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摘 要：低压轴封蒸汽温度控制对机组的安全运行起着重要作用。公司#2机组投产以来一直采用基地式调节仪构成轴封蒸汽温度控制回路。近年来发生了因低压轴封蒸汽温度大幅波动造成低压缸汽封体磨损变形的事件，并影响到机组凝汽器真空严密性。现取消基地式调节仪，改为DCS控制，利用智能定位器与气动执行机构组成闭环控制回路，显著提高了低压轴封蒸汽温度的调节质量。
关键词：轴封蒸汽；温度调节；DCS控制
前言
湘潭发电有限责任公司#2机组汽轮机为亚临界中间再热两缸两排汽、高中压合缸凝汽式汽轮机。汽轮机低压轴封蒸汽系统向低压缸轴封提供密封蒸汽，防止外部空气进入低压缸，有利于维持凝汽器较高的真空度，保证机组具有较高的热效率，并通过漏汽导向系统，将低压轴封漏汽导入轴封冷却器，回收工质和热量。轴封蒸汽温度需要与低压缸缸体接近，如果两者温差过大，低压缸膨胀不均，低压轴封结构件发生热变形，将降低密封效果或使轴封体发生磨损。轴封蒸汽温度过低时，轴封蒸汽更容易凝结，凝结的水汽将加剧轴封体的腐蚀，并可能使汽水进入汽轮机，导致发生水击破坏事件。由此可见，低压轴封蒸汽温度的控制对于机组安全和经济运行起着重要作用。
湘潭发电有限责任公司#2机组采用喷水降温的方式来调节低压轴封蒸汽温度。凝结水通过温度调节阀，向喷水减温器提供合适流量的凝结水，达到控制低压轴封蒸汽温度的目的。轴封蒸汽温度调节阀采用基地式调节仪控制时，温度控制效果不佳，尤其是低压缸汽封进行改造后，新的汽封体对轴封蒸汽温度要求更加严格。因此，我们利用停机机会，取消基地调节仪，将低压轴封蒸汽温度调节阀改为DCS控制。
问题及原因分析
公司#2机组自投产以来，低压轴封蒸汽温度一直由基地式调节仪控制。基地式调节仪具有测量、显示和调节功能，与轴封蒸汽温度变送器、调节阀等构成温度控制的就地单回路调节系统。该调节系统在运用中主要出现了以下问题：
1.随着运行年限的延长，基地式调节仪的控制精度越来越低。表现为低压轴封蒸汽温度调节过程迟缓，温度大范围波动。
2.对气源质量要求较高。气源含油带水，或含有其他杂质时，直接影响调节仪气动单元的正常运行。表现为调节仪无输出或输出不跟随指令变化。
3.为改善调节质量，对调节仪比例带、积分时间等参数进行调整时，整定过程复杂。
4.机组启停期间，轴封母管蒸汽参数变动较大，凝结水压力也存在波动，基地调节仪反应速度慢，不能适应工况变化，此时需要运行人员到就地手动操作，增加运行人员工作量。
5.基地调节仪的测量、显示和控制均在现场，缺乏远程监控和报警，不利于运行人员随时掌握设备状态，以在异常情况下及时进行手动干预。
由于上述问题的存在，低压轴封蒸汽温度不能有效控制在规程所要求的121到177℃范围内，易引起低压轴封体热变形，超过一定变形范围，轴封体发生机械磨损，造成设备经济损失，并影响凝汽器真空，降低机组热效率。
解决方法
在DCS系统具備相应扩充容量的条件下，我们将低压轴封蒸汽温度改为DCS控制，取消基地式调节仪。如图一所示，温度调节回路采用单回路控制。低压轴封蒸汽温度进入DCS，作为被调量，与温度给定值求偏差，经PID调节器，输出4～20mADC的阀门开度指令。就地安装的阀门智能定位器接受开度指令，与阀门实际开度求偏差，按PID运算规律输出控制阀位的气源信号。智能定位器与阀门一体组成闭环控制回路，实现阀门精确定位。
本项目使用西门子智能电气定位器。定位器与气动执行机构配套使用，组成闭环回路，利用负反馈原理来改善调节精度、提高灵敏度和稳定度性，从而使阀门能按输入的调节信号精确地确定自己的开度。智能定位器能消除执行器薄膜和弹簧的不稳定性及各可动部分的干摩擦影响，提高了调节阀的精确度和可靠性，实现准确定位。同时智能定位器能增大执行器的输出功率，减小调节信号的传递滞后，加快阀杆移动速度。
在设计DCS组态逻辑时，需考虑自动控制逻辑应具有以下功能：测量信号坏质量或越限时发出光子牌报警；手动、自动双向无扰切换的功能；阀位指令与反馈偏差超过定值时，自动模式切为手动模式。必要的逻辑报警条件包括：低压轴封母管温度测量值坏值量，气动门阀位反馈坏质量，低压轴封母管温度越限。必要时将调节功能退出自动的条件有：阀位指令与反馈偏差超过10%，温度测量值故障。当调节器处于手动模式时，由操作员站手动给定执行机构的开度信号，PID调节器处于跟踪方式，调节器输出跟踪实际阀门开度。
图一 低压轴封蒸汽温度调节回路改造原理图
1.施工方案
a）利用停机机会，做好气源隔离措施，拆除基地式调节仪及其气源管路。
b）在定位器進气管路上安装压缩空气过滤减压阀。以确保进入定位器的压缩空气品质，提高定位器和气动执行器的使用寿命。
c）制作定位器安装支架，将阀门定位器安装就位，连接好压缩空气气源管路和至阀门的控制气源管路，并将调节阀反馈连杆与定位器相连。定位器应安装牢固无晃动，反馈连杆两头连接牢固，铰链部分灵活无卡涩。
d）在DCS端子柜至就地阀门定位器之间释放一根4芯带屏蔽阻燃控制电缆，用于阀门指令和阀位反馈信号的传输。指令和反馈线接入正确的端子，DCS的指令和反馈输出通道进行相应正确，输出设置为内供电方式，输出设置为外供电方式。
e）修改DCS控制器组态，以PID功能块为中心，建立单回路控制逻辑。现场气动执行机构的进气方式为气开式，即定位器接受的指令信号越高，输出气压越高，阀门开度越大，喷水流量越大。因此需要将PID功能块设置为正作用，否则调节器将无法正常工作。
2.投运步骤
在所有气源管路均已正确连接，DCS与就地端子接线正确，组态逻辑正确且已下装到DCS控制器后，即按下列步骤进行调试：
a）打开气源阀门，检查各气动管路连接紧密，无漏气现象。检查气动执行机构铭牌参数，调整过滤减压阀，合理设定气源压力使之与执行机构要求匹配。气压设定偏高超过气动执行机构膜片允许压力，易造成膜片损坏。压力设定过低，将使气压低闭锁动作，执行器拒动。
b）进行就地调试，启动定位器自动校验，西门子智能定位器自动校验的操作流程为：长按模式件5秒进入设置模式，点按模式键至第4项，长按向上键启动自动校验，自动校验完成显示FINAL校验完成。检查阀门全行程动作正常，实际开度与DCS反馈一致。
c）投温度控制手动模式，在操作员站进行手动操作，检查远程操作和监视功能合格。
d）初步设定调节器参数，投入自动模式，改变设定值，检查PID算法正确，阀门动作方向正确。
e）在开机启动时，投入自动模式，运用经验法对调节器参数进行整定和优化。
改造后的效果
湘潭发电有限责任公司#2机低压轴封蒸汽温度改DCS控制后，指令、反馈、温度测量值均进入DCS，利用DCS的历史数据和趋势分析功能，便于得到调节器的最优整定参数，温度调节品质得到提高。由于具有完备的远程监控和操作手段，运行人员足不出户，即可完成对温度调节阀的所有操作，降低了劳动强度。当自动调节失灵或参数越限时，DCS能发出报警信号，提醒运行人员及时干预，有效避免异常工况下轴封蒸汽温度的大起大落。由于采用了DCS的数字化控制技术，并应用阀门定位器实现精确定位，温度调节过程响应迅速，调节精度大大提高。通过观察机组启停及运行过程中低压轴封蒸汽温度的变化趋势，发现温度较好的控制在正常范围内，改造达到了预期效果。
结束语
综上所述，#2机组低压轴封蒸汽温度控制方式改造是成功的，完全消除了应用基地式调节仪存在的诸多缺陷。调节阀改DCS控制后，具备了完善的自动控制和后备操作功能，保证低压轴封蒸汽温度维持在合理的范围内，保证了轴封系统的安全运行，保证机组具有较高的经济性。改造利用了当今先进的单元机组DCS控制技术，实现了低压轴封蒸汽温度的数字化、自动化集中控制，提高了机组自动化水平。
关键词：轴封蒸汽；温度调节；DCS控制
前言
湘潭发电有限责任公司#2机组汽轮机为亚临界中间再热两缸两排汽、高中压合缸凝汽式汽轮机。汽轮机低压轴封蒸汽系统向低压缸轴封提供密封蒸汽，防止外部空气进入低压缸，有利于维持凝汽器较高的真空度，保证机组具有较高的热效率，并通过漏汽导向系统，将低压轴封漏汽导入轴封冷却器，回收工质和热量。轴封蒸汽温度需要与低压缸缸体接近，如果两者温差过大，低压缸膨胀不均，低压轴封结构件发生热变形，将降低密封效果或使轴封体发生磨损。轴封蒸汽温度过低时，轴封蒸汽更容易凝结，凝结的水汽将加剧轴封体的腐蚀，并可能使汽水进入汽轮机，导致发生水击破坏事件。由此可见，低压轴封蒸汽温度的控制对于机组安全和经济运行起着重要作用。
湘潭发电有限责任公司#2机组采用喷水降温的方式来调节低压轴封蒸汽温度。凝结水通过温度调节阀，向喷水减温器提供合适流量的凝结水，达到控制低压轴封蒸汽温度的目的。轴封蒸汽温度调节阀采用基地式调节仪控制时，温度控制效果不佳，尤其是低压缸汽封进行改造后，新的汽封体对轴封蒸汽温度要求更加严格。因此，我们利用停机机会，取消基地调节仪，将低压轴封蒸汽温度调节阀改为DCS控制。
问题及原因分析
公司#2机组自投产以来，低压轴封蒸汽温度一直由基地式调节仪控制。基地式调节仪具有测量、显示和调节功能，与轴封蒸汽温度变送器、调节阀等构成温度控制的就地单回路调节系统。该调节系统在运用中主要出现了以下问题：
1.随着运行年限的延长，基地式调节仪的控制精度越来越低。表现为低压轴封蒸汽温度调节过程迟缓，温度大范围波动。
2.对气源质量要求较高。气源含油带水，或含有其他杂质时，直接影响调节仪气动单元的正常运行。表现为调节仪无输出或输出不跟随指令变化。
3.为改善调节质量，对调节仪比例带、积分时间等参数进行调整时，整定过程复杂。
4.机组启停期间，轴封母管蒸汽参数变动较大，凝结水压力也存在波动，基地调节仪反应速度慢，不能适应工况变化，此时需要运行人员到就地手动操作，增加运行人员工作量。
5.基地调节仪的测量、显示和控制均在现场，缺乏远程监控和报警，不利于运行人员随时掌握设备状态，以在异常情况下及时进行手动干预。
由于上述问题的存在，低压轴封蒸汽温度不能有效控制在规程所要求的121到177℃范围内，易引起低压轴封体热变形，超过一定变形范围，轴封体发生机械磨损，造成设备经济损失，并影响凝汽器真空，降低机组热效率。
解决方法
在DCS系统具備相应扩充容量的条件下，我们将低压轴封蒸汽温度改为DCS控制，取消基地式调节仪。如图一所示，温度调节回路采用单回路控制。低压轴封蒸汽温度进入DCS，作为被调量，与温度给定值求偏差，经PID调节器，输出4～20mADC的阀门开度指令。就地安装的阀门智能定位器接受开度指令，与阀门实际开度求偏差，按PID运算规律输出控制阀位的气源信号。智能定位器与阀门一体组成闭环控制回路，实现阀门精确定位。
本项目使用西门子智能电气定位器。定位器与气动执行机构配套使用，组成闭环回路，利用负反馈原理来改善调节精度、提高灵敏度和稳定度性，从而使阀门能按输入的调节信号精确地确定自己的开度。智能定位器能消除执行器薄膜和弹簧的不稳定性及各可动部分的干摩擦影响，提高了调节阀的精确度和可靠性，实现准确定位。同时智能定位器能增大执行器的输出功率，减小调节信号的传递滞后，加快阀杆移动速度。
在设计DCS组态逻辑时，需考虑自动控制逻辑应具有以下功能：测量信号坏质量或越限时发出光子牌报警；手动、自动双向无扰切换的功能；阀位指令与反馈偏差超过定值时，自动模式切为手动模式。必要的逻辑报警条件包括：低压轴封母管温度测量值坏值量，气动门阀位反馈坏质量，低压轴封母管温度越限。必要时将调节功能退出自动的条件有：阀位指令与反馈偏差超过10%，温度测量值故障。当调节器处于手动模式时，由操作员站手动给定执行机构的开度信号，PID调节器处于跟踪方式，调节器输出跟踪实际阀门开度。
图一 低压轴封蒸汽温度调节回路改造原理图
1.施工方案
a）利用停机机会，做好气源隔离措施，拆除基地式调节仪及其气源管路。
b）在定位器進气管路上安装压缩空气过滤减压阀。以确保进入定位器的压缩空气品质，提高定位器和气动执行器的使用寿命。
c）制作定位器安装支架，将阀门定位器安装就位，连接好压缩空气气源管路和至阀门的控制气源管路，并将调节阀反馈连杆与定位器相连。定位器应安装牢固无晃动，反馈连杆两头连接牢固，铰链部分灵活无卡涩。
d）在DCS端子柜至就地阀门定位器之间释放一根4芯带屏蔽阻燃控制电缆，用于阀门指令和阀位反馈信号的传输。指令和反馈线接入正确的端子，DCS的指令和反馈输出通道进行相应正确，输出设置为内供电方式，输出设置为外供电方式。
e）修改DCS控制器组态，以PID功能块为中心，建立单回路控制逻辑。现场气动执行机构的进气方式为气开式，即定位器接受的指令信号越高，输出气压越高，阀门开度越大，喷水流量越大。因此需要将PID功能块设置为正作用，否则调节器将无法正常工作。
2.投运步骤
在所有气源管路均已正确连接，DCS与就地端子接线正确，组态逻辑正确且已下装到DCS控制器后，即按下列步骤进行调试：
a）打开气源阀门，检查各气动管路连接紧密，无漏气现象。检查气动执行机构铭牌参数，调整过滤减压阀，合理设定气源压力使之与执行机构要求匹配。气压设定偏高超过气动执行机构膜片允许压力，易造成膜片损坏。压力设定过低，将使气压低闭锁动作，执行器拒动。
b）进行就地调试，启动定位器自动校验，西门子智能定位器自动校验的操作流程为：长按模式件5秒进入设置模式，点按模式键至第4项，长按向上键启动自动校验，自动校验完成显示FINAL校验完成。检查阀门全行程动作正常，实际开度与DCS反馈一致。
c）投温度控制手动模式，在操作员站进行手动操作，检查远程操作和监视功能合格。
d）初步设定调节器参数，投入自动模式，改变设定值，检查PID算法正确，阀门动作方向正确。
e）在开机启动时，投入自动模式，运用经验法对调节器参数进行整定和优化。
改造后的效果
湘潭发电有限责任公司#2机低压轴封蒸汽温度改DCS控制后，指令、反馈、温度测量值均进入DCS，利用DCS的历史数据和趋势分析功能，便于得到调节器的最优整定参数，温度调节品质得到提高。由于具有完备的远程监控和操作手段，运行人员足不出户，即可完成对温度调节阀的所有操作，降低了劳动强度。当自动调节失灵或参数越限时，DCS能发出报警信号，提醒运行人员及时干预，有效避免异常工况下轴封蒸汽温度的大起大落。由于采用了DCS的数字化控制技术，并应用阀门定位器实现精确定位，温度调节过程响应迅速，调节精度大大提高。通过观察机组启停及运行过程中低压轴封蒸汽温度的变化趋势，发现温度较好的控制在正常范围内，改造达到了预期效果。
结束语
综上所述，#2机组低压轴封蒸汽温度控制方式改造是成功的，完全消除了应用基地式调节仪存在的诸多缺陷。调节阀改DCS控制后，具备了完善的自动控制和后备操作功能，保证低压轴封蒸汽温度维持在合理的范围内，保证了轴封系统的安全运行，保证机组具有较高的经济性。改造利用了当今先进的单元机组DCS控制技术，实现了低压轴封蒸汽温度的数字化、自动化集中控制，提高了机组自动化水平。