DEH 控制系統(tǒng)在電站50 MW 機(jī)組上的應(yīng)用

林海杰(國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(digital electric hydraulic control system, DEH)，在電廠中非常重要。汽輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)歷史長(zhǎng)久，主要發(fā)展了四代[1]：(1) 機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)(MEH)；(2) 電氣液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)(EHC)；(3) 模擬式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(AEH)；(4) 數(shù)字式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)。

下面主要介紹一下某電站裝置50 MW 機(jī)組所應(yīng)用的ABB Symphony 系統(tǒng)所組成的DEH 控制系統(tǒng)(汽輪機(jī)選用哈汽廠生產(chǎn)的高壓、沖動(dòng)、單抽、凝汽式汽輪機(jī)。額定功率為50 MW，型號(hào)為CKZ 50-8.83/4.1，主蒸汽壓力為8.83 MPa，抽汽壓強(qiáng)為4.1 MPa)。此汽輪機(jī)主要設(shè)有4 個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥(GV)，4 個(gè)中壓調(diào)節(jié)閥(LV)，2 個(gè)自動(dòng)主汽閥(TV)。中壓調(diào)節(jié)閥(LV) 和高壓調(diào)節(jié)閥(GV) 采用美國MOOG761 伺服閥對(duì)其進(jìn)行連續(xù)控制，2 個(gè)高壓主汽閥(TV) 采用電磁閥進(jìn)行兩位控制。每個(gè)閥門都有自己獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。采用專用的伺服模件對(duì)以上連續(xù)性閥門進(jìn)行控制，采用普通開關(guān)量輸出模件對(duì)兩位型閥門進(jìn)行控制。

1 DEH 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

1.1 DEH 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

此Symphony DEH 系統(tǒng)采用了多層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要有三個(gè)層次：過程數(shù)據(jù)管理層控制網(wǎng)絡(luò)(Cnet)[2]；過程控制數(shù)據(jù)層控制總線(C. W)；過程I/O 數(shù)據(jù)層擴(kuò)展總線(X. B)，本系統(tǒng)采用首尾相接的環(huán)形冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置有一臺(tái)工程師站，一臺(tái)操作員站，兩對(duì)BRC300 冗余控制器分別對(duì)應(yīng)超速保護(hù)(OSP) 部分和基本功能部分，還有單個(gè)MFP12 控制器用來與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行通訊，一對(duì)冗余網(wǎng)絡(luò)接口模件用來將數(shù)據(jù)上網(wǎng)，使操作員站可以與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。還有若干I/O 模件，3 塊FCS01測(cè)速專用模件，8 塊HSS03 液壓伺服子模件，此為DEH 控制系統(tǒng)的核心模件，分別控制現(xiàn)場(chǎng)的4 個(gè)高壓調(diào)閥(GV) 閥和4 個(gè)中壓調(diào)閥(LV)。

圖1 DEH網(wǎng)絡(luò)配置圖

2 DEH 控制系統(tǒng)組成

2.1 電子控制裝置

控制柜：裝有計(jì)算機(jī)、模擬量和開關(guān)量(脈沖量) 輸入輸出組件和電源等。完成數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，輸出控制與保護(hù)指令。

工程師站：進(jìn)行組態(tài)和編程，管理數(shù)據(jù)庫。在線狀態(tài)可監(jiān)視操作員站全部功能等。

操作員站：可選擇控制方式、修改設(shè)定值、操作控制系統(tǒng)、顯示和確認(rèn)報(bào)警等手操盤是當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，通過手操盤控制閥位，維持機(jī)組運(yùn)行。

2.2 高壓抗燃油供油系統(tǒng)(EH)

供油系統(tǒng)主要提供高壓抗燃油，用來驅(qū)動(dòng)閥門的伺服機(jī)構(gòu)及為汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)和汽輪機(jī)超速保護(hù)控制系統(tǒng)提供油源。

它主要由抗燃油箱、抗燃油泵、濾油器、溢流閥、控制塊、蓄能器、磁性過濾器、抗燃油再生過濾系統(tǒng)、自循環(huán)冷卻系統(tǒng)、抗燃油加熱系統(tǒng)及對(duì)油溫、油壓、油位等指示和報(bào)警的設(shè)備組成。抗燃油泵的出口壓力在0～20 MPa 間任意可調(diào)。正常工作壓力為14.0±0.5 MPa。供油裝置有兩套泵組，即可同時(shí)工作，又可互為備用。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，需要的流量較大或某種原因而造成壓力偏低，此時(shí)通過電氣聯(lián)鎖可啟動(dòng)備用泵，以滿足系統(tǒng)要求。供油系統(tǒng)設(shè)有完善的保護(hù)、參數(shù)顯示和報(bào)警。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

汽輪機(jī)的閥門分兩種型式：一種是開關(guān)型，如TV，只有開和關(guān)二個(gè)位置，采用電磁閥控制；另一種是可控制型的，如：GV、LV。它們的開度可以被控制在任一位置。每個(gè)閥門都配有單獨(dú)的油動(dòng)機(jī)，都由一個(gè)單獨(dú)的伺服回路控制。油動(dòng)機(jī)的油缸是單側(cè)進(jìn)油，其開啟由抗燃油壓力驅(qū)動(dòng)，而關(guān)閉靠彈簧力。

GV 閥和LV 閥的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理完全相同。由控制器輸出的指令與LVDT 反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者之差經(jīng)伺服放大器放大后以電流的形式送至電液轉(zhuǎn)換器的線圈中，電液轉(zhuǎn)換器將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)。使電液轉(zhuǎn)換器的主滑閥移動(dòng)，將閥門開大或者關(guān)小，當(dāng)控制器指令和LVDT 反饋信號(hào)差值為零時(shí)，主滑閥居中，閥門處于一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，侗服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制回路中有一只快速卸載閥，當(dāng)遮斷油母管油壓跌落時(shí)，此閥將油缸下腔的油與回油接通，使閥門快速關(guān)閉。

2.4 汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)

汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(emergency trip system, ETS)。ETS 系統(tǒng)是把機(jī)組的所有跳閘信號(hào)綜合，諸如EH 油壓低、真空低、潤(rùn)滑油壓低、軸向位移大、振動(dòng)大、機(jī)組超速等。并進(jìn)行邏輯判斷后輸出指令去控制AST 電磁閥。在異常情況下，使汽輪機(jī)緊急停機(jī)，以保護(hù)汽輪機(jī)的安全。其OPC/AST電磁閥組件，如圖2所示。

圖2 OPC/AST電磁閥組件原理圖

OPC 和AST 整套電磁閥模塊組件主要由兩只OPC 超速保護(hù)電磁閥并聯(lián)放置(OPC1-2)、模塊組內(nèi)設(shè)有兩個(gè)逆止閥、“兩或一與”布置的危急遮斷電磁閥組(20/AST-1、2、3、4) 和一個(gè)控制模塊構(gòu)成。

在汽輪機(jī)組正常運(yùn)行期間，OPC1 和OPC2 兩個(gè)超速電磁閥為失電狀態(tài)，將OPC 油母管的泄油通道封閉。使調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作腔建立起油壓，當(dāng)機(jī)組有103% 超速動(dòng)作信號(hào)輸出時(shí)，OPC1 和OPC2 兩個(gè)電磁閥得電勵(lì)磁，OPC 母管內(nèi)的控制油液失去壓力，經(jīng)無壓回油油管回流至EH 抗燃油油箱，同時(shí)，所有高壓調(diào)節(jié)閥(GV) 和中壓調(diào)節(jié)閥(LV) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的卸載閥迅速打開，關(guān)閉所有高中壓調(diào)節(jié)閥和抽汽逆止閥。

模塊組上4 個(gè)AST 電磁閥接受ETS 的信號(hào)控制，機(jī)組在正常運(yùn)行期間4 個(gè)AST 電磁閥處于常帶電狀態(tài)，AST 控制油母管的泄油通道被封閉，使所有主汽閥、高調(diào)閥和中調(diào)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作腔室內(nèi)建立起油壓，當(dāng)機(jī)組某些監(jiān)視參數(shù)越限并可能引起汽輪機(jī)安全運(yùn)行時(shí)，機(jī)組發(fā)出跳閘信號(hào)，由ETS 輸出控制，現(xiàn)場(chǎng)4 個(gè)AST 電磁閥失電打開，AST 控制母管油失去壓力，經(jīng)無壓回油管回流至EH 抗燃油油箱，所有主汽門(TV)、高壓調(diào)節(jié)閥(GV) 和中壓調(diào)節(jié)閥(LV) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的卸載閥迅速打開，所有汽門全部關(guān)閉。

4 個(gè)AST 電磁閥組的布置方式為“兩或一與”的串并聯(lián)方式，其主要目的是保證汽輪機(jī)安全可靠的運(yùn)行。4 個(gè)AST 電磁閥分成兩組：AST1 和AST3 為高壓側(cè)電磁閥并聯(lián)連接，AST2和AST 為低壓側(cè)電磁閥并聯(lián)連接，然后兩組再串聯(lián)起來連接在一起，這樣布置后，當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生危急遮斷時(shí)，兩組電磁閥中每組只要有一個(gè)電磁閥動(dòng)作，就能將AST 控制油母管中的油壓泄掉，從而保證了汽輪機(jī)的安全。在掛閘(復(fù)位) 時(shí)，兩組電磁閥當(dāng)中，只要有一組電磁閥得電，就可以建立起AST 安全油壓，使汽輪機(jī)的主汽閥和高中壓調(diào)閥具備開閥條件，汽機(jī)具備啟動(dòng)條件。在機(jī)組正常運(yùn)行期間，4 個(gè)AST 電磁閥可進(jìn)行在線試驗(yàn)，通過兩個(gè)ASP1(對(duì)應(yīng)高壓側(cè)定值為大于等于9.8 MPa) 和ASP2(對(duì)應(yīng)低壓側(cè)定值為小于等于4.2 MPa) 兩個(gè)壓力開關(guān)的狀態(tài)來檢驗(yàn)AST 電磁閥動(dòng)作的正確性。

OPC/AST 電磁閥模塊組件上的兩個(gè)逆止閥的作用是；當(dāng)機(jī)組有103% 超速信號(hào)時(shí)，2 個(gè)OPC 電磁閥得電勵(lì)磁，AST 控制油母管油壓不會(huì)受到影響，AST 油壓正常，主汽閥不會(huì)關(guān)閉，機(jī)組不會(huì)跳閘；當(dāng)機(jī)組有遮斷信號(hào)時(shí)，4 個(gè)AST 電磁閥失電關(guān)閉，由于AST 油壓失去，在兩個(gè)單向閥的作用下，OPC 控制油母管油壓也失去，所有汽門全部關(guān)閉。

2.5 汽輪機(jī)超速保護(hù)控制(OPC)

控制高中壓調(diào)閥的保護(hù)油壓也是由高壓抗燃油經(jīng)過節(jié)流孔后產(chǎn)生，受汽輪機(jī)超速保護(hù)電磁閥(OPC 電磁閥) 控制。OPC電磁閥的控制信號(hào)來自DEH 控制系統(tǒng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過103% 時(shí)，OPC 電磁閥通電，高中壓調(diào)閥GV 和LV 關(guān)閉，轉(zhuǎn)速<102% 時(shí)，OPC 電磁閥斷電，GV 和LV 在伺服閥控制下開啟。為了提高可靠性，OPC 控制邏輯采用轉(zhuǎn)速信號(hào)三取二的方式。

3 DEH 控制系統(tǒng)功能

DEH 主要功能就是控制汽機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和功率控制，實(shí)際上就是汽輪機(jī)從掛閘到?jīng)_轉(zhuǎn)、暖機(jī)和閥門切換以及并網(wǎng)、帶負(fù)荷的過程。同時(shí)，DEH 還具備汽輪機(jī)的超速保護(hù)功能。

3.1 汽機(jī)復(fù)位(掛閘)

總體看來，汽機(jī)的跳閘主要是兩個(gè)路徑：一是當(dāng)汽機(jī)危急保安裝置動(dòng)作時(shí)，低壓潤(rùn)滑油保安油壓失去，薄膜閥上部油壓失去動(dòng)作。將AST控制油母管內(nèi)油壓泄掉，所有汽門全部關(guān)閉；另一個(gè)是當(dāng)4 個(gè)AST 電磁閥失電動(dòng)作后直接將AST 控制油母管內(nèi)油壓泄掉，關(guān)閉所有汽門。汽機(jī)復(fù)位(掛閘) 的作用就是使危急保安裝置復(fù)位。是通過將現(xiàn)場(chǎng)掛閘電磁閥帶電使危急保安裝置滑閥上腔油壓泄掉，重新建立起滑閥組至薄膜閥的保安油壓。同時(shí)，ETS 系統(tǒng)進(jìn)行跳閘信號(hào)復(fù)位，4 個(gè)AST 電磁閥恢復(fù)至帶電狀態(tài)，AST 控制油母管油壓建立，具備汽機(jī)啟動(dòng)沖車條件。

3.2 轉(zhuǎn)速控制

DEH 的最基本的功能就是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。汽機(jī)在沖轉(zhuǎn)升速的過程中，DEH 將轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，如果檢測(cè)到有轉(zhuǎn)速偏差，轉(zhuǎn)速PID 會(huì)發(fā)出指令，通過伺服閥將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)，去控制高壓調(diào)閥的開度，使給定值與實(shí)際值保持一致。消除轉(zhuǎn)速偏差。

3.2.1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速選擇

轉(zhuǎn)速信號(hào)選擇為三取中，即由三路轉(zhuǎn)速信號(hào)兩兩選大，然后再進(jìn)行小選。其信號(hào)邏輯為：當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障，發(fā)生系統(tǒng)轉(zhuǎn)速故障后，DEH 將自動(dòng)產(chǎn)生跳閘指令。(1) 三路中有二路轉(zhuǎn)速故障；(2) 一路轉(zhuǎn)速故障，其余兩路轉(zhuǎn)速偏差大；(3) 三路轉(zhuǎn)速任意兩路之間偏差均過大；(4) 轉(zhuǎn)速給定大于500 r/min 時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與給定偏差過大。

3.2.2 超速控制

超速控制主要是通過使2 個(gè)OPC 電磁閥得電，來關(guān)閉所有高中壓調(diào)閥。防止汽機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，防止超速引起機(jī)組跳閘甚至是發(fā)生機(jī)組事故。并網(wǎng)前OPC 保護(hù)動(dòng)作：當(dāng)機(jī)組未進(jìn)行電氣超速或者機(jī)械超速試驗(yàn)，機(jī)組在運(yùn)行過程中如果轉(zhuǎn)速達(dá)到103%，2 個(gè)OPC 電磁閥得電動(dòng)作，所有高中壓調(diào)閥關(guān)閉，DEH控制系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于102% 時(shí)，2 個(gè)OPC 電磁閥失電，轉(zhuǎn)速PID 控制機(jī)組的轉(zhuǎn)，維持機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

并網(wǎng)后OPC 保護(hù)動(dòng)作：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到103% 額定轉(zhuǎn)速，并確認(rèn)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)在合閘狀態(tài)時(shí)，OPC 電磁閥動(dòng)作，迅速關(guān)閉調(diào)速汽門；當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于102% 額定轉(zhuǎn)速時(shí)，OPC 電磁閥恢復(fù)，系統(tǒng)切換為閥位控制方式，開啟調(diào)速汽門接帶負(fù)荷，目標(biāo)值應(yīng)自動(dòng)置為初負(fù)荷值。

3.2.3 超速試驗(yàn)

超速試驗(yàn)條件：(1) 機(jī)組轉(zhuǎn)速在3 000 r/min 定速；(2) 油開關(guān)斷開，未并網(wǎng)狀態(tài)。超速試驗(yàn)主要包括OPC(103%) 超速試驗(yàn)；電氣超速試驗(yàn)(110%)；機(jī)械超速試驗(yàn)(111%～112%)，三項(xiàng)試驗(yàn)在邏輯上互鎖。在任意情況下，只可以進(jìn)行一項(xiàng)超速試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速PID 控制。當(dāng)進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)時(shí)，DEH 控制系統(tǒng)自動(dòng)將電超速延遲至3 360 r/min，如果轉(zhuǎn)速超過3 360 r/min，機(jī)械超速仍未動(dòng)作，DEH 將發(fā)出超速跳閘指令送至ETS。

3.2.4 DEH 跳閘

DEH 跳閘是將DEH 的內(nèi)的所有邏輯跳閘指令送至ETS，由ETS 輸出跳閘信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)AST 電磁閥使其失電，進(jìn)行跳機(jī)。DEH 跳閘有：(1) 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速故障；(2) 轉(zhuǎn)速大3 300 r/min；(3)DEH失電。

3.3 單閥/順序閥切換

單閥和順序閥之間的切換實(shí)際上就是由單閥控制方式無擾地切換至順序閥控制方式，目的是為了減少節(jié)流損失，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。單閥控制模式下，蒸汽通過噴嘴全周進(jìn)入汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)動(dòng)葉，使葉片均勻受熱，同時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)葉片的應(yīng)力分布更加均勻，這種情況下，機(jī)組可以快速增減負(fù)荷，但由于4 個(gè)高壓調(diào)閥開度保持一致，節(jié)流損失較大。而在順序閥控制模式下，四個(gè)高壓調(diào)閥(GV) 按照預(yù)定順序(GV1/GV2-GV3-GV4)開啟，GV1 和GV2 同時(shí)全部開啟后再依次開啟GV3 和GV4。此時(shí)蒸汽以部分進(jìn)汽的形式進(jìn)入噴嘴，很大程度上減小了節(jié)流損失。使機(jī)組的熱效率和經(jīng)濟(jì)性顯著提高。這種控制方式對(duì)葉片沖擊嚴(yán)重，應(yīng)力分布不均勻，容易形成部分應(yīng)力區(qū)，增減負(fù)荷的速度受到極大限制。在冷啟動(dòng)和變負(fù)荷低參數(shù)運(yùn)行時(shí)，可采用單閥控制方式，可有使機(jī)組均勻受熱，加快熱膨脹的速度，同時(shí)可減小金屬熱應(yīng)力，機(jī)組壽命延長(zhǎng)；而機(jī)組在變負(fù)荷額定參數(shù)運(yùn)行時(shí)，宜采用順序閥控制方式，這種控制方式可以提高機(jī)組的熱效率，減少節(jié)流損失，提高熱經(jīng)濟(jì)性。熱經(jīng)濟(jì)性是電廠運(yùn)行的考核指標(biāo)。

3.4 閥門試驗(yàn)

主要有主汽門/ 調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)和自動(dòng)主汽門活動(dòng)試驗(yàn)。

閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)條件：(1) 機(jī)組在3 000 r/min 定速；(2) 油開關(guān)斷開，未并網(wǎng)狀態(tài)。主要目的是檢驗(yàn)高中壓調(diào)門和自動(dòng)主汽門的嚴(yán)密性，確保在緊急情況下所有閥門能可靠的關(guān)閉，防止蒸汽進(jìn)入汽缸并防止超速。在此說明，在做嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，未做試驗(yàn)的閥門在全開位置，所以，閥門試驗(yàn)結(jié)束以后，為保證機(jī)組安全和防止汽機(jī)超速，DEH 將發(fā)出汽機(jī)跳閘指令信號(hào)，跳閘機(jī)組，嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)束以后，汽機(jī)需重新復(fù)位(掛閘) 升速。

自動(dòng)主汽門活動(dòng)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)汽輪機(jī)的閥門無卡澀，確保汽輪機(jī)的安全。機(jī)組帶穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行后，定期進(jìn)行。試驗(yàn)的條件：(1) 機(jī)組負(fù)荷低于60% 額定負(fù)荷；(2) 機(jī)組處于單閥控制方式；(3) 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各重要參數(shù)正常；(4) 未進(jìn)行其他閥門活動(dòng)試驗(yàn)。

4 結(jié)語

DEH 系統(tǒng)具有數(shù)字系統(tǒng)的靈活性、模擬系統(tǒng)的快速性和液壓系統(tǒng)的可靠性。功能較原有的汽輪機(jī)控制系統(tǒng)大大地?cái)U(kuò)展了集自動(dòng)控制、過程監(jiān)控和保護(hù)于一體。通過對(duì)ABB 公司Symphony DEH 控制系統(tǒng)的組成以及功能的詳細(xì)論述，希望能給各界同行帶來一些幫助，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。