽式透平。一次自动抽汽式透平有一个高压段和一个低压段，各由一个阀门控制，蒸汽由高压阀进入透平(见图1)。抽汽口位于高压段后、低压阀之前。低压阀控制汽流进入低压段，同时使一部分蒸汽进入抽汽管道。当低压阀打开时，进入低压段的蒸汽量增加，抽汽量减少。

图1 典型的单抽汽和/或补汽式蒸汽透平

在大多数情况下，操作员需要同时保持抽汽式透平的转速/负荷、抽汽压力/流量不变。改变高压阀和低压阀之中的任一阀位，都会同时影响转速/负荷和抽汽。如果透平负荷或抽汽需求发生变化，则必须同时改变高压阀和低压阀的开度，以满足转速/负荷和抽汽的需求。根据透平性能参数，505E通过比率算法可自动计算给出这2个阀的开度调整量，以使阀/过程的交互影响减至最小。

2.1 抽汽控制

当505E完成启动并且满足相关的许可条件后，抽汽控制可以自动或手动投入运行。典型地，在抽汽控制投入之前，透平将转速/负荷控制在额定转速设定值并且高于最小负荷值。在启动后，高压和低压阀位限制器通常应全部打开。如果高压阀位限制器没有完全开启，它将作为转速/负荷限制器，同时也将妨碍自动调节器的运行。

当配置为抽汽控制时，505E的低压阀位限制器与比率/限制器的输出进行信号高选。因为系统启动时低压阀位限制器自动斜坡变化至100%，低压阀不可能在低于100%开启位置进行控制。在505E允许抽/补汽PID控制前，必须满足所有相关的投入许可条件。即抽/补汽输入信号未故障；透平转速高于允许转速；发电机断路器闭合；电网断路器关闭。

投入/退出抽汽控制有手动或自动两种方式。手动投/退方式是通过低压阀位限制器的升/降指令，而自动投/退方式则是使用投入/退出指令。这里仅讨论自动投入/退出。

2.2 自动投入/退出

当所有的相关许可条件均满足时，505E才接受抽汽投入指令。当收到投入指令后，505E将以设定的“低压阀位限制器速率”自动降低低压阀位限制器。一旦抽/补汽PID接管控制，低压阀位限制器将以5倍的“低压阀位限制器速率”来继续降低至其最小(关)位置。

通过瞬时发送低压限制器的升或降指令或通过输入有效的给定值，低压阀位限制器在自动投入过程中可以随时被中止。中止自动投入程序将暂停低压阀位限制器；但抽/补汽PID输出仍继续投入，这就允许操作员可以根据需要手动调整低压阀位限制器。

接到退出指令后，505E将立即使低压阀位限制器阶跃至低压阀的当前位置，然后以“低压阀位限制器速率”设定提升低压限制器至其最大(开)位置。根据系统条件，抽/补汽PID在某些点上将失去对过程的控制作用。

通过瞬时发送低压限制器的升或降指令，低压阀位限制器在自动退出过程中可以随时被中止。在中止自动退出程序后，操作员可以根据需要继续手动退出或者再次发出退出指令。重新发送退出指令后，退出程序将继续提升低压阀位限制器至其最大(开)位置。

3 抽汽工况修改设定

3.1 抽汽工况修改说明

工况图(见图2)是抽/补汽透平运行范围和限制的图形描述。该图经常被称为蒸汽包络，因为正常的透平运行必须包含在包络线内。

505E采用编程数值点来计算透平的内部压比和限制。为从工况图上得到这些数值，必须首先核对下面的条件，修正该图以满足这些条件：

0%抽/补汽流量线必须与100%抽/补汽流量线平行；0%低压阀开度线必须与100%低压阀开度线平行。

包络线定义了透平的运行特性。在图2中，工况图的不同线或界限分别是：

横轴代表透平功率(S)。

纵轴代表高压阀位置(HP)。

垂直线S=100是最大的功率限制线。该限制线将阻止透平运行时功率超过最大功率限制。

水平线HP=100是最大的高压阀流量限制线。该限制线将阻止透平运行时高压阀流量超过最大流量限制。

平行线P=0 和P=100定义了抽/补汽的流量范围(从无流量或最大补汽流量到最大抽汽流量)。P项用来代表压力需求。

平行线LP=0 和LP=100定义了低压阀的位置范围(从全关到100%全开，在工况图中已详细说明，详见图2。)

透平的运行特性作为抽/补汽数据编程到505E。该数据从透平工况图或包络线中得到。当将抽/补汽数据输入到505E时，功率、HP阀和抽/补汽流量的单位要始终统一。

可从工况图上的最大功率、最大高压流量、A、B、C(见图2)的值来计算505E抽汽和/或补汽透平的比率和限制。点A、B、C通过它们的横坐标和纵坐标来输入，见下面说明。

工况图显示的一系列平行线代表抽汽流量，在图2中，最底端的流量线一定是P=0，最顶端的一定是P=100。“P”项用来代表压力需求。在透平中该点压力越高，抽出的蒸汽流量也就越大，或者补入的蒸汽流量就越低。图上剩下的一对相应的线一定与LP=0(抽汽阀关闭)和LP=100(抽汽阀全开)相对应。

505E能够配置为3种不同类型的透平，纯抽汽，纯补汽，抽/补汽机组。下面仅针对纯抽气进行讨论。

在将透平的抽汽工况图编程输入到控制器之前，必须得到交点A、B、C(见图2)。

(注：在通常情况下，LP=0和P=0线的交点C不存在。如果是这种情形，必须对工况图进行转换。转换是延长LP=0和P=0线，直到它们相交。控制所需的点C可用来计算透平的内部压比和限制。)

3.2 机组原参数工况

最大功率是S=100线与横轴相交得到的(机组设计9 167 kW)。

最大高压流量是HP=100与纵轴相交得到的(设计是80 000 kg/h)。

点A是P=0和LP=100的交点(最大功率@最小抽汽约8 710 kW；高压流量@最小抽汽72 830 kg/h)。

点B是LP=0和P=100的交点(最小功率@最大抽汽约1 470 kW，最小高压流量@最大抽汽38 000 kg/h)。

点C是LP=0和P=0的交点(最小功率@最小抽汽约500 kW，最小高压流量@最小抽汽29 000 kg/h)。

由工况图中可看出A、B、C之间的范围比较小，限制比较大；当进气流量或功率交点不在此范围内时，如果投入抽汽，抽汽调节会被505E限制。使用仿真器测试的结果是：当功率在2 500 kW以上时抽汽功能能达到抽汽要求，功率在2 500 kW以下抽汽功能被抑制，调节阀关闭。

图2 工况图修改效果比较

3.3 首次修改参数后的工况

点A是P=0和LP=100的交点(最大功率@最小抽汽约7 850 kW；高压流量@最小抽汽39 000 kg/h)。

点B是LP=0和P=100的交点(最小功率@最大抽汽约3 000 kW，最小高压流量@最大抽汽38 000 kg/h)。

点C是LP=0和P=0的交点(最小功率@最小抽汽约500 kW，最小高压流量@最小抽汽4 800 kg/h)。

由工况图中双点划线的范围可以看出机组运行在抽汽工况时调整范围较大，可以满足抽汽工况要求。使用仿真器测试的结果是：当功率在50～8 500 kW时抽汽功能能达到抽汽要求。但在实际运行时，高压进汽流量最高只能达到75 000 kg/h，HP阀门开度最大只能到68%，远达不到原设计高压进汽流量80 000 kg/h，HP阀门开度最大到85%的要求。

3.4 再次修改参数后的工况

点A是P=0和LP=100的交点(最大功率@最小抽汽约8 500 kW；高压流量@最小抽汽45 000 kg/h)

点B是LP=0和P=100的交点(最小功率@最大抽汽约2 500 kW，最小高压流量@最大抽汽55 000 kg/h)

点C是LP=0和P=0的交点(最小功率@最小抽汽约0 kW，最小高压流量@最小抽汽3 000 kg/h)

由工况图中虚线范围可以看出机组运行范围在第一次修改的基础上已经作了调整，可以满足抽汽工况要求。使用仿真器测试的结果是：在设备未投入抽汽功能时，当进汽量达到87 000 kg/h，蒸汽参数为3.91 MPa、249.7 ℃时，负荷达到了9 012 kW，HP阀门开度达到了84.44%；机组在进汽量20 000 kg/h的情况下可投入抽汽。整改的结果既满足了原设计要求，又实现了低负荷下抽汽，达到了整改的目的。图3～5为发电控制系统图、抽气控制状态图及试运行发电机组状态图。

图3 发电控制系统图

4 结束语

本次对机组的改进主要是扩大机组的运行工况范围，对机组其他功能未做任何改动，可按原有成熟的运行和操作的规范运行机组。汽机整改后，发电机组在进汽量20 000 kg/h的情况下可投入抽汽，既满足了原设计要求，又实现了低负荷下抽汽，所有压力4.0 MPa的新蒸汽均通过汽机做功发电后再抽到低压管网0.6 MPa后使用；这样既平衡了低压管网用汽，又多发了电，达到了整改的目的。整改完毕后，经2013年3月22日至6月21日运行统计，发电自耗(设备及配套设施用电/发电量)从改造前的平均0.207 kW·h/kW·h降到了改造后的平均0.168 kW·h/kW·h；抽汽按18～23 t/h、0.6 MPa生产用正常蒸汽量计算，汽轮机每小时可多输出功率600～1 000 kW/h，24 h多发电约10 000～12 000 kW，按电价0.5元/kW·h计算，1天多增加约5 000～6 000元的经济收入，1年按汽轮机运行300天计算，每年增加经济效益约150万～180万元。系统改进后大大增加了企业经济效益，同时又使汽轮机的运行效率得到了提高。

Application Practice of 505E Digital Regulator in Steam Extraction Turbine

YU He-lai, CHANG Zong-xi, ZHANG Ying-peng

The practical steam and used steam conditions of Dresser-Rand steam extraction turbine and its structure, characteristics and program control were analyzed. Based on the calculation, setting, analysis of operation conditions diagram and simulation experiment, the practical operation effects of 505E steam extraction system of turbine after modification, the effects of that on the rebalance of used steam, and the obvious effectiveness of that used in power generation were introduced.

505E digital regulator; steam extraction turbine; operation condition diagram; steam rebalance; power generation effectiveness

2013-06-28

余和来(1964—)男，云南省人，专科，高级工程师，主要从事电气设备及能源管理工作。

TK14

B

1008-5122(2014)02-0021-06