浅谈汽轮机控制系统及能耗优化设计

张中正 陈奇 韩庆华 杨锋 张国栋

摘要：近年来，随着我国的制造行业获得了突飞猛进的发展，为人们的出行带来了极大的方便，与此同时，人们对航行的稳定性、灵活性提出了越来越高的要求，这就使得传统的汽轮机控制系统已经无法满足人们的要求。如何创新设计出智能化程度高、控制精准的汽轮机控制系统，成为制造企业需要解决的重要问题。因此结合汽轮机控制系统的发展现状，对汽轮机的特点和工作原理展开全面细致地分析探讨，罗列了当前较为流行的控制系统，极大地推动了汽轮机智能控制系统的理论研究进展，具有重要的理论意义和实践意义。

关键词：汽轮机；控制系统；优化设计

1. 引言

汽轮机在传统的运行状态下是根据相应的规程来进行的，监控汽轮机运行的状态，还主要靠运行人员的工作经验，传统的控制系统存在一定的缺点，比如调节精度低和自动化程度低，汽轮机在运行的过程中，需要通过采用安全有效的措施进行保护。汽轮机在运行时，转子转动产生的负载做功会影响到转速的变化，凝结水温度以及真空的变化也会影响到转速的变化，将DCS控制技术应用在汽轮机系统中，能够有效控制和管理汽轮机的运行^[1]。

2. 汽轮机的工作原理

汽轮通常由高压缸、低压缸、齿轮减速机等几部分组成。锅炉中产生的蒸汽依次进入高压缸、低压缸，逐级进行膨胀做功，蒸汽会推动汽轮机转子作高速旋转，蒸汽中的部分热能会转变成气流动能，最终变成汽轮机中的机械能。在联轴器的作用下，汽轮机将动作传输给齿轮减速机，进而带动螺旋桨做旋转运动，受到海水的反向作用力拥有了前进的动力。在传统的汽轮机控制系统中，主汽轮机组的控制方法有两种：一种是改变进入汽轮机的蒸汽量；另一种是改变蒸汽参数。第一种是在蒸汽量不变的前提下，通过调节喷嘴阀来改变汽轮机中的蒸汽量，从而改变汽轮机的输出功率，这就是所谓的节流控制。第二种是改变锅炉的蒸汽流量，在提升航行能力时，提高锅炉的蒸汽输出量；在减速航行时，降低锅炉的蒸汽输出量，即所谓的进气量控制。但是这种控制方法的效率非常低下，调节时间比较长，汽轮机往往需要很长时间才能达到相应的调节目的，显然已经无法满足的发展需求。因此创新设计一些智能化汽轮机控制系统就显得有为重要。

3. 电厂集控运行汽轮机的能耗问题

（1）启动和停止蒸汽轮机的能耗。汽轮机的启动和停止基于转子电压的变化。 在运行过程中，蒸汽参数在转子表面上上升和下降，这时转子的内部温度场具有较强的不稳定性，如果转子长期在这种高温高压的环境中工作，需要对参数进行科学处理。如果参数处理不当，会导致汽轮机在启动以及停止过程中产生较大的损耗问题，并且会影响汽轮机的工作效率，导致汽轮机的使用寿命缩短。

（2）汽轮机的配汽方式影响能耗比较高。当前的蒸汽轮机分配方法主要基于组合方法，并且必须在不同阶段应用不同的方法，以确保蒸汽轮机的有效运行。 在高负荷阶段，采用顺序阀法推汽轮机，工作效率较高。 在蒸汽轮机的启动和轻负荷运行期间，蒸汽轮机通常以单阀模式运行。但是在汽轮机的启动以及低负荷阶段时，汽轮机的运行效率相对较低，能耗损失比较大。

3. 汽轮机控制系统优化设计

3.1 阀门管理的优化

操作人员将系统调节器输出的控制信号转换成相应的阀门开度请求，只依照要求进行顺序阀和单阀的切换，可以有效进行阀门管理。在管理过程中，阀门控制的设计需要依照汽轮机的要求进行操作，合理结合多阀控制和单阀控制。通常而言，在操作过程中，单阀控制对高压阀门进行节流管理，效率较高，使用的主要是带基本负荷运行的模式或者冷态启动模式。多阀控制系统在运行过程中，主要使用机组带部分负荷的方式运行，操作较为简便，只需要部分进汽就可以进行操作。在汽轮机运行过程中，主要利用软件系统调节控制，管理阀门。在操作过程中需要注意加强细节的处理，重视系统整合，与控制方式相结合。阀门管理过程中，对流量进行接收作为控制信号。

3.2 挂闸系统优化

挂闸系统作为汽轮机控制系统中最基本的应用，其能否正常运行，对汽轮机运行的安全经济性具有直接的影响。挂闸系统的优化可以从下面的方式来进行：通过加强挂闸系统中油系统的清洗工作，加强透平油体外循环，从而提高油质的清洁度，避免使挂闸系统出现异常的问题；对挂闸系统逻辑设计进行修改能够适当的延长调整复位电磁阀的带电复位时间，从而保证危急遮断器滑阀能够有充足的时间到达上止点。

3.3 自适应鲁棒控制

将自适应鲁棒控制系统应用到汽轮机的控制当中，能够使水流、转速等参数实现精准的工况调节，这种调节控制方法能够有效降低控制系统的误差，避免由于其他因素带来的干扰。除此之外，在自适应鲁棒控制系统当中，能够利用多尺度神经网络模型设计出相应的鲁棒性控制器，降低动力系统智能控制的建模难度，减少智能控制系统中的数据计算量。

3.4 调节系统优化

在优化调节系统的过程中，需要注意一些执行一些或全部的基本数字控制功能的NC系统。在机械设计制造及自动化数控加工过程中，使用计算机数控技术可以在保障基础生产效率的前提下，提升产品质量和生产效率。例如常用的计算机技术中，CAD软件不仅能够查询产品的实体质量，而且可以根据数据进行加工零件的体积计算。CAD软件与CAM软件的功能结合有助于设计更有难度的机械模型。

3.5 启停汽轮机的优化方案

①优化启动汽轮机的过程。了解如何启动蒸汽轮机装置非常重要。通常，启动汽轮机设备的方法是启动高压和中压气缸的组合方法。启动过程是锅炉的点火和加热管的脉冲，转子的加热，负载的并行接收等。在锅炉点火和管的加热期间，蒸汽轮机必须在燃烧之前进行足够的预点火，主要是为了提供水循环检查冷凝器，同时检查润滑油系统并开始摇动以使其连续旋转。等候。在与锅炉接触以点火时，蒸汽轮机处于真空状态，然后被导向轴封。锅炉加热并加压后，必须及时打开旁路。如果高压缸和中压缸在实际工作过程中一起启动，则来自高压缸的废气温度会相对较高，这会增加燃气轮机的能耗。为了降低来自高压缸的废气蒸气的温度，可以在启动过程中调节蒸气压力。设定在0.5MPa以下可以及时打开高压缸的排气止回阀，增加高压缸的流量，从而降低高压缸的排气温度，达到良好的减流效果。 ②优化停止蒸汽轮机的过程。在停机期间，蒸汽轮机的所有零件都逐渐停机，进气量逐渐减少到零主阀也关闭。在此期间，每个组件的温度将稳定下降。滑动跳闸和名义跳闸是使涡轮停止的两种主要方法。滑动参数关闭模式可以提高蒸汽轮机的效率并减少蒸汽轮机运行期间的热损失。当蒸汽轮机停机时，名义停机会导致大量的热损失。因此，在优化汽轮机的停机中，可以将名义停机改变为滑动停机，这可以在汽轮机停机期间实现各种部件的有效冷却，并提高设备的后续维护效率。

3.6 汽轮机出力系数优化

由于我国区域经济不平衡，各地的用电量也存在季节性、区域性的差异，导致电力负荷在夏季和冬季用电量出现高峰期，春季和秋季出现低谷期。因此，需要及时调整汽轮机的运行参数，以免造成汽轮机低负荷运行增加汽轮机的损耗。火电厂可以根据居民用电规律，调整汽轮机的运行参数。在用电高峰期，进一步优化汽轮机的工作效率，提高蒸汽热值，从而满足机组高负荷运行要求。在用电低谷期，则可以降低其蒸汽压力和温度，减少蒸汽热量损失，避免汽轮机低负荷高参数运行。

结束语

综上所述，随着社会经济和科学技术的快速发展，汽轮机DCS控制系统也得到相应的发展，而汽轮机DEH控制系统在社会领域中也得到了普遍的应用。结合汽轮机实际的应用情况，不断优化汽轮机相应的控制系统，提高系统的安全性和稳定性，保证汽轮机机组的稳定运行，从而促进电力生产领域的不断发展。

参考文献

1. 马超. 探析火电厂热工自动化DCS控制系统的应用及发展[J]. 建筑工程技术与设计, 2015, 000(020):2307.

2. 吴伟怀. 电厂集控运行汽轮机运行优化措施研究[J]. 科学技术创新, 2019(19):199-200.

3. 李文靖, 宋占斌. 电厂集控运行汽轮机运行优化措施探讨[J]. 工程技术:文摘版, 2016, 000(006):00117-00117.

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