淺談汽輪機數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)

葉祺

摘??要：汽輪機數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)是以數(shù)字計算機為基礎的調速系統(tǒng)，采用汽輪機數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)可有效提高高、中壓閥門的精確控制能力，保障汽輪機發(fā)電機組的安全高效運行，避免造成電力癱瘓、人員傷亡等惡性事件。本文從工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式幾個方面對數(shù)字式電液調節(jié)系統(tǒng)進行全面的介紹和總結，為其在實際工程上的應用和后續(xù)的理論研究提供借鑒和參考。

關鍵詞：汽輪機;數(shù)字式電液;調節(jié)系統(tǒng)

汽輪機由高溫、高壓的蒸汽帶動運轉，蒸汽在其中的能量轉換涉及內能轉換機械能，讓汽輪機能夠高速旋轉，提供能量輸出帶動同步發(fā)電機產(chǎn)生電能。在汽輪機的旋轉過程中，相對于汽輪機由蒸汽能量轉換的驅動力矩而言，汽輪機轉子自身慣性較小。如果在機組運行過程中，所帶電負荷突然降至低谷甚至到零，若沒有及時的反饋調節(jié)機制，汽輪機巨大的驅動力矩將作用在其轉子上，失去負荷需要滿足即沒有發(fā)電機組需要帶動轉子轉速將飛速上升。此時如果不迅速、及時地將汽輪機的輸入蒸汽供給切除，轉子的轉速將超過其設計值的安全極限，從而可能會導致機組故障甚至釀成涉及電力系統(tǒng)癱瘓、人身安全等惡性事故。為了使汽輪機在各種工況下都能處理一系列突發(fā)狀況，使整臺機組和電力系統(tǒng)的安全、高效運行，需要配置一種能夠根據(jù)設定轉速和實際轉速的偏差，迅速、正確地調整汽輪機的進氣量，從而改變機組的輸出功率，滿足電負荷的變化要求的控制調節(jié)系統(tǒng)。汽輪機這種通過調節(jié)蒸汽量和焓降從而調節(jié)機組轉子的實際轉速的調節(jié)系統(tǒng)通常也被稱為汽輪機調速系統(tǒng)，其任務是及時調節(jié)汽輪機功率以供應用戶足夠的電力、控制汽輪機的轉速保持在額定范圍內[1]。本文主要總結數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)的工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式，通過理論知識結合實踐經(jīng)驗，為數(shù)字電液系統(tǒng)的后續(xù)研究提供借鑒和參考。

1 DEH控制系統(tǒng)工作原理

汽輪發(fā)電機組應用DEH控制調節(jié)系統(tǒng)主要是控制汽輪發(fā)電機組輸出功率，滿足負荷變化或電力系統(tǒng)的突發(fā)狀況，如機組還兼有供熱任務，DEH系統(tǒng)還將根據(jù)負荷變化和工況需求控制汽輪機抽汽或背壓處供熱蒸汽的壓力或流量。[1]從控制學的角度來看，DEH系統(tǒng)被歸類于串聯(lián)的比例積分（PI）控制調節(jié)系統(tǒng)，計算機根據(jù)傳感器反饋信號完成系統(tǒng)中所需的相關控制操作與調節(jié)計算，再向相應執(zhí)行元件發(fā)送指令。從電路系統(tǒng)的角度來看，DEH系統(tǒng)內的基本回路擔任轉速控制，電功率控制等功能，邏輯回路主要擔及同期、調頻限制等功能。[2]從系統(tǒng)部件的角度來看，DEH控制調節(jié)系統(tǒng)通過傳感測量實際轉速、計算元件計算所需轉速、電液伺服閥接收信號元件發(fā)送信號，并控制高壓汽閥門等操作，從而達到控制機組轉速、功率等目的。其具體工作原理為：在汽輪機組啟動和正常運行的過程中，實時對汽輪機組轉子的轉速和發(fā)電機組功率輸出以及蒸汽調節(jié)閥的位置反饋等信號進行采集并轉換為電信號傳遞給比較元件，在DEH系統(tǒng)的比較元件接收反饋信號后，由數(shù)字計算機進行分析處理、綜合運算、再將控制指令以電信號的形式傳遞給電液伺服閥，通過調節(jié)閥的開度的改變以保證汽輪機組的正常安全運行。DEH系統(tǒng)主要是以兩種方式運行：“調頻方式”和“基本負荷方式”。當DEH系統(tǒng)以調頻方式運行時，若電網(wǎng)的負荷突然減少，將導致發(fā)電機輸出頻率上升，汽輪機發(fā)電機組的轉速隨之增加，測速傳感器測得轉速后以數(shù)字信號的形式反饋給比較元件與原給定值比較，產(chǎn)生負偏差信號，通過PI比例積分調節(jié)器校正該偏差信號后，數(shù)字計算機所給出的校正信號被傳輸進入伺服放大器，通過控制油動機關小調節(jié)汽閥，減少蒸汽流入汽輪機，從而減少機組的功率輸出。如果DEH系統(tǒng)是以基本負荷方式運行，機組的功率輸出嚴格等于控制系統(tǒng)的功率給定值，此時比較元件對電網(wǎng)反饋信號不敏感。

2 DEH控制系統(tǒng)的組成

電子控制器主要包括計算機、混合數(shù)模插件、接口和電源等設備，主要用于實現(xiàn)給定、接收反饋數(shù)字信號，并對信號進行邏輯運算和發(fā)出相應指令等操作。

操作系統(tǒng)包括人員操作盤、圖像顯示器和打印機等設備，為操作的工作人員提供系統(tǒng)實時信息、對汽輪機組進行實時監(jiān)督。

高壓控制油系統(tǒng)（EH系統(tǒng)）和潤滑油系統(tǒng)是油系統(tǒng)的主要組成部分。高壓油為整個調速系統(tǒng)提供控制與動力，還根據(jù)所接收的指令，控制電壓伺服閥;潤滑油系統(tǒng)為機組提供機械間潤滑所需用油。

伺服放大器、電液轉換器和油動機組成了執(zhí)行機構的核心部分，主要負責在接收到調節(jié)信號后對各壓力級汽閥的帶動調節(jié)等。

保護系統(tǒng)包括測量傳感器、繼電系統(tǒng)及電磁閥。

2.1 伺服卡

線性可變差變送器測量到蒸汽閥門開度反饋值被伺服卡所采集，與控制系統(tǒng)內的數(shù)字計算機所發(fā)出的給定指令信號比較，電液伺服閥經(jīng)過PI比例積分運算后輸出相應的調節(jié)電流所驅動，蒸汽閥門被逐漸調節(jié)到達給定的開度值。

2.2 伺服閥

DEH系統(tǒng)的關鍵和核心部件是伺服閥，它是實現(xiàn)液壓信號和電信號轉換的元件，也是將計算機元件輸出的指令信號放大的功率放大元件。它的性能的優(yōu)劣決定了DEH系統(tǒng)所能發(fā)揮的最大功用，所以需要根據(jù)場景和工況的需求設計選擇合適的伺服閥元件。

2.3 線性可變差變送器（LVDT）

LVDT傳感器能把閥門開度轉換成電信號，從而將信號以極快的速度傳遞給比較元件產(chǎn)生反饋信號參與控制調節(jié)。[3]

3?DEH系統(tǒng)的運行方式

DEH系統(tǒng)主要以下四種基本運行方式運行并發(fā)揮其調節(jié)作用：（1）操作員自動操作。（2）汽輪機自啟動運行方式。（3）遙控自動操作運行方式。（4）操作員手動操作運行方式。四種運行方式的特點和過程均有較大不同，簡要將其運行過程和主要特點介紹如下。

3.1?操作員自動操作

在操作員自動操作的運行模式下，汽輪發(fā)電機組的運行由電廠運行工作人員所控制。操作人員可以根據(jù)機組運行具體情況進行如下操作：

（1）在汽輪機組轉子轉速加快的過程中，修改速度提升率和目標期望轉速值。

（2）主動實現(xiàn)將機組的運行方式由中央缸啟動切換至主汽閥控制的閥切換。

（3）當機組轉速最終達到與設定轉速相同時，啟動“自動同步”操作。

（4）?在汽輪發(fā)電機組并網(wǎng)后，此時機組的運行將配合電網(wǎng)實時調度和受到用戶實時負荷變化的影響，所以該操作應實現(xiàn)即時修改機組設定的輸出功率目標值及變負荷率，并啟動一次調頻回路用于調節(jié)發(fā)電機輸出頻率，實現(xiàn)機組安全運行下的供需匹配。

（5）?根據(jù)實際工況切換單閥或順序閥的工作狀態(tài)，調節(jié)其開度或開閉狀態(tài)。

3.2 汽輪機自啟動

汽輪機自啟動運行方式通常也被稱為ATC，其目的是使得汽輪發(fā)電機組能夠在啟動和加負荷或其他突發(fā)工況下仍然能夠安全正確地運行。通過該種運行方式汽輪機組能夠自動完成如下操作：

（1）自動完成從汽輪機沖轉到轉速最終達到與設定值相同的過程。

（2）根據(jù)汽輪機轉子軸承等各關鍵部件的應力分布情況、在當前機器條件和負荷特征決定的臨界轉速等實時運行參數(shù)設定速度上升率、暖機時間等，并在條件允許時自動投入與實施負荷同步的調節(jié)運行工況和與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

（3）與大電網(wǎng)并網(wǎng)后，根據(jù)各關鍵部件應力分布情況、轉子臨界轉速以及機組的其他實際運行參數(shù)，自動確定負荷上升率或者執(zhí)行危險報警等操作。

3.3 遙控操作

在機組正常運行的情況下，遙控操作是在操作員自動方式下由操作人員選擇執(zhí)行與否。一旦投入遙控操作，?DEH系統(tǒng)的期望轉速值便由操作遙控端的人員或計算機設定。在遙控操作中，采“自動同步”和“協(xié)調控制”兩種方式進行操作運行，后者是DEH系統(tǒng)中最為主要應用的一種遙控方式。

3.3.1自動同步

在該種運行方式中，由“自動同步增”和“自動同步減”兩個觸點共同實現(xiàn)對轉速目標值的調整，直至汽輪發(fā)電機轉子被調整至設定轉速，隨時準備與大電網(wǎng)相連，使所發(fā)電力上網(wǎng)滿足用戶負荷需求。

3.3.2協(xié)調控制

協(xié)調控制這種遙控負荷操作受到實時負荷變化的控制，它必須在滿足如下條件時才能被投入運行：

（1）DEH須在“自動”或“ATC控制”方式。

（2）油開關必須閉合。

（3）遙控允許觸點必須閉合。

3.4 汽輪機手動操作

汽輪機手動操作不是在機組正常運行下采用的運行方式，而是在面對突發(fā)緊急情況或DEH系統(tǒng)故障時的應急操作，僅能起到維持機組運行的作用，不建議長期運行。因為無論從靈敏性或是準確性的角度而言，操作人員的操作均不如數(shù)字自動化的調速系統(tǒng)。所以待汽輪機組恢復正常、故障被處理完善后，應立即恢復機組自動運行。

4?DEH系統(tǒng)的常見故障及解決方式

由于DEH系統(tǒng)在進行調節(jié)時需要調動的機械部件和邏輯回路均較多、較復雜，可能會偶爾因各種原因發(fā)生小故障。但汽輪機組畢竟是大功率的原動發(fā)電機組，一旦發(fā)生故障造成的后果難以想象。故而為了確保汽輪發(fā)電機組安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟地高效運行，必須在平日里就加強對DEH系統(tǒng)的檢修維護力度，并且研究常見故障及對應的解決方式，從源頭上杜絕事故的發(fā)生。就工程經(jīng)驗而言，常見的故障及其原因分析如下所示。

4.1 安全油壓異常

汽輪機DEH系統(tǒng)在進行調節(jié)過程中有時會出現(xiàn)高壓油壓、空轉油壓、以及汽輪機緊急停機保護油壓異常不穩(wěn)定的現(xiàn)象。油壓異常一般表現(xiàn)為油壓異常波動（幅度大、頻率高）等不穩(wěn)定現(xiàn)象。在現(xiàn)有的故障報警記錄中占比率較高的就是油壓異常引起的故障。而根據(jù)工程經(jīng)驗總結，造成油壓異常的主要原因大致可以總結如下：

（1）?汽輪機自身的油系統(tǒng)中的部件或DEH系統(tǒng)中的高壓油路存在故障。

（2）?接收蒸汽閥門開度調節(jié)信號的電液伺服閥出現(xiàn)卡澀或其相關的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

（3）控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構故障導致其不能正常執(zhí)行指令。

（4）汽輪機跳閘保護系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導致汽輪機出現(xiàn)緊急跳閘現(xiàn)象時沒有保護系統(tǒng)保證其他部件的安全運行。

（5）?故障存在于DEH系統(tǒng)中的超速控制邏輯單元中，導致超速現(xiàn)象發(fā)生時DEH系統(tǒng)無法正常運行調節(jié)。

經(jīng)總結分析故障現(xiàn)象，首先應停機并對機組進行檢修維護。其次應關閉汽輪機各汽閥的進油截止閥，記錄油系統(tǒng)主油泵的供油狀況，同時觀察高壓油路的油壓供應數(shù)值是否穩(wěn)定，根據(jù)上述記錄判斷故障是否發(fā)生在汽輪機自身的油系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)的高壓油路中。再次應當將關閉的汽閥進油截止閥再根據(jù)給定規(guī)律依次打開，并對如下三種狀況進行測試：汽門全關狀態(tài)、汽門全開狀態(tài)、以及汽門半開閉狀態(tài)。根據(jù)各個汽輪有無出現(xiàn)卡澀、內泄露等現(xiàn)象判斷各個汽門工作是否正常。

綜上所述，造成DEH系統(tǒng)安全油壓波動的可能原因有很多，需要結合具體情況和機組狀況對故障現(xiàn)象進行詳細分析研究、對可能發(fā)生的油壓故障點進行逐一排查檢修，確定故障發(fā)生的源頭，降低機組故障帶來的經(jīng)濟損失。[4]

4.2?汽輪機調節(jié)系統(tǒng)擺動

DEH系統(tǒng)另一個常見的故障現(xiàn)象是汽輪機調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，無法進行穩(wěn)定的調節(jié)。這種故障現(xiàn)象主要存在在轉子轉速和負荷波動兩個方面。導致該問題發(fā)生的原因可以概括為三個典型原因：熱工伺服機構存在干擾分量、伺服閥故障和蒸汽促使閥門誤動。

4.2.1熱工伺服信號存在干擾分量

在汽輪機組經(jīng)長期工作后，在振動、電磁干擾等外部環(huán)境影響下，伺服系統(tǒng)的伺服卡輸出的電信號中由于如下原因可能會含有交流干擾分量：伺服系統(tǒng)中的位移傳感器的精度降低、DEH系統(tǒng)中的屏蔽接地線接觸不良、設計時工作地、信號控制地、保護地出現(xiàn)混繞等。這些原因將導致汽輪機DEH調節(jié)系統(tǒng)的輸出電信號中出現(xiàn)干擾信號，接收元件接收信號后不能根據(jù)信號進行穩(wěn)定、準確的調節(jié)，故而不能滿足設計調節(jié)要求，導致轉速出現(xiàn)波動。

4.2.2伺服閥故障

經(jīng)前述介紹，伺服閥是伺服調節(jié)系統(tǒng)中的核心部件，它也是DEH控制系統(tǒng)中實現(xiàn)電信號和液壓信號轉換過程的核心元件。油系統(tǒng)的供油是引起伺服閥出現(xiàn)故障的主要原因：當供應油質變差從而造成伺服閥出現(xiàn)卡澀等故障時，輕則可能導致汽輪機DEH調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)擺動現(xiàn)象，不能穩(wěn)定運行;重則可能導致機組發(fā)生緊急停機或不能正常啟動。

4.2.3蒸汽力促使閥門誤動

由于外力作用導致閥門過度動作，從而引起DEH系統(tǒng)輸出指令信號呈反復周期性變化是DEH調節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)轉速擺動現(xiàn)象的另一大原因。當汽輪機發(fā)電機組處于正常運行狀態(tài)時，其所有閥門均在特定的工況點上工作，若此時由于汽輪機組內部水蒸汽集中作用在某個進汽閥門上，將導致閥門工作狀態(tài)偏離正常的工況點，特別當主汽閥受到作用后，會導致機組內部蒸汽流量瞬間增多。為保證汽輪機發(fā)電機組穩(wěn)定運行，DEH控制系統(tǒng)在監(jiān)測到閥門開度異常、蒸汽流量異常等現(xiàn)象后必然會發(fā)出指令信號使閥門開度變小，但在閥門逐步調小過程中，由于蒸汽的持續(xù)集中作用，將使閥門的開度發(fā)生跳躍，瞬時使蒸汽流量減小，該流量減小信號經(jīng)反饋系統(tǒng)?傳輸?shù)紻EH系統(tǒng)邏輯處理中心，就會生成調大信號，執(zhí)行機構收到信號后又會將閥門調大，在蒸汽力的作用下又會過度調節(jié)，如此反復，將導致調節(jié)系統(tǒng)發(fā)生轉速和負荷的擺動現(xiàn)象。

為了解決汽輪機調節(jié)系統(tǒng)擺動的問題，首先在設計時就應嚴格依據(jù)行業(yè)規(guī)范和相關標準，將一定數(shù)量的隔離板安置在伺服系統(tǒng)的內部電路之間，以防止電子設備的相互干擾;對于伺服閥故障的狀況，應從產(chǎn)生該問題的源頭——供應油質量去解決，在正式運行過程中中應嚴格管理進機組的油源、油質，杜絕質量不符合標準的油進入機組中的情況出現(xiàn)。同時要加強日常對機組的維護，定期管理油質，清理油路。防止伺服閥堵塞;對于蒸汽力引起閥門過度調節(jié)的狀況，應在正式投入使用之前查驗閥門綜合性能，預防出現(xiàn)因閥門反復調節(jié)而引起DEH系統(tǒng)異常調節(jié)的情況。[5]

5?總結

本文從工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式幾個方面對數(shù)字式電液調節(jié)系統(tǒng)進行全面的介紹和總結，特別是用較多篇幅對常見故障及解決方式進行了介紹。DEH系統(tǒng)在工程實踐的檢驗中已經(jīng)獲得了認可，成為了汽輪機組的關鍵部件，現(xiàn)代的汽輪機機組可謂是缺之不可，保障了汽輪機發(fā)電機組高效安全運行。該項技術也在不斷地改進和進步。本文對DEH系統(tǒng)進行了較為全面的總結和介紹，突出其重要性的同時也強調了故障原因及解決方法，為后續(xù)的工程應用和理論研究提供借鑒和參考。

參考文獻：

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[4]彭建平.淺談汽輪機DEH液壓調速控制系統(tǒng)[J].價值工程，?2013（10）：179-180.

[5]陳立明.汽輪機DEH控制系統(tǒng)常見故障原因分析及處理措施研究[J].電力學報，?2011，?26（3）：251-253.