基于DCS的汽輪機DEH系統(tǒng)的改造與研究

1.概論

　　汽輪機控制系統(tǒng)由調節(jié)系統(tǒng)和保安系統(tǒng)組成。

　　調節(jié)系統(tǒng)是為了保證汽輪機組穩(wěn)定運行和獲得運行所需的靜態(tài)特性;保安系統(tǒng)的作用則是當機組出現危險工況時，保護機組的安全。

　　汽輪機的主要用途，是用來驅動發(fā)電機發(fā)電，向用戶輸送電能。發(fā)電用汽輪機分為凝汽式和中間再熱凝汽式。另有一些型式的汽輪機，除驅動發(fā)電機發(fā)電外，還在其中某一級或一級以上抽汽，向熱用戶供熱。這些汽輪機稱為熱電聯供機組或稱供熱機組。發(fā)電用汽輪機具有轉速調節(jié)系統(tǒng)，簡稱調節(jié)系統(tǒng)，用來維持機組等轉速運行，以保證所提供的電能頻率穩(wěn)定。熱電聯供汽輪機，除具有調速系統(tǒng)外，還具有調壓系統(tǒng)，用以維持供熱抽汽壓力的穩(wěn)定。轉速調節(jié)和抽汽壓力調節(jié)是汽輪機的基本控制策略。

　　發(fā)電用汽輪機的運行方式有兩種，即單機運行和多機并列運行。其中多機并列運行構成電力網，又稱并網運行。

　　當機組為單機運行時，用戶電負荷的變化全部由本機組承擔。要求調速系統(tǒng)能適應用戶負荷的變化，穩(wěn)定地調節(jié)功率，以維持等轉速運行。當機組并網運行時，用戶的負荷由電網中各機組共同承擔，所導致的電網頻率變化的調節(jié)是在各機組調速系統(tǒng)共同承擔的基礎上由某些指定的機組進行二次調節(jié)，這些指定的機組稱為調頻機組。由于電負荷由多臺機組承擔，便引出負荷分配和負荷調整問題。單臺機組負荷調整可以引起電網頻率的變化，從而引起網中各機組負荷的再分配。頻率的二次調整、負荷調整、和各機組負荷分配，都是在調速系統(tǒng)特性的基礎上進行的。

　　現代大型汽輪發(fā)電機組，幾乎毫無例外地都是并網運行。電網的調度管理，將網中的機組分為基本負荷機組、調峰機組、調頻機組和尖峰負荷機組。這些機組的調節(jié)特性，要求在調速系統(tǒng)的基礎上增加相應的調節(jié)功能，這就使現代大型機組控制系統(tǒng)的控制策略變得復雜化和多樣化。

　　現代大型電站大多采用單元制結構，即汽輪發(fā)電機組與鍋爐系統(tǒng)是一個完整的體系，汽輪發(fā)電機的控制與鍋爐的控制密切相關，必須緊密協(xié)調。所以現代大型汽輪發(fā)電機組的控制策略又包含了鍋爐及龐大的輔機系統(tǒng)協(xié)調控制的要求。

　　對于熱電聯供機組，汽輪機的控制策略還應包括熱網控制。

　　現代汽輪機控制系統(tǒng)的控制策略是在傳統(tǒng)的基本控制策略的基礎上，考慮了電網控制，熱網控制和機爐協(xié)調控制的需要而發(fā)展起來的。數字電液控制系統(tǒng)DEH（DigitalElectro-HydraulicControlSystem）是現代汽輪機控制系統(tǒng)的典型形式。

　　保安系統(tǒng)是汽輪機控制系統(tǒng)不可分割的部分。各種汽輪機保安系統(tǒng)的組成大致相同，主要包括超速保護系統(tǒng)、危急遮斷系統(tǒng)、掛閘系統(tǒng)和各種試驗系統(tǒng)。其中遮斷系統(tǒng)與汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)TSI（TurbineSupervisoryInstrumentationSystem）的遮斷信號和其它設備來的遮斷信號接口。

2.汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的分類

　　汽輪機傳統(tǒng)的調節(jié)系統(tǒng)為液壓調節(jié)系統(tǒng)，它由測量元件給定機構放大元件和執(zhí)行機構環(huán)節(jié)組成。根據測速元件的不同，液壓調節(jié)系統(tǒng)又分為機械液壓式和純液壓式兩大類。

　　機械液壓式調節(jié)系統(tǒng)的測速元件為機械式離心調速器。哈爾濱汽輪機廠和北京重型電機廠采用的調節(jié)系統(tǒng)為機械液壓式，調速器為彈簧片式高速離心調速器，是前蘇聯列寧格勒金屬工廠的典型形式。

　　全液壓調節(jié)系統(tǒng)采用液壓式離心調速器作為測速元件，我國東方汽輪機廠和上海汽輪機廠的液壓系統(tǒng)屬于這種類型。其中東汽廠采用徑向鉆孔泵，液壓系統(tǒng)仍屬列寧格勒金屬工廠類型。上汽廠采用旋轉阻尼，其液壓系統(tǒng)源自美國西屋公司。

　　此外，還有一種用于小汽機的全液壓系統(tǒng)，其特征為調速泵與主油泵合用一個徑向鉆孔泵。

3.調節(jié)系統(tǒng)的基本組成

　　如上所述，調節(jié)系統(tǒng)由測速元件，給定機構放大器和執(zhí)行機構等環(huán)節(jié)組成。根據這些環(huán)節(jié)功能不同，可將調節(jié)系統(tǒng)劃分為兩部分，即控制器和執(zhí)行器?？刂破鞯闹饕蝿帐峭瓿煽刂撇呗赃\算，執(zhí)行器的任務是根據調節(jié)器（控制器）的運算結果驅動和定位調節(jié)機構。

　　液壓調速系統(tǒng)控制器，由調速器、同步器、放大器、信號分配器等環(huán)節(jié)組成，控制策略為轉速有差調節(jié)。由調速器和同步器給出轉速偏差信號，經過液壓放大器放大，形成總閥位信號，經過信號分配器控制各執(zhí)行器，即油動機，由油動機驅動和定位汽輪機的調節(jié)機構，即調節(jié)閥。單機運行時，同步器用來調整汽輪機轉速;并網后，同步器用來調整分配給本機的負荷。

　　為了適應現代汽輪機控制系統(tǒng)復雜的控制策略，數字電液控制系統(tǒng)應運而生。數字電調稱為純電調或稱全電調，簡稱DEH。DEH控制器由微機系統(tǒng)組成，執(zhí)行器由多個油動機組成的液壓執(zhí)行系統(tǒng)。

　　根據液壓執(zhí)行系統(tǒng)所采用的工質不同，DEH又分為低壓透平油型和高壓抗燃油型。

　　此外，還有一種過渡型DEH，稱為電液并存型。其控制策略的運算采用計算機控制器，同時保留了液壓控制器作為備用。

4.電調改造方案基本原理

　　電調改造的主要工作，是將汽輪機液壓調節(jié)系統(tǒng)改造為電液控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，然后配上計算機控制器，構成完整的電液控制系統(tǒng)。電調改造的關鍵是液壓系統(tǒng)的改造。

　　液壓系統(tǒng)改造的主要要求，一是要根據機組原有液壓系統(tǒng)的狀況和特性，采用盡可能簡單的方案實現計算機控制器接口，實現要求的控制策略。

　　基本改造方案可歸納為三種

　　1）從液壓控制器的某一中間環(huán)節(jié)引入電液放大器，以實現與算機控制器接口，實現全電調控制。這種方案稱為電液放大器型純電調。其液壓系統(tǒng)可以完整保留，作為備用。

　　2）將油動機改造為電液油動機，實現與計算機控制器接口，實現全電調控制。這種方案稱為電液油動機型純電調，油動機前各環(huán)節(jié)可以拆除，不再保留液壓備用。

　　3）高壓抗燃油純電調，原有的液壓調節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)全部拆除，液壓執(zhí)行系統(tǒng)需重新設計。

　　前兩種方案部分保留了原液壓系統(tǒng)，或者說是原液壓調節(jié)系統(tǒng)改造而成的全電調，都是低壓透平油純電調，改造效果與改造方案的設計關系很大。第三種方案是一種全新設計，與原系統(tǒng)已無關系。

圖1 低壓透平油純電調改造方案原理

　　下面以低壓透平油純電調為例做以闡述:

　　電液放大器型透平油純電調:

5.改造要點描述

　　?中間滑閥下至調速器滑閥的二次脈動油排油口堵列。調速器滑閥與調速原可保留，不用。但附加超速保護管路應堵死。

　　?若機組有電液轉換器，切換閥和跟蹤滑閥，則應折除，并將中間浮雕閥下油壓與超速限制滑閥、危急遮斷器滑閥和啟動閥接通，在這些部套原安裝位置加裝蓋板。

　　?中間滑閥便成為二位工作方式，可接受啟動閥、危急遮斷器滑閥和超速限制滑閥控制，使各油動機建立開啟條件，實現快關和遮斷。

　　?對于哈汽和北重型系統(tǒng)，還應拆徐微分器，或切斷其二次脈動油輸出管路，防止其誤動影響系統(tǒng)正常工作。

　　?保留超速限制滑閥。若原系統(tǒng)中爭超速限制滑閥，則應增加OPC電磁閥，以實現超速限制功能。

　　?保留各油動機、配汽杠桿、凸輪配汽機構，將各油動機改造為電液油動機。

　　?電液油動機由DDV閥、油動機滑閥、油動機活塞、雙冗余LVDT組成，接受PI伺服板控制，構成位移閉環(huán)反饋回路，使油動機行程正比于DEH總閥位信號。油動機原有的液壓反饋機構和反饋滑閥，反饋杠桿等，予以拆除。

　　?DDV閥與可調節(jié)流閥一起，裝在液壓集成塊上，每個油動機液壓集成塊可裝在油動機原反饋閥位置上，可以利用原有的三次脈動油液壓油路。各集成塊電可集中在原中間滑閥附近，利用原來的三次脈動油管路將液壓集成塊與油動機聯系起來?？烧{節(jié)流用業(yè)調整油動機的機械0偏，使DDV閥工作在壓力油口微開位置，使DDV閥失電時油動機能自然關閉。

　　?設置—外置式濾油器，向各液壓集成塊提供經過過濾的液壓油。濾油器為雙聯可切換式，配有壓差監(jiān)視器和切換閥可在線更換濾芯。過濾精度為25μm。

　　?DDV閥采用D634

　　?液壓保安系統(tǒng)、啟動操作系統(tǒng)和各種試驗系統(tǒng)不列入改造范圍。如用戶有特殊要求時，可針對用戶要求另作處理。

　　?DEH控制器可按純電調的控制功能進行控制策略配置。

6.結論

　　本改造方案及論文的創(chuàng)新點在于：將原調節(jié)系統(tǒng)大部份套退出使用，只保留油動機滑閥、油動機活塞及其以后的配汽部套。這些部套是原系統(tǒng)中故障率最低的部套，因而可以將原系統(tǒng)存在的主要缺陷予以排除。電液電動機具有很高的靈敏度，其值高于原靈每度的最高值，且在全行程范圍內都存相同的靈敏度。所保留的凸輪配汽機構，為混合調節(jié)方式，其控制我與兩屋型閥門管理相同。由于電調的功能取決于DEH控制器，所以本方案可實現純電調全部控制功能。