1 引言

       江苏宇星工贸有限公司是年产10万吨氧化铁颜料的生产企业。该企业工艺装备生产采用江苏国信协联能源有限公司热电联产1.3MP蒸汽网50T/h热源。由于其化工生产过程中，除了三车间干燥机使用少量的1.3MP蒸汽以外，其余车间均使用小于0.6MP的蒸汽，故采用蒸汽降压措施存在能源的浪费。为此宇星公司自备进汽压力1.3MP、排气压力0.65MP的M70型背压式汽轮机+3000KW发电机成套差压热电项目，合理运用蒸汽热能梯级利用，又采用蒸汽差压发电而节省电费，节能降耗、一举两得。由此宇星公司还成为孤立电网的特殊用电企业。
 

       2 单机孤网发电

       2.1 孤网运行概念

       孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。一般将最大单机容量小于电网总容量的8%的电网，可以称为大电网；机网容量比大于8%的电网，统称为小网；而孤立运行的小网，就称为孤网。孤网可分为以下几种情况：
 

（1）网中有几台机组并列运行，单机与电网容量之比超过8%，称为小网。

（2）网中只有一台机组供电，成为单机带负荷。

（3）甩负荷带厂用电，称为孤岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。
 

       2.2 单机孤网运行

       宇星公司在化工生产过程中，大量运行的空压机是公司重要的用电负荷之一。而将这些空压机分成三组、采用单刀双掷的双路电源供电方式，一路采用电网供电，另一路采用背压汽轮发电机供电。由于是自备电厂，故采用背压汽轮发电机与电网不同期并列的单机孤网运行方式（如图1所示）。如果空压机长期以背压汽轮发电机供电为主，这将为企业节省大量的电费。

 

图1 单机孤网运行
 

       2.3 单机孤网运行存在的难题

       （1）孤网时汽轮发电机的电压、频率和汽轮机转速不稳定，需要根据负荷的变化跟踪变化，因此孤网发电机供电电源品质差，安全系数低。

       （2）在大负荷变动情况下，对汽轮机转速冲击很大，如果汽轮机调速器不能及时控制调门的开度来调整进汽量，以适应负荷的变化，会冲垮汽轮机正常工作状态，甚至超速将导致汽轮机停机，低速将导致发电机低周动作解列。

       （3）由于宇星生产用汽量大，其分汽缸采用背压汽轮机抽汽、减温减压器和直通旁路三路管道同时供汽方式，因此影响汽轮机转速扰动因素多，除了电负荷功率的变化以外，还有用汽热负荷的排气压力、进汽源的主汽压力变化等扰动。
 

       当电功率突然增加，则引起汽轮机转速突然下降，DEH促使高调门开大以增加进汽量来平衡电功率的增加，维持汽轮机转速在3000转/分，反之亦然。当电功率稳定时热负荷突然增加，排汽压力突然降低，则引起汽轮机转速突然下降，DEH促使高调门开大以增加进汽量来平衡热负荷的增加，维持汽轮机转速在3000转/分，反之亦然。当电功率稳定时主汽压力突然降低，则引起汽轮机转速突然下降，DEH促使高调门开大以增加进汽量来平衡电功率的稳定，维持汽轮机转速在3000转/分，反之亦然。
 

       2.4 孤网运行的特点

       孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，选择的调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定，即一次调频功能。控制的关键不再是负荷调整，而是调整孤网频率，使之维持在额定频率的附近，这种调整需通过操作调速系统的给定机构来完成，即为二次调频。
 

       3 SY8100C透平机数字电液调节器的应用

       3.1. M70型背压式汽轮机

       B1.5-1.3/0.65背压式汽轮机（M70电调系列）是淄博市迈特汽轮机公司生产的单级背压式汽轮机，转子采用一个复速级叶轮，喷嘴节圆直径为1050毫米，该汽轮机配套采用的调速系统是国际主流的Woodward505数字式控制器+ CPC电液转换器的低压透平调节系统，主轴转速为3000 r/min，是利用低温低压低压差的蒸汽作为汽源拖动汽轮发电机来产生电能，其发电功率最高可达到1500KW。其热力系统图如图2所示。
 

 

图2 背压式汽轮机的热力系统图
 

       3.2 Woodward505数字式控制器

       （1） Woodward 505E 数字式调节器是美国Woodward公司生产的小机组DEH电调控制器，在全球应用广泛。505调节器接收转速传感器输入的转速信号，压力传感器输入的抽汽压力信号、功率传感器输入的电功率信号以及过程控制、辅助控制等回路输入的控制信号，运算后输出标准电流信号给电液转换器。电液转换器（CPC）接收调节器输出的标准电流信号，输出与电流信号相对应的油压信号。该油压信号经液压伺服机构放大后，控制油动机活塞移动，通过调节杠杆，改变调节汽阀的开度，来改变汽轮机各段的进汽量，以满足电负荷和抽汽热负荷的需要。

       （2）由于505及其组态是汽轮机厂家配套、预先设定好的，通常会给个书面的组态表作为文件交个用户，供用户通过菜单选择启用和关闭某些功能以完成组态。

       （3）由于本项目采用DCS控制，而Woodward505数字式控制器为触摸屏形式，因此不能将505控制器与DCS整合在一起；且505有一个美中不足是操作界面是全英文的，有很多缩写，显示屏只显示两行内容，致使操作人员很难看懂里面的有用信息。
 

       为此我们采用科远公司生产的SY8000C（不带触摸屏）透平机数字电液调节器，来代替Woodward505数字式控制器，与科远NT6000系列DCS控制有机结合在一起，把操作员站与SY8100C通过以太网接口相连，实现了汽轮机DEH的电脑操作员图形界面的实时控制与操作。
 

       3.3 SY8100电液调节器的概况

       SY8100透平机数字电液调节器是南京科远自动化集团股份有限公司生产的一种适应于透平机械的一体化嵌入式控制设备。主要用于小型单抽、纯凝、背压式热电联产或拖动型透平机械的控制。被控参数主要是机组转速、功率、压力等。小型智能透平控制器实时采集机组转速等运行的相关参数，经过适当的反馈调节计算后，通过伺服信号输出通道输出阀位控制信号，改变调节阀开度，最终维持机组被控参数在规定的范围内。
 

       3.4 SY8100调节器构成汽轮机控制系统

       针对M70型背压汽轮机，采用SY8100C数字电液调节器的控制系统由调节、保安油路系统、DEH控制系统组成（如图3所示）。

 

图3 电液调节器控制系统组成
 

       （1）汽轮机调节、保安油路系统：汽轮机主油泵出口高压油压经过一个三通逆止阀后，分成三路：一路去错油门，提供油动机的动力油；一路去危急遮断油门、AST磁力断路油门、轴向位移遮断器等保护装置，形成保安油压，控制自动主汽门、启动阀的紧急关闭，安全停机；一路经一个专用的节流孔形成脉冲调节油压，脉冲油压的变化由电液转换器CPC控制压力变换器来调节，变化的脉冲油压促使错油门的上下移动，从而控制油动机带动高调门上下移动，控制进汽量的变化，同时在油动机处有反馈油口，防止油动机过调。

       （2）汽轮机DEH控制系统：SY8100C数字电液调节器接受人机接口发出的增、减指令，采集汽轮机的转速、功率、压力信号以及过程控制中的各种控制信号，与参数设定值比较，经PID解算后输出标准电流信号给电液转换器CPC，从而改变调节阀开度，实现汽轮机的DEH控制。

同时SY8100C数字电液调节器通过以太网与科远NT6000系列的DCS控制系统、操作员电脑进行通讯连接，构成对整个汽轮发电机组的DCS控制。

       
       3.5 SY8100调节器的孤网控制策略

       （1）对于并网机组，SY8100调节器通常采用功率控制或背压控制方式。由于机组并网，则汽轮机的转速则稳定不变，因此当电功率可控时则热负荷不可调整，当热负荷可控时则电功率不可调整，故被控参数单一就易于控制。

       （2）对于孤网机组，由于机组不并网，则汽轮机的转速则不稳定、变化，电功率、热负荷排汽压力也均不可调整，唯有转速可控，因此SY8100调节器采用孤网控制方式，其实质是由负荷控制转变为频率控制，采用基于频率偏差的一次调频运算和二次调频运算单元，来维持汽轮机转速在3000 r/min左右运行。SY8100调节器的孤网控制策略框图如图4所示。

 

图4 孤网控制策略框图
 

       （3）对实际测量转速与给定转速进行加法运算得到转速（频率）偏差信号，将转速偏差信号进行转速PI1调节器运算后得到一次调频值；

       （4）对实际测量转速与给定转速进行加法运算得到转速（频率）偏差信号，将频率偏差信号与实际测量功率、给定功率进行加法运算得到功率偏差信号，将功率偏差信号进行孤网PI调节器运算后得到二次调频值；

       （5）将一次调频值、二次调频值进行加法运算得到多回路阀位给定输出信号，该阀位输出信号与油动机LVDT行程信号进行加法运算经转速PI2调节器运算处理，最终输出维持系统频率稳定所需要的阀位指令给伺服控制模块，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动油动机，带动高调阀运动，进而控制汽轮机进汽量以维持汽轮发电机组出力和所接待负荷相平衡。

       （6）为防止OPC反复动作而被迫停机的发生，取消103%超速OPC功能。
 

       4 SY8100调节器的启动调试

       4.1 阀位标定（拉阀试验）

       在机组启动之前，进行高调门阀位标定。启动高压油泵，建立保安油压，打开启动阀，整定伺服系统静态关系（拉阀试验），当DEH阀位给定输出电流4～20mA，则对应CPC输出调节油压0.15～0.45MP，油动机升程0～100％，使油动机在整个全行程上均能被伺服阀控制。
 

       4.2 调门手动冲转启动

       当DEH自动投入时，选择调门手动启动方式。根据汽轮机启动时的本体温度状况，操作员手动控制汽轮机冲转启动。
 

       4.3 转速控制

       机组在升速过程中，转速信号经三取二逻辑优选后，作为转速的反馈信号，调节器通过转速调节回路来控制机组的转速。升速时，操作人员可设置目标转速和升速率。进入临界区，自动超越和躲避。
 

       4.4 超速试验

       在汽轮机首次安装或大修时，需要验证超速保护的动作准确性，对每一种超速保护都进行试验验证。由于采用孤网运行，所以OPC功能取消，仅做110%超速试验、机械超速试验。

       （1）110%超速试验：在发电机解列的状态下，将转速的目标值设定为3305 r/min，当转速达3300 r/min时，DEH系统110%保护动作，AST电磁阀得电，关闭主汽门、调门。

       （2）、机械超速试验：在发电机解列的状态下，将转速的目标值设定为3365 r/min，当转速达3360 r/min时，机械危急保安器飞锤动作，如果机械飞锤不动作，试验时当转速超过              112%=3360r/min时，DEH将强迫AST电磁阀动作，关闭主汽门、调门。
 

       4.5 孤网控制的PI参数调试

       （1）转速PI调节器参数的调试：当汽轮机转速在3000 r/min时，DEH为转速控制方式时，根据DCS数据库的转速历史曲线，通过修改转速目标值的扰动方式，采用凑试法来调试转速PI1、PI2调节器的P、I参数设置，一般转速PI1调节器的参数比PI2调节器的要设置大一些。

       （2）孤网PI调节器参数的调试：由于机组采用单机孤网运行时，当发电机励磁升压、发电机开关合闸以后，DEH由转速控制方式自动进入孤网控制方式，根据DCS数据库的转速历史曲线，分别选择启停多台电动机的功率扰动方式，采用凑试法来调试孤网PI调节器的参数，一般孤网PI调节器的参数要比转速PI1、PI2调节器的参数设置小很多，以维持机组转速在3000 r/min左右，发电机频率在50Hz左右。机组孤网运行控制如图5所示。
 

 

图5 机组孤网控制
 

       5 结束语

       目前小型工业背压汽轮机在动力拖动与发电上的应用也越来越广泛，采用DEH自动控制也越来越普遍，选择国产的数字电液调节器替代Woodward505亦是一个趋势，本文介绍的SY8100C数字电液调节器自2016年12月投产以来一直运行正常，是值得推广的DEH控制方案。