汽轮机旁路控制系统BPC之欧阳法创编.docx

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汽轮机旁路控制系统BPC之欧阳法创编

摘要

时间：

2021.03.09

创作：

欧阳法

汽轮机旁路系统是现代单元机组热力系统的一个组成部分。

它的功能是，当锅炉和汽轮机的运行情况不相匹配时，即锅炉产生的蒸汽量大于汽轮机所需要的蒸汽量时，多余部分可以不进入汽轮机而经过旁路减温减压后直接引入凝汽器。

此外，有的旁路还承担着将锅炉的主蒸汽经减温减压后直接引入再热器的任务，以保护再热器的安全。

旁路系统的这些功能在机组启动、降负荷或甩负荷时是十分需要的。

当机组冷态启动时，在汽轮机冲转、升速或开始带负荷时锅炉产生的蒸汽量要比汽轮机需要的蒸汽量大，此时旁路系统可作为启动排汽用。

这样，锅炉可以独立地建立与汽轮机相适应的汽温和汽压，保证二者良好的综合启动，从而缩短了机组的启动时间，也延长了汽轮机的使用寿命。

与向空排气相比及回收了工质，又消除了噪音污染。

在机组迅速降负荷时，要求汽轮机迅速关小主汽门，而同时锅炉只可能缓慢的降负荷，即锅炉跟不上要求，此时旁路系统起着减压阀的作用。

这种情况下，旁路系统的存在使锅炉能独立与汽轮机而继续运行。

降负荷幅度越大，越迅速，越显示其优越性。

对于甩负荷事故情况，旁路系统能使锅炉保持在允许的蒸发量下运行，把多余的蒸汽引往凝汽器。

让运行人员有时间去判断甩负荷的原因，并决定锅炉负荷是应进一步下降还是继续保持下去，以便汽轮发电机组很快重新并网。

关键词大型火电机组，旁路控制，运行调试

Abstract

Large-unitisthemainpowerofelectricityindustry,alongwithglobalenergyInsufficiencyandprogressofenvironmentconsciousness,nowsurpercriticalandultra-superciticalunitsthatarehighefficiencyandlowemissionhavebeenoutstandingepquipmengtsintheworld.large–unitreprsentsthetadvancedthermalprocesstheoty,materialscienceandautomatictechnology.cooperatingcontrolbetweenbypasssystemandlarge-unit.withsafety,highefficiency,lowemission,whichhavecloserelationshipwitheconomicbenefit[17].

Bypasssystemisimportantauxiliaryequipmentofoperationoflarge-unit,andhasmanyfuncions,suchascoopreatingstartup,recyclingprocessfluid,reducingconsumption,decreasingemission.Bypasssystemhasseveralprocesssteps,includingpressurereduction,desuperheatingetc,andadoptsautomaticcontrolmethodunderdifferentoperationmodes.

Typicalbiguntibypasssystemcomprisesofhighpressurebypassandlowpressurebypass,individuallyexecutesdifferentfunctionsinuntioperation.Bypasssystemoperationcontrolshallcorrespondwithunitcontrolsystemoperation,andequipinterlockdevice.

Adding-bypasssystemisasystemproject,throughbypassdesign,operationcontrolmodeselection,keyelementchoice,systemmatch,installationandcommission,excellentcooperativestartupamonguntis,tocompleterelevantfunctions.

Bypasssystemhasachievedwidelydomesticappliance,andachievessomeeffectonsafetyopreation,combinedloadcooperationandeconomicbenefit,whileunveilingsomeproblemstoberesolved[19].

Furtherresearchoflarge-unitbypasssystemthermalprocesstheory,thermalprocessmatrial,fundamentalelementandautomaticcontrol,andaccumulatingexprerienceduringpractice,contunuouslyimprovingdesignlevelandmatchingquality,arenecessaryrouteforgraduallyperfectingbypasssystemfunctions,improvingoperationsafetyandreliability,achievinghighereconomicbenefit.

KeyWordsLargePowerUnit,BypassControl,CooperativeRegulation

摘要I

AbstractII

目录III

1引言1

1.1旁路控制系统的简介1

1.2旁路控制系统的功能2

2旁路控制系统4

2.1旁路控制系统的组成4

2.1.1旁路调节阀4

2.1.2液压动力单元和液压执行机构5

2.2旁路控制系统的工作方式5

2.2.1启动方式5

2.2.2运行方式5

2.3旁路控制系统的控制方式7

3分散控制系统8

3.1分散控制系统简述8

3.2Symphony控制系统设计中采用的各种模件及其介绍8

3.3针对硬件的说明9

3.4设计中用到的部分功能码10

4汽轮机组旁路控制系统设计12

4.1设计思想12

4.2高压旁路控制系统12

4.2.1高压旁路控制系统的主要作用12

4.2.2高压旁路控制系统的工作原理12

4.2低压旁路控制系统16

5汽轮机组旁路控制系统分析18

5.1高压旁路压力控制分析18

5.1.1自动控制分析18

5.1.2手动控制分析19

5.2高压旁路温度控制分析20

5.2.1自动控制分析20

5.2.2手动控制分析21

5.3低压旁路温度控制分析21

5.3.1自动控制分析21

5.3.2手动控制分析22

5.4低压旁路压力控制分析22

5.4.1自动控制分析22

5.4.2手动控制分析23

6结论24

致谢25

参考文献26

1引言

1.1旁路控制系统的简介

汽轮机旁路控制系统（BPC）是指与汽轮机并联的蒸汽减温减压系统。

它由管道、阀门和控制机构等组成，其作用是在机组启动或事故状态下降锅炉产生的蒸汽不经过汽轮机而直接引入再热器或凝汽器[1]。

中间再热机组的旁路，主要有单级大旁路系统、两级串联旁路系统和三级旁路系统三种结构型式。

单级大旁路是指将过热器出来的蒸汽经减温减压后直接引入凝汽器，而不进入汽轮机做功的旁路系统。

该旁路与整个汽轮机并联，如图1.1所示。

这种旁路系统的特点是设备简单，但不能保护再热器，故只能用在再热器不需要保护的机组上。

图1.1单级大旁路系统

两级串联旁路由高、低压两级旁路串联构成，其中高压旁路将过热器出来的蒸汽经减温减压后直接引到再热器入口，与高压缸并联；低压旁路将再热器出来的蒸汽将减温减压后直接引到凝汽器入口，与中低压缸并联，如图1.2所示。

三级旁路系统是指既有单级大旁路又有两级串联旁路的旁路系统[2]。

早先采用一级大旁路结构方式，目前用得比较多的是两级串联旁路系统。

因为两级串联旁路系统功能较全，系统组成也不复杂，且能适应较多的运行工况。

图1.2两级串联旁路系统

汽轮机旁路系统是随发电机组的发展而产生和发展的。

中、低压发电机组系统简单，启停相对比较容易，所以一般不设旁路系统。

而对于大型火电机组都采用中间再热式热力系统，构成一机一炉的单元配置，由于汽轮机的锅炉运行特性的不同而带来机炉之间的不协调等问题，所以大都设有旁路系统。

汽轮机旁路系统的容量是指经旁路系统的最大蒸汽量占锅炉额定蒸发量（MCRMaximumContinuousRate最大连续出力）的百分数。

一般来说，旁路系统的容量越大，相应的调节和保护作用越强。

欧洲比较重视旁路系统调节与保护作用，旁路容量比较大，可达50%~100%MCR，而日本、美国相对不太重视，旁路容量一般仅为20%~30%MCR。

旁路容量越大，其调节与保护作用越强，容量越小，功能也相对受到限制。

国内多数涉及采用旁路容量是30%~50%MCR之间，少数引进机组旁路容量高达100%MCR。

国内大型火电机组使用较多的是瑞士苏尔寿公司生产的带液压执行机构的旁路控制系统和德国西门子公司生产的带电动执行机构的旁路控制系统。

由于电动执行机构相对来说驱动力矩小，执行动作较慢，所以主要用于200MW及300MW机组，而液动执行机构力矩大，动作快，主要用于300MW及600MW机组。

但目前电动执行机构在性能方面做了很大改进，所以当前也有600MW机组采用电动执行机构的旁路控制系统。

旁路系统的调节阀，特别是高压旁路的温度、压力调节阀在高温、高压条件下工作，所以要求较高。

进口阀门调节特性好。

打得开、关得严，执行机构动作灵活、可靠，这是进口旁路系统大都能正常投入运行的重要原因[3]。

1.2旁路控制系统的功能

汽机旁路控制系统有启动、溢流和安全三项功能，这三项功能在调峰运行机组上的作用更为明显。

当单元制机组实行两班需要尽量缩短热态启动时间，以提高对负荷适应性，仅在配合了汽机旁路后机组才能适应电网对这种运行方式的要求。

汽机旁路控制系统一般具有以下功能：

（1）改善机组启动性能：

机组冷态或热态启动初期，当锅炉输出的蒸汽参数尚未达到汽机冲转条件时，这部分蒸汽就由旁路控制系统通流到凝汽器，以回收汽水和热能，适应系统暖管和储能的要求。

特别是在热态启动时，锅炉可用较高的燃烧率、较大的发汽量运行，加速提高汽温，使之尽快与汽轮体身的金属温度匹配，从而缩短启动时间。

（2）弄够适应机组定压和滑压运行的要求：

在机组启动过程中，可以控制新蒸汽压力和中压缸进汽压力；而转入正常运行时，监视调节锅炉出口压力，防止炉膛超压。

（3）保护再热器：

在汽机启动过程中或者汽机突然跳闸甩负荷时，旁路控制系统可保证再热器有一定的蒸汽流量，使其获得足够的冷却，防止干烧而损坏再热器，从而起保护作用。

（4）实现机组快速切符合功能：

在事故突发状态下缩短安全门动作时间或完全不起跳，节约补给水。

当电网发生事故时，可以使机组保持空负荷或只带厂用电运行；当出现汽机事故时，如果有关系统正常，则允许停机不停机时间，有利于整个系统的稳定。

（5）协调锅炉主蒸汽压力：

在正常运行工作情况下，如果汽机外负荷变化频繁而波动太大，将利用旁路系统帮助锅炉、汽机协调控制系统调节锅炉主蒸汽压力以适应负荷变化。

2旁路控制系统

2.1旁路控制系统的组成

2.1.1旁路调节阀

旁路调节阀室旁路系统完成减压、减温和流量调节的主要部件[7]。

图2.1是600MW机组高低压两级串联旁路系统的示意，从图中可看出旁路系统的调节阀主要有：

（1）高压旁路调节（减压）阀（BP）；

（2）高压旁路喷水调节阀（BPE）；

（3）高压旁路喷水隔离阀（BD）；

（4）低压旁路调节（减压）阀（LBP）；

（5）低压旁路喷水调节阀（LBPE）。

根据需要，有些机组的旁路系统还设计有低压旁路喷水隔离阀（LBD）、低压旁路三级减温水阀（TSW）。

图2.1串联旁路示意图

高压旁路减压减温调节阀的主要作用是对主蒸汽进行减温、减压，使其下降到正常条件下高压汽轮机的排汽压力和温度值。

高压旁路喷水隔离阀的作用是当旁路阀关闭后作为隔离阀，使减温水可靠切断，防止减温水漏入再热器甚至汽轮机，保证汽轮机和锅炉的安全。

该阀位开关型阀门，因此，采用二位逻辑控制。

低压旁路调节阀装于低压旁路，它将中压参数整齐减压至凝汽器进口压力参数，是汽轮机旁路中体积最大的阀门。

低压旁路喷水调节阀工作时，可根据低压旁路调节阀出口温度信号调节减温水水量。

2.1.2液压动力单元和液压执行机构

液压动力单元是指旁路系统液压油站，它为执行器提供动力油。

液压动力单元由两台主油泵，充油阀，蓄能器，减压阀，释放阀，单向阀、P1、P2、P3三个取压口、循环过滤泵、风扇冷却器和过滤器组成。

3个取压口分别为：

P1口向高压旁路系统供油，P2口向快开系统蓄能器供油，P3口向低压旁路系统供油。

液压执行机构的作用是接受地电子控制装置输出的阀位指令信号，控制相应旁路阀门的开启或关闭。

它采用模块化设计，包含以下部件：

执行器ASM、控制装置PV、定位装置PVR、步进控制装置APL、安全控制系统SSB、安全旁路系统SBE。

2.2旁路控制系统的工作方式

2.2.1启动方式

旁路系统的启动方式有三种：

冷态启动、热态启动和重启动方式[11]。

启动方式的选择由锅炉主蒸汽压力pT的大小决定，设高压旁路的最小压力设定值为pmin,冲转压力位psync

当pT

机组从启动、锅炉点火直到带负荷运行的过程中，旁路控制系统经历了启动方式、压力控制方式、跟踪方式三种控制方式。

当pmin

在汽轮机冲转之前，主蒸汽压力设定值跟随实际压力，负的压力变化率被置0，即不允许压力下降，只允许上升。

阀门开度保持设定开度Ymin，直到压力升至冲转压力psync，转入定压运行方式，进行定压启动。

后边的过程同冷态启动方式。

当pT>psync时，为重启动方式：

这种方式用于短时间跳闸而锅炉压力仍维持在一定值的重启动。

此时压力设定值跟随实际压力值，正的压力变化率被置0，即不允许压力升高，只允许降低，跟踪偏压dp解除。

一旦锅炉重新产生蒸汽，压力开始增加，旁路阀将打开以确保蒸汽流过而冷却再热器。

2.2.2运行方式

旁路系统启动工作方式是指机组冷态启动时，旁路系统的工作方式。

从原理上讲，机组冷态启动时，旁路系统存在三种运行方式：

阀位运行方式、定压运行方式，三种方式之间的逻辑关系如图2.2所示。

图2.2三种工作方式图

（1）阀位工作方式：

阀位方式也称启动方式，这是锅炉点火到汽轮机冲转前的旁路运行方式。

锅炉点火后至汽轮机冲转之前，为了保护过热器和再热器，应有适量的蒸汽流过，在蒸汽循环的过程中，使得压力和温度得以提高，这要依靠调节旁路阀开度来满足启动参数要求。

随着传热过程的进行，工质压力和温度不断提高，为了满足启动曲线要求，高压旁路阀也逐渐开打，直达到所设定的最大开度。

在这一阶段，高压旁路压力先设为初值压力设定值，该设定值低于冲转压力，使工质在启动初期以较慢的速率升温升压。

而主蒸汽压力设定值也按给定值发生器所设定的升压率逐渐增加。

给定值发生器还具有限制主蒸汽压力上升速率的功能。

当旁路开度达到最大之后，保持最大开度不变，于是主蒸汽压力、温度逐渐上升，随着主蒸汽压力的上升，其设定值也相应升高。

低压旁路的情况与高压旁路相似。

（2）定压工作方式：

在高压缸启动方式下，当主蒸汽压力上升到所设定的压力值（冲转压力）时，自动转为定压运行方式，汽轮机高压调节阀开启，汽轮机开始进汽。

随着汽轮机调节阀的开大，进入汽轮机的蒸汽流量逐渐增大，为了保持主蒸汽压力稳定不变，旁路调节阀会逐渐关小，让主蒸汽流量由旁路系统切换到主蒸汽系统上，直至旁路阀完全关闭。

当所有旁路阀全关且再热蒸汽压力小于某一值后，DEH系统选择“旁路切除”方式。

至此，高压旁路定压方式结束。

所有旁路阀门保持关闭状态，但旁路系统仍处于热备用状态。

在中压缸启动方式下，高压旁路阀保持最大开度，主蒸汽压力按运行人员设定的升压率上升，再热蒸汽压力也随之上升。

当主蒸汽压力升高到所设定的压力值时，旁路系统自动转为定压运行方式，这时压力设定值保持一定，以保证汽轮机启动时的主蒸汽压力稳定，实现定压启动。

当满足冲转条件所要求的主蒸汽压力和主蒸汽温度时，汽轮机开始冲转升速，随着耗汽量增加，高压旁路阀相应关小，以维持机前主蒸汽压力为给定值。

在汽轮机升速到3000r/min并网带上初负荷后，旁路系统仍然处于定压运行状态，高压旁路阀起调节主蒸汽压力作用。

当主蒸汽压力大于设定点时，高压旁路阀打开，当主蒸汽压力小于设定点时，高压旁路阀关闭。

随着锅炉燃烧率的增加，汽轮机负荷逐渐上升，高压旁路阀应逐渐关闭。

最后高压旁路阀完全关闭时，主蒸汽压力的控制由单元机组CCS控制系统来完成，旁路系统自动切至滑压运行方式。

（3）滑压工作方式：

滑压工作方式又称为旁路跟踪方式或称旁路热备用方式。

这时旁路控制系统给出的主蒸汽压力设定值和再热蒸汽压力设定值自动跟踪主蒸汽压力和再热蒸汽压力实际值，并且只要蒸汽压力的升压率小于所设定的升压率限制值，压力定值总是稍大于实际压力值，即p定值=p实际+Δp，以保证汽轮机正常运行时旁路阀严密关闭。

运行中若主蒸汽压力出现大的扰动，旁路阀将在较短时间内快速打开。

当扰动消失后，压力定值大于实际压力，旁路阀再次关闭，维持主蒸汽压力的稳定。

2.3旁路控制系统的控制方式

旁路控制系统为用户提供两种控制方式，给用户根据现场实际情况选择使用。

为自动和手动方式，两种方式的优先级后者高于前者，并且两种方式之间互相跟踪，切换时无扰动。

在任何一种控制方式下，旁路系统都有阀门之间的连锁和保护功能[。

3分散控制系统

3.1分散控制系统简述

SymphonyDCS（分散控制系统）是美国BAILEY公司推出的面向工业企业，自动化控制管理的一种新型控制系统，它是一种集中了多种高新科技的新型仪表控制系统，设计理念是“分散控制，集中管理”原理结构比较复杂。

从控制仪表的角度看，它是继组件组装式模拟仪表之后的新一代控制仪表系统，采用了以微处理器为核心的不同功能组件，构成包括数据采集，运算处理控制输出等功能的连续控制和顺序控制系统，这些组装式模件安装在一个个标准规格的机柜中直接与工业现场连接，构成控制系统。

从信息系统的角度来看，分散控制系统是一个数字通信网络，具有不同功能的部件。

诸如，过程控制单元，操作控制单元，数字逻辑站，计算机接口单元等作为通信网络一个个节点，实现信息的传递与交换，从控制的角度来看，分散控制系统是一种分级控制系统，包括直接对过程进行控制的过程控制级，控制管理级，以及生产管理级。

从系统的物理实现来看，又可分为硬件系统和软件系统，硬件系统以微处理器为基础的功能模件处于管理级上的计算机，过程通道接口及传输线路，各种专用的和通用的外部设备，人机联系设备等软件系统包括系统管理的操作系统，数据库系统和一系列模块化功能软件，用户能以某种十分简单的方式进行系统的设计无需编写应用软件程序。

过程控制级：

直接与生产过程相连接，承担过程信号的输入，运算处理，控制量输出的设备要有构成直接数字控制系统的闭环控制站也中现场控制站，现场控制单元或基本控制器以及承担数据采集功能的数据站或过程输入输出单元，现场控制站的组成包括机柜、控制器模件、模拟量输入输出模件，数字量控制模件，数字量输入输出模件等一些模件组成，它能实现连续控制，顺序控制，算术运算，报警检查，过程I/O处理和通信等等。

控制管理级主要实现工业过程的分散控制，实现系统的集中显示和操作与管理。

主要设备有操作控制站，工程师站和通信设备等。

工程师站具备操作控制站的部分功能外，要用与对控制系统的组态，参数调整和系统维护等任务。

数据通信系统是将过程控制级与控制管理级连接在一起的桥梁。

数据通信传输介质是一条采用双绞线或同轴电缆构成的高速通信线路即DHW数据调整公路。

现场控制站（PCU）操作接口单元控制台（OIU）管理命令系统（MCS）及计算机接口单元（CIU）都通过通信接口电路接到数据高速公路上，通信网络结构有星形、环形、总线形美国L&N公司的MAX-1000使用星形DCS网络结构，Bailey公司的Symphony采用环形网络结构[11]。

3.2Symphony控制系统设计中采用的各种模件及其介绍

（1）多功能处理器MFP

多功能处理器是Symphony模件系统中功能最强的一种模件。

它相当于计算机控制系统中的主机部分，由它完成用户设计的模拟和数字控制策略。

MFP最多可支持64个子模件，除ASM系列子模件不支持外，其余全可以。

MFP可以1：

1地冗余配置，一个工作，另一个备份，二者之间有一个1M给水量扰动下的水位变化的动态特性Baud的冗余链。

主MFP工作时，副MFP随时拷贝主MFP的一切数据，一旦主MFP故障，副MFP在15ms内自动投入。

冗余配置还可以进行在线组态，即不停机地在副MFP上进行控制方案修改，修改完毕再把副MFP更换为主MFP。

MFP可带64个模拟控制手操站（SAC）、8个数字逻辑手操站（DLS）。

（2）控制输入输出子模件

Symphony系统中的子模件相当于计算机控制系统中的过程通道，它为主机（即MFP）提供过程输入（即模拟量输入和开关量输入）和过程控制输出信号（即模拟量输出和开关量输出）。

控制输入输出子模件（CIS02）是Symphony系统中功能最强的一种子模件，它集模拟量过程通道和开关量过程通道于一体，具有4个模拟量输入、2个模拟量输出、3个开关量输入和4个开关量输出通道。

（3）子模件扩展总线

Symphony子模件扩展总线是高速同步并行总线，在主模件和子模件之间提供通讯路径，主模件执行控制功能，子模件执行输入/输出功能。

子模件和主模件的板边连接器P2连接子模件扩展总线。

子模件扩展总线是模件安装单元（MMU）后板上的12条平行线。

一个位于MMU后板上连接插座中的12位跨接器连接主模件和子模件之间的总线。

通过扁平电缆还可以把总线扩充到6个MMU。

（4）模拟控制站SAC与数字逻辑站DLS

模拟控制站提供单个回路的控制和监视功能，而且还具有接点或4-20mA电流输出的手动控制和旁路能力。

它类似于常规仪表控制系统中的手动操作器，只是功能更强大。

SAC实质上就是一个专用的微机监控系统。

SAC和CIS并行工作，主模件MFP协调他们的工作。

数字逻辑站实质上是一个按扭和指示灯站，提供按扭输入和指示灯输出，相当于常规仪表控制系统的操作按扭和指示灯。

它通过端子单元TLS与数字模件DSM相连，实现与主模件的通讯。

一个DSM最多可以连接8个DLS，而一个MFP也最多带8个DLS。

3.3针对硬件的说明

总线（CONTROLWAY）共可带32个节点，子总线可带64个子模件，速度为500波特，过程控制单元（PCU）为控制系统的核心部分，有它完成闭环控制、顺序逻辑控制和数