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汽轮机数字电液调节系统在液调机组改造中的应用研究 |
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| 汽轮机数字电液调节系统在液调机组改造中的应用研究 |
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作者：佚名 文章来源：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:56:55  |
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数字电液控制系统（DEH）是现代计算机技术和传统的液压控制系统结合的产物，它采用计算机以数字的方式对一次信号进行采集和处理，根据预先设定的控制策略输出控制指令，驱动执行机构实施控制。相对于传统的液调系统而言，有着不可比拟的优越性，因此有必要对早期的液调机组进行DEH改造。笔者根据自己对数10套不同厂家DEH系统调试、改造的经验就DEH系统在液调机组改造中的应用作一阐述。
1 DEH系统与液调系统的比较
1.1 系统的结构组成
液调系统比较常见的有径向离心泵液压调速系统、旋转阻尼液压调速系统和高速弹性调速器调速系统等几种，它们的调节原理基本相同，都是通过连在汽轮机主轴上的一个机械部件来感应主轴转速的变化情况，并将这种变化转换为一次油压，一次油压再通过机械的放大机构被转换放大为二次油压，最终通过错油门来控制调节阀油动机的开度，油动机再通过杠杆或凸轮传动机构启闭相应的调门。在油动机动作的同时，其开度反馈机构（杠杆弹簧机械反馈系统或油口反馈系统）将油动机的开度反馈至放大机构，从而形成对转速或负荷的闭环控制。而机组转速或负荷的设定则是通过操作同步器实现的。
数字电液控制系统的控制原理与传统调节系统相似，但它完全取消了传统调节系统中的机械式转速感应装置、放大机构和阀位反馈机构，取而代之的是转速探头、微控制器、LVDT等电子元件或系统。转速探头将检测到的汽轮机转速以交流电压信号的形式输入转速测量卡，并在转速测量卡内通过A／D转换器转换为数字量信号，同样LVDT测得的阀门开度信号也被转换为数字量信号，这两个信号被同时输入数字式计算机进行运算处理，得到调门开度指令，该指令经过D／A转换器转换为模拟量后被送至电液转换器去控制油动机的开度，每个阀门均由各自独立的电液转换器控制。机组转速或负荷的设定通过系统接口计算机或备用硬操盘进行，除了能完成转速和负荷的手动控制，还能实现转速和负荷的完全自动控制。
1.2 系统的动、静态特性
稳定性、超调量、过渡时间、速度变动率、迟缓率、静态特性曲线（四方图）等参数或曲线系列是衡量汽轮机调节系统动、静态特性的主要指 标，由于其结构上的局限性，液调系统响应速度较低，机械间隙引起的迟缓率大，静态特性固定，无法根据需要而任意变动。而数字电液控制系统，由于其系统结构和控制方式与传统的调节系统有很大的不同，系统部分动、静态特性与液调系统有一定的差别，特别是其静态特性基本上是由系统软件的内部设定值决定的，甚至还可以方便地进行改动，几乎可完全满足用户的需要，系统的动态特性则由于系统中间环节的计算机化而比液调系统有了很大程度的改善。
2 DEH系统的主要功能
数字电液调节系统由于引入了计算机作为控制核心，其功能有了巨大的扩展，很多液调系统难于实现，甚至根本无法实现的功能均能在DEH系统中方便地实现。计算机系统的开放性和优异的可扩充性则使DEH系统可以满足控制技术进一步发展的需要。数字电液调节系统的主要功能包括：
（1）转速控制这是DEH最基本，也是最重要的功能。通过改变设定值（手动或自动）可使机组启动、升速，或维持在某一固定转速，目前的DEH系统一般都能达到0．1％的转速控制精度，明显优于液调系统。 此外，通过DEH的人机界面还可方便地对机组的升速率进行设置，而在机组过临界时则能按预先设好的升速率自动高速冲过临界转速。而且，由于系统控制精度较高，目前的DEH系统在最大升速率下机组转速控制的超调量一般都小于0．15％。与液调系统相比，这将大大减轻汽机操作人员的劳动强度，提高机组运行的稳定性。
（2）自动同期
当机组升速至额定转速时，汽轮机控制系统具有与自动同期装置的接口功能。能根据自动同期装置的指令完成汽轮发电机组的转速匹配以确保发电机自动并网，并使机组带上初负荷，而液调机组一般无法实现此项功能。
（3）超速保护控制
这也是DEH系统所特有的功能。超速保护控制（OPC）回路随时监测机组转速，当汽轮机转速达到程序设定值（如103％额定转速）时，OPC电磁阀动作，关闭高中压调节汽门，待转速恢复正常时重新开启这些阀门，维持额定转速，这可以有效抑制 机组在甩负荷等暂态工况下的转速飞升。
（4）负荷控制
负荷控制是DEH系统的基本功能之一。在机组带负荷运行的情况下，系统能按给定的负荷指令和变负荷率自动改变负荷调节的给定值，从而改变机组负荷。
（5）压力控制
在定压运行方式，DEH通过压力控制器将主汽压力自动维持在设定值，而液调机组则无法实现此项功能。
（6）阀门管理
DEH系统中各汽阀的控制是独立的，每个阀门都由各自独立的油动机和伺服系统驱动，阀门的特性曲线和控制策略则由软件决定，因此可以方便地实现汽机全周进汽／部分进汽方式间的无扰切换，而液调机组汽阀的线性化是通过机械凸轮实现的，存在着精度差、易卡涩、维护难等缺点，而且只支持单一的进汽方式。这也是需要对液调机组进行DEH改造的重要原因之一。
（7）阀门在线试验
在阀门管理功能的支持下，可方便地对各汽阀进行全行程在线活动试验，并保证机组负荷在试验过程中不发生大的波动，这也是液调机组无法实现的功能。
（8）汽轮机自启动
当控制系统置于汽轮机自启动运行方式时，运行人员只须按一个启动键，机组即可自动启动、升速至额定转速，甚至并网、带负荷，在此过程中，目标转速、升速率、过临界转速的升速率的给定、暖机过程控制以及阀切换等均由程序中预设的汽轮机自启动曲线给出。
汽轮机自启动功能的实现相对于传统的液调系统而言，使汽轮机控制的自动化程度有了质的飞跃。
（9）超速跳闸保护（OPT）
当机组转速达到超速遮断保护动作值时，控制系统立即发出停机指令，迅速关闭主汽门和调节汽门，使机组跳闸。由于DEH的电超速保护回路通常都为三冗余配置，具有很高的可靠性，而且其结构简单、维护方便，较之传统的机械超速系统更具优越性，有些进口机组甚至已完全取消
了机械超速装置。
（10）与其它系统的接口
现代化的大型发电厂已普遍采用分散控制系统（DCS）对整个电厂进行监控，在液调系统中DCS只能实现对机组运行参数的监视，而无法对机组进行控制，但当机组配备了DEH系统后，DCS即可通过DEH提供的接口对机组进行完全的控制，这也为机组实现远程AGC控制奠定了基础。
（11）参数监视
DEH系统的CRT能显示机组运行状态等重要参数，并为运行人员提供操作指导。通常系统还具有定时打印和事故追忆功能。
3 液调系统进行DEH改造的必要性和可行性
3.1 必要性
汽轮发电机组的控制要求具有较高的精度和可靠性，传统的纯液调或电液控制系统，不但系统复杂，控制精度差，无法实现CCS协调控制和AGC远程调度，而且系统故障率也高，更不能满足机组控制高度自动化的要求。
目前国内的大部分液调机组都是90年代以前生产的，限于当时的计算机技术发展水平，DEH控制系统尚处在研发阶段，技术尚不成熟，系统也不够稳定，因此当时的机组绝大部分都采用液调系统；而在80年代以前，DEH技术尚未被应用到汽轮机控制领域，几乎所有的机组均采用液调。这批机组一度曾是国内电力系统的主力机组，数量可观，如能对这些机组进行DEH改造，必将大幅提高我国电力系统的自动化水平，并能在很大程度上提高机组的可靠性、经济性，降低煤耗。随着数字电液控制技术的进一步完善，传统的液调控制系统必将逐渐被DEH控制系统所取代。
3.2 可行性
近年来计算机技术迅速发展，微型计算机的性能，特别是稳定性和可靠性得到了很大的提高，制造成本也大幅度下降，因而被大量运用于工业控制。绝大部分90年代以后投产的大型火电机组均已采用DEH控制系统，这些机组自动化程度高，功能强大，操作性能优异，受到了用户的普遍好评。
随着国产DEH系统的成功开发和大规模推广使用，越来越多的工程技术人员开始接触，并逐渐熟悉了DEH控制系统，这给液调机组的DEH改造创造了必要的技术条件。而就液调机组本身的结构特点而言，对其进行DEH改造无需对汽轮机本体进行大的变动，只需将原有的配汽机构和低压油动机改为各汽阀单独驱动的高压油动机即可，机组转速信号的测取也只需加装一套电磁转速探头和测速齿轮。由于常规的液调机组通常采用低压透平油作为工质，而DEH系统一般都采用高压抗燃油作工质，因此在对液调机组进行DEH改造时通常需要加装一套高压抗燃油模块，该模块的制造技术已经十分成熟，国内有很多厂商均可提供全系列的产品。
到目前为止，国内已有不少电厂成功进行了50～200 MW液调机组的DEH改造，取得了良好的效果，并积累了大量经验，为其它液调机组的DEH改造提供了成功的范例。
4 进行DEH改造后的机组应具备的主要功能
国内的液调机组基本上都是200 MW以下的中小型机组，其机务结构和运行方式与300 MW以上的大型机组存在着一定的差异，因此对于液调机组的DEH改造，其功能设计的原则应是适用、实用，并不要求与大型机组完全相同，通常用于液调机组改造的DEH系统应具备下列功能：
（1）转速控制功能—DEH的基本功能。
（2）负荷控制功能—DEH的基本功能。
（3）超速保护控制功能—抑制机组在甩负荷等暂态工况下的转速飞升。
（4）阀门管理功能—实现机组PA／FA进汽方式的切换。
（5）阀门在线试验功能—在线进行阀门活动试验。
（6）与其它系统的接口功能—实现CCS、AGC控制。
（7）参数监视功能—监视汽轮机的运行状况。
上述功能是DEH最主要的功能，其它的一些功能可根据用户的实际需要和操作习惯决定取舍，例如自动同期功能，对于老厂的操作员来说可能已习惯于手动并网操作，而且已熟练掌握操作技巧，手动同期所需的时间甚至比自动同期还短，因此尽管系统有自动同期功能，也很少被使用，在这种情况下系统就不一定非要配置自动同期功能了；汽轮机自启动功能和ATC启动功能则由于老机组的主辅设备在原先的设计上就没考虑高度自动化的运行方式，因此即使经过DCS／DEH改造也很难实现，一般这些功能只有在部分进口的新机组上才能实现；而诸如超速跳闸保护（OPT）等液调机组原先就有的功能则需视情况而定，如果原来只有机械超速跳闸保护的，建议再加装一套电超速保护装置，这可以提高机组运行的安全性，而对于原来就配备电超速保护装置的机组而言，就不一定需要再在DEH中重复配置了。另外，现在老机组改造的同时基本上都进行DCS改造，在绝大部分时间机组都处于CCS协调控制状态，因而DEH的机前压力控制功能基本上不会被使用，也可取消。
5 国产DEH系统在液调机组改造中的应用情况
到目前为止，国内用于老机组改造的DEH系统绝大部分为国产设备，只用很少一部分机组采用进口的控制系统，其原因有五：其一，随着国内制造厂家技术水平的提高，国产DEH系统的性能已有了很大的提高，部分产品甚至已接近世界先进水平，而且国产系统价格便宜，特别是备品备件，远低于进口设备，性价比高；其二，大部分国产DEH控制系统采用了标准的开放式控制软件，透明度高，用户可以深入了解系统的控制机理，方便地对系统组态软件进行修改，而绝大部分进口DEH系统均采用非标专用软件，组态软件对用户不开放，控制逻辑的修改十分不便，即使是很小的改动，必须由国外制造厂技术人员来现场处理；其三，国产DEH系统基本上都采用全中文操作界以自动进行主汽门或调门的严密性试验，并自动给出试验结果，进口的系统很少有这种设计，在做类似的常规性试验时得强制或短接信号，不但麻烦，而且危险，试验结果也需手工记录（计算），十分不便。此外，部分国产系统在历史数据记录、实时数据曲线、报表打印等数据功能的实现上要远远强于大部分进口系统。
虽然与数年前相比，如今国产的DEH系统已有了长足的进步，但限于设计、制造工艺水平、生产成本等因素的制约，国产系统仍存在着一些不尽人意的地方，如卡件稳定性和可靠性较差，操作界面的设计和安排不科学，控制器和AST电磁阀的配置很少采用三冗余设计，甩负荷后转速飞升的抑制能力与先进水平还存在一定差距。
6 结束语
现代汽轮机控制正朝着系统集散化、数字化、智能化，功能模块化、完善化，技术现代化，显示形象化，操作简便化的方向发展，原有的机械液压式调节系统不但技术落后，设备复杂，且经常处于不稳定运行状态，易卡涩、易晃动，更无法接受电网调度信号，实现AGC控制，因此有必要对现有液调系统进行DEH改造。同时，计算机技术的飞速发展、电子设备制造成本的迅速降低，及DEH系统的国产化为液调系统进行DEH改造创造了良好的条件。
我省的200 MW和125 MW机组均已有改造成功的范例，剩余的老机组也将逐步完成DEH改造。液调机组在经过DEH改造后，其动、静态特性有了很大程度的提高，机组的中自动化程度也有了质的飞越，大大减轻了运行维护人员的劳动强度，并在很大程度上提高了机组运行的稳定性、可靠性、经济性。
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