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本文是去年疫情期间在家隔离时写的，当时主要是在《三体》的故事中得到一些启发，于是就写了一些电厂和科幻有关的东西。原文共十篇，收录在此公众号《发电厂热控专业生存年鉴》里。本篇是将最后两篇进行汇总，重新编辑后和大家共享。全文六千余字，不才，贻笑大方之家！ 发电厂是当前最伟大的工业生产系统，我在之前的文章中曾经说过，发电厂的自动化程度和技术难度是所有工业门类中最复杂的。当然，也有一些行业存在一些特殊的地方，比如化工行业，它的自动化更倾向于单一的控制，而对于复杂的程控没有那么高的要求。换句话说，化工厂对于保护的要求更高，但是对于多个联锁组成的自动化控制兴趣不大。 我在江苏某个项目使用了一套全新的进口DCS系统，这是隶属于某国际品牌下的一套DCS系统，之前主要用于化工领域。当时那个项目是化工厂的自备电厂，由于甲方之前在电厂的经验不足，在DCS招标的时候就直接用了这套化工领域的产品。我不是说这套系统不好，我在这家外企的同事曾经说过，这套系统的稳定性更高。但是，这套系统在组态方面非常笨拙，与传统火电领域的DCS系统格格不入。之前我自认对DCS系统的学习能力较强，但是在使用这套系统的时候也遇到了一些麻烦。按照我的总结，这套系统所能容纳的点数、组态方式等方面都存在劣势，不适合发电厂这种大型的控制系统。 后来，我简单做了一下调查，这套系统的确在化工领域使用广泛、口碑较好，但是在电厂领域几乎没有业绩。所以，DCS产品的选型，一定要做好前期的市场调研，绝对不能因为产品的价格优势而自取烦恼。电厂DCS选型另一个方面的问题就是DEH系统与其他设备的统一问题。我在不同的现场几乎都遇到了类似问题，就是一个小机组但是DEH系统使用的DCS与其它系统不是同一家。这个问题其实也正常，DEH系统的招标是与汽轮机本体的招标一体的，其它设备的DCS系统是单独进行的。所以，有些现场的工作人员对于DCS不熟悉，就会造成不统一的问题。 当然这个问题并不会对现场的安全运行造成很大的影响，但是考虑到DCS与DEH的接口问题、后期厂家服务问题、现场业主方的热控人员技术能力问题，多一套DCS系统就会增加一定的技术难度。所以，我建议在DEH系统招标的时候能够把DCS系统进行统一，这其中只是流程上有一些改变，并不会有多大的难度。 之所以要将DEH系统使用的DCS与其他设备统一，还有一个很重要的方面，就是方便今后备品备件的管存。单独DEH系统采购备品备件的话，价格也没有什么优势，两套DCS系统统一，备品备件也可以做到共用。 我们现在就好好说说DEH系统。 DEH是汽轮机数字电液调节系统的英文简称，是用来对汽轮机进行调节和控制的一种手段。我们常见的汽轮机控制系统除了DEH以外，还有Woodward 505，这是一种简易的汽轮机阀门控制器。不过，目前30MW以上的机组极少使用这种调节装置，DEH是首选。 通过DEH系统可以实现汽轮机从冲转到停机的所有功能，通过转速控制、阀位控制、功率控制、压力控制完成对汽轮机的整体调控，它还能接收AGC指令或者操作员指令，完成机组的升降转速、负荷调节。这是DEH的主要功能，在这些功能的基础上DEH系统还能进行调频控制、ATC控制、阀门试验以及其它的功能。下面我们可以简单模拟一次机组冲转到并网升负荷的过程。 我们再次回到了恒纪元，地球上的化石原料成为了供热发电的主要原料，很快位于金字塔旁边的一家发电厂正在忙碌的进行启动前的准备工作。这是一台660MW的超临界机组，锅炉已经点火完毕，蒸汽品质合格，水化验合格。 今天的值长是周文王，它首先包括运行甲乙丙丁四人，热控甲乙二人，电气甲乙二人。 周文王首先下令投入汽轮机启动前的保护，热控持票完成了工作，之后汽轮机准备进入冲转阶段。 汽轮机采用全周进汽方式，运行人员远方挂闸结束，运行按钮按下，高中压缸联合启动方式。 四个高调门和两个中调门同时开启，中压主汽门开启，高压主汽门开启了5个开度。热控人员在后台仔细观察着每一步逻辑的进行，运行人员与热控人员在电话中不断的进行沟通。 随着高压主汽门的开启，汽轮机按照目标转速的设定逐步升转速到了500rpm，然后运行人员现场检查汽轮机的运行情况，并进行了动态的打闸试验，确认汽轮机的保护系统完好。 汽轮机第二次冲转，直接到了1200rpm，由于汽轮机的临界转速是1400rpm~2000rpm，下一步的冲转就是朝着2200rpm进行。 周文王让运行人员现场检查设备的运行情况，尤其是检查润滑油系统，叮嘱热控人员赶紧处理润滑油压力表漏油的问题。 半个小时后，现场不存在缺陷，周文王下令汽轮机目标转速2200rpm，汽轮机开始继续冲转，进入临界区的时候升速率自动修改为了600。 两分钟后，汽轮机定速在2200rpm。运行人员继续检查现场设备的运行情况。一切很顺利，下一步的话就是朝着3000rpm的目标迈进。 周文王叮嘱运行人员，在2900rpm的时候机组会进行主汽阀/调阀的转换，到时候主汽门会全开，高调门会关闭然后缓慢开启，中调门会全开。 此时，运行人员将目标转速设置为了3000rpm，汽轮机开始向目标转速进行。到2900rpm的时候，主汽阀/调阀完成了转换，汽轮机定速3000rpm完毕。 之后，开始进入并网阶段，电气人员加班完成了电气侧的试验，然后完成了发电机的并网。 并网之后，汽轮机要进行升负荷，其实在刚并网阶段汽轮机就带了一定的初负荷，此时调门有一个阶跃开大。当负荷达到60%以上时，机组开始进行单阀/顺序阀切换。 等到机组带满负荷，本次启动就结束了。 在此过程中，汽轮机调门所进行的所有操作都是通过DEH系统发出的指令，换句话说汽轮机冲转、并网、带负荷的过程就是汽轮机调门和主汽门调节的过程，尤其是调门，是整个系统调节的关键。 我们在这个过程中忽略了汽轮机启动过程中的多个试验过程，比如超速试验、严密性试验等。单纯的参考DEH系统的逻辑，我们其实很难想明白整个过程，但是参与到整个启机过程，就会理解的更加深刻一些。 DEH的逻辑虽然复杂，我们在学习的时候只要抓住调门指令的去向就可以了，把指令的回路理清是学习的重中之重。 DEH控制系统是热控专业的重要组成部分，汽轮机作为一个大型的执行机构，对其进行控制不仅要求安全、稳定，还需要迅速精确。尤其是转速回路，如果不能做到精确，就会影响机组冲转过程的安全。 刚刚我们对汽轮机的控制进行了演绎，其实现实中远没有那么简单，整个汽轮机的转速控制和负荷控制过程，不仅环环相扣，而且充满艺术的美感。DEH系统的功能除了基本的转速控制、负荷控制等最主要的功能外，随着技术的不断进步，逐渐升级了更多新功能。 #2机组检修结束，我们重新进行一次冲转。#2机组装机容量660MW，国产超临界机组，化学制水合格，锅炉点火升压完毕，主蒸汽管道暖机合格，真空系统、润滑油系统、控制油系统正常投运，各调门整定完毕，保护试验正常，具备冲转条件。 汽轮机首先冲转到了500rpm进行暖机，此时运行人员现场检查本体各设备运行情况，值长下令进行动态打闸试验，顺便检查摩检情况。摩检是通过汽轮机打闸，转速在降低的过程中，检查汽轮机通流部分有无动静摩擦。 摩检正常，汽轮机继续冲转，到了1000转的时候，汽轮机准备过临界区，原来的汽轮机的升速率是300r/m*m，等到了临界区之后，升速率自动变为了600r/m*m。这个升速率的变化，在DEH逻辑中用了一个判断功能块，只要系统转速大于1200rpm，那么升速率自动修改。不同的DCS系统对此有各自不同的设计，有的DEH逻辑用的是给定转速作为判断，有的DEH系统这个升速率可以由运行人员自行设置，但是临界区的转速设置范围是有限制的。值得一提的是我在一个项目使用的是南京科远的DEH系统，他们的升速率设置很有特点，当进入临界区之后，升速率逐渐增大到600rpm/m，然后到了一定的转速，升速率开始下降。不管升速率怎么选择，保证汽轮机快速冲出临界区才是主要的目的。 过了临界区之后，汽轮机按照既定的计划继续冲转。这个时候我们需要注意的一个问题就是，我们在冲转的时候其实是使用的高压主汽门控制的转速，当转速到达2950rpm的时候，会触发系统的双阀切换功能。也就是高压主汽门与高调门之间的切换。这个切换的原理是这样的，当转速到达2950rpm后（之前的文章我说的是2900rpm，主要以汽轮机厂家的意见为参考，目的是定速3000rpm前完成阀门切换），高主门全部打开，高调门逐渐关闭，在这个过程中还要维持汽轮机当前的转速，而且保证进汽压力等的稳定。等切换完毕，汽轮机的转速改由高调门控制，高主门保持全开状态。 这个是大机组区别于小机组的地方，但是这个功能在小机组中也有体现。在之前我遇到过某家型号的汽轮机，第一次冲转的时候使用主汽门的旁路进行进汽，而且是人工在就地操作。说实话，这个比较科幻，都9102年了还存在这样的操作是我无法接受的。机务的工程师给我的解释是担心调门的调节性能不好，所以第一次往500rpm冲的时候就是用这种方式。 但是我觉得这个解释有些牵强，首先是对就地操作人员的安全不负责任，好像大家只关心汽轮机超速问题，并不太关心进汽阀体如果暖管不合适造成的阀体爆裂问题。其实随着DCS系统的进步，大家不应该再对当前的技术抱有这样的怀疑。 机组在阀门切换完成后，定速3000rpm，这个时候开始进行各种试验。主要包括电气侧和汽机侧两大部分，我们主要说一下汽机侧的试验。首先最重要的是手动打闸试验，这是在动态过程中非常重要的保护试验。在接到相关指令后，运行人员可以通过操作台上的双按钮打闸，部分ETS系统的操作画面上设置有手动打闸按钮，也可以就地手拍遮断保护器。这些都是在汽轮机出现紧急情况时可以认为进行的手动干预。 汽轮机再次冲转到3000rpm后，可以进行相关的超速试验。超速试验主要有两大类，一类是OPC保护，也是我们常说的超速103%,这个试验是将汽机的转速目标值设定到3090以上，我们一般只要高于1rpm就可以。当汽轮机转速超过3090rpm后，DEH的判断逻辑就会发出OPC动作指令，这个时候就地的OPC电磁阀会动作，这个时候我们会发现高调门迅速关闭然后打开，主汽门不动作，DEH内的目标转速自动修改为3000rpm，然后汽轮机迅速恢复到3000rpm并保持稳定运行。 OPC是汽轮机超速的第一层保护，超速103%只是其中的一层，这里面值得深挖的地方还要很多。和利时自主设计的DEH系统在这方面还是比较全面的，不仅设计有超速103%的逻辑，而且他的转速模块本身就有超速103%的判断功能，也就是说是软件和硬件的双层判断。关于OPC电磁阀，一般是两个带电动作电磁阀，当其中任何一个带电，都会关闭控制油回路从而关闭高调门。当然我也见过三个OPC电磁阀的设计，通过三取二的方式来切断控制油回路。虽然这里面的争议比较大，但是我个人认为都是合理的。不过，我曾经在一个现场遇到了单OPC电磁阀的设计，这样完全违背了保护原则，是错误的。 关于超速OPC，某国产系统还有一个设计就是加速度大导致OPC动作，这其实是一个微分超前调节，即便转速正常，只要加速度过大就提前发出OPC指令。这个设计，个人认为是一个比较先进的理念，值得去推广。 导致OPC动作的原因还有很多，比如DEH打闸、ETS动作、发电机解列、严密性试验等都会导致系统发出DEH动作信号，不过各有千秋。比如DEH打闸是DEH内部的保护逻辑判断，很多DEH本身的信号都会发出DEH打闸信号，包括ETS动作信号也会导致DEH打闸开出。主汽门和调门的严密性试验也会发出OPC动作信号，主要是利用OPC电磁阀来控制调门的关闭。而发电机解列触发OPC，我在很多现场争议比较大，这个其实不难理解，说白了发电机解列肯定会触发ETS的保护动作，这个没有问题，ETS保护动作信号会经过DEH打闸开出触发OPC，这也是没问题的。我们让发电机解列信号直接触发OPC，其实也是超前保护的概念，这样可以最大程度的保护汽轮机。 说完了OPC，我们再说说AST，如果说OPC是DEH的范畴，那么AST则属于ETS的范畴，不过DEH和ETS是分不开的，所以也将他们“混为一谈”。首先说一下AST动作的原理，一般我们会设计四台AST电磁阀，这四套电磁阀通过串并联，接入主汽门的保护油回路中。这四个电磁阀是常带电的状态，其中任何两两失电都会导致油回路的断开，主汽门关闭，也就是汽轮机打闸停机。这个电磁阀“四取二”的设计其实是相对比较合理的，无论是理论还是实践，也基本通过了认可。不过我也遇到过一些不负责任的设计，采用二取二，可以说犯了热工保护的大忌。有人曾经跟我争辩说三取二是最好的选择，他注意到很多热工保护测点都是采用的三取二，但是忽略了一个事实，DCS内测点三取二当其中一个测点故障后，可以自动变为二取一，以维持保护的完整。但是电磁阀不具备这样的功能，所以三取二是不太合理的。很多人会问那为什么OPC你认为三取二合理？这主要是考虑保护的等级，OPC采用三取二对整个汽轮机的保护没有造成实质的影响。 导致AST动作（ETS保护动作）的原因有很多，汽轮机本体的保护比如轴向位移、轴振、推力瓦温等，本体意外的参数比如锅炉MFT（单元制机组）、凝汽器真空、EH油压等都会导致ETS保护动作。ETS是汽轮机最重要的设计，热工保护的要求就是“宁可误动、不可拒动”，转动设备最安全的状态就是静止的状态，当出现紧急情况的情况下保护必须动作。而且我们对保护的要求就是，宁可信号判断错误，也不能出现保护拒动的情况。举个简单的例子，某台汽轮机振动大，导致汽轮机停机，后来经过检查是由于振动探头受到无线电干扰发出的错误信号。即便是这样的情况，我们也不能去冒险，保护必须动作。当然为了避免保护误动的情况，我们给一些模拟量的测点增加了品质判断功能，但是个人认为一些保护误动的条件尽量的少，以避免保护拒动。 当汽轮机相关的试验完成后，汽轮机进入并网阶段。所谓的并网，就是发电机系统与电网系统的连接，这里面主要是要保证双方的三相平衡。并网的一瞬间叫刚并网状态，汽轮机会带上一个初负荷，这个瞬间一般只设置2秒。为了维持这个初负荷，调门会与一个小幅度的阶跃，主要是增加进汽。那么这个初负荷一般有多大呢？这个主要看当前的主汽压力，系统会根据主汽压力这算出一个调门的开度，这个开度叠加到原来调门的开度指令上，发电机所能带的负荷就是初负荷。 之后系统由转速控制可以转入阀位控制、功率控制或者压力控制，也可以接收AGC的指令，进入协调控制。负荷在上升阶段，一般也有一个暖机的过程，不能对负荷进行过大的调整。此时机组还是处于四个调门同步开关的状态，我们把它叫做单阀控制。单阀控制可以很好的对转速进行调节，但是当机组并网后机组转入负荷调节，由于汽轮机通流部分的设计，如果在带负荷后仍然使用单阀控制，将会造成蒸汽的浪费，不利于提高汽轮机的整体效率。 所以当负荷大于额定负荷的50%之后，我们会选择顺序控制，此时我们会保持#1、#2调门的全开，#3、#4调门按照设计部分开。单阀切顺序阀是汽轮机并网后最难把握的一个环节，这个时候不仅要保证机组负荷的稳定，还要保证汽轮机本体参数不能出现大的波动，尤其是#1、#2调门全开的过程中，如果汽轮机本体暖机不合格或者存在其它问题，就会引起振动摩擦变大，影响机组稳定。有些机组的单阀/顺序阀是强制切换的，有些是人工来选择，我个人比较倾向于强制切换，如果切换不成功去解决不成功的问题，不能因为存在风险或者失败的可能就牺牲机组的整体效益。 机组带负荷后我们还有进行甩负荷试验，一般我们会进行甩50%负荷和100%负荷两种模式。甩负荷试验主要考验的是汽轮机的调速系统，甩负荷试验最低的要求是不能引起汽轮机的机械保护动作。个人认为一般甩负荷试验过程中，汽轮机转速超过了3150rpm就是不合格的，超过OPC动作值勉强可以接受。如果OPC动作后，汽轮机还会继续飞升，甚至超过了3300rpm，那么说明汽轮机的调速系统和保护系统都存在很大的问题，应该停机进行检查。 我去过一些现场，对于甩负荷试验不是很重视，甚至为了一点利润干脆不做甩负荷试验，这样是非常不可取的。甩负荷试验是检验的汽轮机全面的性能，甩负荷试验过程中可以将汽轮机的很多问题暴露出来，不能因为一些小九九放弃了。 上述的过程也是DEH本身的一些功能，当然DEH本身还有很多的东西需要讲，不同的机组设计也有不同，我们只是简单说了一些通用的功能。文章是一气呵成，如果有错误请指出。 ◆◆ |
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