CN110080836B - 小汽机高压汽源冲转方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的小汽机控制系统为DCS控制系统，它包括用于小汽机信号采集、程序控制、自动调节的MEH控制单元，MEH控制单元中设计强PID、强前馈和强制赋值回路；原接入黑箱控制器的现场设备均接入MEH控制单元，本发明还提供了一种小汽机高压汽源冲转方法：调整预备状态，高压气源接通，设定小汽机冲转转速变化率A值；设定过临界区强制转速变化率B；设定PID控制器的比例系数为x，积分系数为y，微分前馈系数为z；以速率A逐步提升汽轮机转速，至达到汽轮机临界点；以强制速率B代替速率A，提升转速至冲过临界区间；恢复速率A，将汽轮机转速升至3000rpm即完成冲转；缓慢释放被隔绝的低压气源，系统进入稳态调节模式。

Description

小汽机高压汽源冲转方法及其控制系统

技术领域

本发明属发电设备技术领域，具体地是小汽机汽源冲转技术。

背景技术

现有的设备为上世纪90年代小汽机产品，小汽机汽源分为低压汽源和高压汽源两部分，低压汽源为四段抽汽，高压汽源为主蒸汽，其正常启动为低压汽源冲转、高压汽源负载。由于设计局限性，其低压汽源在机组高负荷段不具备足够的提升力，导致高负荷工况下其正常冲转程序不能投运。

现有小汽机采用WOODWARD公司的设备及原始配制系统，由于原控制器为封装加密程序(黑箱控制)，其一切控制逻辑是唯一且出厂即确定的，该产品虽在系统平稳运行时能满足调节需要，但不能在高负荷情况下对小汽轮机进行冲转。

而因高负荷下小汽机的汽源品质有保障、小汽机热效率高，在单元机组运行在高负荷段时一般要冲转小汽机来替换高能耗的电泵来提供机组主给水，在高负荷下对小汽机进行冲转有明显的优势或价值，因此，在高负荷情况下完成小汽机冲转，是现有技术人员亟待解决的研究问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，对小汽机整套设备及系统进行深入研究，意在以高压汽源介入冲转，实现机组在高负荷下正常冲转。

本发明提供的技术方案是：

本发明提供的小汽机控制系统为DCS控制系统，DCS控制系统包括用于小汽机信号采集、程序控制、自动调节的MEH控制单元，MEH控制单元中包括PID控制器；转速信号与MEH控制单元相连，MEH控制单元中设置了小汽机冲转转速变化率、小汽机过临界区强制转速变化率；PID控制器中设置了低压冲转控制逻辑、高压冲转控制逻辑；小汽机的各传感器、设备运行指数发送器均与MEH控制单元相连。

本发明提供了小汽机高压汽源冲转方法，其冲转过程按下列步骤进行：

第一步，点击汽泵启动后，隔绝低压汽源，油动机开启，同时快速开启低压汽源调节阀，低压汽源调节阀开至允许高压汽源开启的高度；

第二步，高压气源接通，设定小汽机冲转转速变化率(以下称速率)为A；设定过临界区强制转速变化率(以下称强制速率)B；设定PID控制器的比例系数为x，积分系数为y，微分前馈系数为z；

第三步，汽轮机以速率A升至第一转速目标值900rpm，保持该转速暖机15分钟；

第四步，继续以速率A升至第二转速目标值1800rpm，保持该转速暖机10分钟；

第五步，继续以速率A提升汽轮机转速，至达到汽轮机临界点；

第六步，以强制速率B代替速率A，以较高的强制速率B继续提升小汽机转速，至冲过临界区间，该过程中，实际转速跟随目标转速自动升速；

第七步，恢复冲转速率A，汽轮机转速自动升至3000rpm即完成冲转；

最后，当高压气源冲转完成后，缓慢释放被隔绝的低压气源，系统进入稳态调节模式。

本发明的有益效果：实现了高压汽源平稳冲转，设备运行平稳，安全性高。

附图说明

图1为本发明控制系统布置图；

具体实施方式

现有小汽机控制系统为505控制器，该控制系统属封装加密程序(黑箱控制)，不具备逻辑拓展功能，无法重新设计小汽机控制逻辑。基于这种控制器，若投入高压汽源进行冲转，该控制器无法调节高压气源冲转带来的系统波动，因此在极端情况下，只能依靠人工以手动冲转方式冒险尝试。但这处操作危险性大，系统仍不稳定。

为实际本发明的设备构思，首先对小汽机进行机组改造：

以DCS控制器替换原老式的505控制器，并且在DCS控制器中新增MEH小汽机控制系统， MEH负责对小汽机汽源的运行控制。将原接入黑箱控制器的现场设备，如现场转速、温度、压力、阀门状态等接入DCS控制单元，以保证新增设备具备最高控制权限。

改造后的控制系统布置如图1所示，本发明为小汽机配置的控制系统为DCS控制系统， DCS控制系统包括用于小汽机信号采集、程序控制、自动调节的MEH控制单元，转速信号与 MEH控制单元相连，MEH控制单元中设置了小汽机冲转转速变化率、小汽机过临界区强制转速变化率；直接参与PID运算；MEH控制单元中设计完善的PID运算控制器，PID控制器设置了低压冲转控制逻辑、高压冲转控制逻辑对PID控制器自动赋值；小汽机的蒸汽温度传感器、蒸汽压力传感器和油动机阀门状态等与MEH控制单元相连，用于辅助修正和判断控制逻辑。

更具体的，各路信息采集包括：

乙泵汽机低压主汽门前蒸汽温度；

乙泵汽机汽缸法兰外壁温度；

乙泵汽机汽缸法兰内壁温度；

乙泵汽机2X轴振动；

乙泵汽机2Y轴振；

乙泵汽机轴位移2；

乙泵#2瓦振；

乙泵汽机轴位移3；

乙汽泵前置泵出口流量2；

乙汽泵前置泵出口流量3；

乙汽泵前置泵入口压力；

乙泵汽机低压主汽门前蒸汽压力；

乙泵汽机高压主汽门前蒸汽压力；

乙泵汽机轴封供汽母管压力；

乙泵汽机排汽压力；

乙泵油箱油位；

乙泵操作油压力；

乙泵润滑油压力；

乙泵汽机1X轴振；

乙泵汽机轴位移1；

乙泵汽机1Y轴振；

乙泵#1瓦振；

乙汽泵前置泵出口流量1；

乙汽泵前置泵出口压力；

乙泵汽机低压主汽门后蒸汽压力；

乙汽泵出口压力；

乙汽泵中间抽头出口压力；

乙泵汽机低压进汽流量；

MCS至MEH转速调节指令；

乙汽泵前置泵电流；

乙泵油动机行程；

MEH至汽泵伺服放大器信号；

MEH至MCS转速设定；

乙泵汽机#1(前)轴承金属温度；

乙泵汽机前推力轴承金属温度1；

乙泵汽机后推力轴承金属温度1；

乙泵推力轴承内侧金属温度1；

乙泵推力轴承外侧金属温度1；

乙泵#1轴承(传动端)金属温度；

乙前置泵自由端轴承金属温度；

乙前置泵传动端轴承金属温度；

乙泵筒体上端温度；

乙泵油箱油温；

乙汽泵出口温度；

乙泵汽机排汽温度；

乙泵汽机单列级温度；

乙泵汽机#2(后)轴承金属温度；

乙泵汽机前推力轴承金属温度2；

乙泵汽机后推力轴承金属温度2；

乙泵推力轴承内侧金属温度2；

乙泵推力轴承外侧金属温度2；

乙泵#2轴承(自由端)金属温度；

乙前置泵电机传动端轴承金属温度；

乙前置泵电机自由端轴承金属温度；

乙泵筒体下端温度。

以上均接入DCS的数据采集模块。当然上述仅为本厂提供的一个小汽机机组实例所体现的信号列表，并不代表所有的小汽机都有或仅有这些信号接入，具体接入控制系统的信号种类、接入数量依本发明的技术所应用的设备能实现本高压汽源冲转方法为准。

本发明为小汽机配置新的DCS控制系统，具备可逻辑扩展的功能，能够依开发人员构想实现控制升级，本发明在DCS控制器中新增MEH小汽机控制系统，MEH负责对小汽机汽源的运行控制。其中在常规系统设计上增加了以下创新设计：1、利用多套PID控制策略，使小汽机保留低压汽源冲转功能的同时能够以高压汽源完成冲转；2、在高压汽源冲转的工况下，设计强PID、强前馈和强制赋值回路等多套措施，抑制低压汽源介入高压冲转过程的转速飞升； 3、对小汽机控制功能进行完善，使之具备在异常工况下快速调节的能力。

改造后的控制系统在控制设备冲转时有两种模式：“正常冲转模式”和“高压冲转模式”。

其中正常冲转模式的冲转过程为：

1)点击汽泵启动后，油动机开启；

2)转速目标值以300rpm/min的速率自动升至900rpm，保持该转速暖机15分钟；

3)继续以300rpm/min的速率自动升至1800rpm，保持该转速暖机10分钟后；

4)继续以300rpm/min的速率自动升至3000rpm。

该过程中，实际转速跟随目标转速自动升速。

以上是正常冲转的过程，是指当汽轮机维修或者故障处理后，经过了较长时间的停机，汽轮机温度已经完全下降的情况下启机，在冲转时需要阶段性暖机最终达到下正常运行的过程。而如果是汽轮机因一些小状况而停了，短时间内重启，汽轮机温度没有明显冷却，则不需要暖机，重启时，则以300rpm/min的速率将转速升至900rpm，随即转为以600rpm/min 的速率直接将转速提升至3000rpm，进入正常工作状态。

下面结合一实施例对本发明高压冲转过程详细描述，具体的，它是按下列步骤进行：

第一步，点击汽泵启动后，隔绝低压汽源，油动机开启，同时快速开启低压汽源调节阀，低压汽源调节阀开至允许高压汽源开启的高度；

第二步，高压气源接通，设定小汽机冲转转速变化率(以下称速率)A＝400rpm/min；设定过临界区强制转速变化率(以下称强制速率)B＝1800rpm/min；设定PID控制器的比例系数为x＝8，积分系数为y＝22，微分前馈系数为z＝5.5；

第三步，汽轮机以400rpm/min的速率升至第一转速目标值900rpm，保持该转速暖机15 分钟；

第四步，继续以400rpm/min的速率自动升至第二转速目标值1800rpm，保持该转速暖机 10分钟；

第五步，继续以400rpm/min的速率提升汽轮机转速，至达到汽轮机临界点；

第六步，强制将转速变化率转换为1800rpm/min，以高升速率继续提升汽轮机转速，至冲过临界区间，该过程中，实际转速跟随目标转速自动升速；

第七步，恢复转速变化率为400rpm/min，汽轮机转速自动升至3000rpm即完成冲转；

当高压气源冲转完成后，缓慢释放被隔绝的低压气源，系统进入稳态调节模式。

此方法的优点：1)冲转速率设置了两个值，专为小汽机过昨界区时设定了高转速变化率，使能快速冲过临界区；2)PID控制器的根据工况设定赋值，稳定小汽机在达到临界区时产生的振动。从而达到采用高压汽源稳定完成冲转的目的。

上述方法，第一步中开启低压汽源调节阀的时间在油动机启动后1秒内完成。上述实例中低压汽源调节阀的提升度为73mm,即满足高压汽源介入的最低高度。

本方法所述汽轮机转速变化率A为400～500rpm/min，具体可以是400rpm/min、450rpm/min、480rpm/min或500rpm/min，它应当是一个定值。本发明所述转速变化率A大于低压冲转时使用的转速变化率。

上述实例中设定PID控制器的比例系数为x＝8，积分系数为y＝22，微分前馈系数为z＝5.5 是参考小汽机运行参数而确定的。本发明中x值的确定根据汽源压力带来阀门流量特性变化； y值的选择根据系统波动的快速性以抵消x值带来的静态偏差；z值根据系统波动的幅值选择。特别说明的是，本描述中所述x、y、z是为了方便描述使用的是代码，不代表控制系统中所用变量的名称。

上述冲转方法的实例，1800rpm/min是冲转过程中对速率的强制赋值。具体强制速率B 的值也可以是1600rpm/min、2000rpm/min等，根据小汽机机械特性所能承受的上限确定。

高压冲转模式下，如果汽轮机为热态冲转，也是不需要逐步暖机的，而是以400rpm/min 的速率将转速提升至900rpm，后面与上述冲转过程相仿。

进一步的，本发明还包括以下控制方法：

一、在冷态时冲转，系统走暖机流程，若实际设备暖机效果比较好，只用了一半时间(常规设定的暖机时间10至15分钟)就达到了就地设备温度、胀差的指标，没必要浪费时间和蒸汽继续暖机了，

根据小汽机整体温度和胀差的变化，人工自主判断，提前结束暖机，进行下一个阶段的冲转。

本发明设计了“暖机取消”逻辑，可以一键取消暖机，进行下一步冲转。有效节能和节约启动时间。

二、在冲转前，确定主汽门全开状成立、确定小汽机无跳闸指令，才允许进行冲转。

具体为，DCS中设置了“冲转允许条件”联锁，只有当主汽门全开时且小汽机无跳闸指令时，启动允许条件存在。从而保证冲转顺利进行，保护小汽机安全。

本发明消除了原有小汽机控制上的局限性，解决了高负荷工况下其正常冲转程序不能投运。实现以高压汽源介入冲转的方案。本发明提供的改造方式在国内小汽机控制中尚属首例，本发明提供的技术方案解决了当进入高压汽源冲转末期低压汽源介入时，两汽源同时作用，造成小汽机飞车的问题。本冲转方法可将小汽机系统震荡幅度控制在20rpm以内。

Claims (4)

1.一种小汽机高压汽源冲转方法，其冲转过程按下列步骤进行：

第一步，点击汽泵启动后，隔绝低压汽源，油动机开启后1秒内快速开启低压汽源调节阀，低压汽源调节阀开至允许高压汽源开启的高度；

第二步，高压汽源接通，设定小汽机冲转转速变化率即速率A为450rpm/min；设定过临界区强制转速变化率即强制速率B为1800rpm/min；根据汽源压力带来阀门流量特性变化设定PID控制器的比例系数x＝8；根据系统波动的快速性以抵消x值带来的静态偏差而选择PID控制器的积分系数y＝22；根据系统波动的幅值选择微分前馈系数z＝5.5；

第三步，汽轮机以速率A升至第一转速目标值900rpm，保持该转速暖机15分钟；

第四步，继续以速率A升至第二转速目标值1800rpm，保持该转速暖机10分钟；

第五步，继续以速率A提升汽轮机转速，至达到汽轮机临界点；

第六步，以强制速率B代替速率A，以1800rpm/min的转速变化率继续提升小汽机转速，至冲过临界区间，该过程中，实际转速跟随目标转速自动升速；

第七步，恢复冲转速率450rpm/min，汽轮机转速自动升至3000rpm即完成冲转；最后，当高压汽源冲转完成后，缓慢释放被隔绝的低压汽源，系统进入稳态调节模式。

2.如权利要求1所述小汽机高压汽源冲转方法，其特征是：在冲转前，确定主汽门全开状成立、确定小汽机无跳闸指令，才允许进行冲转。

3.如权利要求1所述小汽机高压汽源冲转方法，其特征是：如果汽轮机为热态冲转，而是以400rpm/min的速率将转速提升至900rpm，后面与上述冲转过程相仿。

4.如权利要求1所述小汽机高压汽源冲转方法，其特征是：根据小汽机整体温度和胀差的变化，人工自主判断，提前结束暖机，进行下一个阶段的冲转。

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