汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)展史

徐建業(yè)

摘 要：本文從機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)MHC、電氣液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng) EHC、純電調(diào)節(jié)系統(tǒng) 模擬式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng) AEH、數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH幾個(gè)方面分析了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)展史。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)系統(tǒng)；發(fā)展史

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.253

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)展

1.1 機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)MHC

20世紀(jì)初開(kāi)始使用，屬于早期的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也稱(chēng)液調(diào)，全稱(chēng)機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Mechanical Hydraulic-Control，MHC）。主要由轉(zhuǎn)速感應(yīng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，反饋裝置等部件組成。當(dāng)用戶(hù)用電量減少時(shí)，轉(zhuǎn)速上升，調(diào)速飛錘離心力增大，帶動(dòng)滑環(huán)向上移動(dòng)，滑環(huán)通過(guò)杠桿使調(diào)節(jié)氣門(mén)向下關(guān)小，從而減小汽輪機(jī)進(jìn)汽量，機(jī)組功率減小。

直接調(diào)節(jié)系統(tǒng)力矩較過(guò)小，無(wú)法滿(mǎn)足調(diào)節(jié)汽門(mén)的正常開(kāi)關(guān)，配汽機(jī)構(gòu)在配汽機(jī)構(gòu)中加入液壓元件，便很好的解決了這一難題。轉(zhuǎn)速上升，滑閥通過(guò)杠桿帶動(dòng)錯(cuò)油門(mén)閥芯向上移動(dòng)，壓力油通過(guò)閥芯油口進(jìn)入油動(dòng)機(jī)活塞的上部，同時(shí)油動(dòng)機(jī)的下油室與泄油口接通，油動(dòng)機(jī)活塞向下移動(dòng)，關(guān)小汽機(jī)調(diào)節(jié)汽閥，同時(shí)杠桿以滑閥為中心帶動(dòng)錯(cuò)油門(mén)閥芯下移回中，切斷油動(dòng)機(jī)上下腔室油口，壓力油停止流通，調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。這也形成了最初的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)——離心式液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)因響應(yīng)快，力矩大，傳動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)節(jié)范圍廣至今仍在使用。

此時(shí)的調(diào)速系統(tǒng)按調(diào)節(jié)系統(tǒng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)分類(lèi)，有機(jī)械離心式調(diào)速器和液壓式調(diào)速器。機(jī)械離心式調(diào)速器有兩種，一種如上介紹的低速重錘式離心調(diào)速器；另一種為高速?gòu)椈善诫x心調(diào)速器。而液壓式離心調(diào)速器，以轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)，油壓為輸出信號(hào)。常見(jiàn)的有徑向鉆孔泵調(diào)速器和旋轉(zhuǎn)阻尼調(diào)速器。

這種帶同步器的液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)慢，由于機(jī)械間隙引起的遲緩率較大， 且靜態(tài)特性只能平移不可以按要求進(jìn)行改變，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)組需求，慢慢的退出歷史舞臺(tái)。但該調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足機(jī)組的日常運(yùn)行要求，所以很多廠至今仍在使用。

1.2 電氣液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng) EHC

隨著汽輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和電網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，以及電器元件的發(fā)展和利用，產(chǎn)生了電氣液壓控制系統(tǒng)（Electro-Hydraulic Control， EHC），簡(jiǎn)稱(chēng)電液控制裝置。

其特點(diǎn)是電、液調(diào)速系統(tǒng)并存，多用于機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造。兩個(gè)控制器，一個(gè)控制器由電氣元件組成，控制人員通過(guò)電氣元件發(fā)送信號(hào)經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器改變成液壓控制信號(hào)，代替原來(lái)液壓感受系統(tǒng)中的油壓信號(hào)來(lái)控制油動(dòng)機(jī)。第二個(gè)控制器仍由機(jī)械液壓式備用。執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍保留液壓式。電液控制裝置信號(hào)處理能力強(qiáng)，控制精度高而且操作簡(jiǎn)單易于調(diào)整。

由于此時(shí)的電氣元件還不成熟，經(jīng)常發(fā)生故障，無(wú)法達(dá)到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。在國(guó)內(nèi)配置的電液并存式機(jī)組，只有一小部分試用過(guò)電調(diào)系統(tǒng)，能夠較長(zhǎng)時(shí)間投運(yùn)電調(diào)系統(tǒng)的極為罕見(jiàn)。

1.3 純電調(diào)節(jié)系統(tǒng) 模擬式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng) AEH

20世紀(jì)50年代，隨著電子元件可靠性的提高，開(kāi)始采用模擬式純電調(diào)系統(tǒng)（Analog Electric-Hydraulic Control，AEH）。

模擬電調(diào)的電子部分可以對(duì)傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行綜合處理，精確度高，對(duì)不同運(yùn)行工況適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便。其代表是505/505E調(diào)節(jié)系統(tǒng)。根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的不同可分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，功率調(diào)節(jié)，功率——頻率調(diào)節(jié)。

雖然在功能上和可靠性上比前兩代系統(tǒng)都有了很大程度的提高，但是由于其大量使用模擬儀表元件，存在溫漂、時(shí)漂，復(fù)雜非線(xiàn)性矯正和控制算法難以實(shí)現(xiàn)，元件故障率高等問(wèn)題。

1.4 數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng) DEH

20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域的應(yīng)用，用計(jì)算機(jī)的數(shù)字模擬運(yùn)算程序代替電氣元件的模擬電調(diào)，形成計(jì)算機(jī)電氣液壓控制系統(tǒng)（Digital Electric-Hydraulic Control，DEH），簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)字電液控制裝置。包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和高壓抗燃油系統(tǒng)，屬于離散控制。考慮壓力、功率、頻率等多種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的綜合、判斷和邏輯處理是較為完善的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

采用DEH控制提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制精度，通過(guò)邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)機(jī)、沖轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷，自動(dòng)化程度高，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠打下基礎(chǔ)。

2 擴(kuò)展：汽輪機(jī)DEH改造

江蘇益州熱力有限公司一期采用青島捷能CN6-4.9/0.785汽輪機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)由廠家將液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造為DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2015年10月調(diào)試時(shí)，拉閥試驗(yàn)不成線(xiàn)性，CV給定20%行程，實(shí)際開(kāi)度5mm（高調(diào)行程80mm，此時(shí)應(yīng)為16mm）；給定90%時(shí)高調(diào)門(mén)開(kāi)度滿(mǎn)行程。高壓油泵切換為主油泵運(yùn)行一次脈沖油壓由0.4Mpa掉到0.3Mpa，二次脈沖油壓由0.55Mpa掉至0.45Mpa。因?yàn)楣戮W(wǎng)運(yùn)行，有差調(diào)節(jié)。電負(fù)荷波正常波動(dòng)30KW，轉(zhuǎn)速波動(dòng)50r/min，無(wú)法保證發(fā)電質(zhì)量，較大的頻率波動(dòng)對(duì)電氣設(shè)備損害很大；電負(fù)荷下降時(shí)轉(zhuǎn)速很容易達(dá)3090Rpm，OPC超速保護(hù)動(dòng)作，無(wú)法保證汽輪發(fā)電機(jī)組安全生產(chǎn)。經(jīng)公司領(lǐng)導(dǎo)與廠家協(xié)商，由南京科遠(yuǎn)提供技術(shù)支持將1#機(jī)組由DEH調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)更改為汽輪機(jī)DCS控制系統(tǒng)。

汽輪機(jī)DCS控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的油路系統(tǒng)，出口油壓12MPa。其工作原理是，由操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出調(diào)節(jié)指令的邏輯信號(hào)通過(guò)DCS計(jì)算由控制柜轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制電磁閥對(duì)油動(dòng)機(jī)的液壓缸進(jìn)行充油或卸油，油動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)門(mén)隨之開(kāi)大或關(guān)小，以達(dá)到相關(guān)調(diào)節(jié)的目的。反饋裝置將檢測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)變成4——20mA的電信號(hào)，由I/O卡件更改成數(shù)字信號(hào)發(fā)送回計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，DCS發(fā)出終止調(diào)節(jié)的命令。

此調(diào)節(jié)系統(tǒng)在原油路系統(tǒng)保留潤(rùn)滑、保安油路，取消啟動(dòng)閥，將調(diào)節(jié)部分獨(dú)立出來(lái)，以轉(zhuǎn)速為目標(biāo)值，簡(jiǎn)化了啟動(dòng)方式，改造后的轉(zhuǎn)速波動(dòng)為12Rpm。因?yàn)闆](méi)有二次調(diào)頻，有差調(diào)節(jié)對(duì)測(cè)速裝置，PID積分、微分計(jì)算要求很高。將初壓、初溫——功率曲線(xiàn)，背壓——功率曲線(xiàn)用數(shù)字邏輯做入程序之中，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)判，提前做出微調(diào)也可以改善頻率波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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