汽轮机启动控制系统优化设计及应用*

申宏伟

(霍州煤电集团吕梁山煤电公司方山发电厂，山西 吕梁 033000)

0 引 言

随着社会对电力能源需求不断加大，电力企业设备的发展和优化需要不断地研究和创新。汽轮机作为发电厂重要的生产设备之一，对电厂的稳定和持续工作具有重要作用。在电厂正常运转过程中，如果汽轮机启动中存在不稳定因素则会导致整个发电机组无法响应生产需求；另一方面汽轮机稳定的启动可以更好的匹配锅炉的运行。针对汽轮机启动过程中压阀组预热速率过高和高压阀组低温冲转问题，笔者通过阐述汽轮机高压阀组预热速率优化和冲转控制优化，排除汽轮机启动不稳定因素，使汽轮机启动控制更加安全有效[1]。为汽轮机启动控制的进一步优化和安全操作提供参考。

1 汽轮机控制系统概述

某电厂使用K-1000-60/3000型汽轮机组，对称布置，机组内4个低压缸和一个高压缸，低压缸放置在中间4个高压缸以低压缸为中心两两对称分布。控制系统的主要原件采用西门子PLC，显示监测采用OM696系统，诊断系统为ES/DS。汽轮机组的电液控制系统为TXP控制平台，重要包括电液调节系统EDH和电路控制系统AS620B。为了防止系统运行中的误动和拒动现象采用了3对AP，并以3取2的运行方式对系统进行控制，这样可以使系统的运行更加平稳[2]。

目前，由专业技术人员设计了一个程序用于控制汽轮机启动过程中的冲转和预热，该程序主要分三个阶段进行控制：第一阶段，预热汽轮机液压系统高压阀组；第二阶段，控制汽轮机冲转达到1 000 r/min；第三阶段，将冲转加速至3 000 r/min。该程序控制方式简单，对于汽轮机的启动优化具有较大的优化空间，因此，作者针对上文中的三个阶段存在的不足进行了优化，使汽轮机的启动控制流程更加合理[3]。

2 汽轮机启动优化方案

冷却空气流通通道部分热应力的控制对于汽轮机的启动过程非常关键，也就是在整个启动过程中需要尽量减少或避免热蒸汽流入不必要的设备空间内，避免热应力超出可控范围而导致设备出现故障或损坏。之所以对汽轮机进行热应力控制就是要将所有部件的热应力保持在所允许的范围之内，从而才能保证汽轮机整个系统的安全平稳运行，因此汽轮机启动时在并网、升速、冲转环节都要保持任何元件都有良好的热应状态，这样才能使机组在整个运行过程中产生的损耗尽量保持最低状态[4]。而想要通过保持良好的热应力达到降低损耗的目的，主要是对机组在进行启动、负荷变化和停机动作时所产生的温度波动进行调节，因为在产生较大的温度变化速率时，会在转子上出现超出标准的温度梯度，同时造成很大的热应力，对机组系统产生影响甚至出现故障，因此做好转子的热效应控制即可保持电力机组汽轮机的热应力不会超出允许的控制范围。而暖机和预热是汽轮机启动过程中出现热应力的主要时间段，因此对这两个控制过程进行深入研究，提出以下优化方案。

2.1 高压阀组预热速率优化

在汽轮机预热时经常出现高压阀组温度上升速度超限的状态，此时要进行人为干预就必须先切除启动程序，而切除启动程序会影响发电机并网的励磁，此时退出启动程序会造成严重后果。因此，操作人员在启动程序开启后无法完成高压阀组预热速度的手动干预。在这种条件下，既不能影响发电机励磁，而对整个系统造成危害，因而不能手动完成高压阀组预热手动干预，所以，本次汽轮机启动高压阀组预热速率优化设计中，需要完成阀门BA25和阀门45AA201的预热控制方式改为自动控制，将其在预热升温速度保持在4 ℃/h以下。根据以上实际情况和现场分析提出两种解决方案[5]。

(1)重新设置一套控制系统单独控制高压阀组的预热速度，使阀门越热控制脱离汽轮机启动控制程序，当发生高压阀组预热速度超过所允许范围的情况发生时，现场操作人员可以利用这套新程序单独控制，即使自动控制失灵也可以将这个控制系统单独切除，进行手动控制，同时也能够保证汽轮机的并网、励磁能够正常顺利进行，不会对系统的其它部位产生影响[6]。

(2)将高压阀组的预热控制仍在启动程序流程之内，但控制形式从高电平连续加热改为脉冲断续加热，并在操作面板上增加预热频率设置模块，当系统启动程序开启之后，可根据高压阀组的温度变化速度自动调节加热频率，这种控制形式下，通过调节加热脉冲频率，从而调节加热速度。当自动调节频率失灵的状态下，也可以通过预热频率设置模块进行手动设置，以保证预热速度保持在允许的范围之内[7]。

第一种方案需要重新设计电路，将高压阀组预热线路从线路中分离出来，再根据新的线路重新连接，并且还要单独重新编写一整套控制程序；第二种方法相对简单，不需要改造线路，只需要在源程序和控制面板中增加压阀组预热程序模块即可。因此，选用第二种方案。

2.2 冲转控制优化

有关汽轮机启动标准中规定：汽轮机转速将要达到1 100 r/min之前，高压缸温度尚未达到150 ℃，则必须使汽轮机以1 100 r/min的速率旋转，并保持10 min，以保证足够的预热时间使高压缸达到所需要的预热温度。根据日常操作汽轮机从1 100 r/min向3 000 r/min冲转是第二阶段向第三阶段转换的过程，完全依靠操作人员手动完成，若操作人员只考虑转速而忽略了高压缸低温问题就极有可能产生误操作，并且在现有的启动程序控制中并没有对高压缸低温冲转进行闭锁。在这种控制条件下，系统中存在极大的不安全因素，需要对汽轮机启动第二阶段向第三阶段转换控制进行优化。

针对以上问题，需要对汽轮机启动过程中第二阶段向第三阶段转换控制进行优化，在汽轮机转速1 050 r/min向3 000 r/min冲转之前增加高压阀组低温闭锁程序，即高压阀组温度达不到150 ℃时，若操作人员进行冲转操作，系统自动中断冲转程序，同时让汽轮机保持1 050 r/min的转速运行10 min，待10 min后打开闭锁，开启第三阶段冲转程序。利用自动控制闭锁程序可以完全避免汽轮机启动中二阶段向三阶段高压阀组低温冲转问题，使发电机组的运行更加安全稳定。三阶段冲转闭锁控制流程如图1所示。

图1 三阶段冲转闭锁控制流程

3 实践应用效果

汽轮机启动控制系统优化后，高压阀组自动预热速率平稳，不在出现预热速率过高的情况。通过手动控制高压阀组加热频率，也能够完成对加热速率的控制，高压阀组加热速率过快得到很好的解决。由1 050 r/min向上冲转时，若出现高压阀组温度低于150 ℃时，系统会自动中断冲转程序，同时让汽轮机保持1 050 r/min的转速运行10 min，待10 min后打开闭锁，开启第三阶段冲转程序，高压阀组低温冲转问题得到解决。

4 结 语

汽轮机是发电厂重要的生产设备，其正常运转对发电厂的安全稳定运营具有关键作用。汽轮机的启动优化对机组的并网、励磁等环节都有很大影响，因此汽轮机的启动过程控制必须严格按照相关规定和标准进行操作。文中通过对汽轮机现有的启动控制程序进行分析，针对高压阀组预热速率过高和高压阀组低温冲转问题，对汽轮机启动控制程序进一步优化，排除了汽轮机启动过程中的不稳定因素，使汽轮机的启动控制更加安全有效。