汽輪機(jī)電液伺服系統(tǒng)仿真研究

方 明

（核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

工業(yè)汽輪機(jī)是電廠的核心設(shè)備，具有溫度高、壓力高、轉(zhuǎn)動(dòng)速度高等特征，其控制系統(tǒng)具有調(diào)整負(fù)荷、各種運(yùn)行工況控制、升速、降速等功能，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的保障。為了保證汽輪機(jī)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須具有性能完美、動(dòng)作精準(zhǔn)正常等特征。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能是跟隨機(jī)組負(fù)荷（電功率、熱負(fù)荷）變化的要求，調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速、主蒸汽壓力等參數(shù)；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)超過(guò)限值或外界因素引起擾動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以主動(dòng)采取緊急保安措施，避免汽輪機(jī)發(fā)生事故，保障機(jī)組安全運(yùn)行。對(duì)于不同使用功能的汽輪機(jī)，要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)類型有各自的特點(diǎn)，如凝汽式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、背壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抽汽式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、中間再熱式等。汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)升級(jí)改造主要經(jīng)歷了以下4 個(gè)過(guò)程。

（1）機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)：機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理是通過(guò)杠桿、曲柄放大信號(hào)，利用液壓流量控制閥放大功率。

（2）電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)：電氣液壓控制系統(tǒng)核心元件包括2 個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)運(yùn)算和傳輸，控制精度等級(jí)高，穩(wěn)定性強(qiáng)，操作、維護(hù)簡(jiǎn)便，不受復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境影響。

（3）模擬式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)：伴隨電氣元器件升級(jí)換代，汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)開始用純電調(diào)系統(tǒng)代替機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，純電調(diào)控制系統(tǒng)由模擬電路構(gòu)成。

（4）數(shù)字式電氣液壓控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）：伴隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和在工業(yè)控制領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)數(shù)字式電氣液壓控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化為數(shù)字電調(diào)。

最近以來(lái)汽輪機(jī)DEH 慢慢以分散控制系統(tǒng)DEH 控制系統(tǒng)為主，應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，靈活方便，并且獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)由調(diào)速系統(tǒng)和保安系統(tǒng)兩個(gè)部分組成（圖1）。鍋爐過(guò)熱器出來(lái)的主蒸汽通過(guò)主汽門、調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)做功，汽輪機(jī)做功功率受蒸汽流量大小的影響，而進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽量的大小取決于調(diào)節(jié)汽閥的開度。DEH 控制系統(tǒng)的任務(wù)通過(guò)電液伺服閥輸出指令，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)汽閥的開度。具體的工作原理如下：轉(zhuǎn)速傳感器將測(cè)量轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸?shù)紻EH 控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)DEH 邏輯PID 運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)值，并將其放大，輸出指令給電液伺服閥，通過(guò)電液伺服閥輸出油壓信號(hào)給調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)，油動(dòng)機(jī)通過(guò)位移傳感器將位移信號(hào)值與DEH 模擬量卡件輸出信號(hào)比較，兩者間差值調(diào)節(jié)電液伺服閥油壓信號(hào)的輸出。

為確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主蒸汽先經(jīng)過(guò)主汽閥，然后再通過(guò)調(diào)節(jié)閥。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，主汽閥油動(dòng)機(jī)的活塞處于上頂部對(duì)應(yīng)著主汽門全開位置；機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，主汽門油動(dòng)機(jī)活塞處于下底部對(duì)應(yīng)著主汽門全關(guān)位置。主汽門油動(dòng)機(jī)動(dòng)作原理過(guò)程：手動(dòng)遮斷閥或電磁遮斷閥動(dòng)作，主汽門油動(dòng)機(jī)下腔排油口接通，活塞通過(guò)彈簧力快速下移關(guān)閉主汽門，切斷主蒸汽，汽輪機(jī)緊急停機(jī)保證了設(shè)備安全。同時(shí)，因?yàn)橹髌T油動(dòng)機(jī)下腔壓力突然變小，壓力繼電器動(dòng)作，電液伺服閥位于中間位置，二位二通閥接通，安全油流入調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)下腔，其上腔內(nèi)部安全油流過(guò)二位二通閥進(jìn)入油箱，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)活塞立即向上運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)汽閥立即關(guān)閉。

圖1 工業(yè)汽輪機(jī)控制方案構(gòu)成

為了保證安全油系統(tǒng)可靠運(yùn)行，主油泵出現(xiàn)故障或機(jī)組突發(fā)停機(jī)時(shí)，潤(rùn)滑油泵可以做為備用泵，在機(jī)組啟動(dòng)或事故停機(jī)時(shí)啟用。

2 電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電液伺服閥的選型

在汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)中，電氣設(shè)備和液壓設(shè)備之間需要一座橋梁連接，電液伺服閥就是兩者之間的連接橋梁，電信號(hào)可以通過(guò)電液伺服閥轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)。DEH 控制系統(tǒng)中，通常選擇MOOG G631 做為電液伺服閥，供油壓力為7 MPa，供油流量可達(dá)75 L/min，并聯(lián)接線方式實(shí)現(xiàn)工作，單個(gè)線圈阻值28 Ω，額定電流為100 mA。

2.2 電液伺服閥放大器的選型

通常選擇SA4200 型伺服放大器做為電液伺服閥配套的放大器，它能夠克服各種復(fù)雜的工況，可適應(yīng)抗油污、抗干擾、抗高溫等特殊環(huán)境。該放大器散熱性好、高度集成性、輸出電流大，而且不受引線電阻和負(fù)載變化的干擾，可以安全實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)功能。

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)應(yīng)具有的功能，設(shè)計(jì)DEH 控制系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成，分別是轉(zhuǎn)速控制、TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)）保護(hù)、運(yùn)行各參數(shù)監(jiān)測(cè)（圖2）。

（1）工業(yè)汽輪機(jī)DEH 控制系統(tǒng)TSI 保護(hù)部分。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)引起汽輪機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，數(shù)字輸出模塊發(fā)送指令給電磁閥，電磁閥失電引起主汽門油動(dòng)機(jī)下腔迅速排油，從而切斷主蒸汽，引起汽輪機(jī)停機(jī)。

（2）汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)部分。通過(guò)就地監(jiān)測(cè)儀表，如轉(zhuǎn)速傳感器、壓力變送器、熱電阻或熱電偶、位移傳感器等，將采集的信號(hào)傳輸給模擬量輸入卡件。所有信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算后，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)和管理。

（3） 工業(yè)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制部分。DEH 控制系統(tǒng)畫面人工輸入轉(zhuǎn)速設(shè)定值，模擬量輸入卡件根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速設(shè)定值比較，經(jīng)過(guò)DEH 控制系統(tǒng)PID 運(yùn)算，電流差值通過(guò)模擬量輸出模塊發(fā)送到電液伺服閥，經(jīng)過(guò)放大器后控制調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)開度。

3 電液伺服控制系統(tǒng)建模仿真分析

（1）伺服放大器。伺服放大器可以當(dāng)作PID 控制回路中的比例環(huán)節(jié)，K=，并且能夠通過(guò)調(diào)節(jié)伺服放大器增益改變比例參數(shù)K。

（2）電液伺服閥。通常電液伺服閥根據(jù)實(shí)際情況，符合二階振蕩環(huán)節(jié)形式的傳遞函數(shù)，高階微量忽略后，油動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)可以簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)：。其中，T1表示油動(dòng)機(jī)活塞在最大油流量時(shí)，活塞移動(dòng)完所有行程需要的時(shí)間。

圖2 DEH 控制系統(tǒng)

（3）蒸汽容積方程。汽輪機(jī)的進(jìn)汽室及內(nèi)部汽輪機(jī)室均有很大空間，可以貯存大量蒸汽。所以調(diào)節(jié)閥開度改變后，汽輪機(jī)室蒸汽參數(shù)不能立即改變，存在一定的滯后特性，其動(dòng)態(tài)特性傳遞函數(shù)為W（s）=。其中，T2為汽輪機(jī)室時(shí)間常數(shù)，通常設(shè)定為0.2 s。

（4）汽輪機(jī)運(yùn)動(dòng)方程。工業(yè)汽輪機(jī)一般為單機(jī)運(yùn)行，其傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為W（s）=。其中，T3為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，設(shè)定值為3 s。

結(jié)合以上，汽輪機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)工業(yè)汽輪機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的要求和特征，確定了整體的控制方案和對(duì)應(yīng)設(shè)備的傳遞函數(shù)，分別對(duì)伺服放大器、電液伺服閥、汽輪機(jī)室和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子建立數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明具有良好動(dòng)態(tài)特性。