大型超超臨界二次再熱汽輪機(jī)組超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)動態(tài)特性分析

李慶，劉炯，劉宏兵，邵毅，陳林（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

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大型超超臨界二次再熱汽輪機(jī)組超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)動態(tài)特性分析

李慶，劉炯，劉宏兵，邵毅，陳林
（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

摘要：超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)是二次再熱汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，其動態(tài)性能的好壞直接影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的控制，一次調(diào)頻，OPC超速控制等工況的控制效果，進(jìn)而影響整個汽輪機(jī)組的性能和安全性。文章通過相關(guān)仿真軟件對超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)動態(tài)性能進(jìn)行分析，可看出該超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)具有較高的動態(tài)性能，可滿足大型超超臨界二次再熱汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)要求。并對以后類似機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：二次再熱，汽輪機(jī)組，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)，動態(tài)特性

0 引言

隨著國家電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及國家發(fā)展改革委對能源、污染排放等措施的出臺，一些常規(guī)高能耗的火電廠將逐步被關(guān)停，同時將新建一批高效、大容量、低排放或者零排放的燃煤電廠。因此，高效大型超超臨界火電機(jī)組的研發(fā)是當(dāng)今發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)的重點(diǎn)，也是每一個企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向。在此背景下東方電氣成功開發(fā)出了大型超超臨界、二次中間再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)組，并成功應(yīng)用于華能安源電廠。

該汽輪機(jī)組與常規(guī)一次再熱汽輪機(jī)組的區(qū)別是增加了一個超高壓缸，在整個汽輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中起決定作用的閥門為超高壓調(diào)節(jié)閥，所以超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)性能的好壞直接影響和決定了該機(jī)組的整體性能。

1 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)簡介

1.1 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)組成

該機(jī)組的超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)主要由超高壓調(diào)節(jié)閥操縱座和超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)組成。超高壓調(diào)節(jié)閥操縱座主要作用是固定預(yù)壓縮的組合彈簧，該操縱座中組合彈簧的預(yù)壓縮力在超高壓閥門的各個行程位均大于蒸汽關(guān)閉力；超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)主要由液壓缸、壓力控制閥、卸荷閥、電液伺服閥、電磁閥和位移傳感器（LVDT）等組成，該油動機(jī)是單作用推缸油動機(jī)，其無桿腔為工作腔。

1.2 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)工作原理

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)原理如圖1所示。通過原理圖可知，該超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)是一個電液伺服控制系統(tǒng)通過伺服閥接受閥位指令信號來控制油動機(jī)運(yùn)動并和位移傳感器（LVDT）檢測到的位置信號做反饋；來控制超高壓調(diào)節(jié)閥閥位開度進(jìn)而控制汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和執(zhí)行一次調(diào)頻指令。

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)的工作原理如下：在電磁閥處于失電狀態(tài)下，壓力油經(jīng)過一個節(jié)流孔后形成超速限制（OPC）油，使處于油動機(jī)底部的盤式卸荷閥關(guān)閉，此時超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)工作準(zhǔn)備就緒；當(dāng)DEH系統(tǒng)發(fā)出超高壓調(diào)節(jié)閥閥門開啟指令時，控制信號作用在伺服閥上將汽輪機(jī)抗燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力油引入超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)工作腔，超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)活塞在該壓力油的作用下克服彈簧力和蒸汽力使超高壓調(diào)節(jié)閥閥門開啟，位移傳感器（LVDT）將其實(shí)時行程信號反饋給控制系統(tǒng)；當(dāng)DEH系統(tǒng)發(fā)出超高壓調(diào)節(jié)閥閥門關(guān)小指令時，控制信號作用在伺服閥上將超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)工作腔接通排油，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)在彈簧力和蒸汽力作用下使閥門關(guān)小，并實(shí)時通過位移傳感器將其行程信號反饋給控制系統(tǒng)。當(dāng)超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)開啟或關(guān)小到DEH系統(tǒng)指令給定位置時，控制系統(tǒng)指令信號與位移傳感器（LVDT）反饋信號偏差為零，此時伺服閥處于中位，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)則停留在DEH系統(tǒng)指令給定位置上。

在汽輪機(jī)某些工況下，如當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103%即OPC超速時，則需要快速關(guān)閉包括超高壓調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的所有調(diào)節(jié)閥門阻止蒸汽進(jìn)入以達(dá)到快速降低轉(zhuǎn)速的目的，如通過控制伺服閥進(jìn)行排油根本無法滿足快速關(guān)閉閥門要求，此時超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)油動機(jī)的工作腔通過卸荷閥接通排油，OPC超速信號使超調(diào)節(jié)閥油動機(jī)上的電磁閥線圈帶電，使超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)內(nèi)部的超速限制油接通排油，此時超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)底部的盤式卸荷閥開啟，油動機(jī)工作腔中的油液在彈簧力和蒸汽力作用下通過油動機(jī)底部的盤式卸荷閥快速排出，進(jìn)而使超高壓調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉，總關(guān)閉時間小于0.3 s設(shè)計(jì)值。同時通過該超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)具有相對獨(dú)立性。即超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)上的電磁閥線圈帶電可完成單個閥門的快速關(guān)閉試驗(yàn)，且不會對汽輪機(jī)組上的其他閥門操縱機(jī)構(gòu)造成任何影響。

圖1　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)原理圖

2 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真模型建立

2.1 電液伺服閥工作原理

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)采用的是流量控制電液伺服閥（如圖2所示），主要由一級電力矩馬達(dá)和兩級液壓放大及機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)組成。繞有冗余線圈的電力矩馬達(dá)受力旋轉(zhuǎn)，帶動與之相連的擋板轉(zhuǎn)動，擋板的位移使其兩側(cè)的噴嘴泄油面積發(fā)生變化，引起與噴嘴相通的滑閥兩端受力不平衡產(chǎn)生位移將油動機(jī)活塞油口接通供油口或泄油口，從而開大或關(guān)小閥門；同時滑閥由于移動與其相連的擋板向反方向運(yùn)動進(jìn)行機(jī)械反饋。另外，用于測量閥門行程的LVDT將閥門位置信號反饋給HSS去平衡閥位指令，平衡時，電力矩馬達(dá)電流接近零，擋板重新回到中間位置。

圖2　電液伺服閥簡圖

2.2 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)分析

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)主要由超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)和超高壓調(diào)節(jié)閥操縱座組成。超高壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)可簡化成一個由四通零遮蓋伺服閥控制的單作用液壓缸，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱座是一個典型的彈性負(fù)載機(jī)構(gòu)，所以超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)的受力簡圖見圖3。

圖3　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)受力簡圖

利用某種基于物理模型建模仿真軟件建立超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。在模型中僅對伺服閥、油動機(jī)和操縱座進(jìn)行建模，如圖4所示。

圖4　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)簡化仿真模型

2.3 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

表1　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

3 超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真分析

將基于物理模型建立的超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型做為一個子系統(tǒng)進(jìn)行封裝后導(dǎo)入另一種基于數(shù)字計(jì)算的仿真軟件中進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)是一個帶彈性負(fù)載的位置控制系統(tǒng)，現(xiàn)對其進(jìn)行開環(huán)頻域分析，通過繪制bode圖（如圖5所示）可以看出，該超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)幅值裕度為133 dB，相位裕度為91.5°，由此可知該超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)本身是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)。

圖5　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)bode圖

現(xiàn)利用某仿真軟件對超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)仿真，其仿真模型如圖6所示。

圖6　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真模型

超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)在100%閥位指令下的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出系統(tǒng)的響應(yīng)速度為1.8 s，同時出現(xiàn)小的超調(diào)量，最終達(dá)到精度很高的穩(wěn)定輸出。

圖7　超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果曲線圖

在實(shí)際工程應(yīng)用中，所有帶伺服控制的閥門操縱機(jī)構(gòu)都在其控制器中設(shè)置PID參數(shù)來達(dá)到精確控制閥門開度的目的，本工程使用的伺服模件僅配PI參數(shù)?，F(xiàn)在仿真軟件中僅使用PI參數(shù)對超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行校正。其仿真模型如圖8所示。

圖8　基于PI校正超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真模型

通過對PI參數(shù)的調(diào)整，從圖9中的仿真結(jié)果曲線可以看出，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)在100%閥位指令下的階躍響應(yīng)，從圖中可以看出加入PI校正后的超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度為2.3 s，幾乎沒出現(xiàn)超調(diào)量，且能達(dá)到精度很高的穩(wěn)定輸出。

圖9　基于PI校正超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果曲線圖

4 結(jié)論

通過對大型超超臨界、二次再熱汽輪機(jī)的超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，可得出超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性曲線，通過仿真分析結(jié)果可看出，超高壓調(diào)節(jié)閥操縱機(jī)構(gòu)可滿足大型超超臨界、二次再熱汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的技術(shù)要求，其性能完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。同時為以后更高參數(shù)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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Dynamic Characteristics Analysis of VHPCV Actuator for Large Ultra-supercritical Double-reheat Turbo Set

Li Qing，Liu Jiong，Liu Hongbing，Shao Yi，Chen Lin
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:VHPCV actuator is the important set in turbo set governing system,dynamic characteristics of VHPCV actuators directly in?fluence rotational speed,load,primary frequency modulation and OPC over speed control of turbo set,and then influence the perfor?mance and safety of the unit.This article analyses dynamic characteristics of VHPCV actuator for large ultra-supercritical double-re?heat turbo set by retated simulation software,we can see that high dynamic characteristics of VHPCV actuator can meet the require?ments of turbo set governing system.And the article supplies theory reference to research and design of similar turbo set governing sys?tem in the future.

Key words:double-reheat，turbo set，VHPCV actuator，dynamic characteristics

作者簡介：李慶（1983-），男，工程師，工學(xué)碩士，長期從事汽輪機(jī)控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.012

中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1674-9987（2016）01-0063-04