抗蒸汽管网压力波动的汽轮机调速方案

温旭 WEN Xu

（沈阳鼓风机集团自动控制系统工程有限公司，沈阳 110000）

1 概述

目前对于化工生产过程中的核心动设备抽汽式汽轮机转速控制，普遍的解决方案是在汽轮机的高压缸前设置主进汽阀用来控制汽轮机转速，在高压缸与低压缸之间设置抽汽阀用来控制次高压管网的抽汽压力，二者配合来调节装置的负荷。然而，当来自高压蒸汽管网的主蒸汽压力波动时，直接会影响汽轮机转速，从而间接的影响次高压管网的抽汽压力；反之当次高压管网的抽汽压力被迫产生扰动时，也会影响汽轮机转速，从而也会间接影响来自高压蒸汽管网的主蒸汽压力，造成控制缠绕、耦合效应，很难在短时间内达到系统平稳，影响装置安全生产，这种双压力互扰的波动是工艺操作人员不愿看到的。

2 抽汽式汽轮机控制

由于本文所设计的控制参数非常重要，每个参数设置三个测量点做三取中为有效值。具体包括：主蒸气压力，抽气压力，和转速实测值等。

在汽轮机的高压缸前设置高压进汽阀用来控制来自高压蒸汽管网的主蒸汽压力，在高压缸与低压缸之间设置低压进汽阀用来控制汽轮机转速，抽汽式汽轮机布置图见图1。GCV阀与ECV阀进行双阀解耦控制，以保转速控制优先的原则，二者配合来调节装置的负荷。

图1 抽汽式汽轮机布置图

具体的，当汽轮机开车条件满足后，按启动按钮，此时GCV阀控制转速，进入暖机，升速，过临界，进入运行模式，ECV阀门从启动开始按一定爬坡速率从0%逐渐开运行到100%全开，（爬坡速率可设置，最好在机组暖机模式前达到100%全开）低压缸此时为全凝状态即为蒸汽全部进入汽轮机低压缸，此时汽轮机转速由GCV阀控制，ECV阀全开未投入控制。

2.1 运行模式GCV控制转速，ECV未投入控制

进入运行模式后，GCV阀门依然控制转速，ECV阀门全开状态，未投入控制（即非自动解耦控制也非手动控制）。当ECV阀门开度为100%时，表明在汽轮机低压缸全凝状态下，如果抽气压力处于高报警，说明汽轮机低压缸容纳不下过盈的蒸汽，导致抽气压力持续升高，影响次高压管网压力，此时可以设置自动降低转速设定值，以降负荷的方式来调节汽轮机转速。转速设定值降低，PID输出GCV阀开度减小，转速设定值降速到运行模式的下限转速为止。

ECV阀门可选择手动给定阀位，ECV阀门做限位45%，即为ECV阀最小只能开到45%。ECV阀门选择手动给定阀位的条件是进入运行模式且ECV阀门未投入自动解耦控制且GCV阀开度大于一定设定值41.7%时（此设定值为汽轮机最小抽汽时的主蒸汽进气流量与汽轮机最大抽汽时的主蒸汽进气流量的比值，具体可在汽轮机厂家提供的功率流量曲线中查到，意为需要汽轮机机组具有一定的负载时使能，不同机型设定值不同）。

2.2 运行模式GCV控制汽轮机入口压力，ECV控制机组转速

进入运行模式后，当抽汽压力正常且在运行模式且GCV阀门输出大于41.7% 且蒸汽入口压力测点正常即ECV阀投入条件满足时（ECV阀投入条件见图2），方可投用ECV阀门自动解耦控制，否则自动退出ECV阀门自动解耦控制模式，退出后GCV控制转速，ECV阀按一定爬坡速率逐渐全开。当ECV阀门自动解耦控制投入后，GCV阀门控制蒸汽入口压力，ECV阀门控制机组转速，且以转速控制优先。由于GCV阀控制对象的变化，需要设置两组PI参数，一组PI参数用于控制转速，另一组PI参数用于控制蒸汽入口压力，当GCV阀门自动控制模式时自动切换对应的PI参数。汽轮机启动GCV阀与ECV阀控制流程见图3。

图2 ECV阀控制投入条件

图3 汽轮机启动GCV阀与ECV阀控制流程图

此时压缩机入口压力串级控制可投，压缩机入口压力设定值和实测值产生偏差后PID输出改变转速设定值，ECV阀门控制转速。压缩机入口压力设定值大于实测值时，转速设定值下降；压缩机入口压力设定值小于实测值时，转速设定值上升。建议在系统不稳定的情况下不投串级控制，在系统稳定的情况下尝试投入压缩机入口压力串级控制[1]。

2.3 GCV阀与ECV阀解耦控制

解耦控制系统[2]是采用某种结构，寻找合适的控制规律，消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。解耦控制[3]是多变量系统控制的有效手段。当ECV阀投入使用后，GCV阀与ECV阀自动解耦控制见图4，ECV控制汽轮机转速，GCV阀控制管网蒸汽压力。

图4 GCV与ECV解耦控制功能图

根据TRICONEX开发手册提供的控制算法[4]：

其中：

HR为汽轮机高、低压缸的马力比（功率比）；

TB为汽轮机摩擦损失比（阻力比）；

FR为汽轮机高、低压缸的流量比（最小抽汽流量与最大抽汽流量比）；

根据汽轮机厂家提供的汽轮机功率、流量特性曲线[5]见图5得出

图5 汽轮机功率流量特性曲线

①蒸汽压力一定时PV=SP时：

转速SP>PV时：GCV阀门保持一定（保持当前值不变），ECV阀动作升高，当ECV阀全开后，GCV阀再升高；

转速SP

转速SP=PV时：GCV阀门保持一定（保持当前值不变）；GCV阀门保持一定（保持当前值不变）。

②转速一定时SP=PV时：

蒸汽压力SP>PV时：GCV阀下降，ECV阀升高，当ECV阀全开后，GCV保持（以保证转速优先原则）；

蒸汽压力SP

蒸汽压力SP=PV时：GCV阀门保持一定（保持当前值不变）；GCV阀门保持一定（保持当前值不变）。

③蒸汽压力SP>PV且转速SP>PV时：GCV下降，ECV升高，当ECV全开后，GCV升高（以保证转速优先原则）。

④蒸汽压力SP>PV且转速SPPV时：GCV升高，ECV升高，当ECV全开后，GCV继续升高。

⑤蒸汽压力SP

在次高压管网设置抽气逆止电磁阀，当机组联锁停机时抽气逆止电磁阀失电；当机组运行模式时，且ECV阀门输出开度小于100%时得电控制。

2.4 正常停车

正常停车时，要切换到原始状态，即ECV自动切除，ECV手动不投入，串级自动切除，在运行模式下按正常停机按钮即可。

通过一系列解耦控制，既保证了来自高压蒸汽管网的主蒸汽压力稳定，又保证了汽轮机转速稳定，解决了双压力互扰缠绕耦合，实现了抽汽凝汽式汽轮机的前压控制，有效保证转速控制优先稳定的原则。本方案同样适合抽汽背压式汽轮机的双阀（GCV和ECV）控制。

3 非抽汽式汽轮机控制

3.1 传统方法控制汽轮机转速

传统方法，以汽轮机实际转速作为控制参数，采用经典闭环PID调节汽轮机油动机，油动机驱动主汽门，当汽轮机实际转速减小时，PID调节增大，主汽门开度增大；当汽轮机实际转速增大时，PID调节减小，主汽门开度减小。当蒸汽管网压力出现波动，影响汽轮机进汽量，汽轮机转速会出现偏差，汽轮机主汽门根据PID控制器的作用做出补偿响应。这对汽轮机蒸汽管网安全等级要求较高，要求运行环境稳定，对汽轮机蒸汽管网稳定依赖性强。

3.2 创新方法控制汽轮机转速

创新方法，汽轮机蒸汽管网压力经常会随着工况变化而产生波动。经典闭环PID调节难以控制及时。若能在汽轮机蒸汽管网压力出现扰动时就进行干予，而不是等到汽轮机转速出现偏差后再进行控制，这样就能更好的消除汽轮机蒸汽管网压力扰动对被控参数汽轮机转速的影响。

在汽轮机主汽门前设置汽轮机蒸汽管网压力测量点，作为干扰量设定DV，以汽轮机转速作为控制变量PV，采用前馈反馈控制方案见图6。

图6 汽轮机前馈反馈控制传递函数

经典PID传递函数为

Kp为比例系数；

TiS为积分时间；

TdS为微分时间；

Kc为前馈标称增益；

Tp为扰动通道的时滞时间；

Td为控制通道的时滞时间。

增加扰动滤波，设置扰动死区时间和扰动死区范围。例如：当汽轮机蒸汽管网压力扰动死区时间或扰动死区范围超过设定值时，又或者二者同时超过设定值时，前馈控制作用使能。

举例说明：汽轮机蒸汽管网压力为10MPa（A），汽轮机转速PV=10000RPM，汽轮机主汽门在经典闭环PID控制作用下输出为50%。此时汽轮机蒸汽管网压力发生扰动，当汽轮机蒸汽管网压力减小时，前馈输出为5%，汽轮机主汽门在前馈反馈控制作用下输出为MV=50%+（5%）=55%；当汽轮机蒸汽管网压力增大时，前馈输出为-5%，汽轮机主汽门在前馈反馈控制作用下输出为MV=50%+（-5%）=45%。

其控制思想为基于汽轮机蒸汽管网压力的扰动来消除其对汽轮机转速的影响。这使得汽轮机蒸汽管网压力出现扰动之初，控制系统可以预先做出响应，对汽轮机转速扰动进行预判和干预，而不需要等到汽轮机转速出现偏差后再进行补偿，这为汽轮机转速控制提供一个稳定的，可靠的，抗干扰能力强的转速控制方案。

4 结束语

基于TRICON控制系统对控制方案进行组态，采用TRICON控制器下位机软件TriStation 1131解耦控制功能模块TWOVLV_IPSP04，上位机采用Invensys公司旗下的Intouch软件对其进行上位机组态。其抽气式汽轮机控制方案应用于兰州石化24万吨/年乙烯产能恢复项目裂解气压缩机控制系统中见图7，完美解决了蒸汽管网调配能力薄弱的问题，所应用的汽轮机在控制转速稳定的同时兼顾保证了蒸汽入口压力的稳定。非抽气式汽轮机控制方案应用于兰州石化90万吨/年柴油加氢装置循环氢压缩机控制系统中，完美解决了汽轮机调速能力弱和滞后的问题，能够在汽轮机转速发生改变前提前预判机组转速变化趋势并加以干预。先进的控制方案提高了机组的安全性和稳定性，为老厂装置改造和新厂装置磨合提供了创新的解决思路，得到了兰州石化领导的认可和肯定。

图7 抽汽式汽轮机GCV与ECV解耦控制运行画面