CN109322714B - Shrt机组变频升转速过程中汽轮机的负荷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SHRT机组变频升转速过程中汽轮机的负荷控制方法：(1)当机组需升转速运行时，设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备升转速”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“允许升转速”信号至VFDS；(2)电动机在VFDS的控制下升转速至目标转速，与此同时，汽轮机通过DEH控制增大汽轮机调节门开度，保证电动机电流的恒定；具体操作如下：DEH通过伺服阀增大汽轮机调节门开度，从而增加汽轮机的输出功率，保证在机组升转速过程中电动机的输出功率的恒定。本发明的方法不需人为干预，保证了在机组升转速过程中电机电流的稳定，有效解决了机组升转速过程中出现的因电动机电流波动引起的变频器故障跳闸问题。

Description

SHRT机组变频升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邻域，应用于钢铁冶金流程中能量回收利用设备，具体是一种SHRT机组变频升转速过程中汽轮机的转速控制方法。

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。烧结主抽风机是烧结工序的必要能动设备，通过电动机驱动运行，为烧结系统供风。烧结系统的回收余热主要在烧结机后面的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(Sinterblower residual 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％；第五，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机组在需要升转速运行时，升转速过程以电动机4为主导、汽轮机1配合调节，假设汽轮机1未参与配合调节，而直接通过变频器7升高电动机4转速，汽轮机1的转速亦随之升高(相当于汽轮机1突然被卸力，其转速自然会跟随电动机4升高)，在此过程中由于负载不断升高，电动机4电流亦随之升高，电机电流升高意味着电动机4能耗变大，机组的节能效果未能最大化，甚至会出现随着电动机4过电流时，变频器VFDS7故障跳闸，机组联锁停机的现象。综上，SHRT机组如何实现变频过程中机组的升转速过程的平稳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升转速控制问题，本发明的目的在于，提供一种SHRT机组变频升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机组变频升转速过程中汽轮机的负荷控制方法，具体包括如下步骤：

(1)当机组需升转速运行时，设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备升转速”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“允许升转速”信号至VFDS，并执行步骤2)；

(2)电动机在VFDS的控制下升转速至目标转速，与此同时，汽轮机通过DEH控制增大汽轮机调节门开度，保证电动机电流的恒定；具体操作如下：DEH通过伺服阀增大汽轮机调节门开度，从而增加汽轮机的输出功率，保证在机组升转速过程中电动机的输出功率的恒定，进而保证电流的恒定。

进一步的，所述步骤(2)中，电动机通过变频器升转速的速率为6～10r/s。

进一步的，该方法还包括步骤：汽轮机进入入口压力控制，具体操作如下：

当机组转速升至目标转速时，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。

相较于现有技术，本发明的方法的优点如下：

1、本发明的方法不需人为干预，保证了在机组升转速过程中电机电流的稳定，有效解决了机组升转速过程中出现的因电动机电流波动引起的变频器故障跳闸问题。

2、本发明的方法中，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，以及电机及其配套变频器工作原理的研究，分析机组在变频调节升转速过程中遇到问题，提出机组升转速控制方法。

以下根据附图分析在SHRT机组(以下简称机组)升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(烧结抽风量需求增大)，机组需升转速运行，升转速过程以电动机4为主导、汽轮机1配合调节，假设汽轮机1未参与配合调节，而直接通过变频器7升高电动机4转速，汽轮机1的转速亦随之升高(相当于汽轮机1突然被卸力，其转速自然会跟随电动机4升高)，在此过程中由于负载不断升高，电动机4电流亦随之升高，电动机4电流升高意味着电动机4能耗变大，机组的节能效果未能最大化，甚至会出现变频器VFDS7故障跳闸，机组联锁停机的现象。基于以上分析，本发明提出在机组升转速过程中汽轮机1也必须参与调节，思路是通过升高汽轮机1的输出功率，保证降速过程中电动机4电流的稳定。

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、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6、VFDS变频调速系统7、DEH502、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，烧结风机3的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)。

在介绍发明之前，首先对图1中的名词进行解释：

SE12：转速传感器，用于检测汽轮机1转速。

ZT9：阀位变送器，用于检测汽轮机调节门FCV10开度。

PT11：汽轮机4入口压力变送器。

DEH502：指电液调节系统，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。

VFDS7：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。

MCC6：马达控制中心，即电气控制系统。

MIC501：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MCC6电流互感器，设定值I₁可依据经验人工给定。

PIC503：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ZS201：用于检测变速离合器和联轴器是否啮合。

下面介绍本发明的具体实施方法：

步骤1，机组升转速控制，具体步骤如下：

(1)当机组需升转速运行时(如烧结风量需求增大)，操作人员设定VFDS7的频率(转速)；VFDS7发出“准备升转速”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“允许升转速”信号至VFDS7，并执行步骤2)。

(2)电动机4通过VFDS7设定好的升转速速率开始升转速(原则上升转速曲线越平缓越好，这样能够保证升转速过程中汽轮机1能够及时跟随电动机4一同升转速，而不至于变速离合器2脱开)，与此同时，汽轮机1通过DEH502控制增大汽轮机调节门FCV10开度，以保证电动机4电流的恒定，即MIC控制器501和DEH502同时投入自动控制，形成电动机4电流与汽轮机调节门FCV10开度的串级控制系统，其框图如图2所示。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增大汽轮机调节门FCV10开度，从而增加汽轮机1的输出功率P₁，保证了在机组升转速过程中电动机4的输出功率P₄的恒定(设烧结风机功耗为P₃，则P₃＝P₁+P₄，机组升转速时P₃增大，为保证P₄的恒定，需要增大P₁)，进而保证了电流I₁的恒定；同时，在上述过程中，为了保证机组在升转速过程中不会与变速离合器2脱开，限定电动机4通过变频器7升转速的速率为6～10r/s。

步骤2，汽轮机进入入口压力控制模式。

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。具体原理如下：

当机组转速升至目标转速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，降低电机功耗，达到节能的效果。至此，机组降速过程结束。

综上，在机组升转速过程中，汽轮机调节门10开度控制以电动机4电流为基准；机组升转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升转速过程中，汽轮机1转速随之一同上升，因此对于汽轮机1来说，本发明中升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，因此该发明方案意义重大，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，整个升转速过程电机电流比较平稳，升转速过程全自动化，不需人为干预，解决了升转速过程中出现的因电机电流增大引起故障停机问题。

Claims (3)

1.一种SHRT机组变频升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：

(1)当机组需升转速运行时，设定VFDS的频率或转速；VFDS发出“准备升转速”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“允许升转速”信号至VFDS，并执行步骤(2)；

(2)电动机在VFDS的控制下升转速至目标转速，与此同时，汽轮机通过DEH控制增大汽轮机调节门开度，保证电动机电流的恒定；具体操作如下：DEH通过伺服阀增大汽轮机调节门开度，从而增加汽轮机的输出功率，保证在机组升转速过程中电动机的输出功率的恒定，进而保证电流的恒定。

2.如权利要求1所述的SHRT机组变频升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)中，电动机通过变频器升转速的速率为6～10r/s。

3.如权利要求1所述的SHRT机组变频升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：汽轮机进入入口压力控制，具体操作如下：

当机组转速升至目标转速时，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。

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