数字电液控制

汽轮机数字电液控制系统

DigitalElectro-HydraulicControlSystem

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SteamTurbines杨建明东南大学动力工程系第一章汽轮机自动控制原理1.1供电品质与电网有功功率与频率调整；1.2汽轮机调节保护的任务与原则性组成；1.3机组运行特性对汽轮机自动控制的要求；1.4汽轮机一次调频与功频调节第二章汽轮机数字电液控制系统2.1汽轮机数字电液控制系统的组成；2.2汽轮机数字电液控制系统的功能；2.3数字电液控制系统的控制原理第三章电液伺服系统第四章汽轮机电液控制系统的控制逻辑第五章汽轮机电液控制系统的维护与故障处理第一章汽轮机自动控制原理1.1供电品质与电网有功功率与频率的调整1.1.1供电品质与汽轮机调速供电品质发电厂的任务是向用户提供品质优良的电能。电能的品质是电压、频率和波形。同步发电机的特性同步发电机的端电压决定于无功功率，频率决定于有功功率。无功功率决定于励磁，有功功率决定于原动机的功率。故电网的电压调节归励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。转子运动方程与汽轮机调速

当外界电负荷增大时，发电机的电磁阻力矩增大，导致转子的转速下降，反之，转子的转速上升。因此，汽轮机应根据转速偏差改变调节汽门的开度，即改变进汽量和焓降，使蒸汽的驱动力矩与电磁阻力矩及摩擦力矩相平衡。故汽轮机调节系统有时称为调速系统。1.1.2电网有功负荷变化的基本特征电网有功负荷随人们生活、工作节律而变。基本特征是以24小时为周期的大幅、慢变上迭加随机、小幅、快变波动。第一类变化幅度小、周期短，具有随机性。第二类变化幅度较大、周期较长，有一定可预测性。第三类变化幅度大、周期长，由生产、生活和气象等节律引起的。频率一次调整电网频率将在额定值附近随机、小幅、快速地波动，汽轮机调节系统感受电网频率(周波)变化改变有功功率输出满足外界负荷要求。这样的调节过程称为一次调频。一次调频为有差调节，汽轮机功率的改变量正比于频率差，一次调频满足外界负荷要求后，电网频率升高，汽轮机调节系统将减小调节汽门开度，有功功率就要减小。很明显，一次调频在满足外界负荷要求时并不能保持电网频率不变。频率二次调整变化周期较长、变动幅度较大，有一定可预测性。为在电网一次频率调整后，消除频率偏差，通过调频机组或调频电厂，平移调节系统静态特性线，改变调频机组的输出功率，补偿电网负荷的静态频率特性产生的功率变化，

使电网频率维持在额定值。调频器来调整。频率三次调整缓慢变化、变化幅度较大，由生产、生活、气象待变化引起。根据预测的负荷曲线，按最优化的原则对各发电厂、发电机组之间进行有功功率的经济分配。正因为绝大多数发电厂按调度计划发电，才使电网潮流计算中平衡节点外其他节点注入的功率确定，1.2汽轮机调节保护系统的任务与原则性组成任务高精度地控制机组的转速和功率输出，快速地响应电网的负荷扰动，满足优良供电品质要求，保障机组安全和优化寿命损耗，实现安全、经济运行。原理性组成为防止超速毁机，机组甩负荷时要求调节汽门在极短时间内全行程关闭；为有效切断汽轮机的蒸汽供给，还必须设置主汽门；此外，对低真空、低润滑油压、大胀差、高振动等危及机组安全的恶性故障，发生时必须快速停机。因此，汽轮机除设置调节系统外，还设置保护系统。调节保护系统全称为控制系统。调节部分控制调节汽门，保护部分控制主汽门，但在主汽门关闭时，保护系统信号作用于调节系统，使调节汽门同时关闭。系统组成转速感受、同步器(调频器)、液压执行机构、配汽机构、调节汽门(阀)、超速保护。因开启调节汽门和主汽门所需的提升力很大，且关闭速度要很快，故要求执行机构驱动力大、惯性小、动作速度快。只有液压装置能满足汽轮机控制的特殊要求。1.3汽轮机组的运行特性对自动控制的要求1.3.1转速控制单机运行时控制汽轮机的转速。全周进汽，均衡高压进汽部分的热应力。要求汽轮机控制系统在机组启动时能提供全周进汽控制功能。机组热态启动时，中压缸冲转升速，缩短提升再热蒸汽温度和启动时间。要求控制系统具有控制中压调门启动冲转、升速功能。机组启动时，优化暖机时间和升速率，合理控制离心应力和热应力，减小转子等部件在启动过程中的寿命损耗。要求控制系统能自动控制暖机时间和升速率及带负荷速率。自动并网(或同期)，要求汽轮机控制系统与电气控制协同，自动控制机组并网时的转速控制。1.3.2功率控制并网运行时控制机组的功率输出。参与电网AGC(自动发电控制)或ADS(自动调度系统)快速负荷响应，参与电网一次调频克服内扰，提高功率控制精度，保证供电品质。灵活的配汽组合方式，实现优化经济运行。机、炉协调运行，最大限度地控制主蒸汽参数波动。1.3.3安全控制冗余、多屏障安全防护系统，保障机组超速安全。全面的安全监测，全方位的安全设计，在各种危及机组安全事故发生时，可靠地保证机组安全停机。思考题1.电网的供电品质与汽轮机调节的关系？2.电网有功负荷的变化特征？频率调整过程？电网有功功率－频率调整对汽轮机控制系统设计提出什么要求？3.汽轮机调节系统的原则性组成及主要环节的作用？4.电网一次调频、二次调频在汽轮机控制系统上是如何实现的？5.中间再热机组与非再热机组参与电网一次调频时，存在的主要差别？如何提高再热机组的一次调频能力？1.3汽轮机功频调节原理1.3.1原理功(率)频(率)调节汽轮机的蒸汽来自于锅炉。当锅炉入炉燃料品质和量波动时，蒸汽的压力、温度随之变化。即使汽轮机的调门开度不变，机组出力也因此发生，将这种因锅炉运行因素变化引起机组功率输出改变的现象称为内扰。因此，为保证供电品质，汽轮机不仅根据电网频率进行调节，而且还应根据转速调节(按静态特性调节)、功频调节、功率调节汽轮机的蒸汽来自于锅炉。当锅炉入炉燃料品质和量波动时，蒸汽的压力、温度随之变化。即使汽轮机的调门开度不变，机组出力也因此发生，将这种因锅炉运行因素变化引起机组功率输出改变的现象称为内扰。因此，为保证供电品质，汽轮机不仅根据电网频率进行调节，而且还应根据功率进行调节，克服内扰影响。这样的调节称为功率频率调节，简称功频调节。另一方面，对中间再热机组，再热器容积产生的动态滞后，使机组一次调频能力下降。通过功率反馈控制，增强机组响应外界负荷扰动的能力。为抑制主蒸汽参数波动内扰对机组出力的影响，要求快速地检测蒸汽参数的变化。在汽轮机中，检测调节级后压力是最合适的。为克服再热器中间容积对机组功率输出的时滞影响，在机组负荷改变时，要求高压调节汽门过开或过关。故用发电机功率输出作为高压调节汽门过开或过关的控制信号最为恰当。1.4汽轮机一次调频与功频调节1.4.1调速系统静态特性与一次调频外界负荷波动时，第二章汽轮机数字电液控制系统2.1数字电液控制系统的组成数字电液控制系统DigitalElectro-HydraulicControlSystem,DEH-C。电子控制器计算机、混合数模卡件、接口和电源等。6个控制柜，用于给定、接受反馈、逻辑运算和发出指令等。操作系统操作盘、图像显示器和打印机等。EH供油系统EH高压油泵、油再生装置、冷油器电液伺服执行机构电液伺服阀、快速卸载阀、液压马达、位置反馈传感器保护系统OPC、AST电磁阀、隔膜阀HP:HighPressure高压缸IP:IntermediatePressure中压缸LP:LowPressure低压缸TV:ThrottleValve(高压)主汽门GV:GovernorValve调节汽门IV:InterceptorValve(中压)调节汽门SV:StopValve(中压)主汽门BR:Breaker主变压器开关IMP:ImpulsePressure调节级后压力AS:AutoSynch自动同步ATC:AutomaticTurbineControl汽轮机自动控制OPC:OverspeedProtectionControl超速保护控制OAC:OperatorAutomaticControl操作员自动控制ADS:AutomaticDispatchSystem自动调度系统AST:AutoStopTrip自动停机遮断TSI:TurbineSupervisoryInstrumentation

汽轮机监视仪表VCC:ValveControlCard阀门控制卡RC:RemoteControl远方控制ETS:EmergencyTripSystem危急遮断系统DPU:DistributedProcessUnit2.2数字电液控制系统的功能汽轮机自动控制ATC

通过状态监测，计算转子应力，在应力和寿命损耗允许前提下，以最大速率、最短时间，实现优化自动启动升速、带负荷。负荷自动调节操作员自动OA、远方控制RC，以及与ATC组成联合控制双机容错自动控制、一级手动和二级手动冗余控制串级或单级PI控制，在负荷大于10%时，可选择是否采用IMP反馈和发电机MW反馈控制。定、滑压控制，通过阀门管理实现经济优化运行。一次调频或基本负荷运行。设置负荷上、下限和变化速率。主蒸汽压力控制TC和快速减负荷Runback。自动保护超速保护3级超速保护，103%超速保护控制OPC，110%自动停机遮断(跳闸)AST，112%机械超速停机遮断。OPC关闭调节汽门，当转速降至103%以下时，系统自动复位，并稳定在3000rpm；OPC具有超速预警功能，在机组出力大于30%甩负荷时，在转子转速没有飞升时OPC即动作，防止超速；AST动作，在主汽门关闭时，通过单向阀使用调节汽门同时关闭。AST不具备自动复位功能。危急遮断ETS

除超速外，大振动、低真空、低润滑油压、低EH油压、高轴承温度、高高压缸排汽温度、推力轴承磨损及发电机、锅炉和其它辅助设备的联锁保护。手动脱扣

2.3数字电液控制系统的运行方式为确保DEH系统可靠运行，即使在计算机系统不能正常时也能有效控制机组运行，DEH-C设有4种运行方式，即二级手动、一级手动、操作员自动和汽轮机自动ATC，且紧邻的两种运行方式相互跟踪，并可做到无扰切换。二级手动最低级、备用运行方式，为模拟系统，在数字系统故障时，自动转入模拟系统。一级手动开环运行方式，运行人员在操作盘上设定调门开度，各按钮之间逻辑互锁，并具有OPC、TPC、RUNBACK和AST等功能。操作员自动OA

最基本的运行方式。在操作员给定值下实现转速、功率的闭环自动控制，并具有完整的保护功能。A、B双机冗余，相互跟踪和故障时自动切换。汽轮机自动AT

最高级运行方式。计算机根据监测到的汽轮机状态，按安全、寿命损耗最小、启动时间最短、经济性最好等控制策略，自动给定转速、功率及变化率，控制汽轮机的运行。2.4数字电液控制系统的工作原理2.4.1

转速控制

机组并网前的汽轮机启动转速控制。有2种启动方式：冷态不投旁路系统(BypassOff）、高压主汽门控制的高压缸冲转，热态投用旁路系统(BypassOn)、中压调节汽门控制的中压缸冲转。共同点：在机组转速升至并网转速前均切换到高压调节汽门控制的并网操作。设自动和手动2种操作方式，自动为闭环控制，手动为开环控制。冷态高压缸冲转启动高、中压缸同时进汽、冲转。冲转前0-2900rpm阀切换2900rpm2900-3000rpmTV全关控制控制→全开全开GV全关全开全开→控制控制IV全关全开全开全开热态中压缸冲转启动热态启动时，再热汽温相对较低，通过高压缸旁路直接引到再热器，加快再热汽温提升。冲转前0-2600rpm2600rpm阀切换2600－2900rpm2900rpm阀切换2900－3000rpm0-30%额定功率30%额定功率额定功率TV全关全关全关→控制控制控制→全开全开全开全开全开GV全关全开全开全开全开→控制控制控制控制全开IV全关控制控制→不变不变不变控制控制全开全开2.4.2

功率控制

DEH设置3个功率调节回路。外环转速反馈回路常规的调速系统回路。根据转速偏差，按调速系统静态特性设置调门开度。中环功率反馈回路由功率偏差调节调门开度，定功率和功－频调节。内环IMP反馈回路抗内扰。运行方式转速WS功率MW调节级压力IMP说明阀位控制OUTOUTOUT阀门位置给定控制定功率调节OUTINOUT功－频调节INININ一次调频纯转速调节INOUTOUT2.4.3

汽轮机自动控制ATC

ATC主要用于汽轮机启动、升负荷过程，内容较多，波及面较广，转子应力计算RSC是其中一项主要内容。因目前还没有成熟技术测量转子的应力，只能用调节级后温度来推算转子的温度，并由此估算转子内的温度场分布，进而求得转子内部的最大应力。升速率50～500rpm/min，分为10级，每级50rpm/min。

升速率根据温差控制，温差小于40℃，每3min增加一级升速等级。

温差大于40℃，每3min降低一级升速等级。在40℃左右时，升速保持不变。升负荷率1.395～13.95MW/min，分为10级。增、降升负荷率与升速率相同。第三章电液伺服系统3.1系统组成

EH供油系统、电液执行器、保护系统和试验模块EH供油系统向电液执行器提供符合压力要求和清洁度、酸度等品质要求的安全、可靠、稳定的液压油。由高压油泵、过滤器、再生装置、冷油器EH油箱、高压蓄能器、低压蓄能器等组成。电液执行器主汽门和调节汽门的执行调节器。有电液伺服阀和电磁阀2种控制方式，前者为位置连续调节，后者为开、关2种状态。保护系统“2取1”带电动作OPC电磁阀，“4取2”失电动作电磁阀，及试验回路。超速保护控制和自动停机遮断，前者用于超速预警和保护，后者用于事故工况下紧急停机。试验模块低润滑油压、低EH油压、推力轴承磨损、低真空等试验系统。油路系统

DEHIIIA型EH系统共设4种油管路，即高压供油管路、OPC保护油路或AST停机油路、低压回油油路和无压回油油路。前3种与电液执行器相连，保护系统的回油经无压回油油路直接排至主油箱。3.2电液执行器3.2.1电液位置伺服执行器作用电液位置伺服执行器驱动主汽门和调节汽门连续运动，产生符合机组负荷要求的主汽门及调节汽门开度。组成由电液伺服阀、油缸、快速卸载阀、滤网、隔离阀、单向(逆止)阀，以及位置反馈线性差动位移变送器等组成。电液伺服阀控制进入油缸的流量，由此控制油缸活塞的运动速度；油缸为动力输出；快速卸载阀用油缸的快速关闭，单向阀起到电液执行器与低压回油油路及OPC或AST油路的隔离作用，以便在机组运行中，在线维修和更换电液执行器部件。电液伺服阀电控制信号转变为液压控制信号，故俗称电液转换器。油缸活塞的位移是由进入油缸腔室的液压油的流量控制的，故称电液流量伺服阀。我国汽轮机电液控制系统中，美国Moog公司的电液伺服阀应用最多，故将电液伺服阀俗称为Moog阀。原理汽轮机电液控制系统所用电液伺服阀，主要由力矩马达、喷嘴－挡板和滑阀－套筒等三大部件组成。力矩马达将电流信号转变为挡板的旋转机械运动；喷嘴－档板作一级液压放大，由挡板两侧的泄油间隙控制滑阀两端腔室的油压，进而控制滑阀的位移，即控制滑阀油口的开度，也即控制通过滑阀油口的流量。反馈弹簧管的弹性力与滑阀两端所受的轴向液压力相平衡，从而在线圈电流与滑阀油口间建立起伺服控制关系。有2组线圈，可串、并联使用。电液伺服阀的性能参数

压力流量特性稳态时，负载流量与输入电流及负载压降的关系。额定电流产生额定流量所需输入的电流。额定流量在额定电流和规定的压降下所得到的流量。额定压力保证阀正常可靠工作的最大供油压力。中低压阀为14MPa，中压阀为21MPa，高压阀为31.5MPa。流量增益给定压降下，负载流量与输入电流的比。非线性度名义流量增益曲线与实际流量曲线的最大电流偏差，用额定电流的百分比表示。滞环由力矩马达的磁滞和滑阀游隙产生，流量曲线呈回环状。产生相同输出流量的最大电流差与额定电流的比，小于3%。分辨率使输出流量变化所需输入电流的最小改变值与额定电流的比。小于0.3%。零偏零位偏移。使阀处于零位所需输入电流值与额定电流的比。零漂零位漂移。因工作条件及环境的变化，引起零位变化，以额定电流的百分比表示。小于2%。内漏特性输出流量为零时，阀的回油口流出的流量。最大静耗流量一般小于10%额定流量。频率响应特性用输出流量与输入电流间的幅－频特性和相－频特性表示。频宽越大，动态响应越好，但过高的频响，会使系统受到高频干扰，造成部件磨损。阶跃响应输入电流阶跃变化时输出流量的响应的时域动态变化过程。快速卸载阀压力控制阀，在机组超速或紧急停机工况下，当OPC电磁阀或AST电磁阀动作、OPC或AST油压快速下跌后，快速泄放油缸活塞腔室的压力油，使油缸快速关闭。快速卸载阀是由导阀和滑阀两部分组成，杯状滑阀的底部与油缸压力油腔室相连，并通过杯状滑阀底部小孔与其顶部腔室相通，顶部与先导阀及逆止阀的控制滑阀顶部腔室的油压。正常工况下，逆止阀及先导阀遮断对应的控制油口，杯状滑阀上、下腔室的油压相等，油缸正常工作；在OPC或AST动作后，逆止阀后压力下降，逆止阀控制的油口开启，滑阀顶部油压快速下跌，滑阀上移，开启油缸活塞腔室的泄油口，活塞快速关闭。

OPC或AST复位、对应油路升压后，逆止阀复位，电液伺服阀方可控制油缸运动。调节先导阀的弹簧预紧力，可改变油缸活塞的最大开度。在机组运行中更换电液伺服系统部件时，可减小先导阀的弹簧紧力，关闭调节汽门。在机组正常运行时，一定要关闭先导阀，否则产生内漏，造成调门开度波动。线性位移差动变送器LVDT油缸活塞位移反馈传感器。电感式位移传感器。由传感器、振荡器、相敏检波等组成。振荡器产生的高频正弦波作用在初级线圈，在2个次级线圈上产生感应电动势，其大小取决于初、次级线圈间的互感。线圈中铁芯位置决定了2个次级线圈互感的大小。1个线圈的互感增大时，另1个的互感则减小。相敏检波电路将这2个同波形的差动高频信号变为直流信号。“凸轮特性”3.2.2中压调门电液伺服执行器

中压调门在30%负荷以上时全行程开启，为防止中压调门长期不动产生卡涩，故在电液伺服执行器回路中增设了活动试验电磁阀。活动试验电磁阀为三通阀，正常时压力油经该阀进入快速卸载阀的顶端，使快速卸载阀遮断复位。在试验电磁阀加电活动试验时，切断快速卸载阀的高压供油，并将快速卸载阀端部油室与回油油路相通，快速卸载阀动作，关闭中压调节汽门。在中压调节汽门活动试验时，为减小对高压供油系统的扰动，在试验电磁阀前加设节流孔。3.2.3主汽门执行器仅需开、关2种工作状态的主汽门，其液压执行器仅由快速卸载阀、活动试验电磁阀、油缸及隔离阀、逆止阀等3.3超速保护控制与自动停机遮断系统

在DEHIIIA中，设有超速保护控制OPC、自动停机遮断AST和机械超速遮断三道安全(超速)保护屏障。超速危急保安器的动作转速与复位转速3.4EH供油系统3.4.1系统组成

EH供油系统向电液伺服系统和保护系统提供动力油源。主要由2台高压油泵、1套抗燃油再生装置、若干个高压和低压蓄能器、2套冷却油器、757升的EH油箱等组成。3.4.2抗燃液压油的特性磷酸酯抗燃油与汽轮机油的性能比较基本物理化学性能ZR-881（中）FYRGUELEHC（美）OMTN（俄）L-TSA32（中，汽轮机油）密度，kg/m31.1541.1501.1700.8788运动粘度（40ºC），mm2/s32.5439.43628.8~35.2水分，%0.03000.0445<0.1无氯含量，mg/l1510

倾点，ºC-28-24-17<-7酸值，mgKOH/g0.00170.0