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电液调节系统原理及应用 电液调节系统原理及应用电液调节系统原理及应用 葸国隆 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 摘 要 本文就汽轮机数字电液控制系统的组成、控制功能及其实现做了说明，并介绍常见项目 实施过程出现的部分故障及处理方法；同时对 EH 油系统、电液伺服阀、ETS 系统也做了介绍。 关键词：数字电液 汽轮机转速 电液伺服阀 汽轮机保护 Abstract This text did the introduction to the Digital Electric Hydraulic steam turbine Control System, control function and implementation, and introduced the error and fault appears in the common item implementation process and the method;Also did introduction to the EH oil system, the electricity liquid servovalve and ETS system at the same time. Keywords: DEH STEAM TURBINE SPEED SERVOVALVE ETS 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 目目 录录 前言. 第一章DEH 概述. 1.1DEH 的发展经历. 1.1.1MHC. 1.1.2EHC. 1.1.3DEH . 1.2DEH 系统的组成. 1.3DEH 的控制方案. 1.4ETS. 1.5TSI. 第二章液压执行机构 . 2.1DEH 的硬件组成各部分功能. 2.1.1DEH 常用的电液转换器 . 2.1.2LVDT. 第三章油系统 . 3.1低压透平油系统. 3.2供油装置的主要部件. 3.3自容式电液执行器. 3.4汽轮机的自动保护系统. 第四章DEH 调试. 4.1LVDT . 4.1.1LVDT 的安装调试. 4.2拉阀试验. 4.3汽轮机冲转. 总结. 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 前言 汽轮机是电厂中的重要设备，其作用是在高温高压蒸汽的推动下稳定在一定转速下旋转, 完成热能到机械能的转换。汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能，驱动发电机转动；发电机再 将机械能转换为电能并输送到电网；电网再将电能输送到各个用户。为了保证供电质量，就 必须保证电力系统的电压、频率的稳定；同时在电网出现故障时，又要能保证机组自身的安 全。也就是确保外界负荷突增时机组不过载；甩负荷时汽轮机不超速。电压的调节另有专门 设备承担（发电机励磁系统等装置） ，不属于汽轮机调节系统的范围，而频率则直接取决于汽 轮发电机的转速，一般要求汽轮发电机的转速稳定在额定转速附近很小的一个范围内，通常 此范围为1.53.0rpm。为了达到以上要求，汽轮机必须配备可靠的自动控制装置 DEH。 全论文分四章,各章的主要内容说明如下。 第一章，对 DEH 控制系统的发展状况及其系统组成进行了阐述。 第二章，简单概述了液压执行机构的结构功能等基础内容。 第三章，对油系统做了系统的介绍。 第四章，介绍了 DEH 工程调试部分的内容及细节。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 第一章 DEH 概述 1.1 DEH 的发展经历 汽机控制系统的发展经历了以下几个阶段 1.1.1 MHC 机械液压调节系统(MECHANICAL-HYDRAULIC CONTROL，简称 MHC)，实现转速的自动调节 和负荷的手动调节。如下图所示： 1减速齿轮；2调速器；3错油门；4油动机；5调节汽门 1.1.2 EHC 随着汽轮机单机容量的增大和中间再热机组的出现，单元制运行方式的普遍采用以及电 网自动化水平的提高，MHC 已不能适应汽轮机的控制要求，于是出现了电液调节系统 ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL，简称 EHC)。EHC 系统中执行机构仍采用液压伺服装置，运算部 件则由电子元件组成，这种系统具有信号综合方便，运算精度高，能适应多种运行工况的特 点。早期的 EHC 系统采用模拟电子装置构成，由于电子器件的可靠性不高，故汽轮机控制系 统多设计为 EHC 和 MHC 并存的工作方式，MHC 作为 EHC 的后备调节手段。正常控制由 EHC 完 成，一旦 EHC 故障退出，MHC 立即投入。这种以模拟电路为主的 EHC 系统称为 AEH(ANALOG ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL)。随着模拟电子器件质量的提高，汽轮机控制系统由电液并存 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 工作方式过渡到采用 AEH 纯电调的工作方式。 典型的 EHC 系统原理方块图如下图所示： EHC 系统采用了功率和频率两个调节信号，有三种基本的调节回路。 (1)转速调节回路。它用于单机运行工况，在机组启动时升速、并网和在停机(包括甩负荷过 程)中控制转速。 (2)功率调节回路。在机组并入电网运行时或机组在电网中不承担一次调频任务时，频差放大 器(转速调节回路)均无输出信号，此时，机组由功率调节回路控制。 (3)功频调节回路。当汽轮机参与一次调频时，调节系统构成了功率频率调节回路，此时， 频率、功率调节回路均参与工作。无论功率通道产生了不平衡，还是频率通道产生不平衡， 都引起调节系统动作，直至系统趋于稳定。 1.1.3 DEH 当计算机在工业控制领域得到广泛应用时，汽轮机功频电调装置进一步发展为以计算机 为基础的数字式电液控制系统，这种系统称为 DEH(DIGITAL-HYDRAULIC CONTROL，简称 DEH)。 目前，我国火电厂汽轮机大都采用数字式电液控制系统。电液调节系统种类繁多，其工 作原理和功能各异。但大多数电调设置转速控制、负荷控制，阀门控制、阀门管理，应力计 算，应力限制，负荷限制，保护跳闸等功能，能满足汽轮机安全运行和启停要求。 根据所使用的油质不同，DEH 系统又分为低压透平油系统和高压抗燃油系统。在中高压 汽轮发电机组中，新建项目以及改造升级项目均以低压透平油电液调节系统为首选。而 200MW 以上的发电机组均以高压抗燃油为主；300MW 以上的火力发电机组所配备的汽动给水泵 也以高压抗燃油为主。目前国内电液调节系统的主要供货商除和利时之外，还有上海新华， 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 ABB，美国 WOODWARD 的 505 系统，浙大中控，南京科远等。 1.2DEH 系统的组成 DEH 系统由两大部分组成，即液压控制系统和电气控制系统。电控部分实现各种控制功 能，如转速控制、功率控制、手动/自动切换等，最终形成各个阀门的阀位指令。液控系统作 为调节系统的动力单元，用以驱动阀门，使阀门的开度按着阀位指令而改变。 1).液压控制系统 1、液压控制系统的组成： 由供油系统、液压执行机构及危急遮断系统组成。 2、液压控制系统的功能： 向各阀门油动机提供符合标准的高压动力油。 驱动各阀门并使阀门能够停止在需要的位置。 当需要时能够快速遮断汽轮机进汽。 如下图所示为某 25MW 机组透平液压控制系统部分，包含 DDV 阀、挂闸及复位电磁阀、OPC 电 磁阀、AST 电磁阀。 2).电控系统 DEH 电控系统是以微型计算机为核心的分散控制系统，可方便地完成数据采集、过程控制、 操作与监控等功能。工程师站能方便的对控制逻辑进行设计、调试、修改。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 如下图为和利时 FM 系列 DEH 控制柜： 如下图为和利时 T80 控制柜： 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 1.3 DEH 的控制方案 1).转速控制回路 转速控制回路包括转速目标值给定，转速变化率给定，升速曲线的生成及选择，转速 PI 调节器，转速测量及三取二逻辑，转速不等率和不调频死区设定，频率同期的自动或手动控 制等。本回路承担汽轮发电机组的转速控制任务。 2).功率控制回路 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 功率控制回路包括目标功率值给定，功率变化率给定，一次调频对功率给定的修正，最 大功率限制及限制值给定，功率测量及三取二逻辑，功率 PI 调节器，机炉协调控制的投入/ 切除等。本回路构成了汽轮发电机组的功率闭环控制。 3).防超速保护控制回路（OPC） 接受油开关跳闸辅助接点信号和转速 103%n0 信号，经逻辑运算发出快关调门控制信号， 并通过硬接线使快关电磁阀带电，迅速关闭调节阀。 4).阀控方式 司机通过设置目标阀位直接控制调门开度，DEH 维持阀位不变。这时机组负荷与蒸汽压 力自动平衡。 5).压控方式 司机通过设置目标压力来控制机前压力，DEH 控制调门开度来维持主汽压力不变。 6).CCS 方式 在 CCS 方式下，DEH 接受 CCS 主控器来的阀位给定信号，直接控制调门开度。DEH 与 CCS 主控器配合可完成机跟炉，炉跟机以及机炉协调的各种控制功能。 7).一次调频 DEH 具有一次调频功能，调频特性(不等率、死区)可在线修改。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 1.4 ETS ETS（EMERGENCY TRIP SYSTEM）是汽轮机危急跳闸系统的简称，作为汽轮机紧急停 机的执行系统，ETS监视汽轮机的某些参数，当这些参数超过其运行限制值时，该系统就关 闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，紧急停机，这些参数来源有三个：DEH、TSI和就地仪表。 主要参数有： 1. 超速跳闸 2. 真空低跳闸 3. 润滑油压低跳闸 4. EH油压低跳闸 5. 轴向位移大跳闸 6. 排汽温度高跳闸 7. 汽机振动大跳闸 8. 相对膨胀大跳闸 9. 轴承金属温度高跳闸 ETS控制柜（如下图所示）内部由两个冗余PLC站、继电器、投切开关组成， 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 1.5 TSI TSI(Turbine Supervisory Instrumentation)汽轮机安全监视系统该系统的监视参数有： (1)机组的转速监视。 (2)触发自动盘车的机组零转速监视。 (3)转子的轴向位移监视：用于监视转子推力盘相对于推力轴承的轴向位移。 (4)轴系偏心(弯曲)监视：用于监视转子偏心度的峰-峰值和瞬时值。 (5)机组的膨胀监视：用于监视汽缸的绝对膨胀和转子与汽缸间的轴向膨胀差(胀差)。 (6)机组的轴系振动监视。 下图所示为汽轮机转速探头，轴向位移探头等现场监测点。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 第二章 液压执行机构 2.1 DEH 的硬件组成各部分功能 1).操作员站：主要完成的是人机接口，运行人员通过操作员站完成能够利用 DEH 完成的 正常操作。任意一台操作员站可以定义成工程师站，工程师和 DEH 软件维护人员可以通过工 程师站进行组态等修改算法和配置的功能。 2). HUB：网络集线器，实现上层网络的通讯物理接口。 3).控制柜：实现 I/O 模块的安装布置和接线端子的布置，I/O 模块通过 DP 通讯线和主控单 元连接构成底层的数据网络，I/O 模块主要实现对所需要的控制信号的采集转换工作。通过工 程师站将 DEH 控制算法下装到控制柜，控制柜中的主控单元实现 DEH 控制算法的实现和运 算。 4).DEH 专用的伺服模块 FM146A：主要实现的功能是该模 块和电液转换器（DDV 阀） 、油动机、LVDT（位移传感器） 共同组成一个伺服油动机，实现对汽轮机的控制。 5).DEH 专用的测速模块：主要实现的功能是转速测量、加 速度测量、103动作、110打闸、加速度微分前馈。 6).电液转换器：是 DEH 最为重要的环节，主要完成的是 将电信号转换为可控制的液压信号，和利时公司采用的 DDV 阀 是直流力矩马达伺服阀，解决了困绕 DEH 多年的电液转换不稳定和卡涩的问题。 7).油动机：最终液压的执行机构。通过机械杠杆、凸轮、弹簧等机械连接实现对汽轮机的 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 进入蒸汽和抽汽等的流量控制。从而实现对汽轮机的转速、功率、汽压等最终目标的控制。 8).LVDT（位移传感器）：是油动机行程的实时反馈系统，FM146A 伺服模块通过它的反 馈信号和主控单元的指令进行比较从而调整输出信号，实现对油动机的稳定快速控制。 2.1.1 DEH 常用的电液转换器 采用透平油为工质的调节系统称为低压透平油电液调节系统。低压透平油电调的应用， 关键在于电液转换难题的解决。和利时公司成功地应用了 MOOG 公司新近推出的直接驱动式 电液伺服阀，即 DDV(Direct DriveServo Valve)阀，圆满地解决了电液转换的难题，为 低压透平油纯电调的开发和应用开辟了广阔的前景。这种伺服阀的控制精度和动态响应特性 均与 MOOG 阀相当，抗污染能力和可靠性远高于 MOOG 阀，能适应透平油系统的一般清洁 度水平。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 除 DDV 阀外，低压透平油系统的电液转换器也可采用 MOOG 阀、VOITH 阀、CPC 阀。 2.1.2 LVDT 线性位移差动变送器(LVDT),把油动机活塞的位移转换成电压信号，反馈到伺服放大器，与计 算机来的信号进行比较。 LVDT 由一铁芯和外壳组成，如下图，一个是一次侧绕组，在中心点的两侧各绕有一个 二次侧绕组，这两个绕组反向连接，二次绕组的输出是两个绕组感应电动势之差。二次侧绕 组感应电动势经整形滤波后，转变为铁芯与绕组间相对位移的电信号输出。输出的信号便可 模拟电动机的位移，也即是阀门的开度。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 第三章 油系统 汽轮机配备 DEH 数字式控制器，驱动蒸汽阀门的执行机构 采用高压抗燃油的（油压 14MPa 左右） 作为动力的纯电调系统称为高压抗燃油纯电调系统；执行机构采用低压透平 油（油压 1.02.0MPa） 作为动力的纯电调系统称为低压纯电调系统。 抗燃油电液调节系统特点：控制精度高、运行方式灵活、油动机动态响应较好、可软件 实现阀门管理。结构复杂，对油质要求高，有污染(西方国家按核污染等同),投资高，运行费 用高（3 年换一次油，10 万） 。适用 200MW 以上机组。 透平油液调节系统特点：结构简单、功能与高压抗燃油电调完全相同！投资少、运行费 用低、维护方便。适用 200MW 以下机组。 3.1低压透平油系统 低压透平油调节部分是 DEH 控制信号的执行者，这部分的机械和液压性能的好坏直接影 响到控制的精度和灵敏度。如下图所示，压力油在经过双通滤油器后，进入到电液转换器 DDV 阀的 P 油口，若 DDV 阀芯位置在 50%以上，则从 A 油口产生脉动油；若 DDV 阀芯位 置在 50%以下，则油口 P 和 T 油口导通，形成回油。B 口封闭不用。从 A 油口产生的脉动油 进入到错油门滑阀的下腔，与错油门反馈油口生成的脉动油汇和，脉动油在滑阀的下部产生 一个向上的力，滑阀上顶部分有压力油作用，他们形成了一对平衡的力，使错油门滑阀的阀 芯浮动在错油门内腔。若阀位指令信号加大，那么 A 口开大，脉动油进油量增加，滑阀阀芯 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 打破平衡力，向上移动，此时油动机下腔进入压力油，上腔回油，油动机滑杆向上运行，对 液力弹簧式机组来说，调门开启。 1零位调节塞。 2插座。 3阀芯。 4阀套。 5端罩盖。 6对中弹簧。 7直流马达。 8阀芯位置传感器（LVDT） 。 9集成电子线路 在 OPC 指令送出，OPC 电磁阀将动作，它会快速地泻掉脉动油管路中的脉动油，使得 油动机迅速关闭。保证了汽轮机的安全性 。 脉 动 油 P 遮 断 转 换 阀 安 全 油 T B 伺 放 DDV 电 液 伺 服 阀 阀 位 信 号 压 力 油 A T 滤 油 器 组 件 解 调 快 关 电 磁 阀 fn1可 调 节 流 阀 fn 错 油 门 LVDT 油 动 机 活 塞 3.2 供油装置的主要部件 1).油箱 油箱能保证设备运行所需的总油量,里面的磁棒用来吸附可能带有的导磁性杂质,要定期清 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 洗。油温控制在 21-57，油温低时用加热器加热，油温高时，用冷却水降温。油位要保持在 正常范围，过高或过低，要遮断停机。 2).高压油泵 EH 油系统的压力抗燃油由交流电机驱动的高压叶片泵提供，两台油泵相互独立。正常运 行时，一台油泵的出油就能满足整个 EH 油系统的运行，两台互为备用，也可以同时运行。 3). EH 油再生装置 EH 油再生装置是用来存储吸附剂使抗燃油再生的装置，主要由硅藻土滤油器和波纹纤维 滤油器串联而成，硅藻土滤油器主要用来除去油中含有的酸，波纹纤维滤油器是用来防止泥 沙等杂质进入油中。 4).蓄能器 蓄能器可将系统中的能量存储起来，在需要的时候又重新放出，用以维持系统的油压和 补充系统的用油量。 3.3 自容式电液执行器 自容式电液执行器，将两种电液伺服系统统一起来，即可用于大型机组，也可用于中小 型机组。自容式电液执行器适用于对大机组现有的高压抗燃油 DEH 进行环保改造和优化，也 可用于大机组新机配套。同时，也可用于中、小机组的 DEH 控制。尤其是那些陈旧的、调节 系统损坏严重的机组，采用自容式电液执行器可以圆满解决此类机组电调改造的问题。 自容式电液执行器把油源站与电液执行器集成为一体。油源、液压油、管路容纳于“自容 式”中。 集成性：将液压缸、操纵座、控制系统和油源系统集成在一起，并经过优化，省去油源 站和外部油管路。 节能性：根据系统的稳态耗油少，动态耗油时间短，可大量节省油系统内部循环能耗。 环保性：采用抗磨液压油作为工作介质，避免磷酸酯抗燃油对环境的污染。 故障危险分散性：若供油系统故障只影响其中一台油动机，可设法在线更换，机组其它 油动机仍可以正常工作，避免停机检修。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 1.电机泵组件 2.溢流阀 3.仪表组件 4.蓄能器 5. 滤油器 6.电磁换向阀 7.插装阀 8.电液伺服阀 9.油动 机 10.位移传感器 供油系统由马达、高压蓄能器、操纵座、油路集成块、油源块、电机油泵等部件组成。 每个阀门执行机构上都装有两台齿轮泵，它们各由一台交流马达驱动。正常运行期间，只有 一台油泵处于工作状态。执行机构工作用油的设计油压范围为 1216MPa。当蓄能器内的油 压达到设计油压上限时，油泵马达停止运转，靠蓄能器蓄存的高压油来维持执行机构的工作。 一旦蓄能器内的油压降到设计油压下限，油泵马达自动启动，向蓄能器补充高压油。如此周 而复始，马达就处于这种断续运行的工作状态。当其中的一台油泵或马达出现故障时，可立 即启动另一台备用油泵，此时可以对故障油泵或故障马达进行维护或更换。 3.4 汽轮机的自动保护系统 在机组运行中，为防止部分设备失常造成机组严重损坏，系统装有自动停机危急遮断系 统（ETS） 。机组设有自动停机危机遮断油路（AST 油路）和超速保护控制油路（OPC 油路） 。 1).AST 电磁阀 正常通电励磁关闭，封闭遮断油泄油通道，使各油动机下腔油压建立，失电打开，泄遮 断油，关闭各阀门。四只组成串并联布置，组成两个通道，每个通道至少一只打开，才能导 致停机。任意一只损坏或拒动均不会引起停机，提高了可靠性。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 2).OPC 电磁阀 正常不带电关闭，封闭 OPC 泻油通道，使调节汽门下腔油压建立。通电打开，泄 OPC 油，关闭各调节汽门。两只组成并联布置，任何一只打开，就能导致 OPC 泄油，提高了安全 性。 第四章 DEH 调试 4.1 LVDT LVDT 可看做是一个铁芯可动变压器；它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈 骨架，外壳等部件组成。 初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁 芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零；当铁芯在线 圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小 取决于位移量的大小。 LCDT 两个次级线圈反串相接、两个次级线圈的电压极性相反，LVDT 输出的电压是两 个次级线圈的电压之差，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 LVDT 工作过程中，铁心的运动不能超出线圈的线性范围，否则将产生非线性值，因此 所有的 LVDT 均有一个线性范围。 4.1.1 LVDT 的安装调试 1).准备工具 ：尺子（尽可能在 200mm 以上，最小刻度不大于 1mm） 、万用表、记号笔、 内六角扳手、 小活动扳手。 2).确认 LVDT 的量程、油动机的行程 。 3).确认汽轮机是拉缸式还是推缸式： 推缸：压力油压建立，未挂闸时，油动机活塞杆在油动机内；油动机开启，油动机活 塞 杆伸出； 拉缸：压力油压建立，未挂闸时，油动机活塞杆伸出；油动机开启，油动机活塞杆缩入 油动机。 4).LVDT 阀芯的安装 以无锡和埒的 3000TD 型 LVDT（量程 150mm） 、油动机行程为 120mm 为例进行操作 说明。 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 下端刻蚀向上量出 15mm 作标记、上端刻蚀向下量出 15mm 作标记，两标记间的距离 等于油动机行程。如果为拉缸式油动机：使芯杆下端所作标记与套筒边缘齐平，固定芯杆。 如果为推缸式油动机：使芯杆上端所作标记与套筒边缘齐平，固定芯杆。 4.2 拉阀试验 汽轮机挂闸 拔下 DDV 阀航空插头 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 调节所调试油动机集成块可调截留孔，观察油动机是否可以全开，全关，停在中间位，响 应速度是否快速 如满足以上条件方可进行联调，如不满足，检查油系统。 满足条件进行联调时，插上 DDV 阀航空插头。 操作员站进入调门维修画面，设置油动机开度，油动机可开关，记录整定油 电液调节系统原理及应用 第页，共 28 页 动机零值