汽轮机调速系统改造升级技术应用研究

贾正首

(中安联合煤化有限责任公司，安徽 淮南 232000)

南阳能源化工有限公司新联合车间催化装置气压机组，是催化装置的大型关键设备之一，它担负着控制反应系统压力，向稳定系统输送压缩富气等任务，为最终回收富气中液化气、汽油组分，提高轻质油收率、分离干气等提供先决调节，能否正常运行直接关系到反应系统的压力控制及稳定系统的正常运行。该气压机组是由可调速的工业汽轮机拖动，其调速系统是比较复杂的机械液压控制系统。该调速系统的性能直接影响着气压机组的安全、平稳运行。

催化气压机组已投产20余年，汽轮机调速系统的各部零件均有不同程度的磨损，整个调速系统已进入设备老化期，设备缺陷、备品备件的供应等问题日益突出。从2013年7月以来调速系统的波动问题一直影响着气压机组的平稳运行，也成为困扰企业发展的一个严重问题。经南阳能源化工有限公司机动部、电修车间、新联合车间等联合调研，认为催化车间气压机组的原有调速系统由于磨损和老化，以及备件的供应等问题，只能进行整个系统的彻底改造。目前国际上及国内的工业汽轮机调速系统正在逐步采用电液控制系统，它的优点是控制精度及灵敏度均较高；易于实现调速系统的计算机自动控制；维护量较低；对油品清洁度等技术指标的要求也相对较低。因此，通过采用冗余双阀电液调速控制系统的技术改造，可以使气压机组的控制水平上一个档次，也解决了长期以来转速不稳、二次油压偏低、负荷波动较大等问题。

1 调速系统升级改造的主要研究内容

气压机调速系统在原机械液压式调速系统的基础上，保留了汽轮机本体部分、机械式超速跳闸装置OPC不变，保持汽轮机调节气阀、油动机、错油门、速关阀等部分不变，通过拆除调速器WOODWARD PG-PL、原有启动装置、齿轮箱等部件，更新调速油管为不锈钢材料，安装505调速器、冗余双阀电液组件、测速装置、速关控制组合3阀系统(三取二超速停车电磁阀)、速关阀行程监视器等新部件，将调速系统改造为电子液压式调速系统，提高了调速系统的控制精度及可靠度[1-3]。另外通过改进气压机组联轴器及蓄能器的方式，改善了气压机组的运行参数，进而提高了气压机组的运行平稳性。

2 关键技术及技术路线

2.1 技术路线

①保持汽轮机本体部分不变。保持汽轮机调节汽阀、油动机、错油门、速关阀等部分不变。②拆除调速器WOODWARD PG-PL、原有启动装置、齿轮箱等。所有调速油管全部更新，油管、接头采用不锈钢。③安装新部件：调速器、冗余双阀电液组件、测速装置、速关控制组合3阀系统(三取二超速停车电磁阀)、速关阀行程监视器一套。防爆接线盒、其余配套配件(支架、管接头、仪表配件)等。④留机械式超速跳闸装置OPC。改造成先进的电子控制系统：重新设计测速装置，需安装6个新的测速探头，2路到调速器，3路到超速保护器，一个备用。⑤增加2/3超速保护器。要求功能有：实际转速显示、峰值转速显示及存储、单元可在线测试、单元可在线更换等。技术特性有：三取二停机方式，避免误停机，停机转速250～25 000 r/min，转速监测频率100～32 000 Hz，显示屏显示故障原因，通过面板方便设定停机转速点，各单元(A、B、C)都有独立的供电源。⑥采用成熟的冗余双阀电液组件，德国VOITH制造。正常运行时互相备用，在线更换故障电液阀。本次改造采用德国福伊特(Voith Turbo)电液转换器VOITH系列，是将4～20 mA控制信号线性成比例地转换为油压输出。⑦安装液压速关控制组合三阀系统(三取二超速停车电磁阀)。速关控制组合具有以下功能：①完成汽轮机速关阀的在线试验。②汽轮机的自动及手动紧急停车，同时具备电磁阀三取二超速停车功能。③向调节汽阀输出相应的控制油压信号。④打开汽轮机速关阀。⑤危急保安装置自动复位。⑥快装仪表接口。

2.2 电液调速系统工作原理

转速调节回路主要由转速传感器、数字式调速器、电液转换器、油动机和调节汽阀组成。数字式调速器接受来自转速传感器变送的汽轮机转速信号，将接收到的转速信号与转速设定值进行比较后输出4～20 mA的电信号给电液转换器，再经电液转换器转换成二次油压，二次油压通过油动机操纵调节汽阀。数字式调速器的转速设定值接受外部信号控制，即实现转速远程调节。

2.3 启动系统的功能

启动系统与转速调节回路有密切的联系，它由启动阀和速关阀组成。启动阀仅用于开启速关阀。汽轮机的启动(冲转)、升速、降速和投自动(转速遥控)都可以在数字式调速器的前面板上完成。速关阀与数字式调速器联锁，只有在速关阀完全开启后，才能用数字式调速器或远控操作板进行操作。

2.4 改造达到的技术指标

汽轮机的额定转速12 294 r/min，调速范围8 816～13 224 r/min，跳闸转速15 263 r/min；汽轮机的启动油压0.85～0.9 MPa；汽轮机的二次油压0.15～0.45 MPa；汽轮机的速关油压0～0.9 MPa；气压机组调速系统控制精度为±300 r/min，改造后为NEMA SM-23 D级，即可达±50 r/min。

3 调速系统升级改造的使用效果

①通过气压机组调速系统技术的研究，配置一套冗余双阀电液执行机构，实现了无法增加备机的情况下，对气压机组易发生故障部位即调速系统电液组件的双备用。此技术采用德国VOITH制造的冗余双阀电液组件，正常运行时互相配用，在一个电液阀出现故障时，可实现在线更换故障电液阀而不影响系统的平稳运行。该技术大大提高了调速系统运行的安全性、平稳性，对关键机组调速系统的改造具有借鉴意义。②调速系统改造之后，系统稳定，设备运行安全可靠，大大提高了气压机组的控制精度。机组的控制精度可达NEMA SM-23 D级，即±50 r/min。电液调速系统能够自动实现汽轮机自启动、暖机、升速、电超速跳闸保护等，能够有效地避免汽轮机的临界振动速度，进而降低共振带来的汽轮机转子的损坏，实现了连续、平稳、安全自启动，降低了职工的劳动强度。③改造后的调速系统具有技术上的先进性、可操作性、可靠性、稳定性。项目采用多项先进技术，经改造后，各项运行参数正常，设备运行状况一直比较稳定，达到国内同行业先进水平，电液调速系统操作灵活、运行可靠稳定。

4 结语

从该项目采用的技术来看，通过将旧的机械液压式调速系统升级改造为电子液压式调速系统，控制模式由机械式传动控制转变为内部转速PID作用后，输出4～20 mA模拟信号给现场的冗余电液转换器，冗余转换器又将模拟信号转换成二次油压(0.15～0.45 MPa)，从而通过油动机改变汽轮机调节气阀开度，调节进气量，使汽轮机转速快速逼近并稳定在设定值，以达到工艺要求。这种控制模式缩短了液压油控制传动链，有效避免了机械部件磨损造成的运动失效，提高了控制精度及平稳性。另外机械液压式调速系统控制气压机组开机时，只能通过经验手动调节汽轮机的暖机升速，无法有效避免临界转速。而升级改造后的505调速器可通过内部软件科学的设置升速曲线，进而能够自动实现汽轮机自启动、暖机、升速、电超速跳闸保护等，能够有效地避免汽轮机的临界振动速度，进而降低共振带来的汽轮机转子的损坏，实现了连续、平稳、安全自启动，也降低了职工的劳动强度。