采用计算机控制器实现汽轮机数字电液控制系统的设计

1.概论

汽轮机控制系统由调节系统和保安系统组成。

调节系统是为了保证汽轮机组稳定运行和获得运行所需的静态特性;保安系统的作用则是当机组出现危险工况时，保护机组的安全。

汽轮机的主要用途，是用来驱动发电机发电，向用户输送电能。发电用汽轮机分为凝汽式和中间再热凝汽式。另有一些型式的汽轮机，除驱动发电机发电外，还在其中某一级或一级以上抽汽，向热用户供热。这些汽轮机称为热电联供机组或称供热机组。发电用汽轮机具有转速调节系统，简称调节系统，用来维持机组等转速运行，以保证所提供的电能频率稳定。热电联供汽轮机，除具有调速系统外，还具有调压系统，用以维持供热抽汽压力的稳定。转速调节和抽汽压力调节是汽轮机的基本控制策略。

发电用汽轮机的运行方式有两种，即单机运行和多机并列运行。其中多机并列运行构成电力网，又称并网运行。

当机组为单机运行时，用户电负荷的变化全部由本机组承担。要求调速系统能适应用户负荷的变化，稳定地调节功率，以维持等转速运行。当机组并网运行时，用户的负荷由电网中各机组共同承担，所导致的电网频率变化的调节是在各机组调速系统共同承担的基础上由某些指定的机组进行二次调节，这些指定的机组称为调频机组。由于电负荷由多台机组承担，便引出负荷分配和负荷调整问题。单台机组负荷调整可以引起电网频率的变化，从而引起网中各机组负荷的再分配。频率的二次调整、负荷调整、和各机组负荷分配，都是在调速系统特性的基础上进行的。

现代大型汽轮发电机组，几乎毫无例外地都是并网运行。电网的调度管理，将网中的机组分为基本负荷机组、调峰机组、调频机组和尖峰负荷机组。这些机组的调节特性，要求在调速系统的基础上增加相应的调节功能，这就使现代大型机组控制系统的控制策略变得复杂化和多样化。

现代大型电站大多采用单元制结构，即汽轮发电机组与锅炉系统是一个完整的体系，汽轮发电机的控制与锅炉的控制密切相关，必须紧密协调。所以现代大型汽轮发电机组的控制策略又包含了锅炉及庞大的辅机系统协调控制的要求。

对于热电联供机组，汽轮机的控制策略还应包括热网控制。

现代汽轮机控制系统的控制策略是在传统的基本控制策略的基础上，考虑了电网控制，热网控制和机炉协调控制的需要而发展起来的。数字电液控制系统DEH（DigitalElectro-HydraulicControlSystem）是现代汽轮机控制系统的典型形式。

保安系统是汽轮机控制系统不可分割的部分。各种汽轮机保安系统的组成大致相同，主要包括超速保护系统、危急遮断系统、挂闸系统和各种试验系统。其中遮断系统与汽轮机监视系统TSI（TurbineSupervisoryInstrumentationSystem）的遮断信号和其它设备来的遮断信号接口。

2.汽轮机调节系统的分类

汽轮机传统的调节系统为液压调节系统，它由测量元件给定机构放大元件和执行机构环节组成。根据测速元件的不同，液压调节系统又分为机械液压式和纯液压式两大类。

机械液压式调节系统的测速元件为机械式离心调速器。哈尔滨汽轮机厂和北京重型电机厂采用的调节系统为机械液压式，调速器为弹簧片式高速离心调速器，是前苏联列宁格勒金属工厂的典型形式。

全液压调节系统采用液压式离心调速器作为测速元件，我国东方汽轮机厂和上海汽轮机厂的液压系统属于这种类型。其中东汽厂采用径向钻孔泵，液压系统仍属列宁格勒金属工厂类型。上汽厂采用旋转阻尼，其液压系统源自美国西屋公司。

此外，还有一种用于小汽机的全液压系统，其特征为调速泵与主油泵合用一个径向钻孔泵。

3.调节系统的基本组成

如上所述，调节系统由测速元件，给定机构放大器和执行机构等环节组成。根据这些环节功能不同，可将调节系统划分为两部分，即控制器和执行器。控制器的主要任务是完成控制策略运算，执行器的任务是根据调节器（控制器）的运算结果驱动和定位调节机构。

液压调速系统控制器，由调速器、同步器、放大器、信号分配器等环节组成，控制策略为转速有差调节。由调速器和同步器给出转速偏差信号，经过液压放大器放大，形成总阀位信号，经过信号分配器控制各执行器，即油动机，由油动机驱动和定位汽轮机的调节机构，即调节阀。单机运行时，同步器用来调整汽轮机转速;并网后，同步器用来调整分配给本机的负荷。

为了适应现代汽轮机控制系统复杂的控制策略，数字电液控制系统应运而生。数字电调称为纯电调或称全电调，简称DEH。DEH控制器由微机系统组成，执行器由多个油动机组成的液压执行系统。

根据液压执行系统所采用的工质不同，DEH又分为低压透平油型和高压抗燃油型。

此外，还有一种过渡型DEH，称为电液并存型。其控制策略的运算采用计算机控制器，同时保留了液压控制器作为备用。

4.电调改造方案基本原理

电调改造的主要工作，是将汽轮机液压调节系统改造为电液控制系统的执行器，然后配上计算机控制器，构成完整的电液控制系统。电调改造的关键是液压系统的改造。

液压系统改造的主要要求，一是要根据机组原有液压系统的状况和特性，采用尽可能简单的方案实现计算机控制器接口，实现要求的控制策略。

基本改造方案可归纳为三种

1）从液压控制器的某一中间环节引入电液放大器，以实现与算机控制器接口，实现全电调控制。这种方案称为电液放大器型纯电调。其液压系统可以完整保留，作为备用。

2）将油动机改造为电液油动机，实现与计算机控制器接口，实现全电调控制。这种方案称为电液油动机型纯电调，油动机前各环节可以拆除，不再保留液压备用。

3）高压抗燃油纯电调，原有的液压调节系统各环节全部拆除，液压执行系统需重新设计。

前两种方案部分保留了原液压系统，或者说是原液压调节系统改造而成的全电调，都是低压透平油纯电调，改造效果与改造方案的设计关系很大。第三种方案是一种全新设计，与原系统已无关系。

图1 低压透平油纯电调改造方案原理

下面以低压透平油纯电调为例做以阐述：

电液放大器型透平油纯电调：

图2

5.改造要点描述

？中间滑阀下至调速器滑阀的二次脉动油排油口堵列。调速器滑阀与调速原可保留，不用。但附加超速保护管路应堵死。

？若机组有电液转换器，切换阀和跟踪滑阀，则应折除，并将中间浮雕阀下油压与超速限制滑阀、危急遮断器滑阀和启动阀接通，在这些部套原安装位置加装盖板。

？中间滑阀便成为二位工作方式，可接受启动阀、危急遮断器滑阀和超速限制滑阀控制，使各油动机建立开启条件，实现快关和遮断。

？对于哈汽和北重型系统，还应拆徐微分器，或切断其二次脉动油输出管路，防止其误动影响系统正常工作。

？保留超速限制滑阀。若原系统中争超速限制滑阀，则应增加OPC电磁阀，以实现超速限制功能。

？保留各油动机、配汽杠杆、凸轮配汽机构，将各油动机改造为电液油动机。

？电液油动机由DDV阀、油动机滑阀、油动机活塞、双冗余LVDT组成，接受PI伺服板控制，构成位移闭环反馈回路，使油动机行程正比于DEH总阀位信号。油动机原有的液压反馈机构和反馈滑阀，反馈杠杆等，予以拆除。

？DDV阀与可调节流阀一起，装在液压集成块上，每个油动机液压集成块可装在油动机原反馈阀位置上，可以利用原有的三次脉动油液压油路。各集成块电可集中在原中间滑阀附近，利用原来的三次脉动油管路将液压集成块与油动机联系起来。可调节流用业调整油动机的机械0偏，使DDV阀工作在压力油口微开位置，使DDV阀失电时油动机能自然关闭。

？设置—外置式滤油器，向各液压集成块提供经过过滤的液压油。滤油器为双联可切换式，配有压差监视器和切换阀可在线更换滤芯。过滤精度为25μm。

？DDV阀采用D634

？液压保安系统、启动操作系统和各种试验系统不列入改造范围。如用户有特殊要求时，可针对用户要求另作处理。

？DEH控制器可按纯电调的控制功能进行控制策略配置。

6.结论

本改造方案及论文的创新点在于：将原调节系统大部份套退出使用，只保留油动机滑阀、油动机活塞及其以后的配汽部套。这些部套是原系统中故障率最低的部套，因而可以将原系统存在的主要缺陷予以排除。电液电动机具有很高的灵敏度，其值高于原灵每度的最高值，且在全行程范围内都存相同的灵敏度。所保留的凸轮配汽机构，为混合调节方式，其控制我与两屋型阀门管理相同。由于电调的功能取决于DEH控制器，所以本方案可实现纯电调全部控制功能。

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