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某核電汽機(jī)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥控制原理淺析
來源：上海自動化儀表有限公司作者：發(fā)表時間：2020-03-31 15:52:21【小中大】
摘 要 ：汽機(jī) GSS 系統(tǒng)為進(jìn)入汽輪機(jī)做功的蒸汽進(jìn)行再熱和除濕，減少濕蒸汽對汽缸通流部件的水蝕危害，可以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥控制決定 GSS 系統(tǒng)的正常運行功能，對汽輪機(jī)運行間接產(chǎn)生重要影響。為后續(xù)機(jī)組控制、運行及維修活動提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，詳細(xì)說明了汽輪機(jī) GSS（汽水分離再熱系統(tǒng)）二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥（GSS001VV/002VV）在機(jī)組各工況下的運行控制原理、就地設(shè)備控制原理，并以某核電機(jī)組為例，對其進(jìn)行解析。
引言
汽水分離再熱系統(tǒng)主要功能是將高壓缸排汽送入 MSR進(jìn)行汽水分離和再熱[1] ，從而保證中壓缸和低壓缸進(jìn)汽帶有一定的過熱度，使得經(jīng)過低壓缸末級葉片的排汽濕度控制在 10％左右，減少濕蒸汽對汽缸通流部件的水蝕危害，可以提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。而二級再熱壓力控制閥通過控制新蒸汽的流量對蒸汽進(jìn)行再熱和除濕，對整個系統(tǒng)及汽輪機(jī)運行發(fā)揮重大作用。
1 汽機(jī)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥簡介
汽輪機(jī)汽水分離再熱系統(tǒng)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥，由 1個主調(diào)閥（GSS001VV）和 1 個輔助調(diào)節(jié)閥又稱啟動調(diào)節(jié)閥（GSS002VV）組成。二級再熱汽源采用新蒸汽，來自主蒸汽母管，蒸汽流量由 1 個主運行調(diào)節(jié)閥和 1 個啟動調(diào)節(jié)閥控制閥控制，主運行調(diào)節(jié)閥用于負(fù)載運行時向第二級再熱器提供新蒸汽。啟動調(diào)節(jié)閥用于：在啟動和低負(fù)荷運行期間，對進(jìn)入第二級再熱器的新蒸汽流量進(jìn)行控制；在核島運行期間向新蒸汽供汽站提供蒸汽并用蒸汽對管道系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，以防止冷態(tài)啟動時的熱沖擊。
2 汽機(jī)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥控制原理解析
2.1 二級再熱壓力控制調(diào)節(jié)閥投入時的控制原理
2.1.1 汽水分離再熱器暖管時
在汽水分離再熱系統(tǒng)投運初期，首先需對加熱器管板進(jìn)行預(yù)熱暖管，暖管所需的蒸汽量較小，暖管時間大概為半小時。此時對二級再熱調(diào)節(jié)閥控制比較簡單，當(dāng)暖管命令發(fā)送時，對調(diào)節(jié)閥的控制壓力值會自動切到定值500KPa，其中二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥 GSS002VV 便會開啟一定開度。因二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥其中啟動調(diào)節(jié)閥 GSS002VV優(yōu)先于主調(diào)節(jié)閥 GSS001VV 動作，故在暖管期間控制目標(biāo)較小，啟動調(diào)節(jié)閥本身調(diào)節(jié)即可滿足 500 KPa 壓力值，而主調(diào)閥 GSS001VV 此時處于關(guān)閉狀態(tài)。
2.1.2 機(jī)組電功率較低時
二級再熱管板溫度在低于 120℃時，機(jī)組可以冷態(tài)啟動；管板溫度高于 140℃，機(jī)組熱態(tài)啟動。機(jī)組啟動后二級管板溫度最高可升至 280℃，通過函數(shù) f1(x) 轉(zhuǎn)換后，輸出壓力設(shè)定值最高為 6.5MPa，而 6.5MPa 通過功率轉(zhuǎn)換函數(shù) f2(x) 可得為 730MW，即機(jī)組電功率在 730MW 之前，若函數(shù)壓力值 f1(x)>f2(x)，如圖 2 所示。此時 MAX 比較器選擇 f1(x) 一路進(jìn)行控制，即二級再熱器管板溫度測量值（記憶值）經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器 f1(x) 計算出的壓力和二級再熱器壓力實測值的偏差經(jīng) PID 函數(shù)模塊運算后輸出GSS001VV/002VV 的開度。
2.1.3 機(jī)組電功率較高時
當(dāng)機(jī)組電功率繼續(xù)上升超過 730MW 時，因為二級管板溫度此時已不會增加，故 f2(x) 函數(shù)設(shè)定輸出值便會大于 6.5MPa，即 f2(x)>f1(x)，此時 MAX 比較器選擇 f2(x) 一路進(jìn)行控制，即由汽機(jī)負(fù)荷（電功率）GRE012MY 經(jīng) f2(x)計算出的壓力設(shè)定值和二級再熱壓力實測值的偏差調(diào)整GSS001VV/002VV 的開度。但是不排除在 730MW 之前也會出現(xiàn) f2(x)>f1(x) 的情況，應(yīng)根據(jù)具體情況而定，此處只討論一般情況。
此外，有一異常工況：當(dāng) f2(x) 輸出值或 f1(x) 輸出值一直保持某一狀態(tài)不變 1 小時后，f1(x) 一路設(shè)定值會被切換為 1MPa，原因為機(jī)組在剛開始啟動時，處于暖管和低功率狀態(tài)，二級管板溫度轉(zhuǎn)換的壓力值與功率轉(zhuǎn)換的壓力值是交替上升的，若長時間處于某一路控制，例如長時間處于二級管板溫度轉(zhuǎn)換一路控制時，則代表二級管板溫度或功率一直未上升，代表機(jī)組狀態(tài)異常，故超過 1 小時后將壓力切至 1MPa 使閥門動作，提升機(jī)組狀態(tài)。此時 f2(x) 輸出值與 1MPa 取較大值，與二級再熱壓力實測值的偏差決定GSS001VV/002VV 的開度。
2.2 一級再熱器隔離后的控制原理
當(dāng)一級再熱器隔離后，機(jī)組正常運行期間，若一級再熱被切除后，按照機(jī)理不會影響機(jī)組正常運行，但考慮到機(jī)組安全穩(wěn)定性，若一級再熱被隔離，勢必會對蒸汽參數(shù)造成一定影響，故安全考慮需降低一定功率。在一級再熱切除時，函數(shù) f4(x) 計算方式較為適用此工況，f4(x) 計算方式簡單，換算方式得出的壓力值不會因小幅度功率變動而造成波動，特別適用于機(jī)組滿功率時切除一級再熱工況，所以此時控制由電功率測量值 GRE012MY 經(jīng)函數(shù) f4(x) 產(chǎn)生的定值和 0.5MPa 取高形成壓力設(shè)定值，壓力設(shè)定值與二級再熱壓力實測值的偏差決定 GSS001VV/002VV 的開度。
2.3 二級再熱器單獨切除后，重新投運的控制原理
二級再熱器切除后（此處的切除是通過 KG 塊將其正常切除，此時一級再熱依然正常運行）。當(dāng)二級再熱再次投入時，此時一級再熱器的壓力加上 0.1MPa 作為二級再熱器壓力調(diào)節(jié)閥的壓力設(shè)定值，壓力設(shè)定值與二級再熱壓力實測值的偏差決定 GSS001VV/002VV 的開度。因在二級再熱重新投運初期，二級再熱壓力較低，在剛開始時壓力調(diào)節(jié)閥的控制由一級再熱壓力提供設(shè)定值，又因正常工況下二級再熱壓力比一級再熱壓力應(yīng)高出 0.1MPa，故取一級壓力加上 0.1MPa 作為最終壓力設(shè)定值，特別注意的是當(dāng)二級再熱器壓力與一級再熱器壓力之差大于 0.1MPa 時產(chǎn)生一個復(fù)位信號，壓力設(shè)定值重新由二級管板溫度或者電功率生成。當(dāng)二級壓力大于一級 0.1 MPa 時，說明二級已重新投運成功，機(jī)組進(jìn)行正常控制狀態(tài)，故壓力控制設(shè)定值重新由二級管板溫度或者電功率生成。
在以上的 3 種工況中（暖管除外），函數(shù) F3(x) 通過積分器限制了二級再熱器壓力設(shè)定值的變化速率，使得二級再熱器壓力設(shè)定值在二級管板溫度及電功率變化時，不會發(fā)生階躍變化，從而避免了 GSS001VV/002VV 開度的跳變。
2.4 隔離閥GSS111/211VV關(guān)閉時的控制原理
當(dāng) GSS111/211VV 關(guān)閉以后，濾波器內(nèi)置的選擇開關(guān)動作，由二級再熱器的絕對壓力 GSS004MY 作為壓力設(shè)定值，從而使 PID 控制器的輸入信號為 0，其目的是保證 GSS001/002VV 的閥門開度維持在現(xiàn)有開度不變，即GSS111/211VV 的狀態(tài)改變不會使 GSS001/002VV 的狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng) GSS111/211VV 關(guān)閉以后，二級再熱管板被暫時隔離，但從機(jī)組整體控制上二級再熱系統(tǒng)未完全隔離，只有通過 GSS801KG 或停機(jī)正常將二級再熱隔離后，GSS001/002VV 才會正常響應(yīng)關(guān)閉，故邏輯控制設(shè)計在GSS111/211VV 關(guān)閉時，使 GSS001/002VV 閥門開度保持先前狀態(tài)，再具體做下一步的響應(yīng)。
2.5 二級再熱器隔離后的控制原理
當(dāng)二級再熱器隔離，即 GSS801KG 置于 OFF 位時，GSS001/002VV 會觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉信號，控制邏輯如圖 3 所示。
而正常工況下暖管命令控制器 GSS901KG 不會置于 ON 位，則當(dāng)二級隔離命令到達(dá)時，壓力控制器中的第 2 個濾波器模塊中的選擇開關(guān)會動作，開關(guān)選擇將置于二級調(diào)閥控制命令為 -5%（-5% 命令由上游控制塊在二級再熱隔離時給出）。此項為雙重保障，即使保護(hù)關(guān)命令失效，該路控制也可保障二級再熱調(diào)節(jié)閥（GSS001/002VV）處于關(guān)閉狀態(tài)，避免閥門誤動作。
2.6 汽機(jī)停運后的控制原理
當(dāng)汽機(jī)跳閘后，與二級再熱器隔離控制原理相似，會直接使 GSS001/002VV 觸發(fā)保護(hù)關(guān)閉信號。而后第 2 個過濾器模塊的選擇開關(guān)動作選擇二級調(diào)閥輸入控制命令為 -5%，使 GSS001/002VV 的開度一直維持在關(guān)閉狀態(tài)。
2.7 二級再熱手動控制時的控制原理
當(dāng)二級再熱控制置于手動時，且 GSS901KG 置于 OFF位時，第 2 個過濾器模塊的選擇開關(guān)動作，此時選擇的控制輸出命令為閥門當(dāng)前開度值，使閥門跟蹤現(xiàn)有閥門的開度，保持閥門開度不變。
3 汽機(jī)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場設(shè)備控制原理解析
汽機(jī)二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥 GSS001VV/002VV 為氣動調(diào)節(jié)閥，該控制閥閥位由閥位變送器 GSS001MM 測量并配有限位開關(guān)。該氣動調(diào)節(jié)閥是以壓縮氣體為動力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助閥門定位器、電氣轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥、儲氣罐、氣體過濾器等附件去驅(qū)動閥門，實現(xiàn)開關(guān)量或比例式調(diào)節(jié)，接收 DCS 控制信號來完成調(diào)節(jié)管介質(zhì)——蒸汽流量。
定位器接受來自上游的 DCS 控制命令，定位器控制回路組成及工作原理如圖 5 所示。
1）輸入信號同時提供電源與設(shè)定點，它經(jīng)雙絞導(dǎo)線發(fā)送到接線盒。
2）輸入信號然后輸入印刷電路板組件，在此處微處理器運行數(shù)字控制算法，產(chǎn)生 1 個給 I/P 轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動信號。
3）I/P 轉(zhuǎn)換器組件與氣源相連，并將驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換成壓力輸出信號。
4）I/P 的輸出被送到氣動放大器組件。該組件也同樣與氣源相連，將從 I/P 轉(zhuǎn)換器來的小氣動信號放大成為單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)所用的單個較大的氣動輸出信號。在雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用中，放大器接收來自 I/P 轉(zhuǎn)換器的氣動信號，并提供兩個氣動輸出信號。
5）送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的放大器輸出壓力的變化引起閥位移動。
6）儀表的行程傳感器經(jīng)反饋連桿機(jī)構(gòu)檢測閥位。行程傳感器（或電位計）電氣上與印刷電路板連接，以提供用于控制算法的行程反饋信號。
7）閥門繼續(xù)移動直至達(dá)到正確位置為止。
因二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥的特殊性及重要性，該兩閥均設(shè)置了一個單獨的儲氣罐氣源和具備特殊作用的多路轉(zhuǎn)換器線路（377 線路），如此設(shè)計的功能可保證在外部動力氣源突然丟失的情況下，通過現(xiàn)場設(shè)備組合動作響應(yīng)即可將二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥（GSS001/002VV）處于保護(hù)關(guān)閉狀態(tài)，從而將機(jī)組置于更安全狀態(tài)。
4 結(jié)論
汽輪機(jī)二級再熱壓力控制閥控制邏輯較為復(fù)雜，對其運行方式依次解析有助于電廠操作人員對系統(tǒng)進(jìn)行充分了解，便于控制與出現(xiàn)異常狀態(tài)時做出正確響應(yīng)；因二級再熱系統(tǒng)對機(jī)組正常運行影響較大，故有效安全地控制二級再熱壓力調(diào)節(jié)閥意義重大。
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