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第1章 数字电液控制系统 1.1 概述汽轮机的启动运行及安全保护是通过汽轮机控制系统实现的，作为汽轮机的脑袋，控制系统是汽轮机不可分割的一部分。 汽轮机的控制系统是从单纯的调节系统发展起来的，早期的液压调节系统，由主油泵提供整个系统的动力油和控制油，与润滑油系统共用一个供油系统，启动是靠人工操纵主汽门来控制汽轮机转速。在升速过程中，整个控制过程处于开环运行状态，由人工监视控制。当转速达到一定转速时，旋转阻尼感受到转速信号，产生一次油压反馈信号，再通过放大器放大为二次油压，控制油动机驱动进汽调节阀进一步提升转速，以达到同步、并网、带负荷，从而完成整个汽轮机的控制过程。 由于控制信号和反馈信号都是由机械或液压部件产生，在信号的产生和执行过程中，这些部件难免存在着摩擦迟缓，以至准确性差，迟缓率大，造成控制精度不高，不可避免地影响汽轮机控制性能。同时缺少合适的控制接口，很难使机组满足整个系统的协调控制要求，阻碍了控制系统自动化程度的进一步提高。 为了使汽轮机能更准确、更协调、更安全、更可靠地实现控制，使电厂用户能更方便、更灵活地使用和维护，同时为提高整台机组的控制水平，与世界接轨，增强产品的竞争力，汽轮机控制系统的发展也应与世俱进。随着科学技术的发展，国内汽轮机控制系统经过电子管、晶体管、模拟电路几个阶段的发展，通过二代人的努力，已具备实现数字控制的能力。 80年代初，引进国外先进技术，通过不断地消化和实践，使我们的设计技术和生产制造能力有了质的飞跃。以引进技术为借鉴，一种以数字技术为基础的电液控制系统控制汽轮机的愿望得以实现。数字式电液控制系统，简称DEH，它将现场的信号转化成数字信号，代替原有机械液压信号。通过计算机的运算，控制汽轮机的运行，使运行人员可以通过DEH来完成对汽轮机的控制和监视。 1.2 调节保安系统 调节保安系统由调节系统和保安系统组成。调节系统是汽轮机控制的主要环节，全面控制汽轮机的启停、升速、带负荷及电厂的协调控制，采集各种汽轮机的运行信息，显示汽轮机的运行状态；保安系统是汽轮机保护的重要部分，它全方位监视汽轮机的各个危害安全运行的参数，保护汽轮机安全可靠的运行。 每个系统都是由电气部分和液压部分组成。 1.2.1 调节系统 1.2.1.1 电气部分 数字式电液控制系统（DEH）是电气部分中最主要组成部分，也是整个调节系统中的大脑，它把所有汽轮机的运行参数都收集起来，经过逻辑判断、数据计算处理，最后发出控制指令。DEH主要由操作站、工程师站、控制处理器、I/O输入输出模件、阀位驱动卡、电源组件、通讯接口等电子硬件组成。（图1-1、DEH硬件配置图），由于电子产品生产厂家较多，使得DEH的硬件类型也较多，目前，已投入使用的DEH有西屋公司的WDPF II、FOXBORO公司的I/A’S，MOORE公司的APACS、ABB公司的INFI90、WOODWARD公司505等电子产品。 1.2.1.1.1 电调控制系统（DEH）简述 DEH通过现场一次仪表的数据采集，如磁阻发送器采集汽轮机转速，压力开关采集压力信号、行程发送器采集油动机的升程，热电阻、热电偶采集温度等，把大量的汽轮机信息传输到计算机的微处理器。应用比例积分闭环控制，对调门开度进行调节，使汽轮机的转速和负荷根据要求进行可靠准确地控制。运行人员可以通过DEH的显示器控制和监视汽轮机的运行。 DEH系统的硬件可分为：分散型处理单元（DPU）即“控制处理器”和操作员/工程师站。 每个DPU可以独立于高速公路。随机存储器内含DPU的应用软件，DPU中的应用软件是以控制算法的形式编制，类似于功能框图，且安全透明，这种程序使控制工程师能够很方便地修改程序以满足不同的要求。操作员站作为操作员和系统之间的主要接口，通过标准键盘和鼠标器来控制，并能在CRT上获得运行数据和信息，在系统出现报警时可把报警数据和信息打印记录下来。 操作员/工程师站用来装载各种支持系统的数据库文件以及高速公路上各站的图表。电厂工作人员可以获得所用应用程序操作控制汽轮机，并拷贝在软、硬盘上存储起来，必要时可按需要对程序修改或删除，同样用户图形也可以修改、删除或按需建立新图。 我公司可根据不同类型的硬件和系统软件，开发设计适用于汽轮机控制的应用软件。 1.2.1.1.2 DEH控制系统原理 DEH控制系统主要由汽轮机状态控制回路、转速控制回路、功率控制回路、主汽压限制回路、抽汽控制回路（仅抽汽机组有）等组成。 1.2.1.1.2.1 汽轮机状态控制回路 汽轮机状态控制回路是对汽轮机状态进行控制和监测，完成汽轮机冲转前准备工作及机组停机的操作。同时监视汽轮机的各种运行参数。 1.2.1.1.2.2 转速控制回路 运行人员通过运行人员站的操作键盘和显示器（CRT）设定目标转速进行冲转、升速。转速控制回路由磁阻发送器探测汽轮机转速信号，并反馈到DEH，经PID无差调节控制汽轮机的转速。当机组达到临界转速区域时，DEH使机组快速通过，并拒绝一切停留信号；转速升到同期转速区域时，可接受电气同期信号，完成机组的并网带负荷。 1.2.1.1.2.3 功率控制回路 机组并网后，自动带3-5%额定功率的初负荷，以防止逆功率运行，运行人员通过操作键盘和CRT设定目标值，由功率变送器反馈实际功率，经功率控制回路中的PID调节控制汽轮机的负荷，直至满负荷，也可接受CCS信号控制汽轮机的负荷，实现机炉协调控制。 1.2.1.1.2.4 主汽压限制回路（选择功能） 机组并网后，由于外部原因引起主蒸汽压力下降，一旦主蒸汽压力低于限制值时，DEH控制系统可切换到主汽压限制回路，维持最低主蒸汽压力。 1.2.1.1.2.5 抽汽控制回路（抽汽机组有此功能） 在机组带一定的电负荷后，可投入抽汽压力控制回路，进行抽汽工况运行，根据压力变送器的反馈信号及负荷控制信号自动完成抽汽压力控制，或接受电厂协调控制系统的指令，协调控制热负荷。机组带了热负荷后，此时电负荷的变化，除了控制高压调节汽阀外，还控制抽汽调节阀，两者的关系根据热力计算获得，使电负荷的变化对热负荷变化影响减少到最小。同样，当热负荷变化时，除了控制抽汽调节阀外，还控制高压调节阀，两者关系根据热力计算获得，使热负荷变化对电负荷的影响减少到最小。 1.2.1.1.3 DEH的功能 汽轮机DEH调节系统可由运行人员通过操作员站的键盘和CRT在各操作画面上控制汽轮机的冲转、升速、并网、带负荷、DEH，至少具有以下功能： 1.2.1.1.3.1 DEH的功能 汽轮机DEH调节系统可由操作员站通过CRT各画面控制汽轮机冲转、升速、并网、带负荷，具有两种互为跟踪的运行方式，即自动和手动相互无扰动切换的两种运行方式。数字电液调节装置至少具有以下功能。 1.2.1.1.3.2 汽机状态控制 运行人员通过DEH操作画面发出指令信号，对汽轮机冲转前的状态进行操作和监视，控制复位电磁阀，进行遥控复置汽轮机，建立安全油，同时检测汽轮机冲转前各重要参数。 1.2.1.1.3.3 转速控制 完成从盘车转速到同期转速或超速试验转速的全程闭环控制。在升速过程中，汽机转速按预先给定的目标转速的升速率由盘车转速升至同步转速。具有大范围的转速控制功能。 1.2.1.1.3.4 启动升速 按运行人员选定的启动方式可以依次改变目标转速及升速率，还可以选定预定的升速曲线，只需操作一次就可完成由盘车转速开始冲转，低速暖机，快速通过临界转速区，中速暖机，3000rpm定速。 1.2.1.1.3.5 同期 机组在3000rpm定速后，由运行人员通过DEH操作画面切换到自动同步控制，接受电气“自动准同期”装置增/减信号，控制汽轮机的转速，完成机组并网带负荷。 1.2.1.1.3.6 超速试验 超速试验是在DEH控制下，设定目标转速，控制汽轮机的转速，进行电超速保护试验和机械保护试验。 1.2.1.1.3.7 超速保护功能 DEH具有OPC超速保护控制功能。当转速达到103%额定转速时，OPC动作，快速关闭所有调门，防止汽轮机超速，DEH系统在转速降低后，再自动将调门重新开启，维持汽轮机在同步转速下空转，然后重新并网。当转速超过停机值（110%额定转速）时，发出跳机信号，迅速关闭所有主汽门和调门。 1.2.1.1.3.8 全自动起动控制（ATC） 根据汽轮机的有关温度状态，按汽轮机的冷、热态情况，实现ATC控制，使汽轮机按预定的启动程序自动完成由盘车转速到同期转速的控制。或根据转子热应力计算，确定目标转速和升速率，完成汽轮机的启动控制。 1.2.1.1.3.9 负荷控制 DEH实现机组3000r/min定速，同期并网后，可预先设定机组的目标负荷及升负荷率进行控制，对机组的负荷进行闭环控制。 1.2.1.1.3.10 自动带初负荷及负荷限制 机组并网后，DEH自动带初负荷以防止逆功率运行，并且有负荷限制功能，在电网要求升高或降低负荷时，DEH负荷控制能够打开或关闭调节汽阀，并有功率限制，防止发电机超负荷。 1.2.1.1.3.11 自动调节电负荷 DEH按运行人员给定的目标值及负荷变化率自动调节机组的电负荷，直到满负荷。并可随时调节机组的负荷，以满足电网的负荷要求，提高机组的调峰性能。 1.2.1.1.3.12 一次调频功能 接受网控频差信号，调节汽轮机的负荷，参与一次调频。 1.2.1.1.3.13 遥控 DEH负荷控制可在遥控方式下，接受CCS 的4-20mA指令信号，控制汽轮机负荷，实现机炉协调控制。 1.2.1.1.3.14 阀门管理（高压抗燃油系统） 在启动阶段，以单阀方式运行，也即四个调节汽阀同步开启，二个再热调节汽阀同步开启，这样可以使转子、汽缸受热均匀，便于均匀热涨。在带了一定的负荷后，可以切换到顺序阀运行，这样，根据负荷大小可以使四个调节汽阀中的二个或三个全开，只有一个在节流，因此减少了阀门的节流损失，提高效率，同时全开的阀门受到汽流的冲击也减少，提高了阀门的寿命。 1.2.1.1.3.15 阀门试验 为确保机组安全运行，监测各执行机构和阀门的灵活性，防止卡涩现象发生，运行人员可定期进行各进汽阀门的在线活动试验。 1.2.1.1.3.16 手动/自动控制 DEH控制系统设计有手动和自动两种控制方式，汽轮机运行以自动控制方式为主，手动控制方式作为备用，手、自动控制方式之间互为跟踪。一旦自动控制方式出现故障，如：冗余DPU或转速通道有二路以上等发生故障，DEH自动无扰地切换到手动控制方式，由运行人员手动直接控制调门，自动控制恢复正常后，可无扰地从手动控制切换回自动控制。 1.2.1.1.3.17 数据显示及报警打印 根据需要显示汽轮机的运行参数，及时反映汽机运行状态。一旦出现报警信号，可以通过打印机记录事故状况。 1.2.1.1.3.18 模拟仿真 根据机组的运行特征，模拟汽轮机的转速、功率，使电调控制系统形成闭环控制，对控制系统的控制原理、逻辑、组态、画面操作进行静态试验，检查整个控制系统的完整性，同时实现电液与液压系统的静态联调。 1.2.1.1.4 DEH的硬件配置 DEH系统由操作员/工程师站、控制处理器（DPU）、I/O卡、电源、功放卡、系统通讯接口等组成，通过网络联为一体。 1.2.1.1.4.1 操作员/工程师站 操作员/工程师站可使运行人员通过键盘或鼠标、CRT操作完成对汽轮机的控制和监视，操作简便、易于掌握。作为操作员/工程师站可利用已经组态好的图形软件，对汽轮机进行控制和监视操作，修改应用软件，也可完成系统组态、网络应用软件下载、系统初始化、系统状态监视、在线修改等功能。如电调控制系统采用的硬件与DCS控制系统的硬件相同，操作员/工程师站可与DCS共享。操作员/工程师站的配置： 20” CRT 1台 主机（Pentium 166MHz，16M RAM，1.0GHD 1.44MFD, Mouse, 标准键盘） 1套 网络接口卡 1套 打印机 1台 1.2.1.1.4.2 控制处理机（DPU） 控制处理机（DPU）为冗余配置，两台DPU互为备用，是整个控制系统的中心。处理器为80846，具有处理速度快，能够快速响应各种事件，准确地完成PID运算、网络通讯、位总线（BITBUS）通讯、逻辑运算、数据处理等功能。 它具有两种存贮器。一种是失电后能永久保存数据的存贮器，但其写入数据的时间较长，故它主要存贮DPU运行程序和相关的不变的数据。另一种装有后备电池的静态存贮器，主要存放组态信息和动态数据等。 1.2.1.1.4.3 I/O卡 模拟量输入/输出卡 热电偶/热电阻输入卡 开关量输入输出卡 功放卡/伺服卡 1.2.1.1.4.4 电源 1.2.1.1.4.5 系统通讯接口 1.2.1.1.5 DEH控制系统的指标性能 DEH控制系统指标性能 l 速度控制范围0～3400r/min l 负荷控制范围0～115% l 转速不等率3～6%可调 l 系统迟缓率：调速系统<0.06% l 转速控制精度：±1r/min l 负荷控制精度：±1MW l 转速保护回路时间≤20ms，转速控制回路时间50ms，DEH装置运行环境0～50℃，装置安装在机房内。 1.2.1.2 液压部分 液压部分是汽轮机控制的执行机构，它主要由电液转换器（或MOOG阀）和油动机组成。根据机组容量的大小，液压动力油采用不同的形式。小机组动力油一般采用与润滑油相同的油源，低压透平油，减少不必要的辅助设备，大机组一般125MW以上机组，采用高压抗燃油。 1.2.1.2.1 电液转换器 电液转换器是把电气信号转化液压信号的重要部件。它接受DEH发出的控制信号，通过信号转换，输出控制油压。 1.2.1.2.2 EH供油系统（仅高压抗燃油系统） EH供油系统（见图2-1 EH供油系统原理图）向高压抗燃油油动机提供动力油源，供油压力为14MPa，工作油液为三芳基磷酸脂（俗称抗燃油），为保证供油的可靠性，供油系统采用双通道，互为备用，有各自独立的油泵、电动机、滤器组件、流量计等，工作泵与备用泵之间设有电气及油压联锁。 EH供油系统是组合式结构，由油箱、油泵、过滤器、蓄能器、冷油器、再生装置、不锈钢油管路、各种阀门及端子箱等基本部件以及用来监控供油系统运行工况的就地仪表，控制设备组成。 考虑到保证高压抗燃油的油质洁净，油箱采用不锈钢材质（见图2-5 EH油箱）。 油再生装置是一种用来储存吸附剂和使油得到再生（保持中性，去除水份等）的装置，一般由精密过滤器（波纹纤维过滤器）和硅藻土过滤器串联构成。 在EH油系统中提供蓄能器作为缓冲装置，以改善执行机构的动态特性，并在供油泵发生故障时提供紧急操作所需压力油。 1.2.1.2.3 油动机 油动机是根据控制油压的变化，不断改变行程，达到控制调节门的开度，使汽轮机按照DEH的指令运行（见图2-4 油动机原理图）。 根据油动机所控制的进汽门的功能，决定所配的油动机的形式，即调节型和开关型两种，调节型油动机能将汽阀控制在任意位置上，成比例地调节进汽量以适应负荷需要，开关型油动机只能将汽阀控制在全开或全关位置（见图2-11，2-14，2-15，2-16油动机）。 1.2.2 保安系统 保安系统由监测仪表（TSI）和危急遮断系统（ETS）两部分组成。 1.2.2.1 电气部分 1.2.2.1.1 监测仪表（TSI） 汽轮机监测仪表（TSI）是一种可靠的多通道监测仪表，能连续不断地测量汽轮机发电机组转子和汽缸的机械运行参数，显示机器的运行状况，提供输出信号给记录仪，并在超过设定的运行极限时发出报警。另外，还能使汽机自动停机以及提供可用于故障诊断的测量。 汽轮机监测仪表（TSI）监测的主要内容有：汽轮发电机组所有轴承的振动、转子推力盘相对于推力轴承支承面的相对轴向位移（轴位移）、转子相对于静止部件的相对膨胀（差胀），用于啮合盘车齿轮的零转速指示、偏心等。 TSI由探头、预制电缆、前置器和数据处理模块组成，主要生产厂家有美国本特利公司，荷兰飞利浦公司、日本新川公司、美国恩坦克公司及国产仪表。 1.2.2.1.2 危急遮断控制系统（ETS） 危急遮断控制系统（ETS）是保护汽轮机正常运行的保护设备，它选用可靠的硬件设备，根据汽轮机运行规范设计其控制原理。一旦发生紧急情况，迅速使汽轮机停机，保护设备安全。 ETS的功能有：超速保护功能、轴向位移大保护功能、润滑油压低保护功能、轴承振动大保护、真空低保护功能等等。为了使汽轮机运行与整个工厂系统的正常运行相适应，设计有遥控保护接口，它接受汽轮机以外因素引起的需汽轮机紧急停机的信号。 ETS由控制柜、操作面板、预制电缆、供电电源、控制元器件等组成，目前我们采用西门子公司、欧姆龙公司、莫迪康公司生产的PLC电子元器作为ETS的主要组成部分。 1.2.2.2 液压部分 危急遮断及复位装置、危急遮断器、危急遮断油门、电磁阀、喷油试验装置等机械部套组成液压保护系统。 1.2.2.2.1 危急遮断及复位装置 危急遮断及复位装置主要作用是：在紧急时，手动停机；在启动时，手动复位，建立安全油。 1.2.2.2.2 危急遮断器和危急遮断油门 危急遮断器和危急遮断油门在汽轮机转速达到3000±50r/min时，在离心力作用下，危急遮断器上的飞锤快速出击，撞击危急遮断油门，使安全油迅速泄放，关闭所有进汽门。 1.2.2.2.3 电磁阀 电磁阀接受电气控制信号，进行遥控汽轮机的复置及停机。 1.2.2.2.4 喷油试验装置 喷油试验装置可在低转速下检查危急遮断器是否工作正常。 1.2.2.2.5 危急遮断控制块（仅高压抗燃油系统） 危急遮断控制块是由OPC电磁阀及AST电磁阀组成，接收DEH或ETS停机信号，使进汽门迅速关闭（见图2-18 危急遮断控制块OPC、AST电磁阀）。 1.2.2.2.6 隔膜阀（仅高压抗燃油系统） 隔膜阀提供危急遮断器及手动遮断接口，将危急遮断器动作及现场手动遮断信号传递到各阀门油动机，使其快速关闭，它是低压透平油与高压抗燃油之间的信号转化装置（见图2-22 隔膜阀）。 |
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