汽輪機(jī)控制閥及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

摘 要：本文介紹了汽輪機(jī)控制閥和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究，用于分析液壓機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及在運(yùn)行過程中可能面臨的失效模式。為了達(dá)到控制閥系統(tǒng)的性能標(biāo)準(zhǔn)，對熱電聯(lián)產(chǎn)廠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了具體的現(xiàn)場試驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求。

關(guān)鍵詞：控制閥;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);動(dòng)力學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.016

1 簡介

在汽輪機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)中，蒸汽控制閥在兩個(gè)主要方面起著關(guān)鍵作用：

（1）可操作性：因?yàn)樗?qū)動(dòng)渦輪機(jī)，能夠應(yīng)付突如其來的負(fù)荷變化，并允許空載運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確控制渦輪轉(zhuǎn)速。

（2）可靠性：作為控制閥門驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)油液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可能會因油污染或雜質(zhì)的存在而發(fā)生功能退化。

ST調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由一個(gè)與機(jī)械組件相連的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳送到百葉窗，其目的是使蒸汽流動(dòng)進(jìn)入機(jī)器。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要目的是改變蒸汽的數(shù)量以補(bǔ)償渦輪狀況的變化。ST行業(yè)需要控制長期的低壓和高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)超速范圍內(nèi)的速度變化。此外，不斷增長的可再生太陽能工廠引起突然的蒸汽條件變化，因此，要提高控制閥系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

概述了控制閥系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和要求。給出了所謂的“遺留驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”及其仿真模型這種特殊的驅(qū)動(dòng)解決方案的控制閥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);描述了模型驗(yàn)證結(jié)果，并對兩種不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了比較。

2 控制閥系統(tǒng)

進(jìn)氣道控制閥的性能一直是所關(guān)注的問題，大量的研究導(dǎo)致了閥門設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以適應(yīng)高壓和高溫。閥門周圍的蒸汽流動(dòng)不穩(wěn)定，本文還討論了它們的非線性特性，為這種現(xiàn)象的補(bǔ)償提供了解決方案。除了這些重要的因素，當(dāng)ST的整個(gè)控制回路對變化有嚴(yán)格的要求時(shí)，ST控制閥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也必須是可靠和高性能的。然而，即使對于反應(yīng)時(shí)間要求不那么嚴(yán)格的系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在控制回路中也起著基礎(chǔ)作用。這項(xiàng)工作的目的是為了滿足與實(shí)現(xiàn)性能更好的調(diào)速器有關(guān)的需要，這就意味著需要建立一個(gè)控制閥模型，對其進(jìn)行分析，目的是識別整個(gè)鏈中可能代表控制回路的“瓶頸”的元素。特別是，一個(gè)模型的控制閥系統(tǒng)，研究了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的失效模式對汽輪機(jī)調(diào)速器的影響。

3 遺留驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制閥模型結(jié)構(gòu)描述

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行是基于潤滑油和控制油臺的供油，其結(jié)構(gòu)不包括在模型中。由于一次油是由油臺在恒定壓力下提供的，因此在模型中采用了一個(gè)壓力源作為簡化。從潤滑油和油膏中提取的油，羅爾油控制臺集箱在這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中起著重要的作用，因?yàn)樗B接到執(zhí)行器（二次油）的伺服缸內(nèi)一個(gè)假脫機(jī)，并進(jìn)入液壓系統(tǒng)。二次油壓由I/H轉(zhuǎn)換器設(shè)定，將電流指令信號（4-20mA）轉(zhuǎn)換為油壓。4-20ma命令直接派生，從控制系統(tǒng)中分別對應(yīng)于閥門關(guān)閉和開啟的位置。閥芯在伺服缸中的運(yùn)動(dòng)是由二次油調(diào)節(jié)的：它交替地打開一次油在液壓油缸的上腔或下腔內(nèi)流動(dòng)的連接孔。杠桿將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)直接傳送到閥門上。彈簧的主要功能是在液壓執(zhí)行器失效時(shí)保持閥門關(guān)閉。這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的最終目的是調(diào)節(jié)通過閥門的蒸汽通道，通過提升閥門導(dǎo)軌，按順序打開四或五個(gè)百葉窗，這些百葉窗依次向機(jī)器的不同部分進(jìn)給，并實(shí)現(xiàn)一種精細(xì)的調(diào)節(jié)。指向液壓缸室的方向閥，根據(jù)施加在桿上的載荷產(chǎn)生力信號采用雙作用氣缸塊建模。考慮到系統(tǒng)圍繞杠桿支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了力矩平衡。該模型能夠根據(jù)所模擬的各部件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算執(zhí)行器桿的位置和速度，該信號與氣門升力直接相關(guān)。缸室壓力也可以從模擬中得到進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，以便計(jì)算產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)力。

4 模型驗(yàn)證和測試結(jié)果

工廠完成了一個(gè)專門的測試項(xiàng)目，重點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制閥總成。這個(gè)ST的控制閥經(jīng)過了一次驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的升級。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，給出了對傳統(tǒng)的EHA系統(tǒng)和新的EHA系統(tǒng)的性能進(jìn)行具體比較的可能性。特別是，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，遺留系統(tǒng)配備了一個(gè)特定的測試平臺：位置傳感器，線性變量差動(dòng)變壓器（LVDT），給出液壓執(zhí)行器和負(fù)載銷式傳感器的位移，測量控制閥運(yùn)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力。在一次和二次油路上還安裝了兩個(gè)壓力傳感器，為驗(yàn)證目的直接輸入該模型，即一次油電路和i/h轉(zhuǎn)換器電子。試驗(yàn)的目的是保持緊急止回閥關(guān)閉，使任何蒸汽都不能到達(dá)控制閥的百葉窗前面的蒸汽箱，并以此方式，校準(zhǔn)機(jī)械系統(tǒng)和驗(yàn)證模型。汽缸失能過程是通過將一次油壓降低到大氣壓，并將執(zhí)行器保持在閥門關(guān)閉位置來實(shí)現(xiàn)的。

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在執(zhí)行器位置和作用力上一致，這兩個(gè)信號是在連續(xù)坡道的同一時(shí)間幀內(nèi)繪制的。這一結(jié)果對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而提高對控制閥系統(tǒng)的認(rèn)識，評估新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)時(shí)的動(dòng)態(tài)需求是至關(guān)重要的。兩種不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)之間的比較證明，控制閥門的精度在到達(dá)命令位置時(shí)更準(zhǔn)確，因此對蒸汽進(jìn)氣道的特性和不確定性更小。然而，應(yīng)該考慮到，遺留系統(tǒng)已經(jīng)在工廠運(yùn)行了幾個(gè)月，而且它已經(jīng)運(yùn)行了幾個(gè)月，很可能這種類型的系統(tǒng)在長時(shí)間運(yùn)行后會引起非校準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文對ST控制閥系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，重點(diǎn)研究了它們的預(yù)測模型和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)。所進(jìn)行的研究旨在為無蒸汽操作的控制閥系統(tǒng)提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的模型，為進(jìn)一步發(fā)展蒸汽力的貢獻(xiàn)分析和模型的實(shí)施，模擬蒸汽操作時(shí)控制閥響應(yīng)行為的能力奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過與調(diào)速器邏輯和機(jī)器鼓模型的集成來執(zhí)行關(guān)鍵的調(diào)節(jié)階段模擬。用于分析它們在整個(gè)控制回路中相互作用，可以嵌入到ST調(diào)控器中，目的是執(zhí)行先進(jìn)的診斷和分析，從而檢查調(diào)節(jié)性能的降解。

作者簡介：吳純杰（1984-），男，遼寧鞍山人，本科，經(jīng)理，研究方向：汽輪機(jī)。