4. Эффективность модернизации системы регулирования частоты вращения паровой турбины

Введение в модернизацию электрической системы управления DEH с независимой масляной системой

I. Обзор до модернизации:

На объекте используется паротурбинный генераторный агрегат с отбором пара мощностью 7,5 МВт. Его компоновка включает: один главный паровой клапан высокого давления, один регулирующий клапан высокого давления и один регулирующий клапан отбора пара низкого давления. Главный паровой клапан высокого давления управляется вручную с помощью маховика и выполняет функцию запорного клапана «вкл/выкл». Регулирующий клапан высокого давления и клапан отбора пара приводятся в действие гидромоторами через рычажный механизм; таким образом, гидромотор регулятора и гидромотор отбора являются типами непрерывного управления. Изначально система регулирования турбины представляла собой систему управления 505E, при этом гидросистема управления использовала систему масла низкого давления для турбин с электрогидравлическими преобразователями CPC. В агрегатной системе наблюдались явления колебаний нагрузки, недостаточная жёсткость выходного сигнала гидромоторов и значительные отклонения положения клапанов, что не соответствовало эксплуатационным требованиям.

II. План модернизации электрической системы управления DEH с автономной масляной системой

1. С учётом экономической целесообразности и стабильной эксплуатации модернизации будут в первую очередь направлены на следующие два компонента:

(1) Электронная система управления:

Продукты серии MACS-DCS K будут применяться в сочетании с специализированными модулями измерения скорости DEH, сервомодулями, высокоскоростным аппаратным обеспечением для связи по шине CAN, а также программными продуктами. Такая конфигурация гарантирует, что циклы обратной связи по скорости и ускорению будут занимать менее 50 мс, что позволяет формировать систему управления DEH.

(2) Гидравлическая система управления:

Преобразуйте гидромоторы регулирующего клапана высокого/низкого давления в электрогидравлическую сервосистему с независимой системой подачи масла.

а. Преимущества модификации:

Высокая эффективность регулирования всесторонне изменяет характеристики регулирования исходного агрегата, устраняя многочисленные проблемы гидросистемы, такие как проскальзывание и заедание. Обеспечивает быстрый отклик и высокую точность управления для достижения качественного регулирования. Достигается эффективность регулирования, сопоставимая с системами DEH на высоконапорном огнестойком масле. Простота модернизации: при модификации на месте требуется лишь снять оригинальный гидромотор, установить автономный гидромотор на его место и подключить магистрали подачи масла, что сводит к минимуму объем работ на объекте. Высокая точность управления: полностью автономная система гидромоторов повышает жесткость выходного сигнала, гарантируя стабильную работу системы управления DEH.

б. Особенности модификации:

● Высокая выходная жёсткость гидравлических двигателей обеспечивает исключительную точность и качество управления.

● Отдельная система подачи масла для системы управления от исходной системы подачи масла турбины.

● Подход к модернизации гидравлического двигателя независимой нефтеперерабатывающей станции.

Дополнительная система подачи масла представляет собой модульный узел. Основным преимуществом этой гидравлической моторной системы является высокое рабочее давление масла — 14 МПа, что позволяет снизить размер сервогидравлического двигателя для регулирующих клапанов, сохраняя при этом равную силу подъёма клапана.

● Конфигурация резервной системы подачи масла

Насосы для подачи масла выполнены с избыточностью: два комплекта служат друг другу в качестве резервных, что обеспечивает надежную подачу масла. Эти два насоса работают в режиме горячего резерва с возможностью переключения в онлайн-режиме; они оснащены системой блокировки при низком давлении и выходами сигнализации при высоком давлении.

● Упрощённая настройка и устранение неисправностей на месте установки

Вся гидравлическая аппаратура проходит заводские испытания и пусконаладочные работы. При монтаже на объекте перед готовностью к запуску требуется лишь выполнить базовую статическую настройку. К гидромоторам добавлено несколько точек мониторинга, что позволяет в режиме реального времени отслеживать данные по каждому агрегату на месте и значительно упрощает диагностику неисправностей.

● Сниженные требования к техническому обслуживанию

По сравнению с системами турбинного масла низкого давления, ежегодное мелкое техническое обслуживание не требует разборки гидромоторов — необходимо лишь заменить уплотнения в гидравлических компонентах на насосной станции и в двигателях. По сравнению с системами огнестойкого масла высокого давления, не требуется никакого обслуживания блоков регенерации.

1. Колебания в регуляторах скорости высокого и низкого напряжения до модификации

2. Функции и технические характеристики блока электронного управления DEH

2.1 Основные функции:

Схемы управления индивидуально или совместно реализуют функции, включая программируемый запуск турбины, автоматическое регулирование, ограничение параметров, защиту, мониторинг и тестирование.

2.1.1 Функции автоматического регулирования и контроля:

● Набор скорости: после установки целевой скорости устройство автоматически управляет регулирующим клапаном в соответствии с эмпирической кривой, соответствующей текущему тепловому состоянию, осуществляя набор скорости, прогрев и переход через критическую скорость до достижения стационарного режима управления со скоростью 3000 об/мин. В процессе набора скорости можно также корректировать целевую скорость, скорость набора, время удержания скорости и другие параметры.

● Автоматическая синхронизация: После того как турбина достигнет устойчивой частоты вращения, DEH принимает команды от устройства автоматической синхронизации для автоматического управления агрегатом до достижения синхронной частоты вращения.

● Подключение к сети с начальной нагрузкой: После подключения генератора к сети DEH автоматически повышает заданное значение, чтобы генератор мог автоматически принять начальную нагрузку, предотвращая обратную мощность.

● Нагрузочная рампа: После подключения к сети устройство может управляться в зависимости от потребности с помощью режима управления клапаном, режима управления мощностью, режима управления давлением или режима CCS. Это согласуется с системой управления котлом для выполнения процесса постепенного перехода от установившегося состояния к стабильной нагрузке.

● Режим управления с помощью клапана: непосредственно управляет открытием клапана путём задания целевого положения клапана. Система DEH поддерживает постоянное положение клапана, автоматически балансируя нагрузку агрегата с учётом давления пара.

● Режим управления мощностью: Нагрузка агрегата регулируется путём задания целевого значения мощности. DEH осуществляет замкнутый регулировочный контур по мощности, используя фактическую выходную мощность турбины в качестве обратной связи для поддержания постоянной нагрузки агрегата. Если в качестве сигнала мощности используется сигнал активной мощности генератора, требуется выполнить определённую логическую обработку. Примечание: Избегайте использования режима управления мощностью, если давление пара в котле не находится в автоматическом регулировании.

● Режим управления давлением: контролирует предтурбинное давление путем установки целевого значения давления. DEH регулирует открытие клапана для поддержания постоянного давления основного пара.

● Режим CCS: В режиме CCS DEH получает сигналы задания положения клапанов от главного контроллера CCS и непосредственно управляет открытием клапанов. DEH и главный контроллер CCS совместно выполняют различные функции управления, включая синхронизацию турбины и котла, синхронизацию котла и турбины, а также координированную работу турбины и котла.

● Первичное регулирование частоты: цифровые сигналы передаются по шине CAN. Отклонение между заданной и фактической частотой вращения подвергается обработке с неравномерной скоростью для формирования задания первичного регулирования частоты. Это задание может применяться либо к заданию мощности, либо к заданию управления клапаном. Когда отклонение между фактической частотой вращения и 3000 об/мин превышает ±15 об/мин, система выходит из режима управления мощностью, режима управления напряжением и режима CCS, переключаясь на режим управления клапаном.

● Автоматическое вторичное регулирование частоты: автоматически осуществляет вторичное регулирование частоты для восстановления её значения до 50 Гц.

2.1.2. Функция ограничения управления:

● Ограничение нагрузки и положения клапана: Ручная настройка предельных значений. DEH автоматически ограничивает нагрузку в пределах верхнего и нижнего пределов и ограничивает положение клапана ниже заданного значения.

● Ограничение низкого давления главного пара: Когда давление главного пара опускается ниже предельного значения, DEH автоматически уменьшает открытие клапанов для ограничения нагрузки, что позволяет давлению главного пара восстановиться.

● Предел низкого вакуума: Когда вакуум падает до предельного значения, DEH автоматически уменьшает открытие клапана, чтобы снизить нагрузку.

● Быстрое снижение нагрузки: DEH оснащён тремя скоростями быстрого снижения нагрузки (быстрая, средняя, медленная), соответствующими различным неисправностям вспомогательного оборудования. Когда CCS подаёт сигнал о быстром снижении нагрузки, DEH снижает нагрузку до соответствующего значения с заданной скоростью.

● Управление OPC: при снижении нагрузки агрегата DEH получает сигналы от срабатывания масляного выключателя или превышения скорости вращения (103% n). Он быстро закрывает регулирующий паровой клапан, чтобы уменьшить избыточное увеличение скорости во время переходного процесса. После задержки или когда скорость падает ниже 103% n, клапан автоматически открывается снова и поддерживает скорость агрегата на уровне 3000 об/мин, ожидая повторной синхронизации.

2.1.3 Функции управления тестированием:

● Имитационный тест синхронизации: при получении сигнала об открытии выключателя изоляции для имитационного теста синхронизации DEH автоматически координируется с электрическими системами для завершения имитационного теста синхронизации.

● Проверка трения: оснащён функцией проверки трения, выдаёт сигналы тревоги и автоматически определяет следующий режим работы турбины на основе условий работы агрегата.

● Испытание на превышение скорости:

● Эта функция, управляющаяся через интерфейс ЖК-дисплея, повышает скорость вращения для проверки срабатывания системы защиты от превышения скорости, включая освобождение ударника защиты от превышения скорости и значение срабатывания электрической защиты от превышения скорости. Во время механических испытаний на превышение скорости система DEH автоматически корректирует значение срабатывания электрической защиты от превышения скорости с 3300 об/мин до 3390 об/мин, обеспечивая тем самым резервную меру защиты от превышения скорости.

● Испытание работы клапанов: для обеспечения надежного закрытия клапанов в случае аварий система DEH позволяет проводить онлайн-испытания главных паровых клапанов высокого давления. Работа турбины и нагрузка при этих онлайн-испытаниях клапанов остаются неизменными.

● Испытание на герметичность клапанов: доступно через ЖК-экран; эта функция проводит испытания на герметичность как регулирующих, так и основных паровых клапанов, автоматически записывая время зоны нечувствительности.

2.1.4 Функции управления защитой:

● Мониторинг состояния системы: Посредством сетевого обмена данными система DEH передаёт данные DCS для отслеживания изменений ключевых параметров в режиме реального времени во время пуска или эксплуатации. Исторические данные могут быть записаны с использованием базы данных истории конфигурации системы DCS.

● Индикаторы тревоги неисправностей установлены на ЖК-дисплее для идентификации элементов тревоги. Критические сигналы, такие как срабатывание защиты, быстрое отключение и т.п., оснащены функцией SOE с разрешением событий 1 мс.

● Защита от превышения скорости: Когда агрегат отсоединяется и его частота вращения превышает 110% номинальной, DEH подаёт сигнал для прекращения работы системы, быстро закрывая главный паровой клапан и регулирующий паровой клапан.

2.1.5 Функции уровня автоматизации:

● Автоматическое снятие показаний счётчиков: поддерживает запланированное или событийно-триггерное ежедневное/ежечасное снятие показаний счётчиков для автоматического записи.

● Возможность симуляции.

2. Колебания в регуляторе высокого давления до модификации

2.2 Основные технические характеристики:

● Диапазон регулировки скорости: Скорость ручного колеса ~ 3600 об/мин

● Точность регулировки скорости: <±1 об/мин

● Неравномерность скорости: 3–6% с непрерывной регулировкой

● Неравномерность давления выхлопа: 0–20% с непрерывной регулировкой

● Диапазон регулировки нагрузки: 0–120%

● Точность регулирования нагрузки: ≤0,2%

● Точность регулирования давления главного пара: +0,1 МПа

● Точность регулирования скорости разгона: +0,1%

● Несенситивность системы управления: <0,06%

● Перегрузка по скорости при сбросе нагрузки: <7% от номинальной скорости, поддержание 3000 об/мин

● Среднее время между отказами (MTBF) для устройства DEH: ≥25000 часов

● Доступность системы: ≥99,9%

● Максимальная скорость перегрузки при полном сбросе нагрузки: <7% n

● Цикл времени системы управления: <50 мс

3. Колебания в регуляторе низкого напряжения до модификации

3. План модернизации гидравлического сервопривода

Внедрение полностью автономной гидравлической моторной системы решает проблему «недостаточной жёсткости выходного сигнала в традиционных гидравлических моторах, неспособных преодолеть скользящие нагрузки, возникающие из-за механизма распределения пара», тем самым обеспечивая стабильную работу системы управления DEH. Это представляет собой оптимальное решение для модернизации традиционных систем управления DEH турбин низкого давления.

Самостоятельная система управления приводами является составной частью цифровой электрогидравлической (DEH) системы управления турбиной. В её состав входят, прежде всего, система подачи масла (маслостанция, накопитель, противоизносное гидравлическое масло и др.), приводы (масляный двигатель, сервоклапан, электромагнитный направляющий клапан OPC и др.) и система маслопроводов (маслопроводы и различные клапаны). Эта система обеспечивает точное управление разгоном частоты вращения турбины и регулированием нагрузки.

Это решение сохраняет компоненты системы безопасности исходной установки (включая аварийные запорные клапаны, задвижки, дроссели с магнитным выключателем и т.п.) и парораспределительный механизм типа подъёмной плиты, заменяя при этом все регулирующие компоненты (исходные гидромоторы и все другие регулирующие узлы). Используются автономные гидромоторы.

(1) План реализации:

Оставить: Механизм распределения пара, компоненты оригинальной гидравлической системы безопасности (автоматическое устройство отключения основного парового клапана, аварийный запорный клапан, дроссель с магнитным выключателем и др.), а также некоторые эксплуатационные органы управления — в первую очередь ручное аварийное устройство остановки на головке турбины и устройство для проверки подачи масла в аварийный запорный клапан.

Удалить: Датчики давления, дифференциальные масляные клапаны, гидравлические двигатели, регулирующие устройства дроссельных отверстий и связанные с ними маслопроводы (разобрать и загерметизировать).

Добавить: Автономный гидравлический двигатель, совместимый с электрогидравлическим преобразователем (для непрерывного сервопривода), узел электромагнитного клапана OPC, узел реле давления низкого давления и др.

Увеличение: Одна высоконапорная независимая система подачи гидравлического масла с противоизносными свойствами; добавить датчик скорости и другое вспомогательное гидравлическое оборудование.

Принцип: Заменяет импульсный насос магнитным энкодером сопротивления для обеспечения широкого диапазона измерений скорости. Заменяет синхронизатор и датчик давления электрогидравлическим преобразователем. Он получает управляющие команды от системы DEH, непосредственно генерируя импульсное гидравлическое давление и таким образом управляет гидравлическим двигателем. Через сервоплату он принимает сигналы обратной связи о перемещении в реальном времени от LVDT, установленного на поршне гидравлического двигателя, тем самым формируя электрогидравлическую сервосистему для осуществления непрерывного управления регулирующим клапаном высокого давления.

(2) Гидравлическая сервосистема и принцип работы устройства DEH:

Гидравлическая сервосистема данного устройства DEH включает автономный привод, систему подачи масла и систему управления. Схема принципа работы приведена ниже:

1. Самостоятельные приводы

(1) Гидравлические двигатели высокого и низкого давления

Гидромоторы высокого и низкого давления используют управление с замкнутым контуром, в котором для обратной связи по положению применяются двойные LVDT. Они получают сигналы отключения безопасности от агрегата, что позволяет быстро закрыть соответствующие паровые клапаны, реализуя функцию быстрого закрытия. Инициирование быстрого закрытия происходит путём подачи напряжения на электромагнитный клапан OPC.

(2) Принцип работы гидравлического двигателя

Гидравлические приводы выполняют две функции: непрерывное управление открытием клапана и быстрое закрытие клапанной системы, то есть возможность быстрого закрытия клапана.

(3) Система нефтепроводов

Система нефтепроводов в основном состоит из набора нефтепроводов и аккумулятора высокого давления. Нефтепроводы соединяют систему подачи масла с приводом, образуя рабочий контур и обеспечивая транспортировку рабочей среды.

(4) Первичная структура и компоненты гидравлического привода

Гидравлический привод состоит из цилиндра, датчика перемещения, электрогидравлического преобразователя и блока управления. В блоке управления размещены такие компоненты, как сервоклапан, клапан разгрузки, электромагнитный клапан OPC, обратный клапан и порт контроля давления для привода регулирующего клапана. Поршень привода приводится в движение противоизносным маслом. В случае поршней двустороннего действия как открытие, так и закрытие осуществляются под давлением масла. Чтобы обеспечить сохранение ударной силы диска парового клапана при его упоре в седло в пределах допустимых значений во время быстрого закрытия цилиндра, на заднем конце поршня цилиндра установлен амортизирующий устройство. Это устройство замедляет движение поршня до нулевой скорости по достижении конечной точки хода.

(5) Гидравлический цилиндр

Гидравлический цилиндр состоит из штока поршня, поршня, передней торцевой крышки, задней торцевой крышки, цилиндрического корпуса, амортизирующего устройства, пылезащитного направляющего кольца, тандемного уплотнения штока поршня, уплотнения поршня и соответствующих соединительных деталей. Все уплотнения обладают отличной физической и химической совместимостью с высоконапорным противоизносным топливным маслом.

(6) Электрогидравлический сервоклапан

Импортный электрогидравлический сервоклапан служит в качестве электрогидравлического преобразователя.

(7) Клапан разгрузки

Клапан разгрузки установлен на гидравлическом коллекторе гидромотора. Его основная функция заключается в том, чтобы сбросить давление масла из нижней камеры цилиндра через клапан разгрузки после снижения предохранительного давления масла — в случае, когда паровая турбина требует аварийного останова или необходимо провести испытание быстрого закрытия одного из клапанов. В этот момент, независимо от величины сигнала, поступающего с усилителя сервоклапана, клапан будет закрыт.

(8) Резервный датчик перемещения

Датчик перемещения подключён к штоку гидравлического привода. Когда привод движется, датчик выдаёт электрический сигнал, измеряющий его перемещение, тем самым регулируя открытие парового клапана. Датчик перемещения имеет резервную конструкцию.

4. Колебания данных нагрузки на интерфейсе DCS

2. Независимая система подачи нефти

Система подачи противоизносного масла (далее — блок подачи) представляет собой комбинированный интегрированный узел, обеспечивающий квалифицированную рабочую жидкость высокого давления для нормальной работы всей гидравлической системы. В качестве рабочей среды используется противоизносное гидравлическое масло высокого давления.

В насосной станции блока питания используются насосы высокого давления. Каждый блок подачи масла оснащён двумя независимыми насосными агрегатами. Эти агрегаты могут работать одновременно, удваивая поток масла, или функционировать независимо друг от друга в качестве резервных в условиях нормальной эксплуатации. Когда пуск паровой турбины требует увеличения расхода или давление в системе опускается ниже нормального уровня, электрические блокировки автоматически включают резервный насосный агрегат для удовлетворения потребностей системы. Конструкция блока позволяет переключать насосные агрегаты и проводить их ремонт в случае отказа одной из линий.

Система подачи масла включает предохранительный клапан с пилотным управлением в качестве устройства безопасности. Если давление в системе по какой-либо причине превысит заданное значение, предохранительный клапан сработает, чтобы не допустить чрезмерных скачков давления в системе. Кроме того, установлено несколько переключателей давления, которые подают сигналы тревоги при низком и высоком давлении в системе. Когда давление в системе опускается ниже заданного значения, эти переключатели включают резервную насосную установку.

● Система подачи масла оснащена автономной системой фильтрации и охлаждения масла.

(1) Обзор состава и основных компонентов

Блок подачи масла выполнен по модульной схеме; основное оборудование включает масляные насосы, масляные фильтры, предохранительные клапаны, масляные охладители, гидроаккумуляторы, воздушные фильтры, указатели уровня жидкости и необходимые контрольно-измерительные приборы.

① Нефтяной резервуар

Изготовлено из нержавеющей стали с приварной герметичной конструкцией, оснащено люком доступа для будущего технического обслуживания и очистки резервуара. На резервуаре установлен воздушный фильтр, обеспечивающий достаточную точность фильтрации воздуха при вентиляции системы и гарантирующий чистоту масляной системы.

② Сборка насоса

В данном узле используется насос высокого давления с гибкой муфтой штифтового соединения. Соединение насоса и двигателя выполнено с помощью фланцевой муфты втулочного типа для удобства доступа при техническом обслуживании.

③ Масляный фильтр и обратный масляный фильтр

Масляный фильтр выполнен в виде интегрированной пластинчатой конструкции, как это требуется, тогда как обратный масляный фильтр — в виде картриджа.

④ Масляный охладитель

Масляный охладитель имеет конструкцию «оболочка — труба», установленную отдельно для удобства обслуживания и замены.

⑤ Сборка аккумулятора

Узел подачи масла включает аккумулятор типа «блин». В комплектацию аккумулятора входят запорный клапан, предохранительный клапан, манометр и др., что обеспечивает удобную и надежную эксплуатацию.

⑥ Основные контрольные приборы

Узел подачи масла также включает необходимые контрольно-измерительные приборы, такие как манометр на выходе насоса, манометр системы, манометр давления возвращаемого масла, датчики давления, термометр уровня жидкости и термопары. Эти приборы взаимодействуют с панелью приборов центрального пункта управления, компьютерной системой управления и системами безопасности для мониторинга и контроля работы узла подачи масла и гидравлической системы.

5. Процедура испытания клапана-тяги самосодержащегося гидравлического двигателя после модификации

3. Система управления

(1) Нормальный контроль

Сигнал управления положением клапана от контроллера DEH приводит в действие сервоклапан для привода гидроцилиндра; обратная связь по положению обеспечивается LVDT. Гидромотор имеет запас прочности 2x, что гарантирует, что колебания давления подачи масла при регулировке давления не влияют на его управляющую способность.

(2) Управление с быстрым закрытием

Привод оснащён быстрозакрывающим соленоидным клапаном, обеспечивающим функции «отключения» и «быстрого закрытия». Предназначенный как клапан с «питанием в состоянии отключения», быстрозакрывающий соленоид приводит в действие гидравлический двигатель, переводя его в состояние «разобщения» при подаче питания. При срабатывании системы безопасности нарастает безопасное гидравлическое давление. Это давление активирует давлительный выключатель, формируя безопасное напряжение и переводя привод в состояние «включения». При срабатывании системы безопасности или её «отключении» безопасное гидравлическое давление теряется, безопасное напряжение отключается, и привод переходит в состояние «отключения», останавливая агрегат.

(3) Исполнение:

● 100%-ная плавная регулировка работы с системой сервоконтроля замкнутого цикла, обеспечивающая высокую надёжность.

● Точность позиционирования < 0,1% от полного хода.

● Повторяемость < 0,1% от полного хода.

● Зона гистерезиса управления < 0,05% от полного хода.

● Время динамического отклика < 20 миллисекунд; время быстрого закрытия — 0,2 секунды.

● Мехатронная конструкция с двумя вариантами компоновки: простая внешняя гидравлическая разводка или отсутствие внешней разводки. Длительный срок службы, не требует обслуживания.

● Компактный размер, простота установки и высокая удобство при обслуживании на месте.

● Интегрированная система управления принимает любые стандартные управляющие сигналы. Оснащена цифровым интерфейсом связи для бесшовной интеграции с другими методами управления.

● Интеллектуальный дизайн позволяет настраивать на месте перемещение привода, скорость хода, предварительную нагрузку клапана и многое другое. Поддерживает несколько функций, включая коррекцию характеристик управляемого объекта (например, настройку кривой клапана), защиту от гидравлических ударов и минимальную точку управления.

● Исключительно высокая жёсткость выходного сигнала. Диапазон рабочего давления гидравлической системы: 10–15 МПа. Поддерживает онлайн-регулировку в зависимости от условий на объекте, полностью не ограничивается типом нагрузки.

● Режим управления прерывистой надёжной подачей нефти с чрезвычайно низкой мощностью на входе двигателя, что представляет собой энергоэффективный подход к дизайну с низким энергопотреблением.

● Экологически чистая рабочая жидкость, независимая герметичная система подачи масла, надежное обеспечение чистоты и отсутствие загрязнения окружающей среды — всё это позволяет решить проблемы экологического загрязнения, связанные с огнестойкими маслами.

● При интеграции с электронной системой управления MACS(DEH) компании Hollysys он комплексно устраняет ограничения по производительности низкоэффективных турбинных масляных систем DEH (такие как низкая точность управления и низкая жёсткость выходного сигнала). Он обеспечивает такую же точность управления, что и высоконапорные огнестойкие масляные системы, при этом не требуя обширного технического обслуживания, связанного с огнестойкими масляными средами.