數字電液控制

汽輪機數字電液控制系統(tǒng)

DigitalElectro-HydraulicControlSystem

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SteamTurbines楊建明東南大學動力工程系第一章汽輪機自動控制原理1.1供電品質與電網有功功率與頻率調整；1.2汽輪機調節(jié)保護的任務與原則性組成；1.3機組運行特性對汽輪機自動控制的要求；1.4汽輪機一次調頻與功頻調節(jié)第二章汽輪機數字電液控制系統(tǒng)2.1汽輪機數字電液控制系統(tǒng)的組成；2.2汽輪機數字電液控制系統(tǒng)的功能；2.3數字電液控制系統(tǒng)的控制原理第三章電液伺服系統(tǒng)第四章汽輪機電液控制系統(tǒng)的控制邏輯第五章汽輪機電液控制系統(tǒng)的維護與故障處理第一章汽輪機自動控制原理1.1供電品質與電網有功功率與頻率的調整1.1.1供電品質與汽輪機調速供電品質發(fā)電廠的任務是向用戶提供品質優(yōu)良的電能。電能的品質是電壓、頻率和波形。同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的端電壓決定于無功功率，頻率決定于有功功率。無功功率決定于勵磁，有功功率決定于原動機的功率。故電網的電壓調節(jié)歸勵磁系統(tǒng)，頻率調節(jié)歸汽輪機的功率控制系統(tǒng)。轉子運動方程與汽輪機調速

當外界電負荷增大時，發(fā)電機的電磁阻力矩增大，導致轉子的轉速下降，反之，轉子的轉速上升。因此，汽輪機應根據轉速偏差改變調節(jié)汽門的開度，即改變進汽量和焓降，使蒸汽的驅動力矩與電磁阻力矩及摩擦力矩相平衡。故汽輪機調節(jié)系統(tǒng)有時稱為調速系統(tǒng)。1.1.2電網有功負荷變化的基本特征電網有功負荷隨人們生活、工作節(jié)律而變。基本特征是以24小時為周期的大幅、慢變上迭加隨機、小幅、快變波動。第一類變化幅度小、周期短，具有隨機性。第二類變化幅度較大、周期較長，有一定可預測性。第三類變化幅度大、周期長，由生產、生活和氣象等節(jié)律引起的。頻率一次調整電網頻率將在額定值附近隨機、小幅、快速地波動，汽輪機調節(jié)系統(tǒng)感受電網頻率(周波)變化改變有功功率輸出滿足外界負荷要求。這樣的調節(jié)過程稱為一次調頻。一次調頻為有差調節(jié)，汽輪機功率的改變量正比于頻率差，一次調頻滿足外界負荷要求后，電網頻率升高，汽輪機調節(jié)系統(tǒng)將減小調節(jié)汽門開度，有功功率就要減小。很明顯，一次調頻在滿足外界負荷要求時并不能保持電網頻率不變。頻率二次調整變化周期較長、變動幅度較大，有一定可預測性。為在電網一次頻率調整后，消除頻率偏差，通過調頻機組或調頻電廠，平移調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性線，改變調頻機組的輸出功率，補償電網負荷的靜態(tài)頻率特性產生的功率變化，

使電網頻率維持在額定值。調頻器來調整。頻率三次調整緩慢變化、變化幅度較大，由生產、生活、氣象待變化引起。根據預測的負荷曲線，按最優(yōu)化的原則對各發(fā)電廠、發(fā)電機組之間進行有功功率的經濟分配。正因為絕大多數發(fā)電廠按調度計劃發(fā)電，才使電網潮流計算中平衡節(jié)點外其他節(jié)點注入的功率確定，1.2汽輪機調節(jié)保護系統(tǒng)的任務與原則性組成任務高精度地控制機組的轉速和功率輸出，快速地響應電網的負荷擾動，滿足優(yōu)良供電品質要求，保障機組安全和優(yōu)化壽命損耗，實現安全、經濟運行。原理性組成為防止超速毀機，機組甩負荷時要求調節(jié)汽門在極短時間內全行程關閉；為有效切斷汽輪機的蒸汽供給，還必須設置主汽門；此外，對低真空、低潤滑油壓、大脹差、高振動等危及機組安全的惡性故障，發(fā)生時必須快速停機。因此，汽輪機除設置調節(jié)系統(tǒng)外，還設置保護系統(tǒng)。調節(jié)保護系統(tǒng)全稱為控制系統(tǒng)。調節(jié)部分控制調節(jié)汽門，保護部分控制主汽門，但在主汽門關閉時，保護系統(tǒng)信號作用于調節(jié)系統(tǒng)，使調節(jié)汽門同時關閉。系統(tǒng)組成轉速感受、同步器(調頻器)、液壓執(zhí)行機構、配汽機構、調節(jié)汽門(閥)、超速保護。因開啟調節(jié)汽門和主汽門所需的提升力很大，且關閉速度要很快，故要求執(zhí)行機構驅動力大、慣性小、動作速度快。只有液壓裝置能滿足汽輪機控制的特殊要求。1.3汽輪機組的運行特性對自動控制的要求1.3.1轉速控制單機運行時控制汽輪機的轉速。全周進汽，均衡高壓進汽部分的熱應力。要求汽輪機控制系統(tǒng)在機組啟動時能提供全周進汽控制功能。機組熱態(tài)啟動時，中壓缸沖轉升速，縮短提升再熱蒸汽溫度和啟動時間。要求控制系統(tǒng)具有控制中壓調門啟動沖轉、升速功能。機組啟動時，優(yōu)化暖機時間和升速率，合理控制離心應力和熱應力，減小轉子等部件在啟動過程中的壽命損耗。要求控制系統(tǒng)能自動控制暖機時間和升速率及帶負荷速率。自動并網(或同期)，要求汽輪機控制系統(tǒng)與電氣控制協同，自動控制機組并網時的轉速控制。1.3.2功率控制并網運行時控制機組的功率輸出。參與電網AGC(自動發(fā)電控制)或ADS(自動調度系統(tǒng))快速負荷響應，參與電網一次調頻克服內擾，提高功率控制精度，保證供電品質。靈活的配汽組合方式，實現優(yōu)化經濟運行。機、爐協調運行，最大限度地控制主蒸汽參數波動。1.3.3安全控制冗余、多屏障安全防護系統(tǒng)，保障機組超速安全。全面的安全監(jiān)測，全方位的安全設計，在各種危及機組安全事故發(fā)生時，可靠地保證機組安全停機。思考題1.電網的供電品質與汽輪機調節(jié)的關系？2.電網有功負荷的變化特征？頻率調整過程？電網有功功率－頻率調整對汽輪機控制系統(tǒng)設計提出什么要求？3.汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的原則性組成及主要環(huán)節(jié)的作用？4.電網一次調頻、二次調頻在汽輪機控制系統(tǒng)上是如何實現的？5.中間再熱機組與非再熱機組參與電網一次調頻時，存在的主要差別？如何提高再熱機組的一次調頻能力？1.3汽輪機功頻調節(jié)原理1.3.1原理功(率)頻(率)調節(jié)汽輪機的蒸汽來自于鍋爐。當鍋爐入爐燃料品質和量波動時，蒸汽的壓力、溫度隨之變化。即使汽輪機的調門開度不變，機組出力也因此發(fā)生，將這種因鍋爐運行因素變化引起機組功率輸出改變的現象稱為內擾。因此，為保證供電品質，汽輪機不僅根據電網頻率進行調節(jié)，而且還應根據轉速調節(jié)(按靜態(tài)特性調節(jié))、功頻調節(jié)、功率調節(jié)汽輪機的蒸汽來自于鍋爐。當鍋爐入爐燃料品質和量波動時，蒸汽的壓力、溫度隨之變化。即使汽輪機的調門開度不變，機組出力也因此發(fā)生，將這種因鍋爐運行因素變化引起機組功率輸出改變的現象稱為內擾。因此，為保證供電品質，汽輪機不僅根據電網頻率進行調節(jié)，而且還應根據功率進行調節(jié)，克服內擾影響。這樣的調節(jié)稱為功率頻率調節(jié)，簡稱功頻調節(jié)。另一方面，對中間再熱機組，再熱器容積產生的動態(tài)滯后，使機組一次調頻能力下降。通過功率反饋控制，增強機組響應外界負荷擾動的能力。為抑制主蒸汽參數波動內擾對機組出力的影響，要求快速地檢測蒸汽參數的變化。在汽輪機中，檢測調節(jié)級后壓力是最合適的。為克服再熱器中間容積對機組功率輸出的時滯影響，在機組負荷改變時，要求高壓調節(jié)汽門過開或過關。故用發(fā)電機功率輸出作為高壓調節(jié)汽門過開或過關的控制信號最為恰當。1.4汽輪機一次調頻與功頻調節(jié)1.4.1調速系統(tǒng)靜態(tài)特性與一次調頻外界負荷波動時，第二章汽輪機數字電液控制系統(tǒng)2.1數字電液控制系統(tǒng)的組成數字電液控制系統(tǒng)DigitalElectro-HydraulicControlSystem,DEH-C。電子控制器計算機、混合數?？?、接口和電源等。6個控制柜，用于給定、接受反饋、邏輯運算和發(fā)出指令等。操作系統(tǒng)操作盤、圖像顯示器和打印機等。EH供油系統(tǒng)EH高壓油泵、油再生裝置、冷油器電液伺服執(zhí)行機構電液伺服閥、快速卸載閥、液壓馬達、位置反饋傳感器保護系統(tǒng)OPC、AST電磁閥、隔膜閥HP:HighPressure高壓缸IP:IntermediatePressure中壓缸LP:LowPressure低壓缸TV:ThrottleValve(高壓)主汽門GV:GovernorValve調節(jié)汽門IV:InterceptorValve(中壓)調節(jié)汽門SV:StopValve(中壓)主汽門BR:Breaker主變壓器開關IMP:ImpulsePressure調節(jié)級后壓力AS:AutoSynch自動同步ATC:AutomaticTurbineControl汽輪機自動控制OPC:OverspeedProtectionControl超速保護控制OAC:OperatorAutomaticControl操作員自動控制ADS:AutomaticDispatchSystem自動調度系統(tǒng)AST:AutoStopTrip自動停機遮斷TSI:TurbineSupervisoryInstrumentation

汽輪機監(jiān)視儀表VCC:ValveControlCard閥門控制卡RC:RemoteControl遠方控制ETS:EmergencyTripSystem危急遮斷系統(tǒng)DPU:DistributedProcessUnit2.2數字電液控制系統(tǒng)的功能汽輪機自動控制ATC

通過狀態(tài)監(jiān)測，計算轉子應力，在應力和壽命損耗允許前提下，以最大速率、最短時間，實現優(yōu)化自動啟動升速、帶負荷。負荷自動調節(jié)操作員自動OA、遠方控制RC，以及與ATC組成聯合控制雙機容錯自動控制、一級手動和二級手動冗余控制串級或單級PI控制，在負荷大于10%時，可選擇是否采用IMP反饋和發(fā)電機MW反饋控制。定、滑壓控制，通過閥門管理實現經濟優(yōu)化運行。一次調頻或基本負荷運行。設置負荷上、下限和變化速率。主蒸汽壓力控制TC和快速減負荷Runback。自動保護超速保護3級超速保護，103%超速保護控制OPC，110%自動停機遮斷(跳閘)AST，112%機械超速停機遮斷。OPC關閉調節(jié)汽門，當轉速降至103%以下時，系統(tǒng)自動復位，并穩(wěn)定在3000rpm；OPC具有超速預警功能，在機組出力大于30%甩負荷時，在轉子轉速沒有飛升時OPC即動作，防止超速；AST動作，在主汽門關閉時，通過單向閥使用調節(jié)汽門同時關閉。AST不具備自動復位功能。危急遮斷ETS

除超速外，大振動、低真空、低潤滑油壓、低EH油壓、高軸承溫度、高高壓缸排汽溫度、推力軸承磨損及發(fā)電機、鍋爐和其它輔助設備的聯鎖保護。手動脫扣

2.3數字電液控制系統(tǒng)的運行方式為確保DEH系統(tǒng)可靠運行，即使在計算機系統(tǒng)不能正常時也能有效控制機組運行，DEH-C設有4種運行方式，即二級手動、一級手動、操作員自動和汽輪機自動ATC，且緊鄰的兩種運行方式相互跟蹤，并可做到無擾切換。二級手動最低級、備用運行方式，為模擬系統(tǒng)，在數字系統(tǒng)故障時，自動轉入模擬系統(tǒng)。一級手動開環(huán)運行方式，運行人員在操作盤上設定調門開度，各按鈕之間邏輯互鎖，并具有OPC、TPC、RUNBACK和AST等功能。操作員自動OA

最基本的運行方式。在操作員給定值下實現轉速、功率的閉環(huán)自動控制，并具有完整的保護功能。A、B雙機冗余，相互跟蹤和故障時自動切換。汽輪機自動AT

最高級運行方式。計算機根據監(jiān)測到的汽輪機狀態(tài)，按安全、壽命損耗最小、啟動時間最短、經濟性最好等控制策略，自動給定轉速、功率及變化率，控制汽輪機的運行。2.4數字電液控制系統(tǒng)的工作原理2.4.1

轉速控制

機組并網前的汽輪機啟動轉速控制。有2種啟動方式：冷態(tài)不投旁路系統(tǒng)(BypassOff）、高壓主汽門控制的高壓缸沖轉，熱態(tài)投用旁路系統(tǒng)(BypassOn)、中壓調節(jié)汽門控制的中壓缸沖轉。共同點：在機組轉速升至并網轉速前均切換到高壓調節(jié)汽門控制的并網操作。設自動和手動2種操作方式，自動為閉環(huán)控制，手動為開環(huán)控制。冷態(tài)高壓缸沖轉啟動高、中壓缸同時進汽、沖轉。沖轉前0-2900rpm閥切換2900rpm2900-3000rpmTV全關控制控制→全開全開GV全關全開全開→控制控制IV全關全開全開全開熱態(tài)中壓缸沖轉啟動熱態(tài)啟動時，再熱汽溫相對較低，通過高壓缸旁路直接引到再熱器，加快再熱汽溫提升。沖轉前0-2600rpm2600rpm閥切換2600－2900rpm2900rpm閥切換2900－3000rpm0-30%額定功率30%額定功率額定功率TV全關全關全關→控制控制控制→全開全開全開全開全開GV全關全開全開全開全開→控制控制控制控制全開IV全關控制控制→不變不變不變控制控制全開全開2.4.2

功率控制

DEH設置3個功率調節(jié)回路。外環(huán)轉速反饋回路常規(guī)的調速系統(tǒng)回路。根據轉速偏差，按調速系統(tǒng)靜態(tài)特性設置調門開度。中環(huán)功率反饋回路由功率偏差調節(jié)調門開度，定功率和功－頻調節(jié)。內環(huán)IMP反饋回路抗內擾。運行方式轉速WS功率MW調節(jié)級壓力IMP說明閥位控制OUTOUTOUT閥門位置給定控制定功率調節(jié)OUTINOUT功－頻調節(jié)INININ一次調頻純轉速調節(jié)INOUTOUT2.4.3

汽輪機自動控制ATC

ATC主要用于汽輪機啟動、升負荷過程，內容較多，波及面較廣，轉子應力計算RSC是其中一項主要內容。因目前還沒有成熟技術測量轉子的應力，只能用調節(jié)級后溫度來推算轉子的溫度，并由此估算轉子內的溫度場分布，進而求得轉子內部的最大應力。升速率50～500rpm/min，分為10級，每級50rpm/min。

升速率根據溫差控制，溫差小于40℃，每3min增加一級升速等級。

溫差大于40℃，每3min降低一級升速等級。在40℃左右時，升速保持不變。升負荷率1.395～13.95MW/min，分為10級。增、降升負荷率與升速率相同。第三章電液伺服系統(tǒng)3.1系統(tǒng)組成

EH供油系統(tǒng)、電液執(zhí)行器、保護系統(tǒng)和試驗模塊EH供油系統(tǒng)向電液執(zhí)行器提供符合壓力要求和清潔度、酸度等品質要求的安全、可靠、穩(wěn)定的液壓油。由高壓油泵、過濾器、再生裝置、冷油器EH油箱、高壓蓄能器、低壓蓄能器等組成。電液執(zhí)行器主汽門和調節(jié)汽門的執(zhí)行調節(jié)器。有電液伺服閥和電磁閥2種控制方式，前者為位置連續(xù)調節(jié)，后者為開、關2種狀態(tài)。保護系統(tǒng)“2取1”帶電動作OPC電磁閥，“4取2”失電動作電磁閥，及試驗回路。超速保護控制和自動停機遮斷，前者用于超速預警和保護，后者用于事故工況下緊急停機。試驗模塊低潤滑油壓、低EH油壓、推力軸承磨損、低真空等試驗系統(tǒng)。油路系統(tǒng)

DEHIIIA型EH系統(tǒng)共設4種油管路，即高壓供油管路、OPC保護油路或AST停機油路、低壓回油油路和無壓回油油路。前3種與電液執(zhí)行器相連，保護系統(tǒng)的回油經無壓回油油路直接排至主油箱。3.2電液執(zhí)行器3.2.1電液位置伺服執(zhí)行器作用電液位置伺服執(zhí)行器驅動主汽門和調節(jié)汽門連續(xù)運動，產生符合機組負荷要求的主汽門及調節(jié)汽門開度。組成由電液伺服閥、油缸、快速卸載閥、濾網、隔離閥、單向(逆止)閥，以及位置反饋線性差動位移變送器等組成。電液伺服閥控制進入油缸的流量，由此控制油缸活塞的運動速度；油缸為動力輸出；快速卸載閥用油缸的快速關閉，單向閥起到電液執(zhí)行器與低壓回油油路及OPC或AST油路的隔離作用，以便在機組運行中，在線維修和更換電液執(zhí)行器部件。電液伺服閥電控制信號轉變?yōu)橐簤嚎刂菩盘枺仕追Q電液轉換器。油缸活塞的位移是由進入油缸腔室的液壓油的流量控制的，故稱電液流量伺服閥。我國汽輪機電液控制系統(tǒng)中，美國Moog公司的電液伺服閥應用最多，故將電液伺服閥俗稱為Moog閥。原理汽輪機電液控制系統(tǒng)所用電液伺服閥，主要由力矩馬達、噴嘴－擋板和滑閥－套筒等三大部件組成。力矩馬達將電流信號轉變?yōu)閾醢宓男D機械運動；噴嘴－檔板作一級液壓放大，由擋板兩側的泄油間隙控制滑閥兩端腔室的油壓，進而控制滑閥的位移，即控制滑閥油口的開度，也即控制通過滑閥油口的流量。反饋彈簧管的彈性力與滑閥兩端所受的軸向液壓力相平衡，從而在線圈電流與滑閥油口間建立起伺服控制關系。有2組線圈，可串、并聯使用。電液伺服閥的性能參數

壓力流量特性穩(wěn)態(tài)時，負載流量與輸入電流及負載壓降的關系。額定電流產生額定流量所需輸入的電流。額定流量在額定電流和規(guī)定的壓降下所得到的流量。額定壓力保證閥正?？煽抗ぷ鞯淖畲蠊┯蛪毫?。中低壓閥為14MPa，中壓閥為21MPa，高壓閥為31.5MPa。流量增益給定壓降下，負載流量與輸入電流的比。非線性度名義流量增益曲線與實際流量曲線的最大電流偏差，用額定電流的百分比表示。滯環(huán)由力矩馬達的磁滯和滑閥游隙產生，流量曲線呈回環(huán)狀。產生相同輸出流量的最大電流差與額定電流的比，小于3%。分辨率使輸出流量變化所需輸入電流的最小改變值與額定電流的比。小于0.3%。零偏零位偏移。使閥處于零位所需輸入電流值與額定電流的比。零漂零位漂移。因工作條件及環(huán)境的變化，引起零位變化，以額定電流的百分比表示。小于2%。內漏特性輸出流量為零時，閥的回油口流出的流量。最大靜耗流量一般小于10%額定流量。頻率響應特性用輸出流量與輸入電流間的幅－頻特性和相－頻特性表示。頻寬越大，動態(tài)響應越好，但過高的頻響，會使系統(tǒng)受到高頻干擾，造成部件磨損。階躍響應輸入電流階躍變化時輸出流量的響應的時域動態(tài)變化過程?？焖傩遁d閥壓力控制閥，在機組超速或緊急停機工況下，當OPC電磁閥或AST電磁閥動作、OPC或AST油壓快速下跌后，快速泄放油缸活塞腔室的壓力油，使油缸快速關閉?？焖傩遁d閥是由導閥和滑閥兩部分組成，杯狀滑閥的底部與油缸壓力油腔室相連，并通過杯狀滑閥底部小孔與其頂部腔室相通，頂部與先導閥及逆止閥的控制滑閥頂部腔室的油壓。正常工況下，逆止閥及先導閥遮斷對應的控制油口，杯狀滑閥上、下腔室的油壓相等，油缸正常工作；在OPC或AST動作后，逆止閥后壓力下降，逆止閥控制的油口開啟，滑閥頂部油壓快速下跌，滑閥上移，開啟油缸活塞腔室的泄油口，活塞快速關閉。

OPC或AST復位、對應油路升壓后，逆止閥復位，電液伺服閥方可控制油缸運動。調節(jié)先導閥的彈簧預緊力，可改變油缸活塞的最大開度。在機組運行中更換電液伺服系統(tǒng)部件時，可減小先導閥的彈簧緊力，關閉調節(jié)汽門。在機組正常運行時，一定要關閉先導閥，否則產生內漏，造成調門開度波動。線性位移差動變送器LVDT油缸活塞位移反饋傳感器。電感式位移傳感器。由傳感器、振蕩器、相敏檢波等組成。振蕩器產生的高頻正弦波作用在初級線圈，在2個次級線圈上產生感應電動勢，其大小取決于初、次級線圈間的互感。線圈中鐵芯位置決定了2個次級線圈互感的大小。1個線圈的互感增大時，另1個的互感則減小。相敏檢波電路將這2個同波形的差動高頻信號變?yōu)橹绷餍盘??！巴馆喬匦浴?.2.2中壓調門電液伺服執(zhí)行器

中壓調門在30%負荷以上時全行程開啟，為防止中壓調門長期不動產生卡澀，故在電液伺服執(zhí)行器回路中增設了活動試驗電磁閥?；顒釉囼炿姶砰y為三通閥，正常時壓力油經該閥進入快速卸載閥的頂端，使快速卸載閥遮斷復位。在試驗電磁閥加電活動試驗時，切斷快速卸載閥的高壓供油，并將快速卸載閥端部油室與回油油路相通，快速卸載閥動作，關閉中壓調節(jié)汽門。在中壓調節(jié)汽門活動試驗時，為減小對高壓供油系統(tǒng)的擾動，在試驗電磁閥前加設節(jié)流孔。3.2.3主汽門執(zhí)行器僅需開、關2種工作狀態(tài)的主汽門，其液壓執(zhí)行器僅由快速卸載閥、活動試驗電磁閥、油缸及隔離閥、逆止閥等3.3超速保護控制與自動停機遮斷系統(tǒng)

在DEHIIIA中，設有超速保護控制OPC、自動停機遮斷AST和機械超速遮斷三道安全(超速)保護屏障。超速危急保安器的動作轉速與復位轉速3.4EH供油系統(tǒng)3.4.1系統(tǒng)組成

EH供油系統(tǒng)向電液伺服系統(tǒng)和保護系統(tǒng)提供動力油源。主要由2臺高壓油泵、1套抗燃油再生裝置、若干個高壓和低壓蓄能器、2套冷卻油器、757升的EH油箱等組成。3.4.2抗燃液壓油的特性磷酸酯抗燃油與汽輪機油的性能比較基本物理化學性能ZR-881（中）FYRGUELEHC（美）OMTN（俄）L-TSA32（中，汽輪機油）密度，kg/m31.1541.1501.1700.8788運動粘度（40oC），mm2/s32.5439.43628.8~35.2水分，%0.03000.0445<0.1無氯含量，mg/l1510

傾點，oC-28-24-17<-7酸值，mgKOH/g0.00170.0