數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門管理和給定值邏輯優(yōu)化

周 策，楊大哲

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門管理和給定值邏輯優(yōu)化

周 策1，2，楊大哲2

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

分析了汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本控制功能，探討了汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥門管理和給定值部分控制邏輯，優(yōu)化了轉(zhuǎn)速控制邏輯、給定值邏輯、閥門非線性補(bǔ)償及重疊度邏輯中存在的問題，提高了汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的精確性和安全性。

汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)；閥門管理邏輯；給定值邏輯

0 引言

現(xiàn)代大中型汽輪機(jī)都在采用汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH（Digital Electric Hydraulic Control System）。DEH系統(tǒng)是基于電子計(jì)算機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有多數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和邏輯運(yùn)算及多目標(biāo)管理功能。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為整個(gè)汽輪機(jī)組的一個(gè)子系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在正常運(yùn)行中，由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障造成的負(fù)荷突變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)無法并網(wǎng)，帶不滿負(fù)荷等非正常情況時(shí)有發(fā)生。目前，國內(nèi)300MW及以上機(jī)組多采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而國產(chǎn)200MW機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)也正逐步改造為數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 DEH系統(tǒng)功能

DEH控制系統(tǒng)主要功能包括：掛閘，使汽輪機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)處于警戒狀態(tài)；建立汽輪機(jī)安全油壓，打開汽輪機(jī)中壓主汽門；轉(zhuǎn)速控制，控制汽輪機(jī)各汽閥開度，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并穩(wěn)定在3000r/min；同期；并網(wǎng)、自動(dòng)帶初負(fù)荷；負(fù)荷控制，分為閥門控制、功率控制和調(diào)節(jié)級(jí)壓力控制；協(xié)調(diào)控制；一次調(diào)頻；閥位限制；高、低負(fù)荷限制；主汽壓力限制；單/順閥控制，單閥方式（節(jié)流調(diào)節(jié)），葉片加熱均勻，應(yīng)力?。豁樞蜷y方式（噴嘴調(diào)節(jié)），節(jié)流損失小，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好；超速保護(hù)，轉(zhuǎn)速大于3090r/min時(shí)，超速保護(hù)控制OPC（Over-speed Protection Control）電磁閥動(dòng)作，甩負(fù)荷預(yù)感器，即中壓缸排汽壓力大于一定值或測(cè)點(diǎn)故障，發(fā)電機(jī)解列，OPC電磁閥動(dòng)作，功率負(fù)荷不平衡，當(dāng)電網(wǎng)輸電線路發(fā)生瞬間短路，使發(fā)電機(jī)功率突然降低（汽負(fù)荷大于電負(fù)荷30%）時(shí)，快關(guān)中調(diào)門1s，迅速降低汽輪機(jī)功率，防止超速；汽機(jī)試驗(yàn)，系統(tǒng)仿真，閥門活動(dòng)性試驗(yàn)，主汽門嚴(yán)密性、調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)，OPC試驗(yàn)，噴油試驗(yàn)，電超速、機(jī)械超速試驗(yàn)，甩負(fù)荷試驗(yàn)；汽機(jī)自啟停；轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算；啟動(dòng)條件檢查；汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，等等。

2 轉(zhuǎn)速控制邏輯優(yōu)化

某電廠300MW火力發(fā)電機(jī)組采用上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的亞臨界、單軸、中間再熱、雙缸雙排汽、空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)，其沖轉(zhuǎn)控制方式為：沖轉(zhuǎn)前，各汽閥狀態(tài)為高壓主汽閥關(guān)，高壓調(diào)閥開，中壓主汽閥開，中壓調(diào)閥關(guān)；0r/min到600r/min由中壓調(diào)閥控制，升速到600r/min延時(shí)120s轉(zhuǎn)為高壓主汽閥和中壓調(diào)閥聯(lián)合控制，升速到2700r/min延時(shí)240s，控制邏輯記憶此時(shí)中壓調(diào)閥開度，2700r/min到2900r/min時(shí)控制方式為高壓主汽閥控制，此時(shí)中壓調(diào)閥閥位控制方式為保持記憶閥位，并用再熱壓力修正此閥位，升速到2900r/min，高壓主汽閥和高壓調(diào)閥切換，高壓主汽閥全開，轉(zhuǎn)為高壓調(diào)閥控制，升速到額定轉(zhuǎn)速3000r/min。

在實(shí)際沖轉(zhuǎn)過程中，存在2900r/min時(shí)，高壓主汽閥和高壓調(diào)閥切換不成功的現(xiàn)象。2900r/min開始閥切換，高壓調(diào)閥全關(guān)后，轉(zhuǎn)速不下降，切閥失敗。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速控制邏輯在汽輪機(jī)2700r/min前，由高壓主汽閥和中壓調(diào)閥聯(lián)合控制轉(zhuǎn)速，高壓主汽閥閥位和中壓調(diào)閥閥位各由1套調(diào)節(jié)器控制，當(dāng)再熱器壓力較高時(shí)或者中壓調(diào)閥的流量特性曲線不是很準(zhǔn)確時(shí)，沖轉(zhuǎn)過程中可能會(huì)發(fā)生高壓缸和中壓缸進(jìn)汽流量不匹配的問題，中壓缸進(jìn)汽量過多，高壓缸進(jìn)汽量過少。即在沖轉(zhuǎn)過程中，主要是中壓缸在做功，高壓缸做功很少，所以當(dāng)高壓主汽閥和高壓調(diào)閥切換時(shí)，即使高壓調(diào)閥全關(guān)，高壓缸不進(jìn)汽，但因?yàn)楦邏焊鬃龉苌?，主要是中壓缸在做功，轉(zhuǎn)速也不會(huì)下降，導(dǎo)致了高壓主汽閥和高壓調(diào)閥切換失敗。

分析原因后修改邏輯，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到600r/min時(shí)，控制邏輯記憶此時(shí)的中壓調(diào)閥閥位，中壓調(diào)閥的調(diào)節(jié)器不再計(jì)算，汽輪機(jī)從600r/min升轉(zhuǎn)速到2700r/min的過程中，中壓調(diào)閥閥位的設(shè)定值為記憶閥位值再加上經(jīng)過再熱壓力修正后的高壓主汽閥的閥位，這樣就能防止中壓調(diào)閥開得過大，而高壓主汽閥開得過小，保證了高壓缸和中壓缸進(jìn)汽量的平衡。

3 并網(wǎng)給定值邏輯優(yōu)化

沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)時(shí)，汽輪機(jī)控制邏輯的目標(biāo)值和升降速率一般由運(yùn)行人員在操作員站手動(dòng)給出，目標(biāo)值經(jīng)過一系列高低值比較和速率限制后，得到邏輯的給定值。目標(biāo)值速率變化的方法采用“循環(huán)增量法”的辦法，在每個(gè)運(yùn)算周期中將經(jīng)過速率選擇目標(biāo)值的變化速率累加到給定值上。運(yùn)算周期是此頁邏輯所在控制器的“頁掃描周期”，對(duì)于每一個(gè)“頁掃描周期”，此控制器中所有的邏輯頁都會(huì)執(zhí)行一次計(jì)算。DEH系統(tǒng)的“頁掃描周期”一般取25～100ms，所以若轉(zhuǎn)速升速率為300r/min，頁掃描周期取100ms，即每秒此邏輯頁計(jì)算10次，則邏輯頁中累加值因?yàn)?00/（60×10）=0.5r/min。負(fù)荷指令給定值和轉(zhuǎn)速指令給定值，都是由此種算法得出[1]。

某電廠300MW火力發(fā)電機(jī)組采用的是上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的亞臨界、單軸、中間再熱、雙缸雙排汽、空冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)。在實(shí)際并網(wǎng)過程中，出現(xiàn)剛并網(wǎng)時(shí)，閥位設(shè)定值很大導(dǎo)致高調(diào)門全開的現(xiàn)象，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。經(jīng)分析，機(jī)組并網(wǎng)后閥位指令的初始設(shè)定值為并網(wǎng)時(shí)的實(shí)際閥位值再加上一個(gè)由并網(wǎng)時(shí)的主汽壓力折算出的并網(wǎng)機(jī)組帶初始負(fù)荷值所需的閥位值。此初始負(fù)荷閥位值由一個(gè)并網(wǎng)脈沖疊加到并網(wǎng)時(shí)的實(shí)際閥位值上。原邏輯中，此脈沖時(shí)間過長，導(dǎo)致在并網(wǎng)時(shí)，初始負(fù)荷閥位值反復(fù)累加在實(shí)際閥位值上，導(dǎo)致閥位給定值變得很大，甚至?xí)垢哒{(diào)門全開。如果此脈沖時(shí)間為1s，而頁掃描周期為100ms，則初始負(fù)荷閥位值會(huì)在此時(shí)的實(shí)際閥位值上累加10次。發(fā)現(xiàn)問題后，修改此脈沖時(shí)間，把此脈沖時(shí)間修改為大于一個(gè)頁面掃描周期，小于兩個(gè)頁面掃描周期，以保證初始負(fù)荷閥位值不會(huì)在實(shí)際閥位值上疊加多次，也不會(huì)因?yàn)槊}沖時(shí)間太短，錯(cuò)過邏輯頁的計(jì)算，使初始負(fù)荷閥位值無法加到實(shí)際閥位值上。此機(jī)組DEH頁掃描周期為100ms，修改脈沖時(shí)間為150ms，修改后，機(jī)組再并網(wǎng)時(shí)，閥位設(shè)定值正常，機(jī)組并網(wǎng)后的初始負(fù)荷值符合要求，問題得到了解決。

4 閥門非線性補(bǔ)償及重疊度邏輯優(yōu)化

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的升程流量特性無例外的是非線性的，而信號(hào)與調(diào)節(jié)閥的升程關(guān)系是線性的，這樣必然導(dǎo)致機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是非線性的。非線性靜態(tài)特性不能保證機(jī)組良好的調(diào)節(jié)特性，因此，在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往通過非線性補(bǔ)償?shù)姆绞綄⒄{(diào)節(jié)閥特性線性化。然而，非線性補(bǔ)償后，有些機(jī)組由于補(bǔ)償特性不合理，導(dǎo)致系統(tǒng)擺動(dòng)，機(jī)組的正常運(yùn)行受到很大的影響[2]。

噴嘴調(diào)節(jié)式汽輪機(jī)一般有4個(gè)或更多個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥分別控制各自的噴嘴組。調(diào)節(jié)閥按一定的順序和一定的相鄰閥門重疊度開啟，稱之為順序閥運(yùn)行方式。重疊度是指兩個(gè)相鄰閥門開度的重疊程度，以相對(duì)開度表示。重疊度最小曲線的各閥重疊度為零，它的調(diào)節(jié)級(jí)效率最高，但流量特性最差，會(huì)引起機(jī)組在某些負(fù)荷不穩(wěn)定。重疊度最大曲線的流量特性的線性度最好，但調(diào)節(jié)級(jí)效率最低。重疊度適中的曲線的流量特性線性度較好，調(diào)節(jié)級(jí)效率也較高[3]。

某廠600MW機(jī)組汽輪機(jī)采用的為東方汽輪機(jī)有限公司超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、空冷凝汽式汽輪機(jī)。其調(diào)節(jié)閥開啟順序?yàn)楦邏赫{(diào)閥1和3—高壓調(diào)閥2—高壓調(diào)閥4。在汽輪機(jī)升負(fù)荷過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥位總指令達(dá)到8 7%左右時(shí)，機(jī)組負(fù)荷會(huì)突然向下波動(dòng)，影響了機(jī)組投入?yún)f(xié)調(diào)控制時(shí)的控制精度。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥位總指令到達(dá)8 7%時(shí)，高壓調(diào)閥4的閥位指令會(huì)從9%變?yōu)?%，這導(dǎo)致了負(fù)荷的波動(dòng)。高壓調(diào)閥4的閥位指令這樣設(shè)計(jì)是為了在機(jī)組的常用負(fù)荷段，盡可能減小調(diào)節(jié)閥門的重疊度，從而增加機(jī)組的調(diào)節(jié)級(jí)效率。同時(shí)，也是為了保證汽機(jī)的閥位指令和汽機(jī)調(diào)節(jié)閥流量之間的線性關(guān)系。但實(shí)際表明，機(jī)組的補(bǔ)償特性和重疊度設(shè)計(jì)得不合理。高壓調(diào)閥4在閥位指令87%左右時(shí)重疊度設(shè)計(jì)得過小，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組調(diào)閥的整體補(bǔ)償特性不合理，造成機(jī)組的負(fù)荷擺動(dòng)。

經(jīng)過試驗(yàn)，重新設(shè)計(jì)了高壓調(diào)閥4的流量特性曲線，當(dāng)閥位總指令到達(dá)87%時(shí)，高壓調(diào)閥4的閥位指令設(shè)為9.9%，減小了高壓調(diào)閥4指令的突然波動(dòng)，盡量使其平滑變化。此閥位指令值兼顧了機(jī)組的調(diào)節(jié)級(jí)效率和機(jī)組調(diào)閥的整體補(bǔ)償特性。修正后，在機(jī)組升降負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制平穩(wěn)，閥位總指令到達(dá)87%時(shí)負(fù)荷擺動(dòng)情況得到解決。

5 結(jié)束語

汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)做為火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，其控制邏輯從汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)，到機(jī)組帶負(fù)荷、升負(fù)荷的過程中都具有很強(qiáng)的針對(duì)性。汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥特性曲線要與調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量特性相符合，調(diào)節(jié)閥控制方式要適應(yīng)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，控制邏輯的掃描周期和計(jì)算時(shí)間也要匹配，這些方面控制邏輯設(shè)計(jì)正確，才能保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 周珂珂，谷俊杰.DEH給定值處理邏輯和閥門管理系統(tǒng)［J］.電力科學(xué)與工程，2006（3）:80-83.

［2］ 戴義平，馬慶中，趙婷，等.調(diào)節(jié)閥特性非線性補(bǔ)償對(duì)動(dòng)態(tài)特性影響的仿真研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006（2）:116-118.

［3］ 王曉峰，高春升.600MW汽輪機(jī)的閥門管理與調(diào)節(jié)級(jí)特性［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2003（2）:122-123.

Optimization of DEH Valve Management and Given Value Logic

ZHOU Ce1，2，YANG Da-zhe2
（1.Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi030024，China；
2.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi030001，China）

In this paper，the basic function of digital electric hydraulic control system is presented.The valve management logic and given value control logic of the digital electric hydraulic control system is explored.The problems of speed control logic，given value logic，valve non-linear compensation logic and overlap logic are solved so that the accuracy and security of the digital electric hydraulic control system are enhanced.

turbine digital electro-hydraulic control system （DEH）；valve management logic；given value logic

TK263.72

A

1671-0320（2012）05-0049-03

2012-06-12，

2012-07-11

周 策（1981-），男，山西太原人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工程碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡姀S熱工自動(dòng)化技術(shù)；

楊大哲（1983-），男，河南南陽人，2009年畢業(yè)于山東大學(xué)熱能工程專業(yè)，碩士，助理工程師，從事電力信息化工作。