超超臨界汽輪機(jī)數(shù)字電液控制自啟動(dòng)的研究

超超臨界汽輪機(jī)數(shù)字電液控制自啟動(dòng)的研究

目前，中國(guó)大部分電網(wǎng)機(jī)組的故障和停止通過手動(dòng)試驗(yàn)和控制進(jìn)行。（1）這是嚴(yán)重依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和水平。（2）人工控制的成本時(shí)間和中斷時(shí)間的推移延長(zhǎng)了中斷過程的時(shí)間。（3）有時(shí)僅僅依靠操作員的經(jīng)驗(yàn)來判斷，而缺乏對(duì)科學(xué)和數(shù)據(jù)的支持。為了便于操作，設(shè)備的熱應(yīng)力不可避免。這降低了設(shè)備的使用壽命，甚至使設(shè)備面臨障礙。上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的德國(guó)西門子公司超超臨界汽輪機(jī)技術(shù),采用一系列熱應(yīng)力計(jì)算,實(shí)時(shí)監(jiān)視汽輪機(jī)應(yīng)力變化,數(shù)字電液(DEH)控制系統(tǒng)自啟停順控步驟的執(zhí)行,不僅大大減輕了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān),提高了機(jī)組啟停速度,而且也保證了機(jī)組的安全使用壽命。這項(xiàng)技術(shù)已在幾個(gè)電廠得到成功應(yīng)用,本文以華電望亭發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組為例,進(jìn)行詳細(xì)介紹。1西門子超級(jí)軸承的deh溫度控制性能1.1deh與fm458望亭3號(hào)機(jī)組DEH控制系統(tǒng)采用西門子T3000控制系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了超高速處理器以及與之相配合的專用輸入輸出模件,和西門子標(biāo)準(zhǔn)處理器以及輸入輸出模件,以滿足DEH控制各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)處理器運(yùn)算速度的不同要求。(1)控制器。在1號(hào)控制柜中,采用了2對(duì)冗余的處理器417H和FM458,實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換,切換時(shí)間為毫秒級(jí)。417H為西門子的標(biāo)準(zhǔn)處理器,而FM458即為超高速處理器。FM458具有高性能閉環(huán)控制和運(yùn)算處理,高速響應(yīng)能力以及高分辨率的特點(diǎn),最小運(yùn)算周期達(dá)到0.1ms的水平,正?？刂七壿嬤\(yùn)算處理周期一般選取幾毫秒。DEH控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制、ETS緊急遮斷和甩負(fù)荷預(yù)測(cè)及控制等要求快速處理能力的控制系統(tǒng)均由FM458實(shí)現(xiàn),因此,1號(hào)控制柜也被稱為核心控制柜。2、3號(hào)控制柜主要用于輔助系統(tǒng)控制和一些對(duì)處理速度要求不高的運(yùn)算控制。(2)I/O模件。除了常規(guī)的通用模件ET200M之外,與FM458相配合的是DEH專用控制接口模塊ADDFEM,該模塊不同于傳統(tǒng)輸入輸出模塊,它包含了16個(gè)DI通道、12個(gè)AI通道、3個(gè)PI通道、12個(gè)DO通道以及8個(gè)AO通道。模擬量輸出信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)伺服閥,具有完善的自診斷功能、傳感器斷線監(jiān)測(cè)功能、在線插拔功能。(3)系統(tǒng)通信。工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議,用于AS417H控制器、工程師站、操作員站總線間的通信,速度可達(dá)100Mb/s。PROFIBUS-DP通信協(xié)議用于AS417H控制器與ET200M及FM458與ADDFEM接口間的通信,速度可達(dá)12Mb/s。2當(dāng)前條件下的安全運(yùn)行問題圍繞自啟動(dòng)控制策略有兩個(gè)核心問題,一個(gè)是執(zhí)行自啟動(dòng)每一步驟的判斷條件是什么,另一個(gè)是根據(jù)當(dāng)前工況如何既安全又高效的執(zhí)行自啟動(dòng)步驟。前者是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ),系統(tǒng)將通過X準(zhǔn)則、Z準(zhǔn)則來監(jiān)視、判斷各熱力參數(shù)是否滿足工況或應(yīng)力的要求,從而決定是否進(jìn)行下一步驟。2.1暖管暖閥系統(tǒng)從汽機(jī)盤車到并網(wǎng)帶負(fù)荷,自啟動(dòng)步驟共經(jīng)歷35步,其中邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,下面簡(jiǎn)要列出其步序要領(lǐng)。(1)汽機(jī)本體及輔助系統(tǒng)進(jìn)行自檢,檢查各個(gè)設(shè)備、閥門狀態(tài)是否正常;并將各相關(guān)設(shè)備投入聯(lián)鎖,以備自啟動(dòng)控制;(2)自啟動(dòng)油系統(tǒng),打開汽機(jī)各疏水閥,開始進(jìn)行暖管、暖閥;(3)暖管一定程度使得滿足X2準(zhǔn)則、Z3準(zhǔn)則、Z4準(zhǔn)則后,打開主汽門,繼續(xù)暖管、暖閥;(4)暖管、暖閥充分并滿足X4準(zhǔn)則、X5準(zhǔn)則、X6準(zhǔn)則后,由運(yùn)行人員進(jìn)行了蒸汽品質(zhì)確認(rèn),開始沖轉(zhuǎn)汽機(jī)至600r/m暖機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)行低速暖機(jī);(5)增加汽機(jī)高壓缸的暖機(jī)程度,在滿足相應(yīng)條件和X7準(zhǔn)則后,還是由運(yùn)行人員進(jìn)行升速確認(rèn),將汽機(jī)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速;(6)逐漸關(guān)閉部分疏水閥,進(jìn)一步暖機(jī),滿足X8準(zhǔn)則后,發(fā)電機(jī)并網(wǎng),機(jī)組帶初負(fù)荷。2.2熱應(yīng)力的表現(xiàn)汽輪機(jī)從盤車狀態(tài)到并網(wǎng)帶負(fù)荷狀態(tài)這一過程中,汽機(jī)缸溫、轉(zhuǎn)子溫度、蒸汽參數(shù)以及相應(yīng)的傳熱量都在不斷變化中,為了限制汽輪機(jī)的熱應(yīng)力,汽輪機(jī)應(yīng)力估算器TSE使用可調(diào)整的溫度準(zhǔn)則——X準(zhǔn)則判斷機(jī)組是否能夠接受運(yùn)行方式的改變,并將判斷后的結(jié)果作為允許條件送到上述汽輪機(jī)自啟動(dòng)順控步序中。2.2.1u3000主蒸汽和再熱器溫度飽和溫度z3和z4Z準(zhǔn)則的目的主要是保證主蒸汽和再熱蒸汽具有一定的過熱度,在開啟高壓主汽門之前加以判斷,防止因高壓調(diào)門不嚴(yán),導(dǎo)致有濕蒸汽進(jìn)入到汽輪機(jī)中,損傷設(shè)備。Z3準(zhǔn)則為式中:TMS為高壓旁路閥前的主蒸汽溫度;TSatMS為主蒸汽的飽和溫度,由當(dāng)前主蒸汽壓力計(jì)算得到;Zs為過熱度定值,一般設(shè)置為10K。Z4準(zhǔn)則為式中:TRHS為中壓主汽閥前的再熱器溫度;TSatRHS為再熱器的飽和溫度,由當(dāng)前再熱器壓力計(jì)算得到;Z4為過熱度定值,一般設(shè)置為10K。2.2.2b開主汽門后蒸汽飽和溫度thcv50%X2準(zhǔn)則也是在開啟高壓主汽門前加以判斷,目的是為了防止高壓調(diào)門閥體承受過大的熱應(yīng)力。在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),汽機(jī)高調(diào)門的閥體溫度低于主蒸汽的飽和溫度。當(dāng)打開主汽門后,蒸汽與調(diào)門直接接觸,以凝結(jié)換熱的方式向調(diào)門閥體傳遞熱量。由于凝結(jié)換熱的放熱系數(shù)很大,劇烈的換熱將使閥體的溫度很快上升到蒸汽的飽和溫度。如果閥體內(nèi)部溫度過低,就會(huì)在閥體內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,所以要求主蒸汽的飽和溫度不能過高于高調(diào)閥閥體內(nèi)部溫度。X2準(zhǔn)則為式中:TSatMS為主蒸汽的飽和溫度;THCV50%為高調(diào)門閥體50%深度處的溫度,可近似看作平均溫度;X2為高調(diào)門所允許的上升溫度裕度,與高調(diào)門閥體溫度的函數(shù)關(guān)系見表1。2.2.3材料的過熱穩(wěn)定性X4準(zhǔn)則在開啟調(diào)門進(jìn)行沖轉(zhuǎn)前加以判斷,目的是保證一個(gè)適當(dāng)?shù)闹髡羝^熱度,在汽輪機(jī)帶負(fù)荷時(shí)防止高壓缸末級(jí)葉片處蒸汽存在較大濕度。蒸汽對(duì)金屬的放熱系數(shù)與蒸汽的狀態(tài)有很大的關(guān)系,濕蒸汽的放熱系數(shù)較大,過熱蒸汽的放熱系數(shù)較小。汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),為了避免在金屬部件內(nèi)產(chǎn)生過大的溫差,要采用微過熱蒸汽沖動(dòng)轉(zhuǎn)子,所以要求主蒸汽溫度具備合適的過熱度。X4準(zhǔn)則為式中:TMS為高壓主汽門前的主蒸汽溫度;TSatMS為主蒸汽的飽和溫度,由當(dāng)前主汽門前主蒸汽壓力計(jì)算得到;X4為過熱度限值,與主蒸汽的飽和溫度的函數(shù)關(guān)系見表2。2.2.4高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度tX5準(zhǔn)則也是在開啟調(diào)門進(jìn)行沖轉(zhuǎn)前加以判斷,目的是保證沖轉(zhuǎn)時(shí)主蒸汽溫度高于汽輪機(jī)高壓缸缸體和轉(zhuǎn)子的溫度,避免高壓缸和高壓缸轉(zhuǎn)子的冷卻。但在缸體或轉(zhuǎn)子溫度很高,大于560℃時(shí),允許主蒸汽溫度略低一些。X5準(zhǔn)則為式中:TMS為高壓主汽門前的主蒸汽溫度;max(THPC,THPS)為高壓缸缸體50%壁厚處溫度和高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度的較大值;X5為溫差限值,與max(THPC,THPS)的函數(shù)關(guān)系見表3。2.2.5中壓缸轉(zhuǎn)子冷卻X6準(zhǔn)則類似于X5準(zhǔn)則,只是針對(duì)中壓缸而言,目的是避免汽輪機(jī)中壓缸轉(zhuǎn)子的冷卻。X6準(zhǔn)則為式中:TRHS為中壓主汽閥前的再熱器溫度;TIPS為中壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度;X6為溫差限值,與TIPS的函數(shù)關(guān)系見表4。2.2.6高壓缸轉(zhuǎn)子升速X7a準(zhǔn)則是在低速暖機(jī)后準(zhǔn)備沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)檢查的準(zhǔn)則。其目的檢驗(yàn)高壓缸轉(zhuǎn)子的暖機(jī)度,由于汽輪機(jī)是直接從600r/min升速至3000r/min,中間不停頓,為防止在沖轉(zhuǎn)過程中因?yàn)檗D(zhuǎn)子內(nèi)外加熱不均,所產(chǎn)生的內(nèi)外溫差造成應(yīng)力超限,發(fā)生設(shè)備損壞或縮短使用壽命,必須在沖轉(zhuǎn)之前檢查高壓缸轉(zhuǎn)子暖機(jī)是否充分。X7a準(zhǔn)則為式中:TMS為高壓主汽門前的主蒸汽溫度;THPS為高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度;dTperm-up-HPS為高壓缸轉(zhuǎn)子的升速裕度;X7a為溫差限值,與THPS的函數(shù)關(guān)系見表5。2.2.7高壓缸溫度設(shè)定X7b準(zhǔn)則與X7a準(zhǔn)則類似,同樣是檢驗(yàn)汽輪機(jī)在低速暖機(jī)時(shí),高壓缸缸體的暖機(jī)度,保證高壓缸各個(gè)部件得到充分的預(yù)暖,避免在升速至額定轉(zhuǎn)速過程中,高壓缸缸體熱應(yīng)力超限。X7b準(zhǔn)則為式中:TMS為高壓主汽門前的主蒸汽溫度;THPC為高壓缸缸體平均溫度;dTperm-up-HPC為高壓缸的升速裕度;X7b為溫差限值,與THPC的函數(shù)關(guān)系見表6。2.2.8高壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度測(cè)量X8準(zhǔn)則是在汽輪機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前進(jìn)行檢查的準(zhǔn)則。其目的是保證中壓缸轉(zhuǎn)子具有合適的暖機(jī)度,這是因?yàn)樵跈C(jī)組并網(wǎng)之前,中壓調(diào)門開度很小,中壓缸蒸汽流量相對(duì)于高壓缸流量非常有限,雖然高壓缸各部件暖機(jī)已經(jīng)充分,但是中壓缸卻不一定得到充分預(yù)暖。一旦機(jī)組并網(wǎng)帶上負(fù)荷后,中壓調(diào)門開度將逐步開大,中壓缸蒸汽流量將大幅增加,若前期預(yù)暖不夠,中壓轉(zhuǎn)子將會(huì)因?yàn)閮?nèi)外溫差過大造成應(yīng)力超限,損傷設(shè)備。X8準(zhǔn)則就是鑒于此原因而產(chǎn)生的:式中:TRHS為中壓主汽門前的再熱蒸汽溫度;TIPS為中壓缸轉(zhuǎn)子平均溫度;X8為溫差限值,且X8=2.3×dTperm-up-HPS,其中dTperm-up-HPS為中壓缸轉(zhuǎn)子的升速裕度。3控制裕度的要求汽機(jī)自啟動(dòng)過程中如何做到既安全平穩(wěn)地運(yùn)行機(jī)組,又能及時(shí)快速地響應(yīng)用戶的需求,發(fā)揮機(jī)組最大的性能,是一個(gè)關(guān)鍵性的問題。在保證設(shè)備熱應(yīng)力較小、不超限的前提下,快速改變機(jī)組的運(yùn)行工況,這種變化速度的能力,稱之為控制裕度。顯然,控制裕度是由當(dāng)前設(shè)備的熱應(yīng)力所決定的,如何準(zhǔn)確地表征和計(jì)算熱應(yīng)力則是控制機(jī)組運(yùn)行的重要前提。3.1熱應(yīng)力的測(cè)量汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程中,隨著高參數(shù)的蒸汽涌入汽缸,蒸汽不斷給汽缸和轉(zhuǎn)子加熱,這時(shí)汽缸的內(nèi)壁溫度高于外壁溫度,內(nèi)壁的熱膨脹由于受到外壁的約束而受到壓縮,產(chǎn)生壓縮熱應(yīng)力;外壁則由于受內(nèi)壁膨脹的拉伸,產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。同樣,此時(shí)轉(zhuǎn)子外表面和中心存在溫差,溫度高的外表面受到壓縮熱應(yīng)力的作用,而中心則受到拉伸熱應(yīng)力的影響。機(jī)組在停機(jī)過程中,汽機(jī)各部件則是一個(gè)冷卻過程,各個(gè)部位所受到的應(yīng)力與啟動(dòng)時(shí)正好相反。這些熱應(yīng)力都是不可避免的,但是如何將熱應(yīng)力控制在設(shè)備可以承受的范圍之內(nèi)卻是我們關(guān)心的問題。西門子獨(dú)有的汽輪機(jī)應(yīng)力估算器——TSE模塊從溫差的角度出發(fā),監(jiān)視并計(jì)算應(yīng)力。由熱彈性理論可知,部件的熱應(yīng)力與金屬部件內(nèi)部的溫度梯度成正比,故可采用部件的表面溫度和平均溫度的差值來表征熱應(yīng)力的大小。如圖1所示,選取設(shè)備關(guān)鍵部件,采用熱電偶測(cè)量其與蒸汽接觸的表面的溫度和50%深度壁厚處的溫度,計(jì)算兩者之間的溫差,以溫差表征熱應(yīng)力。通過預(yù)先設(shè)置各部件的最大允許溫差,將計(jì)算后的溫差與其進(jìn)行比較,來決定是否應(yīng)力超限。因此,應(yīng)力監(jiān)視最終通過測(cè)量溫差得以實(shí)現(xiàn)。50%深度壁厚處的溫度Tm可看作該部件的平均溫度,那么最大允許溫差(包含允許上限和允許下限)則是Tm的函數(shù),部件表面溫度與Tm的差值與允許溫差進(jìn)行比較即可得到機(jī)組運(yùn)行的溫度裕量。其關(guān)系如下:式中:ddTup為上升溫度裕量;dTperm-up為溫差允許上限;ddTdn為下降溫度裕量;dTperm-dn為溫差允許下限。3.2機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)的比較確定在盡快改變汽輪機(jī)負(fù)荷的同時(shí),將各部件應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi),選取汽輪機(jī)熱應(yīng)力比較集中的5個(gè)關(guān)鍵部位:高壓主汽門閥體、高壓調(diào)門閥體、高壓缸缸體、高壓缸轉(zhuǎn)子、中壓缸轉(zhuǎn)子為應(yīng)力監(jiān)視對(duì)象,實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較,將最小的上升和下降溫度裕量作為此時(shí)汽輪機(jī)的上升和下降溫度裕量。據(jù)此再?gòu)耐钙綉?yīng)力評(píng)估WTG中產(chǎn)生出負(fù)荷上升控制裕度WTO和負(fù)荷下降控制裕度WTU,并將其與系統(tǒng)設(shè)定的最大允許裕度FBMAX相比,分別得出相應(yīng)的比值。該比值可看作機(jī)組負(fù)荷變化的控制裕度,它隨機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、應(yīng)力情況的改變而改變,一旦上升或下降裕度為零,則停止該方向的負(fù)