REXA 執(zhí)行器替代TM25-LP 在小汽輪機電調(diào)改造上的應用

牛春燕，田宇宙，鄭玉成

（1.杭州汽輪機股份有限公司工業(yè)透平研究院，浙江 杭州 310022；2.華能蘇州熱電廠，江蘇 蘇州215000；3.沈陽東北電力調(diào)節(jié)技術有限公司電力工作部，遼寧 沈陽 110179）

汽輪機拖動機組廣泛應用在電力、石油化工等領域，不同于大型汽輪機電調(diào)調(diào)節(jié)方式，小汽輪機可以靈活的采用液壓伺服執(zhí)行器替代液壓伺服閥，通過錯油門對驅動力進行放大，從而驅動油動機動作，進而調(diào)節(jié)汽輪機進汽量。作為調(diào)節(jié)轉速的控制核心部件，國內(nèi)起步比較早的使用液壓伺服執(zhí)行器，一般為美國伍德沃德公司生產(chǎn)的TM25系列產(chǎn)品，此系列產(chǎn)品為開式油路設計，雙線圈力矩馬達噴嘴節(jié)流，二級滑閥位置控制。需要配置獨立油站為其提供符合要求的油品，且在設備啟動和運行中需要監(jiān)視油質(zhì)是否因為空氣的氧化而變質(zhì)、油中含水量及油品雜質(zhì)顆粒度影響是否超標。機組維護人員一般通過定期慮油驗油，和更換油品來保證設備可靠運行，設備維護量相對較大，維護費用較高，穩(wěn)定性較差，且相對耗能較大。

吉林某廠2臺汽輪機給水泵為北京電力總廠生產(chǎn)的單杠冷凝汽輪機，型號GT03B額定功率6 000 kW，汽輪機調(diào)節(jié)控制方式為DCS操作控制，伍德沃德505轉速邏輯及保護控制。現(xiàn)場伺服單元為伍德沃德TM25-LP電液轉換器，配獨立油站供油，屬于典型的錯油門油動機調(diào)門控制方式。

由于設備老舊及開式油路調(diào)節(jié)導致的油品質(zhì)量問題，致使給水泵汽輪機在運行時轉速控制不穩(wěn)，導致給水與鍋爐負荷不匹配，汽包水位控制不穩(wěn)。

1 TM25-LP伺服執(zhí)行器簡介

TM25-LP為美國WOODWARD生產(chǎn)的比例型電液轉換器，主要用于大力矩輸出的位置控制，典型應用領域為控制透平壓縮機的轉速。TM25-LP工作原理為通過雙線圈產(chǎn)生扭力，此扭力通過一根擋板遮擋相互作用的兩個噴嘴，使噴油嘴一路噴油量增加（減少）時，另外一路噴油量減少（增加），兩路油產(chǎn)生推拉力驅動二級滑閥中心位置的改變，再通過二級滑閥的開口大小，調(diào)節(jié)進入伺服油缸的油量。當油缸達到預定位置時，內(nèi)部的機械反饋裝置調(diào)節(jié)擋板位置，使調(diào)節(jié)擋板兩側噴油量相同，即擋板回中心位置，作用到二級滑閥兩端的壓力相互抵消，此時輸出軸停止運動。

TM25-LP電調(diào)控制系統(tǒng)可分為三部分。第一為電控部分，主要包含了閥位控制的控制邏輯、保護邏輯及電調(diào)控制策略，在通過標準的控制伺服卡，輸出20～200 mA控制電液執(zhí)行器。第二為液壓站，主要作用為系統(tǒng)提供合格的油品，對于TM25-LP需要提供3.8～18.9 L/min的供油量，最小供油量時為設備穩(wěn)定狀態(tài)不需要調(diào)節(jié)，即噴油孔靜泄油量；供油壓力552～2 586 kP，過濾精度要求10 μm，最大供油量時為設備瞬態(tài)頻繁調(diào)節(jié)時需要的平均耗油量，即系統(tǒng)最大耗油量。第三部分為TM25-LP本體比例電液轉換器部分，主要作用為控制的終端輸出部分提供1英寸線性閥位移動量，最大輸出72 J（53 ft-lb）。

2 REXA伺服執(zhí)行器簡介

REXA伺服執(zhí)行器是將電信號轉換為力輸出的轉換裝置，是該系統(tǒng)的關鍵設備。REXA執(zhí)行器包括控制器和動力模塊兩部分，力模塊由伺服電機和獨立的、封閉的、無閥液壓控制泵系統(tǒng)組成，采用高度集成化模塊化設計，實現(xiàn)設備的小型化、維修簡易化，獨特的設計使外界因素對油品品質(zhì)的影響到最小；控制器由獨立的嵌入式單片機、伺服驅動器、高精度位置檢測傳感器組成，具有故障智能檢測診斷、高精度控制、用戶操作界面友好等特點。

REXA執(zhí)行器控制工作原理如圖1所示，伺服電機接受控制系統(tǒng)的控制指令、控制動力模塊、輸出大力矩位移、驅動被控對象，同時通過自身位移反饋，完成閉環(huán)位置調(diào)節(jié)過程，實現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)。

圖1REXA執(zhí)行器控制工作原理

圖2 為動力模塊的工作原理。在油泵停止工作的工況下，執(zhí)行器依靠液壓鎖FMV1、FMV2封閉液壓缸兩側進、排油，使其處于保位狀態(tài)（圖2a）。智能可控電機接受控制信號，驅動油泵順時針轉動，向對應的系統(tǒng)側供油，在14 MPa高壓油的作用下，開啟液壓鎖FMV1、FMV2，液壓缸左側通過液壓鎖FMV2排油至油泵入口，高壓油通過液壓鎖FMV1進入液壓缸右側，在壓差的作用下，液壓缸活塞向左側運動輸出位移，信號消失，油泵停止轉動，動作過程結束，執(zhí)行器在新的平衡位置下保位（見圖2b）。智能可控電機接受控制信號，驅動油泵逆時針轉動，向對應的系統(tǒng)側供油，在14 MPa高壓油的作用下，開啟液壓鎖FMV1、FMV2，液壓缸右側通過液壓鎖FMV1排油至油泵入口，高壓油通過液壓鎖FMV2進入液壓缸左側，在壓差的作用下，液壓缸活塞向右側移動輸出位移，信號消失，油泵停止轉動，動作過程結束，執(zhí)行器在新的平衡位置下保位（見圖2c）。

圖2 REXA動力模塊工作原理

3 改造方案簡述

該次改造保留危急遮斷停車系統(tǒng)和505控制器的設備及功能，僅對調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器部分進行改造，即采用以REXA執(zhí)行器作為電液驅動裝置替換原液壓油站及TM25-LP電液動執(zhí)行器。

3.1 改造部件明細

1）取消的部件

①液壓油站（包括油箱、油泵、電磁閥組管路等）及相關油管；

②TM25-LP電液執(zhí)行器。

2）保留的部件

①危急遮斷停車控制系統(tǒng)的設備及功能；

②杠桿機構；

③調(diào)節(jié)汽門；

④505控制器。

3）增加的部件及工作

①REXA執(zhí)行器EH2000-2-0.5D-P及控制箱；

②REXA執(zhí)行器接口支架；

③將505控制器的輸出信號由原來的20～160 mA信號改為4～20 mADC。

4）執(zhí)行器單項電源220 VAC，功率2 kW，執(zhí)行器掉電閥保持原位。

5）改造后調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能和運行方式保持不變。

3.2 改造后設備性能

改造后汽輪機主要技術參數(shù)：

轉速調(diào)節(jié)范圍：10%～110%高限工作轉速；

轉速控制精度：≯±0.1%高限工作轉速；

轉速定值精度：≯±0.1%高限工作轉速；

系統(tǒng)靜態(tài)特性：系統(tǒng)遲緩率≯±0.1%；

定位精度小于全行程的0.3%；

重復率小于全行程的0.3%；

死區(qū)在控制信號的0.1%～5%范圍內(nèi)可調(diào)，最小可達0.05%；

輸入信號4 mA～20 mA標準模擬量。

3.3 油動機調(diào)節(jié)形式

汽輪機調(diào)門力驅動執(zhí)行機構由REXA執(zhí)行器、杠桿反饋機構、錯油門和油動機組成。根據(jù)基本結構形式工作原理的組合和擴展，可應用于不同類型的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

改造后的液壓調(diào)節(jié)原理如圖3所示，杠桿一端通過滑動鉸鏈與油動機活塞桿聯(lián)接，杠桿另一端與通過鉸鏈與控制連桿聯(lián)接，控制連桿作用在錯油門滑閥上部，REXA執(zhí)行器通過鉸鏈作用在近于控制連桿側的杠桿上。固定的壓力油分別作用在錯油門滑閥上、下。錯油門滑閥下油壓稱脈沖油，適用于錯油門滑閥與油動機活塞動作方向相反的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖3 改造后的液壓調(diào)節(jié)原理

3.4 調(diào)門調(diào)節(jié)原理

在調(diào)門全關，REXA全關狀態(tài)下，當高壓油與下部的脈沖油油壓符合設計要求時，錯油門閥芯在下部壓力油與上部杠桿壓桿力平衡狀態(tài)而處于中間位置，即封死油動機油口位置，此位置為錯油門閥芯的動態(tài)中心位置。當需要開啟（關閉）調(diào)門時，REXA在控制指令的作用下向上（向下）運動一定距離，此時連接REXA錯油門閥芯壓桿與油動機的杠桿以油動機端為杠桿支點（旋轉軸心），帶動壓桿向上（向下）運動，錯油門在下部壓力油的作用下閥芯上（下）移，導通油動機上（下）部進油口，油動機開始向下（上）移動。在移動過程中杠桿以REXA輸出端為支點（旋轉軸心）向下（上）運動，促使錯油門閥芯回中心位置，整個調(diào)節(jié)過程結束。錯油門閥芯的中心位置可能在實際調(diào)節(jié)過程中因為油動機出力的不同有約±2 mm偏差。

3.5 調(diào)門試驗

電調(diào)改造完成后，電廠利用母管蒸汽對改造后的設備進行零負荷沖轉試驗，調(diào)試各項性能均符合設計要求。圖4為改造前汽輪機轉速指令與實際轉速曲線圖，可以明顯的看出轉速很不穩(wěn)定。

圖5為REXA電調(diào)改造后的轉速指令和實際轉速曲線，可以明顯看出零負荷工況下設備慣性最小，調(diào)節(jié)的惰性不強時，轉速依然控制的非常穩(wěn)定。

4 結論

此次改造取消了油站及原有油管路現(xiàn)場電液轉換器TM25-LP，油站開式油源更改為REXA的閉式油源，電調(diào)設備用油減少，油質(zhì)穩(wěn)定性得到提高。濾油驗油更換濾芯等工作量取消，消耗備件取消，設備整體能耗大大降低，設備的穩(wěn)定性和可靠性得到極大改善。從此次拖動汽輪機電調(diào)改造結果來看，REXA伺服電液執(zhí)行器特別適合杠桿反饋的錯油門油動機電調(diào)方式的電調(diào)改造，能夠有效的提升設備的可靠性、穩(wěn)定性，同時減少設備維護工作量，降低設備能耗。

圖4 改造前汽輪機轉速指令與實際轉速曲線

圖5 REXA電調(diào)改造后的轉速指令和實際轉速曲線