1、前言萊鋼熱電廠
萊鋼熱電廠2號高爐鼓風(fēng)機組（以下簡稱2#風(fēng)機）為汽輪機拖動的軸流離心混合式鼓風(fēng)機。汽輪機型號為TRe9/160單缸凝汽反動式，風(fēng)機型號為A-Gr8/11-S軸流、離心、混合式，均為德國GHH公司七十年代的產(chǎn)品，是萊鋼九十年代末從首鋼購買的二手設(shè)備，通過近幾年對油系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、防喘振系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)的技術(shù)改造，已成為高爐煉鐵的主力風(fēng)機，為萊鋼鐵、鋼、材產(chǎn)量的逐年攀升立下了汗馬功勞。但由于服役期限接近三十年，汽輪機本體及輔機已經(jīng)老化，設(shè)備的可靠性大幅度降低，目前只能作為備用機組。
其后對汽輪機進行了大修，大修過程中發(fā)現(xiàn)汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)垢嚴(yán)重、葉片有斷裂現(xiàn)象，被迫去掉40多片，進行了清垢處理。機組開機后轉(zhuǎn)速即出現(xiàn)周期性正弦波振蕩，一個周期內(nèi)峰谷值相差在100r/min左右。相關(guān)的二次油壓、蒸汽流量等工藝參數(shù)都出現(xiàn)周期振蕩的情況，嚴(yán)重影響了高爐鼓風(fēng)機的運行工況，不能投入正常運行。
2#機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設(shè)備采用美國WOODWARD公司的PEAK150調(diào)速器。根據(jù)對油系統(tǒng)和PEAK150調(diào)速系統(tǒng)的綜合分析，通過靜態(tài)、動態(tài)實驗，找到了影響轉(zhuǎn)速波動的真正原因，從根本上解決了轉(zhuǎn)速波動的問題，保證了風(fēng)機的安全穩(wěn)定順行。
2、調(diào)速系統(tǒng)簡介
2#機組的調(diào)速系統(tǒng)的基本控制原理如圖1所示。PEAK150設(shè)定在定轉(zhuǎn)速方式運行，兩個電磁式傳感器（以下簡稱MPU）將檢測到的轉(zhuǎn)速頻率信號送入PEAK150，經(jīng)過頻率/電壓轉(zhuǎn)換后，由高選器（HSS）進行高選，高選后的信號參加PID調(diào)節(jié)，根據(jù)不同的設(shè)定采用不同的升速曲線對轉(zhuǎn)速的輸出進行控制。PEAK150的輸出電流信號經(jīng)過電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的脈動油壓（二次油壓）信號，通過二次油壓的改變控制調(diào)速汽門的錯油門及油動機的行程，油動機行程對應(yīng)著調(diào)速汽門（以下簡稱調(diào)門）的開度，從而控制進入汽輪機的新蒸汽流量，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。
該機組的負(fù)荷調(diào)整以轉(zhuǎn)速調(diào)整為主，當(dāng)需要增加負(fù)荷時，操作升速鍵（Raise），PEAK150的輸出電信號增加，二次油壓升高，調(diào)門開度相應(yīng)開大，蒸汽流量增大，轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)減小負(fù)荷時，操作降速鍵（Lower），PEAK150的輸出電信號減小，二次油壓降，調(diào)門開度相應(yīng)關(guān)小，蒸汽流量減少，轉(zhuǎn)速降低，從而達(dá)到控制汽輪機轉(zhuǎn)速的目的。
圖1 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖
3、原因分析
3.1 影響轉(zhuǎn)速的主要因素
通過對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)控制原理的分析，認(rèn)為影響轉(zhuǎn)速的主要工藝基本參數(shù)有6個。外因主要有：蒸汽壓力、蒸汽溫度、風(fēng)機出口壓力。當(dāng)蒸汽壓力或者蒸汽溫度突然升高或下降時，由于閥門開度不變，進入調(diào)門的蒸汽熱值發(fā)生變化，會影響轉(zhuǎn)速。同樣，當(dāng)風(fēng)機負(fù)荷發(fā)生突然改變時，由于影響到汽輪機的出力，因此會對轉(zhuǎn)速有很大影響。內(nèi)因有：PEAK150輸出控制電液轉(zhuǎn)換器的電流、調(diào)速汽門行程、二次脈動油壓。以上測點除調(diào)速汽門行程以外，其他測點在風(fēng)機DCS系統(tǒng)都有顯示和歷史趨勢記錄，調(diào)速汽門行程在現(xiàn)場有標(biāo)尺，在精度允許的范圍內(nèi)，可以粗略地讀出調(diào)門行程的數(shù)值。另外，調(diào)節(jié)油的油質(zhì)、汽輪機本身的機械性能等也是影響轉(zhuǎn)速的重要原因。
為了從根本上找到轉(zhuǎn)速波動的原因，首先對PEAK150進行了全面的檢查。檢查整個回路接線是否有松動，檢查PEAK150的輸出電流是否正常，經(jīng)過檢查確定PEAK150工作比較穩(wěn)定和正常。
3.2 靜態(tài)實驗
為了確認(rèn)調(diào)速系統(tǒng)是否工作正常，在機組冷態(tài)下進行了靜態(tài)試驗。所謂靜態(tài)實驗是指對電液轉(zhuǎn)換器進行整定，使PEAK150的驅(qū)動電流、二次油壓、調(diào)門開度類似于線性關(guān)系，符合設(shè)計要求（如圖2，圖3所示），保證調(diào)速汽門按照PEAK150的控制信號進行動作，從而實現(xiàn)PEAK150對進汽量和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確控制。
圖2 二次油壓與PEAK150輸出電流的線性關(guān)系 圖3 二次油壓與油門行程的線性關(guān)系
靜態(tài)實驗方法如下：
①確認(rèn)檢測儀表接線無誤后，給PEAK150送電。
②通過DCS的強制功能模擬開機或者是使機組泄油電磁閥斷電，使PEAK150閉鎖狀態(tài)解除，工藝系統(tǒng)具備靜態(tài)調(diào)試條件。
③通過PEAK150的智能終端設(shè)定使PEAK150輸出4-20mA，記錄對應(yīng)的二次油壓和調(diào)門行程。
④觀察記錄的數(shù)值，對照工藝標(biāo)準(zhǔn)值，確認(rèn)三者的對應(yīng)關(guān)系是否滿足工藝要求。如果有偏差，就要對電液轉(zhuǎn)換器進行調(diào)零和調(diào)滿，對錯油門、反饋部套進反復(fù)調(diào)整，直到符合工藝要求。
通過在靜態(tài)實驗過程中對調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)實驗觀察，汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)曲線基本符合工藝要求。由此可以確認(rèn)，整個調(diào)速系統(tǒng)各個部件在靜態(tài)實驗中運行是正常的。
3.3 動態(tài)實驗
為了進一步查找原因，在靜態(tài)實驗完畢后進行了動態(tài)試驗。所謂動態(tài)實驗就是在風(fēng)機啟動過程和定速后加負(fù)荷過程中觀察機組的轉(zhuǎn)速情況，以及和轉(zhuǎn)速相關(guān)的各個參數(shù)情況。機組按操作規(guī)程進行啟動后，在機組由暖機轉(zhuǎn)速1500r/min進入到目標(biāo)轉(zhuǎn)速3400r/min的過程發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)周期性振蕩，相應(yīng)的蒸汽流量、二次油壓等參數(shù)都出現(xiàn)了周期性振蕩。
通過智能手操器調(diào)整PEAK150低轉(zhuǎn)速時增益（Speed dynamics →Speed gain）和積分參數(shù)（Speed dynamics → Low speed gain)，轉(zhuǎn)速振蕩情況有所改善。在機組定速后的加負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)速的周期振蕩情況再次出現(xiàn)，同樣，通過修改PEAK150高轉(zhuǎn)速時的增益（Speed dynamics →High speed gain）和積分參數(shù)（Speed ynamics →High speed reset），轉(zhuǎn)速振蕩情況有了很大改善。
但在轉(zhuǎn)速增加到4600r/min左右的時候，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速有突跳現(xiàn)象。根據(jù)歷史趨勢的顯示，在轉(zhuǎn)速設(shè)定值改變以后，轉(zhuǎn)速測量值沒有及時改變，導(dǎo)致輸出電流不斷增加，然后轉(zhuǎn)速測量值才發(fā)生突然變化，由此，說明調(diào)門有卡澀的地方。
3.4 綜合分析
綜合以上動態(tài)和靜態(tài)實驗分析：
①根據(jù)繞定軸轉(zhuǎn)動剛體的轉(zhuǎn)動慣量公式：
由于汽輪機葉片減少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的質(zhì)量以及質(zhì)量的分布狀態(tài)發(fā)生了改變，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生了改變，所以轉(zhuǎn)速不可能維持在原來的穩(wěn)定狀態(tài)。通過調(diào)整PID動態(tài)參數(shù)使轉(zhuǎn)速在新的平衡狀態(tài)下達(dá)到新的穩(wěn)定。
②通過動態(tài)實驗發(fā)現(xiàn)，汽輪機的調(diào)速汽門有卡澀現(xiàn)象，存在調(diào)節(jié)部套老化的問題，這也是影響轉(zhuǎn)速波動的重要因素。以上兩點是造成這次轉(zhuǎn)速波動的主要原因。
4、提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的幾點有效措施
4.1 保證系統(tǒng)參數(shù)的線性化關(guān)系
保證轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的定期校驗，使PEAK150電流輸出、二次油壓和調(diào)門開度保持線性關(guān)系，這是調(diào)速系統(tǒng)正常運行的前提條件，特別是更換電液轉(zhuǎn)換器后，為保證線性關(guān)系必須進行靜態(tài)實驗；
4.2 保證一次檢測元件的正確安裝探頭是調(diào)速系統(tǒng)的“眼睛”，保證探頭的準(zhǔn)確安裝和安裝精度，防止導(dǎo)線浸油或者與金屬物質(zhì)接觸。
4.3 確保汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)各組成部分滿足工藝要求
一是按時對電液轉(zhuǎn)換器前濾網(wǎng)進行清洗；二是定期對透平油進行化驗，采取措施保證油的品質(zhì)滿足工藝要求；三是保證調(diào)節(jié)部套正常工作，避免卡澀。
5、結(jié)束語
經(jīng)過以上的實驗和分析，不僅從根本上找到了引起轉(zhuǎn)速波動的原因，而且找到了解決轉(zhuǎn)速波動的方法。并且從中得到了啟發(fā)，在高爐鼓風(fēng)機組的維護中，必須系統(tǒng)思考，任何現(xiàn)場出現(xiàn)的故障都不能在某一個學(xué)科的領(lǐng)域內(nèi)孤立分析，應(yīng)該密切結(jié)合現(xiàn)場的實際，多方面多專業(yè)多角度的考慮，只有多多增進學(xué)科之間的融合，拓展知識面，才能更好地解決現(xiàn)場出現(xiàn)的各種故障和難題。
《汽輪機轉(zhuǎn)速波動原因分析與處理》作者：蕪鋼鐵集團有限公司自動化部 趙佳 高洪軍。本文作者簡介：趙佳，女，工程師，畢業(yè)于沈陽大學(xué)自控系，現(xiàn)從事計算機控制系統(tǒng)及熱工儀控系統(tǒng)的開發(fā)與維護工作。
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