汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)的改造方案與要點(diǎn)研究

1. 概論

汽輪機(jī)控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保安系統(tǒng)組成。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為了保證汽輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和獲得運(yùn)行所需的靜態(tài)特性;保安系統(tǒng)的作用則是當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)危險(xiǎn)工況時(shí)，保護(hù)機(jī)組的安全。

汽輪機(jī)的主要用途，是用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向用戶(hù)輸送電能。發(fā)電用汽輪機(jī)分為凝汽式和中間再熱凝汽式。另有一些型式的汽輪機(jī)，除驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電外，還在其中某一級(jí)或一級(jí)以上抽汽，向熱用戶(hù)供熱。這些汽輪機(jī)稱(chēng)為熱電聯(lián)供機(jī)組或稱(chēng)供熱機(jī)組。發(fā)電用汽輪機(jī)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用來(lái)維持機(jī)組等轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以保證所提供的電能頻率穩(wěn)定。熱電聯(lián)供汽輪機(jī)，除具有調(diào)速系統(tǒng)外，還具有調(diào)壓系統(tǒng)，用以維持供熱抽汽壓力的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和抽汽壓力調(diào)節(jié)是汽輪機(jī)的基本控制策略。

發(fā)電用汽輪機(jī)的運(yùn)行方式有兩種，即單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)并列運(yùn)行。其中多機(jī)并列運(yùn)行構(gòu)成電力網(wǎng)，又稱(chēng)并網(wǎng)運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組為單機(jī)運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)電負(fù)荷的變化全部由本機(jī)組承擔(dān)。要求調(diào)速系統(tǒng)能適應(yīng)用戶(hù)負(fù)荷的變化，穩(wěn)定地調(diào)節(jié)功率，以維持等轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)的負(fù)荷由電網(wǎng)中各機(jī)組共同承擔(dān)，所導(dǎo)致的電網(wǎng)頻率變化的調(diào)節(jié)是在各機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)共同承擔(dān)的基礎(chǔ)上由某些指定的機(jī)組進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，這些指定的機(jī)組稱(chēng)為調(diào)頻機(jī)組。由于電負(fù)荷由多臺(tái)機(jī)組承擔(dān)，便引出負(fù)荷分配和負(fù)荷調(diào)整問(wèn)題。單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整可以引起電網(wǎng)頻率的變化，從而引起網(wǎng)中各機(jī)組負(fù)荷的再分配。頻率的二次調(diào)整、負(fù)荷調(diào)整、和各機(jī)組負(fù)荷分配，都是在調(diào)速系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

現(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機(jī)組，幾乎毫無(wú)例外地都是并網(wǎng)運(yùn)行。電網(wǎng)的調(diào)度管理，將網(wǎng)中的機(jī)組分為基本負(fù)荷機(jī)組、調(diào)峰機(jī)組、調(diào)頻機(jī)組和尖峰負(fù)荷機(jī)組。這些機(jī)組的調(diào)節(jié)特性，要求在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能，這就使現(xiàn)代大型機(jī)組控制系統(tǒng)的控制策略變得復(fù)雜化和多樣化。

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

對(duì)于熱電聯(lián)供機(jī)組，汽輪機(jī)的控制策略還應(yīng)包括熱網(wǎng)控制。

現(xiàn)代汽輪機(jī)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(chǔ)上，考慮了電網(wǎng)控制，熱網(wǎng)控制和機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的需要而發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System）是現(xiàn)代汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的典型形式。

保安系統(tǒng)是汽輪機(jī)控制系統(tǒng)不可分割的部分。各種汽輪機(jī)保安系統(tǒng)的組成大致相同，主要包括超速保護(hù)系統(tǒng)、危急遮斷系統(tǒng)、掛閘系統(tǒng)和各種試驗(yàn)系統(tǒng)。其中遮斷系統(tǒng)與汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)TSI（Turbine Supervisory Instrumentation System）的遮斷信號(hào)和其它設(shè)備來(lái)的遮斷信號(hào)接口。

2. 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類(lèi)

汽輪機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)為液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它由測(cè)量元件給定機(jī)構(gòu)放大元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)組成。根據(jù)測(cè)速元件的不同，液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)又分為機(jī)械液壓式和純液壓式兩大類(lèi)。

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

全液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用液壓式離心調(diào)速器作為測(cè)速元件，我國(guó)東方汽輪機(jī)廠和上海汽輪機(jī)廠的液壓系統(tǒng)屬于這種類(lèi)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(lèi)型。上汽廠采用旋轉(zhuǎn)阻尼，其液壓系統(tǒng)源自美國(guó)西屋公司。

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

3. 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成

如上所述，調(diào)節(jié)系統(tǒng)由測(cè)速元件，給定機(jī)構(gòu)放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)組成。根據(jù)這些環(huán)節(jié)功能不同，可將調(diào)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?wù)是完成控制策略運(yùn)算，執(zhí)行器的任務(wù)是根據(jù)調(diào)節(jié)器（控制器）的運(yùn)算結(jié)果驅(qū)動(dòng)和定位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

液壓調(diào)速系統(tǒng)控制器，由調(diào)速器、同步器、放大器、信號(hào)分配器等環(huán)節(jié)組成，控制策略為轉(zhuǎn)速有差調(diào)節(jié)。由調(diào)速器和同步器給出轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)液壓放大器放大，形成總閥位信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分配器控制各執(zhí)行器，即油動(dòng)機(jī)，由油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和定位汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，即調(diào)節(jié)閥。單機(jī)運(yùn)行時(shí)，同步器用來(lái)調(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速;并網(wǎng)后，同步器用來(lái)調(diào)整分配給本機(jī)的負(fù)荷。

為了適應(yīng)現(xiàn)代汽輪機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制策略，數(shù)字電液控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字電調(diào)稱(chēng)為純電調(diào)或稱(chēng)全電調(diào)，簡(jiǎn)稱(chēng)DEH。DEH控制器由微機(jī)系統(tǒng)組成，執(zhí)行器由多個(gè)油動(dòng)機(jī)組成的液壓執(zhí)行系統(tǒng)。

根據(jù)液壓執(zhí)行系統(tǒng)所采用的工質(zhì)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(guò)渡型DEH，稱(chēng)為電液并存型。其控制策略的運(yùn)算采用計(jì)算機(jī)控制器，同時(shí)保留了液壓控制器作為備用。

4.電調(diào)改造方案基本原理

電調(diào)改造的主要工作，是將汽輪機(jī)液壓調(diào)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(jì)算機(jī)控制器，構(gòu)成完整的電液控制系統(tǒng)。電調(diào)改造的關(guān)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(jù)機(jī)組原有液壓系統(tǒng)的狀況和特性，采用盡可能簡(jiǎn)單的方案實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制器接口，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)與算機(jī)控制器接口，實(shí)現(xiàn)全電調(diào)控制。這種方案稱(chēng)為電液放大器型純電調(diào)。其液壓系統(tǒng)可以完整保留，作為備用。

2） 將油動(dòng)機(jī)改造為電液油動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)控制器接口，實(shí)現(xiàn)全電調(diào)控制。這種方案稱(chēng)為電液油動(dòng)機(jī)型純電調(diào)，油動(dòng)機(jī)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(diào)，原有的液壓調(diào)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(shè)計(jì)。

前兩種方案部分保留了原液壓系統(tǒng)，或者說(shuō)是原液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造而成的全電調(diào)，都是低壓透平油純電調(diào)，改造效果與改造方案的設(shè)計(jì)關(guān)系很大。第三種方案是一種全新設(shè)計(jì)，與原系統(tǒng)已無(wú)關(guān)系。

圖1 低壓透平油純電調(diào)改造方案原理

下面以低壓透平油純電調(diào)為例做以闡述：

電液放大器型透平油純電調(diào)：

圖2

5. 改造要點(diǎn)描述

? 中間滑閥下至調(diào)速器滑閥的二次脈動(dòng)油排油口堵列。調(diào)速器滑閥與調(diào)速原可保留，不用。但附加超速保護(hù)管路應(yīng)堵死。

? 若機(jī)組有電液轉(zhuǎn)換器，切換閥和跟蹤滑閥，則應(yīng)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(dòng)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(dòng)閥、危急遮斷器滑閥和超速限制滑閥控制，使各油動(dòng)機(jī)建立開(kāi)啟條件，實(shí)現(xiàn)快關(guān)和遮斷。

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

? 保留超速限制滑閥。若原系統(tǒng)中爭(zhēng)超速限制滑閥，則應(yīng)增加OPC電磁閥，以實(shí)現(xiàn)超速限制功能。

? 保留各油動(dòng)機(jī)、配汽杠桿、凸輪配汽機(jī)構(gòu)，將各油動(dòng)機(jī)改造為電液油動(dòng)機(jī)。

? 電液油動(dòng)機(jī)由DDV閥、油動(dòng)機(jī)滑閥、油動(dòng)機(jī)活塞、雙冗余LVDT組成，接受PI伺服板控制，構(gòu)成位移閉環(huán)反饋回路，使油動(dòng)機(jī)行程正比于DEH總閥位信號(hào)。油動(dòng)機(jī)原有的液壓反饋機(jī)構(gòu)和反饋滑閥，反饋杠桿等，予以拆除。

? DDV閥與可調(diào)節(jié)流閥一起，裝在液壓集成塊上，每個(gè)油動(dòng)機(jī)液壓集成塊可裝在油動(dòng)機(jī)原反饋閥位置上，可以利用原有的三次脈動(dòng)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(lái)的三次脈動(dòng)油管路將液壓集成塊與油動(dòng)機(jī)聯(lián)系起來(lái)?？烧{(diào)節(jié)流用業(yè)調(diào)整油動(dòng)機(jī)的機(jī)械0偏，使DDV閥工作在壓力油口微開(kāi)位置，使DDV閥失電時(shí)油動(dòng)機(jī)能自然關(guān)閉。

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

? DDV閥采用D634

? 液壓保安系統(tǒng)、啟動(dòng)操作系統(tǒng)和各種試驗(yàn)系統(tǒng)不列入改造范圍。如用戶(hù)有特殊要求時(shí)，可針對(duì)用戶(hù)要求另作處理。

? DEH控制器可按純電調(diào)的控制功能進(jìn)行控制策略配置。

6. 結(jié)論

本改造方案及論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將原調(diào)節(jié)系統(tǒng)大部份套退出使用，只保留油動(dòng)機(jī)滑閥、油動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(nèi)都存相同的靈敏度。所保留的凸輪配汽機(jī)構(gòu)，為混合調(diào)節(jié)方式，其控制我與兩屋型閥門(mén)管理相同。由于電調(diào)的功能取決于DEH控制器，所以本方案可實(shí)現(xiàn)純電調(diào)全部控制功能。