330MW机组DEH控制原理与功能特点

1、330MW机组DEH控制原理与功能特点侯典来(国电菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032)摘要：论述330MW机组汽轮机数字电液控制系统原理，包括汽轮发电机组数学模型，调门配置及其控制，DEH控制主要功能，包括转速控制和负荷控制，转速控制包括中速、高速暖机，目标转速，3000rpm定速，假并网试验，负荷控制方式包括调节级压力控制、负荷控制、主汽压力控制。关键词：DEH，控制系统，功能特点概述汽轮机将主汽和再热汽中的热能转换成动能，通过发电机将动能转变为电能，利用电网将电能输送到用电设备；发电机送入电网的功率必须等于当时用户所需要的功率，为了保证各种用电设备的正常运转，需要连续不断地向电网输

2、送电能，而且还要保证电厂的供电品质，即频率和电压保持不变，保证频率和电压误差在规定范围内。频率和电压与汽轮机转速有一定的关系，频率直接与汽轮机转速相对应，电压除与汽机转速有关外，还与发电机励磁电流有关，电压通过发电机励磁控制系统调节，不在汽轮机控制系统之内，汽机控制系统的主要任务是控制汽机转速，随着汽轮机向大容量、高参数发展，系统设备复杂，特别是在变工况过程中，需要综合控制的因素多，本文主要阐述330MW机组汽轮机配套的汽轮机数字电液控制原理及其功能特点。1 控制系统原理汽轮机控制系统通过改变调节阀的开度控制汽轮机转速，并网运行时，转速与电网频率相对应，发电机输出功率与负载消耗功率平衡时，电网

3、频率保持稳定，即并网机组的转速要由电网中所有机组共同调节，DEH主要任务是控制汽轮机转速，其转子的转动方程如式（1）。 (1)式中，J转子的转动惯量(kg.m.s2 )；转子的旋转角速度(s-1 ) ；MT 汽轮机蒸汽转矩(N.m) ；MG 发电机电磁转矩(N.m)；Mf 各种阻力矩(N.m) 机组安装完成后，转动惯量为一常数，DEH控制转速n与角速度成正比。式中，f频率(s-1 )；n转速(rpm)由汽轮机工作原理知，蒸汽转矩MT如式（2）。 (2)式中，D进入汽轮机的蒸汽流量(kg/h)，H0绝热焓降(KJ/kg)，0e 汽轮机相对效率，n转速(rpm) 发电机电磁转矩MG主要取决于负载特

4、性，表示如式（3）。 MG =K1+K2.n+K3.n2 （3）式中，K1，K2，K3为随机变量，且均为正值。 各种阻力矩Mf与转速、真空、轴系油温等因素有关，为随转速增大的随机变量。由式(1)可知，由于某种原因，nMT，MG，Mf0，n，重新回到新的平衡位置，即汽轮发电机组具有一定的自平衡能力，并网前，MG为0，故自平衡能力差，在外界扰动下，如果没有汽轮机控制系统，不能仅靠其自平衡能力；由式(2)可知，汽轮机控制系统控制汽轮机的进汽流量D，即能改变蒸汽转矩MT，使MT始终跟随MG变化，以维持转速n在规定的范围内，满足供电频率要求；实际汽轮机控制系统都是通过执行机构即油动机控制安装在进汽口上的

5、调节汽阀来改变MT，以控制汽轮机转速和功率，汽轮机控制流程如图1。图1 DEH控制系统汽轮机控制过程及各个物理对象的数学描述如图1，作为系统稳定性分析的基础，汽轮机控制原理如图2。图2 DEH控制原理机组在启动和正常运行过程中，DEH接受机组负荷增、减指令、CCS指令、汽轮发电机组的转速和功率以及调节阀的位置反馈信号等进行分析处理，综合运算，输出控制信号到伺服阀，改变调节阀的开度，以控制机组安全运行，如图3。图3 PID输出汽轮机高压缸进汽口上配有4个调节汽阀，中压缸进汽口上配有2个中压主汽及调节联合汽阀，为了保证汽机的安全运行，还配有相应的2个主汽阀，8个进汽阀均采用液压执行机构油动机来驱动

6、，以满足动作时间短、定位精度高的要求。 汽轮机的工作转速为3000rpm，当电网中的负荷变动时，引起汽轮机转速随之变动，汽轮机控制系统中的测速环节测量到汽轮机的实际转速，并与额定转速3000rpm相比较后，通过频差放大、伺服控制等环节来控制高、中压调节阀CV、ICV的开度，形成转速负反馈，使转速变化维持在预定范围内。汽轮机的10个进汽阀均采用高压抗燃油为工质的油动机驱动，6个调节阀CV、ICV与一侧高压主汽阀MSV用伺服阀与DEH的微机接口实现连续控制，其余2个中压主汽阀RSV和另一侧高压主汽阀MSV采用电磁阀与DEH接口，实现2位控制。 为了保证汽轮机的安全运行，在液压系统中，还配有几套冗余

7、的保护部套，包括危急遮断器、飞环及试验电磁阀，遮断、超速、压力开关组件，机械停机电磁铁，手动停机机构；高压抗燃油油源配有2套冗余的压力油泵，以保证连续供油。2 整定伺服系统静态关系在机组启动前，必须完成伺服阀、LVDT、伺服板的静态关系整定，保证各个伺服机构的控制精度及线性度，以满足机组对伺服系统静态关系的要求，在OIS画面上，CV、ICV阀可同时进行校验，也可分别进行校验。2.1 离线校验机组启动前进行伺服系统静态关系整定称为离线校验，离线校验条件包括汽机已挂闸、所有阀门关，主汽阀前不允许有蒸汽，否则，在作阀门校验时，当机组转速大于100rpm时，DEH将自动打闸，即汽机转速必须100rpm

8、。2.2 在线校验机组运行过程中进行伺服系统静态关系的整定称之为在线校验，在线校验条件包括汽机并网、单阀方式运行、单/顺阀转换未进行，具体逻辑如图4。2.3 校验步骤1）在汽机阀门校验画面，选择“单号阀门校验允许”或“双号阀门校验允许”，离线校验时，“单号阀门校验允许”或“双号阀门校验允许”都可以选中，在线校验时，只能选其1项；2）当“单号阀门校验允许”点亮时，只能选择单号阀门进行校验；当“双号阀门校验允许”点亮时，只能选择双号阀门进行校验，选择要校验的阀门，相应的按键被点亮；3）选中校验的阀门后，相应的伺服板开始校验，伺服板上的“CHK”指示灯闪烁，下行闪烁频率较慢，上行闪烁频率较快，同时画

9、面上的“阀门校验进行”指示闪烁，闪烁频率同“CHK”灯；4）“CHK”指示灯和“阀门校验进行”指示常亮时则校验完成；5）再次按下“单号阀门校验”或“双号阀门校验”，退出校验方式，“CHK”指示灯灭，“阀门校验进行”指示变灰。校验结束后，可进行静态关系检查，通过OIS站给出阀门开度指令，看开度指令与实际阀门开度是否满足静态关系的要求，如不满足，按上述步骤重新进行整定。 (a)(b) (c) (d)(e) (f) 图4 阀门校验(a) 阀门校验允许；(b) 阀门校验开始；(c) 阀门校验开始1；(d) 阀门校验开始2；(e) 阀门校验开始3；(f) 阀门校验进行3 启动前的控制3.1 自动判断热状

10、态汽轮机的启动过程，对汽机、转子是一个加热过程，为了减少启动过程的热应力，对于不同的初始温度，采用不同的启动曲线，每次运行时，DEH根据控制级处高压内缸内上壁温T的高低，自动划分机组热状态，如图5。由图5可知，冷态时，T150（M10=150），温态时，150（M10=150）T300（M12=300），热态时，300（M12=300）T400（M14=400），极热态时，T400（M14=400）。图5 热状态判断3.2 高压缸预暖启动前，可利用高压旁路蒸汽，通过RFV预暖阀从高压缸排汽口引入高压缸进行预暖，输出预暖指令，打开RFV预暖阀及关闭抽真空阀VV，关闭高排逆止阀，待高压缸温度达到规

11、定值后，保持1h，关闭RFV预暖阀，高压缸预暖完成，如图6。图6 高压缸预暖3.3 高压主汽阀预暖输出预暖指令，一侧高压主汽阀开启10，主汽引入两主汽阀体内，当阀体温度达到规定值后，预暖结束，关闭高压主汽阀，如图7。图7 高压主汽阀预暖4 启动方式高中压联合启动是一种传统的启动方式，即蒸汽分别同时从过热器（再热器）通过高压调节（中压调节阀）进入高压缸（中压缸）做功，最终将汽轮机带到额定工作状态，在启动过程中，为减少中压调节阀的节流损失，同时还要减少中间再热器对系统的影响，高中压调节阀在各自的工作压力下，其通流能力之比为1:3。中压缸启动是一特殊启动方式，启动之前要进行高压缸和高压主汽阀预暖，使

12、高压缸壁温和高主阀体温度达到150，预暖完成后，在旁路自动方式下，蒸汽从中压调节阀进入中压缸做功，并网后，为了使机组稳定，进行缸切换，让高中压调节阀的通流能力之比为1:3。 在启动过程中，高压缸一般采用全周进汽（节流调节）方式，这样可受热均匀，减小热应力，在正常运行中，由于汽缸温度场已基本稳定，高压缸一般采用部分进汽（喷嘴调节）方式，以减少节流损失，提高效率。 在启动过程中，由于转子、汽缸的几何尺寸很大，且受热面温度升高较快，为了减小汽轮机的热应力，需在升速和升负荷期间的某些控制点上停留，称为暖机。汽轮发电机组需要并网运行，同期并网指汽轮发电机组带到工作转速后，安全地将发电机与电网并接的过程，

13、其同期逻辑如图8。在机组未并网、系统转速信号正常情况下，实际转速2970rpm时，满足同期允许条件；同期并网的条件为合闸，油开关2侧（发电机、电网）间各相位的电位差等于零，即要求两侧电压同相序、同电压、同频率、同相位。图8 自动同期逻辑 在同期请求信号发出后，按自动同期投入按钮，同期投入；同期复位条件为下列条件之一存在时，包括实际转速M11=2985rpm，或者M10=3015rpm，在同期投入的情况下，按自动同期切除按钮，机组已并网，汽机已跳闸，手动方式，系统转速故障和同期请求。4.1 中压缸启动在预暖完成并具备启动条件后，打开VV阀，在OIS上，选择“高中压缸/中压缸”按钮，选择“中压缸”

14、方式启动，逐渐开启中压调门，机组升速至3000rpm，并网后，机组带初负荷，设置目标负荷、负荷率，按“进行/保持”按钮，此时画面应当显示“进行”状态，机组开始升负荷，为了保持中间再热压力不变，低旁逐渐关闭，当低旁全关时，可以进行高中压缸切换，如图9。(a)(b)图9 缸切换逻辑(a) 缸切换逻辑1；(b) 缸切换逻辑2按下“缸切换”按钮，高、中压缸开始切换，即高压调节阀逐渐开启，为维持主蒸汽压力不变，高旁开始关闭，当高、中压缸进汽比例达到1:3时，即认为切换完成，高、中压调门同时参与控制，当缸切换进行时，切除负荷控制，VV阀关闭。4.2 高中压缸联合启动当旁路系统性能不完善或热态、极热态启动时

15、，可采用高、中压缸联合启动方式，此时，高、中压调节阀同时开启。机组启动时可选用高中压联合启动方式和中压缸启动方式里的任何一种方式。当选择高中压联合启动方式时，阀切换系数等于1，阀门开度信号同时输出到高压调节阀和中压调节阀。当选择中压缸启动方式时，阀切换系数等于0。因此，阀门开度信号变送到中压调阀控制回路，从而控制中调阀的开度，满足中压缸启动方式。在阀切换过程中，阀切换系数由0逐渐变到1，机组便转换为高中压联合进汽形式；对汽轮发电机组来讲，由于调节阀的开度同蒸汽流量存在非线性，因此，DEH控制系统设计了阀门修正函数f（x）来进行阀门的线性修正。5 转速控制1.2转速控制在升速过程中，机组未并网，

16、DEH控制系统通过转速控制回路来控制转速，功率控制回路不起作用，如图1，当没有并网信号时，控制信号就为1，则输出等于输入1，即转速回路控制器输出。在此回路下，DEH控制系统接受现场汽轮机转速信号，经3取2逻辑处理后，作为DEH的反馈信号，此信号与DEH的转速设定值进行比较，送到转速回路控制器进行偏差计算，PID控制，然后输出油动机的开度指令到伺服卡，此开度指令在伺服卡内与现场LVDT油动机位置反馈信号进行比较后，输出控制信号到伺服阀，控制油动机开度，即控制调节阀的开度，从而控制机组转速，升速时，可设置目标转速和升速率。并网后，DEH控制系统切到功率控制回路，转速控制回路不起作用，从图1中可知，

17、当有并网信号时，控制信号就为0，则输出等于输入2，即功率控制回路的输出，在此回路下有3种控制方式，此3种模式下，一次调频回路始终存在，功率回路不投入，控制级压力回路也不投入。在这种情况，阀门开度直接由操作员设定进行控制，设定所要求的开度后，DEH输出阀门开度指令到伺服卡，与阀位反馈信号进行比较后，输出控制信号到伺服阀，从而控制阀门的开度，以满足要求的功率。并网前，DEH为转速闭环无差控制系统，其设定值为给定转速，给定转速与实际转速之差，经PID控制器运算后，通过伺服系统控制油动机开度，使实际转速跟随给定转速变化，如图10。图10 转速PID控制器5.1 中速、高速暖机在给定目标转速后，给定转速

18、自动以设定的升速率向目标转速接近，当进入临界转速区时，自动将升速率改为400rpm/min，快速冲过去；在升速过程中，需要对汽轮机进行中速、高速暖机，以减少热应力，如图11。 (a)(b)图11 升速暖机(a) 转速在暖机；(b) 升速暖机汽机暖机转速一般分为1200 rpm，2000rpm，因此，目标值一般设为1200 rpm，2000rpm，到达目标转速值后，可自动停止升速进行暖机，若在升速过程中，需暂时停止升速，可输出“保持”指令，在临界转速区内时，保持指令无效。5.2 目标转速除操作员可通过OIS设置目标转速外，在下列情况下，DEH自动设置目标转速。1）汽机刚运行时，目标为当前转速；2

19、）油开关刚断开时，目标为3000rpm；3）汽机已跳闸，目标为零；4）目标超过上限时，将其改为3060或3360rpm；5）目标错误地设在临界区内时，将其自动改为临界转速区下限值-20。图12 目标转速5.3 3000rpm定速，假并网试验汽轮机转速稳定在（3000±2）rpm上，各系统进行并网前检查，发电机做假并网试验，以检查自动同期系统的可靠性及调整的准确性，在试验期间，发电机电网侧的隔离开关断开，当满足同期条件时，油开关闭合，由于隔离开关是断开的，实际上发电机并未并网，如图13。图13 并网、解列仿真5.4 按经验曲线自动升速、升负荷按当时热状态即冷态、温态、热态、极热态，机组

20、完成从冲转、升速、过临界转速、并网带初负荷直到目标负荷的全过程自动控制，升速及升负荷曲线由当时的热状态确定，通过操作员站对目标值、速率、负荷率、暖机时间进行人为干预。6 负荷控制6.1 控制级压力控制控制级压力回路控制器起作用时，DEH接受汽轮机控制级压力信号与给定信号进行比较后，送到控制级压力回路控制器进行差值放大，综合运算，PID控制器输出阀门开度信号控制阀门的开度。控制级压力控制器是一个PI控制器，它比较设定压力与实际调节级压力，经过计算后输出信号控制ICV阀和CV阀。当满足以下条件时，通过OIS将该控制器投入，1）DEMAND小于90%；2）控制系统处于自动方式；3）负荷控制器未投入；

21、4）汽机已带负荷，调节级压力在（317）MPa间；5）压力信号正常；6）TPC未动作；7）RUNBACK未动作。发生以下条件时，调节级压力控制器切除，1）操作员将其切除；2）该压力信号故障；3）到滑压点时；4）TPC动作；5）汽机跳闸；6）油开关跳闸；7）调节级压力小于3 MPa或大于17 MPa或故障；8）RUNBACK动作；9）手动方式。6.2 负荷控制功率回路投入情况下，负荷回路控制器起作用，DEH接受现场功率信号，经DEH 3取2逻辑处理，与给定功率进行比较后，送到负荷回路控制器进行差值放大，综合运算，PID控制输出阀门开度信号。负荷控制器是一个PID控制器，用于比较设定值与实际功率，

22、经过计算后输出信号控制CV阀和ICV阀，在负荷投入时，设定值以MW形式表示，采用PID无差调节，稳态时负荷等于设定的值，如图14。图14 负荷PI控制器6.3 主汽压力控制主汽压力控制器是一个PID控制器，用于比较主汽压力设定值与实际主汽压力，经计算后输出控制阀门开度指令，如图15。图15 主汽压力PI控制器7 超速保护如图16。7.1 超速限制 为避免汽轮机因转速太高离心应力太大而采用的方法称为超速限制。7.1 汽机甩负荷当机组实际负荷15时，油开关断开出现甩负荷，则迅速动作超速限制电磁阀，关闭高、中压调节阀，同时将目标转速及给定转速改为3000rpm，待延时2s后，超速限制电磁阀失电，高、

23、中压调节阀由转速闭环控制，最终使汽轮机转速稳定在3000rpm，以便事故消除后能迅速并网。7.2 103%超速 因汽轮机出现超速，对其寿命影响较大，除对汽轮机进行超速试验时，转速需超过103%外，其它任何时候均不允许超过103%，因网频最高到50.5Hz即101%。一旦转速超过103%，则迅速动作超速限制电磁阀，同时关闭高中压调节阀，待转速正常后，超速限制电磁阀失电。7.3 超速保护 若汽轮机的转速太高，由于离心应力的作用，会损坏汽轮机，虽然为防止汽轮机超速，DEH系统中配上了超速限制功能，但万一转速限制不住，超过预定转速则立即打闸，迅速关闭所有主汽阀、调节阀。为了安全可靠，系统中设置了多道超

24、速保护，1）DEH电气超速保护110%，2）危急遮断飞环机械超速保护，3）ETS超速保护。(a) (b) 图16 超速保护 (a)加速度限制逻辑；(b)超速保护8 ATC热应力控制ATC程序根据转子热应力、机组振动、胀差等参数，自动设定速率和负荷率，实现自动升速和升降负荷。ATC升速率和升速暖机具体逻辑如图17。(a)(b)图17 ATC升速 (a) ATC升速率；(b) ATC升速暖机ATC负荷率和负荷暖机具体逻辑如图18。 (a) (b)(c)图18 ATC负荷 (a) ATC负荷率；(b) ATC负荷率逻辑；(c) ATC负荷暖机DEH按照当时的进汽温度和压力，转速及缸温等参数，根据实际高、中压转子危险截面处表面及中心孔的温差，算出转子的热应力，然后按许用应力算出当前的相对应力比率，从而确定机组的升降速率、负荷率，热应力判断进行过程如图19，ATC自动退出逻辑如图20。图19 转子应力逻辑图20 ATC自动退出参考文献1包霖洋.汽轮机电液调节M.上海：上海汽轮机厂，19842侯典来.模拟量控制技术及其应用M.北京：中国电力出版社，20093朱北恒主编.火电厂热工自动化系统试验.北京：中国电力出版社，2005作者简介：侯典来(1963-)，男，山东梁