小型汽轮机控制系统原理及应用

吴 婷，李建明

（国家能源集团 宁夏煤业煤制油仪表管理中心，宁夏 宁东 750411）

目前国内煤化工项目以高能耗为特点，煤化工企业为降低成本，利用生产装置内部所产生的余热，一部分大型离心泵的驱动装置选择小型汽轮机组或水轮机。这样做不仅可有效降低电能消耗，而且提高了能源利用效率，符合低碳环保绿色发展理念。以往对压缩机组控制保护系统的重点研究方向主要集中在大型离心式压缩机方面，对小型汽轮机组的控制系统组成、调速控制、机组保护等方面通常不够重视，在实际的工程应用中出现了一些问题。本文描述分析并研究某工程所采用的离心泵配套汽轮机的控制系统及实际使用情况，并根据实际应用情况进行了部分改造，有较广泛的借鉴意义。

1.1 机械状态监测系统

汽轮机在运行过程中要求保持转子平稳运行，这就要求设备具有高稳定性、低故障率。保证设备完好的主要手段是对设备运转过程中的动态参数、静态参数进行实时监控，机械转态检测系统可以跟踪转动设备各类数据的实时变化随时反映给控制系统，以便维护人员提前做出调整[1]。重要设备可配置故障诊断系统，便于专业人员对异常情况进行分析。需要实时监控预警的参数有两大类：一类称为转动机械量，如振动、位移、键相位、轴瓦温度、转速等；
另一类是机组辅助系统设及的过程参数，如驱动蒸汽的压力、温度、排汽温度，干气密封相关参数以及润滑油压力等。汽轮机组所配备的数据采集系统将完成这部分的工作并对信号进行处理，通过在线监测系统选取最具代表性的参数进行测量，构建在线监测系统网络，通过局域网充分发挥检测系统的作用，参考常规故障特征及故障案例，可以实现故障诊断和预判[3]。

1.2 联锁及超速保护系统

联锁保护系统主要功能是发生异常情况时及时停机，保护设备。该系统保护过程为：当系统采集到的机组相关信号超出其正常运行允许范围[1]，发出动作指令，联锁保护系统接到该信号后立即采取相应动作（打闸），使汽轮机打闸停机，截断主蒸汽，以避免伤害操作人员或损坏设备本体。

汽轮机的保护内容有：超速，振动、位移高，真空度低，蒸汽压力、温度、过热度低等。

1.3 调速系统

汽轮机转速调节系统的作用是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；
在危急事故工况下，快速关闭调节气门或主汽门，使机组维持空转或快速停机[4]。转速控制系统的可靠性、稳定性直接影响汽轮机的安全性，一旦出现超速事故将造成严重的人员和设备损失。升速过程要求迅速通过临界转速区，过临界后转速控制要求稳定。这里的控制主要是指蒸汽与转速的单闭环控制，也包括排汽压力控制系统等。

1.4 液压伺服系统

转速测量系统将转子的转动信号转变成脉冲数字信号，通过PID 算法输出控制信号。输出控制信号通过放大电路将控制信号进行功率放大，信号送至油动机产生控制作用；
油动机是一种液压位置伺服马达，按照放大电路的控制信号驱动配汽机构产生行程变化的作用力，最终实现调速阀门开度变化；
配汽机构的作用是将油动机的行程变化转变为各调节汽门的开度变化，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；
同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；
启动装置在机组启动时用于冲转，并提升转速至同步器动作转速。

机组转速调节系统的最终执行主要通过液压油实现，大型机组配备独立的控制油系统实现对液压调速机构的自动控制，将4mA～20mA 电信号通过电液转换器转换为油压的变化并通过错油门的位移变化实现蒸汽调节。小型机组可配备WOODWARD 公司PG-PL 一体化机械液压调速器，实现液压调速。

2.1 调速系统工作原理

液压调速系统的特点是响应快、功率大、负载大等，其独特的优点在大负荷、高灵敏度控制要求中得到了广范的应用。电液伺服系统使用电液转换器，将4mA～20mA标准信号换为油压的变化并通过错油门的位移变化实现行程控制，从而解决了一些大型、重型机械设备的伺服控制问题[5]。

液压调速系统的特点是能够在复杂情况及干扰下，实现汽轮机转速的快速跟踪响应，因而实现机组做功与离心泵负荷之间的能量平衡。它的输出量能够准确、快速地跟随输入的变化，且跟踪线性好。同时，可大幅度地放大系统的输出功率。

本文列举某企业离心泵在实际使用中选择WOODWARD PEAK150/200 作为调速系统实现转速控制。PEAK150/200作为汽轮机组调速控制的核心子系统，可按照汽轮机不同的特性自主升速曲线，其内部结构具备升速特性曲线自定义功能，通过自定义模式转速自动输出曲线实现最优化。为保证转速在安全运行区域内加以调节，也可以依据机泵实际负荷的实际功率对控制曲线进行优化。

转速控制回路由转速探头（该项目配有5 支磁阻式速度探头：两组转速信号送至PEAK150/200 作转速调节，另外3 组信号供给GII 做独立的超速打闸）、PG-PL 执行器等组成。机组的转速脉冲信号被转速探头测量回路直接送至调速系统，调节器根据转速设定值的不同生成一个20mA～160mA 的电信号，发出给PG-PL 执行器调节蒸汽量。该项目中，GII 系统负责超速保护，为保证工作的可靠性，联锁逻辑设计为三取二动作。PEAK150/200 系统负责实现汽轮机转速的控制曲线，SETPOINT 系统负责实现对机组轴位移、轴振动的监控和保护。

PEAK150/200 调速系统作为整个汽轮机控制系统的核心部分，通过标准4mA～20mA 信号可以与相关的集散控制系统、紧急停车系统等共同组成一个完整的信号回路，使信号在不同系统之间有效动作。在整个转速控制回路中，调速控制系统通过对电信号的控制、接收和发送控制指令给PG-PL，PG-PL 接收到信号后能够依照接收的信号通过驱动线圈对指令进行对应，在操作的过程中有效调节驱动油动机[2]。

2.2 联锁及超速保护系统

2.2.1 超速保护系统

根据API670 对于超速保护系统的规范，独立性方面要求电子超速保护系统必须与其他速度控制系统分离配置，不应同其它调节、保护系统组合或构成同一系统，否则可能会影响整个超速保护系统的应答时间[6]。当部分信号通过通讯方式实现互联时，不应该使用通讯信号参与到跳车逻辑中。即使通讯信号中断，超速保护系统的保护功能仍然能够可靠动作。功能性方面要求转速测量采用3 个独立的测量电路。当机组转速超过设定值时，3 个测量电路都可以触发超速信号。当真正超速时，通过三取二逻辑触发打闸信号。两个或以上通道失效，应该触发打闸动作，且必须使用手动复位，每个超速触发电路都要使用单独的安全型继电器。当检测到超速触发时，3 个超速保护的安全继电器可以同时断开输出触点。

图1 壳体内部油泥及阀芯磨损情况Fig.1 Wear of oil sludge and valve element inside the housing

2.2.2 蒸汽系统及机械状态监测保护系统

蒸汽相关的停机保护参数有蒸汽压力、温度、过热度及真空度。相关参数达到限值将触发保护联锁，通过SIS系统进行打闸停机。

机械状态监测系统（MMS）采集轴振动、位移参数，当振动、位移达到限值，MMS 系统动作，通过SIS 系统打闸停机。

该项目中两台离心泵汽轮机的PG-PL 执行器在实际使用中效果较差：一是运行5年期间多次发生故障，严重影响了设备运行的稳定性，对工厂连续生产造成了恶劣的影响；
二是PG-PL 执行器中的油动机由离心泵主轴配合蜗轮蜗杆机构驱动，当离心泵无转速时，调速器无法动作[7]。

PG-PL 执行器在实际使用中有两种典型故障：一是液压油更换不及时、油质差导致其内部油路堵塞，部件磨损严重，出现故障后需要专业维修平台及人员维修，无法满足工厂生产需求；
二是涡轮蜗杆机构齿轮啮合不良，甚至导致齿轮破裂，装置生产被迫中断。

2020年将故障的PG-PL 调速执行器拆检维检，外观检查完好，配件齐全。对调速器进行修前检测，无动作；
脱开电控箱使用模拟信号给定，调速器仍无动作。因此，认为是PG-PL 调速器内部故障导致无动作，电控箱是否正常工作不能确定。

对PG-PL 调速器进行完全解体，发现内部腔体内附着大量油泥胶质物和锈蚀物，包括壳体内部、线圈、油道、阀口等多处均被油泥完全堵死，动力活塞、阀芯、飞铁、传动轴等关键部件表面附着大量油泥胶质物和锈蚀物。调速器完全解体后进行清洗，对重要备件进行检查效验，发现部分备件磨损或损坏需要更换。其中，中间体内部单向阀卡住，经各种方法尝试均无法取出，已经与壳体抱死，需要整体更换。线圈由于内侧起鼓且油泥胶质物大量附着，根据经验会影响性能，需要更换。

除以上显而易见的备件损坏以外，备件的磨损以及锈蚀还对上盖、油腔、动力缸、底座造成了磨损，这很可能导致新的备件安装后仍有配合间隙或者对新备件造成更快的磨损，使PG-PL 调速器不一定能够恢复到出厂实验报告的参数标准，并且在以后长期的运行当中，仍有可能出现波动或卡涩的问题。

所以最终将这台PG-PL 调速执行器进行报废处理，主要原因总结两点：

1）除需要更换的备件外，PG-PL 调速执行器大部分备件仍存在不可逆的磨损，必然影响使用寿命和稳定性。

2）如中间体、线圈等不易损备件，从美国WOODWARD 订购周期较长，且价格昂贵，维修的性价比极低。

鉴于以上两种情况，该厂将PG-PL 执行器改造气动执行机构、配备智能阀门定位器实现调速阀阀位远程给定。经过两年时间检验，运行稳定。

相对于大型离心式压缩机组，小型汽轮机负荷小、控制系统结构相对简单，可以通过气动执行机构配合调速控制器实现液压伺服系统同样的控制功能，大幅度地降低了操作人员的劳动强度，在精简结构的基础上实现了从启机过程到负荷调节全方位的自动控制。在自动启机运行模式，小型独立控制系统可以根据生产负荷变化及时调整气动调速阀开度从而调整机组蒸汽量进汽，免除了操作人员大量的人工调节。

使用独立的小型调速器，可以极大地避免在进行机组转速调整时人为操作不当而导致的误动作和负荷波动。采用独立可靠的超速保护器，可以有效降低外界扰动等因素引起的汽轮机超速保护系统误动作或不动作的概率。