CN109268079B

CN109268079B - Shrt机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法

Info

Publication number: CN109268079B
Application number: CN201811154679.4A
Authority: CN
Inventors: 马凯; 张亚军; 王东升; 王华强; 张保平; 柳黎光; 张娜
Original assignee: Xian Shaangu Power Co Ltd
Current assignee: Xian Shaangu Power Co Ltd
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2038-09-30
Also published as: CN109268079A

Abstract

本发明公开了一种SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法：步骤1，启动汽轮机并检测汽轮机在最大空载转速下调节汽门的开度；步骤2，机组降转速控制，具体操作如下：1)当机组需降转速运行时，操作人员设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备降转速”信号至仪控系统，仪控系统判断机组是否满足调速条件，若满足，反馈“允许降转速”信号至VFDS7，并执行步骤2)。2)电动机在VFDS的控制下降转速至目标转速S₁，在降转速过程中，通过降低汽轮机的输出功率，保证电动机的电流始终为设定电流I₁。本发明涉及的方法无需人为干预，有效解决了降转速过程中出现的因电动机电流波动引起的变频器故障停机问题。同时，变频调节SHRT机组为企业产生巨大的经济效益。

Description

SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法

技术领域

本发明属于余热发电技术领域，应用于钢铁冶金流程中能量回收利用设备，具体是一种SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法。

背景技术

我国钢铁工业能耗占国家总能耗的16.3％，其能耗来源主要是烧结和炼铁两个工段，其中烧结工段占10～20％，仅次于炼铁工段的70％，所以优化烧结工艺及动力设备系统以实现节能减排尤为重要。烧结风机是烧结工艺的必要能动设备，其通过电动机驱动运行来为烧结系统供风。烧结系统的回收余热主要在烧结风机后面的3～5个烟箱及冷却机的第一个烟罩处，通过余热锅炉产生蒸汽后用余热汽轮机驱动发电机发电。

传统的烧结余热发电机组与电动机拖动烧结主抽风机机组是两个独立的机组，隶属于不同厂房，不同用途的动力旋转设备。而烧结余热回收与烧结风机联合机组(Sinterblowerresidual Heat Recovery Turbine，简称SHRT机组)如图1所示，由烧结余热发电机组和烧结主抽风机组集成配套而成，包括汽轮机1、变速离合器2、烧结风机3、电动机4、仪控系统5和MCC系统6(电气控制系统)。该SHRT机组配置方式的优势在于：第一，取消了发电机，机组将烧结余热回收的能量直接作为旋转机械能补充在轴系上，与电动机4同轴驱动烧结风机3，电动机4只需输出烧结风机3耗能和汽轮机1做功的功率差，因此降低了电动机4运行的电流，使驱动烧结风机3的电动机4在线降低电流实现节能；第二，不向当地电网供电，节减了供电审批程序；第三，与余热发电机组相比，提高了能量回收率6％～8％；第四，机组余热能量回收60％～80％；⑤减少了设备、厂房等物资投入。

在此基础上SHRT机组若能够实现变频运行，可在保证能量高效回收的同时更有效地降低电能的消耗。

目前，SHRT机组使用时，在电动机4通过变频器7降转速的过程中，由于汽轮机1的做功使得电动机4将承受很大的反向力矩，导致电动机4进入发电状态(发电机定子转速小于转子转速)电动机4电流不断减小，变频器7反向输入电能，而普通的两象限变频器不具有反向输入的功能，变频器7直流母线电压随之升高，最终变频器7故障跳闸导致机组联锁停机。因此，SHRT机组如何实现变频过程中机组的降转速控制是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述SHRT机组变频过程中机组的降转速控制问题，本发明的目的在于，提供一种SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，启动汽轮机并检测汽轮机在最大空载转速下调节汽门的开度；

步骤2，机组降转速控制，具体操作如下：

1)当机组需降转速运行时，设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备降转速”信号至仪控系统，仪控系统判断机组是否满足调速条件，若满足，反馈“允许降转速”信号至VFDS7，并执行步骤2)。

2)电动机在VFDS的控制下降转速至目标转速S₁，在降转速过程中，通过降低汽轮机的输出功率，保证电动机的电流始终为设定电流I₁，具体操作如下：

DEH通过伺服阀减小汽轮机调节门FCV10开度，从而降低汽轮机的输出功率P₁，保证在降转速过程中电动机的输出功率P₄的恒定，进而保证电动机的电流始终为设定电流I₁。

进一步的，还包括步骤3：汽轮机入口压力投入自动控制，具体操作如下：

当机组转速降至目标转速S₁时，通过DEH控制汽轮机调节汽门的开度，使得汽轮机的入口压力始终为设定压力。

进一步的，所述步骤1具体包括如下子步骤：

1)DEH收到来自仪控系统的“允许启动”信号，进入步骤2)；

2)汽轮机按照DEH预先设定的升速曲线升速，当仪控系统接收到来自啮合开关ZS的闭合信号，记录该闭合信号触发时汽轮机调节汽门的开度α，此开度即为汽轮机在最大空载转速下的调节汽门的开度，进入步骤3)；

3)DEH502通过控制汽轮机主汽门开度来控制电动机电流，保证电动机电流稳定在设定值I₁，启动和测试过程结束。

进一步的，所述步骤1)中，DEH收到来自仪控系统的“允许启动”信号的条件为：润滑油压≥120KPa(G)、调节油压≥10MPa(G)、润滑油温正常≥35℃、汽轮机盘车停止、烧结风机停机信号复位。

进一步的，所述步骤2中的2)中，所述降速过程中的汽轮机调节汽门的最小开度为1.15α。

相较于现有技术，本发明的方法的优点如下：

1、本发明的方法无需人为干预，保证了在机组升转速过程中电机电流的稳定，有效解决了降转速过程中出现的因电动机电流波动引起的变频器故障停机问题，保证了机组降转速过程的安全、稳定。

2、本发明中汽轮机转速随电动机变化，对于汽轮机的控制属于随动式控制，因此在DEH控制精度不高的情况下优势凸显，并且对转速控制算法的要求不高。

3、应用本发明的方法，实现变频调节SHRT机组，进一步节省了电能。

附图说明

图1是本发明的方法所应用的SHRT机组的结构示意图。

图2是电动机电流、汽轮机调节门开度控制双闭环控制框图。

图3是汽轮机入口压力、汽轮机调节门开度控制双闭环控制框图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

本发明首先通过对烧结余热回收与烧结风机联合驱动机组工艺系统的研究，以及电动机及其配套变频器工作原理的研究，分析机组在变频调节降转速过程中遇到的问题，提出机组降转速控制方法。

以下根据附图，分析在SHRT机组(以下简称机组)降转速过程中可能遇到的问题：在机组已启动并正常运行的情况下，由于工况的变化(烧结抽风量需求减小)，机组需降转速运行，降转速过程以电动机4为主导、汽轮机1配合调速，假设汽轮机1未参与配合调节，而直接通过变频器7降低电动机转速，其结果是电动机4的定子转速虽然下降，但在汽轮机1的拖动下电动机4的转子转速并不会下降(或下降速度很慢)，导致电动机4进入发电状态、电动机4电流不断减小，电动机4开始反向输入电能给变频器7，变频器7直流母线电压随之升高，最终变频器7故障跳闸导致机组联锁停机。基于以上分析，本发明提出在机组降转速过程中汽轮机1也必须参与调节，思路是通过降低汽轮机1的输出功率，保证降转速过程中电动机4电流稳定。

参照图1，本发明的方法所应用的变频调节SHRT机组，包括汽轮机1、变速离合器2、带有双输出轴的烧结风机3、电动机4、仪控系统5(包括MIS501、DEH502、PIC503)、MCC系统(电气控制系统)6、VFDS变频调速系统7、FCV(汽轮机调节门)10，烧结风机3的一输出轴端与电动机4同轴连接，另一输出轴端通过变速离合器2与汽轮机1同轴连接(当汽轮机1转速达到啮合转速时变速离合器2啮合并为轴系做功)。

首先对图1中的主要部件进行说明：

SE 12：转速传感器，用于检测汽轮机1转速。

ZT 9：阀位变送器，用于检测汽轮机调节门FCV 10开度。

PT 11：汽轮机4入口压力变送器。

DEH 502：电液调节系统，其通过输出4～20mA控制信号给伺服阀8(如VOITH阀)，来调节汽轮机调节门10的开度，可实现汽轮机1转速/功率的调节。其通过接收阀位变送器ZT9的反馈信号并与控制信号比较，形成闭环控制系统。

VFDS 7：变频调速驱动系统，即变频器。

电流互感器202：包括在变频器7中，用于电动机4的电流的检测。

MCC 6：马达控制中心，即电气控制系统。

MIC 501：电动机电流控制器(仪控系统5中实现)，该控制器为闭环控制回路，测量值来自MCC 6电流互感器，设定值I₁可依据经验人工给定。

PIC 503：汽轮机入口压力控制器，该控制器为闭环控制回路，测量值来自压力变送器PT11，设定值按照工艺要求人工给定。

啮合开关ZS 201：用于检测变速离合器2和联轴器是否啮合。

下面介绍本发明的具体实施方法：

步骤1，启动汽轮机1并检测汽轮机1在最大空载转速下调节汽门10的开度，具体步骤如下：

1)DEH 502收到来自仪控系统5的“允许启动”信号，进入步骤2)；

当满足以下条件：润滑油压≥120KPa(G)、调节油压≥10MPa(G)、润滑油温正常≥35℃、汽轮机1盘车停止、烧结风机3停机信号复位时，仪控系统5发出“允许启动”信号至DEH502。

2)汽轮机1按照DEH502预先设定的升速曲线升速，当仪控系统5接收到来自啮合开关ZS201的闭合信号(表示汽轮机1已升速至变速离合器2与联轴器的轴端啮合，汽轮机1开始对机组整个轴系做功)，记录该闭合信号触发时汽轮机调节汽门10的开度α，此开度即为汽轮机1在最大空载转速下的调节汽门10的开度。进入步骤3)；

3)由MIC 501控制器、DEH 502、伺服阀8、阀位变送器ZT 9、电流互感器202组成的双闭环控制系统(如图2所示)投入自控控制，DEH 502通过控制汽轮机1主汽门开度10来控制电动机4电流，保证电动机4电流稳定在设定值I₁(根据现场实际情况人工给定)，启动和测试过程结束。

说明：步骤1的作用是实现汽轮机1的启动过程，并在启动过程中测试最大空载转速下调节汽门10的开度。

步骤2，机组降转速控制(因烧结抽风量需求减小，机组需降转速运行)，具体步骤如下：

1)当机组需降转速运行时，操作人员设定VFDS7的频率(转速)；VFDS7发出“准备降转速”信号至仪控系统5，仪控系统5判断机组是否满足调速条件(即机组运行正常，无报警项)，若满足，反馈“允许降转速”信号至VFDS7，并执行步骤2)。

2)电动机4在VFDS7的控制下降速至目标转速S₁(根据现场实际情况人工给定)，然后执行步骤3。这个过程中通过降低汽轮机1的输出功率，保证电动机4的电流始终为设定电流I₁。该过程通过图2所示串级控制系统实现，具体如下：

在图2所示串级控制系统中，DEH502通过伺服阀8减小汽轮机调节门FCV10开度，从而降低了汽轮机1的输出功率P₁，保证了在机组降转速过程中电动机4的输出功率P₄的恒定(设烧结风机功耗为P₃，则P₃＝P₁+P₄，机组降转速时P₃减小，为保证P₄的恒定，需要减小P₁)，进而保证了电流I₁的稳定；同时，在上述过程中，为了确保汽轮机1在降低输出功率的过程中，不会降至电动机与变速离合器2脱扣，需要限定汽轮机调节汽门10的最小开度为1.15α。

步骤3，汽轮机入口压力投入自动控制。

由于汽轮机1入口蒸汽来自锅炉，如果不对汽轮机1入口压力进行控制，将直接影响到锅炉的安全运行，所以汽轮机1入口压力的稳定对工艺十分重要。具体操作如下：

当机组转速降至目标转速S₁时，由PIC503控制器、DEH502、伺服阀8、阀位变送器ZT9、压力变送器11组成的串级控制系统(如图3所示)投入自控控制，即通过DEH502控制汽轮机调节汽门10的开度，来稳定汽轮机1的入口压力始终为设定压力。从而保证了汽轮机1能够在入口压力稳定的前提下为整个轴系做功，降低电动机功耗，达到节能的效果。至此，机组降转速过程结束。

综上，在机组降转速过程中，汽轮机调节门10开度控制以电动机4电流为基准；机组降速完成回归正常运行时，汽轮机调节门10开度控制切换为以汽轮机10入口压力为基准。

本发明解决了变频调节SHRT机组降转速过程中存在的问题，可以看出本发明的方法中在电动机4降速过程中，汽轮机1随之一同下降，因此对于汽轮机1来说，本发明中降转速方法属于随动式控制方法。此外，SHRT机组原本就提高了能量的回收率，而变频调节SHRT机组无异于锦上添花，更大程度的节省了电能，能够为企业带来巨大的经济效益与价值。本发明在邯郸钢铁SHRT项目机组中得到验证，整个降转速过程电动机电流比较平稳，降转速过程全自动化，不需人为干预，有效解决了降转速过程中出现的因电动机电流波动引起的变频器故障停机问题。

Claims

1.一种SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤2，机组降转速控制，具体操作如下：

1)当机组需降转速运行时，设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备降转速”信号至仪控系统，仪控系统判断机组是否满足调速条件，若满足，反馈“允许降转速”信号至VFDS，并执行步骤2)；

2)电动机在VFDS的控制下降速至目标转速S₁，在降速过程中，通过降低汽轮机的输出功率，保证电动机的电流始终为设定电流I₁，具体操作如下：

DEH通过伺服阀减小汽轮机调节门FCV开度，从而降低汽轮机的输出功率P₁，保证在降速过程中电动机的输出功率P₄的恒定，进而保证电动机的电流始终为设定电流I₁。

2.如权利要求1所述的SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，其特征在于，还包括步骤3：汽轮机入口压力投入自动控制，具体操作如下：

3.如权利要求1所述的SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下子步骤：

1)DEH收到来自仪控系统的“允许启动”信号，进入步骤2)；

4.如权利要求3所述的SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，其特征在于，所述步骤1的1)中，DEH收到来自仪控系统的“允许启动”信号的条件为：润滑油压≥120KPa(G)、调节油压≥10MPa(G)、润滑油温正常≥35℃、汽轮机盘车停止、烧结风机停机信号复位。

5.如权利要求1所述的SHRT机组变频降转速过程中汽轮机的负荷控制方法，其特征在于，所述步骤2的2)中，所述降速过程中的汽轮机调节汽门的最小开度为1.15α。