DEH控制系统讲义

1、DEH 控制系统讲义1. 引言：汽轮机数字电液控制系统 Digital Electric Hydraulic control system 简称 DEH 。概述电力系统对供电品质的要求，影响电网频率的因数， DEH 控制系统的主要任务。 电网将发电厂生产的电能源源不断地输送到各个用电设备， 为人们的生产、 生活服务。 为保证各种用电设备能正常运转， 不但要求提供连续不断的电能， 而且还对供电的品质提出 了严格的要求：频率误差三± 0.4% 电压误差三± 6%供电频率由电网中的总发电量、总用电量共同确定。稳态时，供电频率与汽轮发电机 组的转速对应相等。若总发电量 总用电量，则

2、供电频率增加，机组转速也增加。必须通过 控制系统使电网中并网发电机组的总发电量， 适应总用电量的要求， 才能保证供电频率精度。电网中的总用电量是一个随机变量，其频谱表明：负荷变化低频率对应大幅度，高频 率对应小幅度。 小幅度高频率的负荷变化， 通过汽轮机调节系统的一次调频功能， 利用锅炉 的蓄能调节发电量， 使总发电量适应总用电量的变化。 大幅度低频率的负荷变化， 由电网的 自动调频装置，通过汽轮发电机组控制系统的自动发电 AGC 功能自动地或手动地改变机组 的负荷指令，改变机组的发电量，使总发电量适应总用电量的变化。这就是二次调频作用。 电网中调根据负荷的统计特性要求发电机组按日负荷曲线大幅

3、度改变负荷，这就是调峰作 用。二次调频和调峰， 由于负荷变化的幅度较大， 锅炉控制系统必须相应动作， 使锅炉的出 力满足汽机的要求， 同时为保证整个发电系统的安全性和经济性， 要求在改变负荷的过程中， 机、炉、电控制系统必须协调动作。必须将汽轮发电机组的转速升到同步转速，即 3000r/min ，发电机并网后才能向电网输 出电能。因此要求汽轮机调节系统具有升速控制功能。 汽轮机是一种高转速的大型旋转机械， 它对转速的要求很高，转速超过120%后，机组就可能损坏。因此要求汽轮机控制系统具有完善的保护功能。汽轮机调节系统的主要任务就是调节汽轮发电机组的转速、功率，使其满足电网的要 求。汽轮机控制系

4、统的控制对象为汽轮发电机组， 它通过控制汽轮机进汽阀门的开度来改变 进汽流量， 从而控制汽轮发电机组的转速和功率。 在紧急情况下， 其保安系统迅速关闭进汽 阀门，以保护机组的安全。由于液压油动机独特的优点，驱动力大、响应速度快、定位精度高，汽轮机进汽阀门 均采用油动机驱动。汽轮机控制系统与其液压调节保安系统是密不可分的。汽轮机数字电液控制系统 DEH 分为电子控制部分和液压调节保安部分。电子控制主 要由分布式控制系统 DCS 及 DEH 专用模件组成， 它完成信号的采集、 综合计算、 逻辑处理、 人机接口等方面的任务。 液压调节保安部分主要由电液转换器、电磁阀、油动机、 配汽机构 等组成，它将

5、电气控制信号转换为液压机械控制信号，最终控制汽轮机进汽阀门的开度。202. 控制对象： 简述汽轮发电机组的工作原理、 控制特性， 启动及变工况过程中必须注意的问题。 简述蒸汽 循环系统。汽轮机控制系统的控制对象就是汽轮发电机组。 汽轮机的转子与发电机的转子通过联 轴器连接为一个整体。 蒸汽通过调节阀进入汽缸后， 经过膨胀对转子上的叶片作功， 带动发 电机转子一起旋转。在汽轮机升速阶段，发电机与电网是断开的，因此MG=0o随着转速给定增加，控制系统 使调节阀开大，蒸汽主动力矩MG克服阻力矩 Ms后汽轮机转速逐渐升高。最终升到同步转速3000r/min ，以便发电机并网发电。由于汽轮机的自平衡能力

6、较差，为保证升速过程安全、 平稳，通常采用转速闭环控制。各个转子及轴系有多个共振频率，当转速等于共振频率时， 机组将的振动将会大大增加，此转速为临界转速。因此在升速过程中，转速进入临界区时， 必须加大升速率，快速冲过去。到达 3000r/min 后， 发电机就要并网发电。为减小对发电机、 电网的冲击， 防止损坏设 备，发电机端的电压必须与电网侧的一致，才能并网。即电压、频率、相位、相序相同。电 压由发电机的励磁系统调节。 频率、相位由自动准同期装置通过汽轮机调节系统调节。 相序 由发电机接线确定。并网后， 汽轮机转速与电网频率对应相等。 供电频率由电网中的总发电量、 总用电量共 同确定。 通常

7、由于单个机组占电网的总发电量的比例很小， 所以调门开大时负荷增加， 转速 几乎不变。通俗地说转速被电网拖住了。汽轮机启动过程是蒸汽对汽轮机逐渐加热的过程。由于尺寸很大，各部分受热不均匀， 膨胀大小不一。 为减小金属热应力及转子汽缸胀差， 保证机组的安全， 在启动过程中必要时， 应停止升速、升负荷，对汽轮机进行暖机。锅炉将给水泵送来的循环工质， 除盐水， 加热升温升压， 变为过热蒸汽。过热蒸汽通过 调节阀后进入汽轮机，经膨胀加速对叶片作功后， 温度压力逐级减小， 最终凝结成水， 再由 给水泵将水送入锅炉。 即形成蒸汽循环系统。 对于大型汽轮机发电机组， 为提高热力系统的 经济性，通常还配有再热器

8、。为避免锅炉干烧、调节启动参数等要求，蒸汽系统还配有旁路系统。RSV ICV-CXIx>MSV CV低旁-1X0电网给水泵油开关发电机汽轮发电机组蒸汽热力系统图汽轮发电机组的转子转动方程为：dJ - MT MG M lsdt式(1)中：J-汽轮发电机组转子的转动惯量。3 转子的角速度。MT汽轮机产生的主动力矩。MG发电机产生的阻力矩。MLS各种损耗产生的阻力矩。转子转动方程经过数学处理可得传递函数为：1W(S) TaSTa为汽轮机的转子时间，通常为610秒。汽轮机产生的主动力矩Mr正比于进汽流量 QT,进汽流量 Q又正比于等效阀门开度 Ft与主汽压力Pt的乘积，即 MrX Qx Ft*P

9、t。传递函数为:W(s)11 ThSTh为汽缸的容积时间，通常为0.1秒。对于中间再热机组， 由于蒸汽从高压缸排出后，还要返回到锅炉去，在再热器中加热后，才能送到中、低压缸作功，再热器的传递函数为:W(s)1TzSTz为再热器的容积时间，通常为810秒。中压油动机全开时，再热器时间将使中、低压缸的功率滞后。高压缸功率占汽机总功率的比例，约为0.3中低压缸功率占汽机总功率的比例，约为0.71发电机的传递函数为：W(s) CD TrSCD为发电机异步转矩对应的系数，通常为 2025。Tr为发电机同步转矩对应的时间，通常为36ms。当发电机并入无穷大电网时，由于电网的供电频率由电网的总发电量、总用电

10、量共同确定, 单台机组对供电频率的影响极小，可认为电网供电频率不变。1+TiS主慎贰力丄ns1+TshS* X0.21+ThS过快器0.3闽门特性阍门特性应扯功率井配聚敎whg&iK 力中缸客租0. 4电网戏动空转阳力发艮机特性IaS转子特性DEH3制对蘇系统圈3. 液压调节保安系统：简述配汽原理、 液压调节保安系统原理。 说明主要部套的工作原理油动机、 伺服阀、测 速元件、滑阀、飞锤、遮断滑阀、电磁阀等部套的作用。典型系统 SAMA 图 在汽轮机的进汽通道上，为保证能有效控制进汽量，通常配有主汽阀和调节阀。主汽 阀通常由汽轮机的保安系统控制为全开、 全关两位工作。 调节阀通常由汽轮机

11、的调节系统控 制可精确定位在全开、 全关之间任何位置， 以便有效地调节汽轮机的进汽量。 由于通常汽轮 机的转子时间很短， 仅 68 秒， 为了保证转速、 功率的调节性能， 调节阀的时间常数要求小 于 0.5 秒；为了有效抑制汽轮机甩负荷工况下以及在机组超速打闸时转速的飞升量，要求主 汽阀、调节阀的快关时间小于 0.2 秒。另外由于汽轮机蒸汽参数高，流量大，作用到阀门上 的蒸汽力很大。 因此汽轮机的进汽阀门均由作用力大、 动作速度快的液压油缸活塞油动 机驱动。考虑汽缸加热的均匀性，要求进入汽缸的蒸汽流量分布均匀，各调门的流量相等，象 单个阀门一样，即单阀方式。考虑蒸汽流动的经济性，要求随时仅有一

12、个调门起节流作用， 其它调门为全开或全关状态， 即顺序阀方式。 为了兼顾均热性和经济性， 通常采用复合配汽 方式： 汽轮机启动阶段采用对称进汽形式， 正常变负荷阶段采用顺序阀方式。 上述配汽方式 传统上采用凸轮配汽方式实现， 采用 1 个油动机对应 1 个调节阀（ 1 机 1阀）的调节系统后， 改由软件实现上述配汽方式。液压系统主要有以下部套：油动机 为液压系统的功率输出级，它的活塞杆通过凸轮配汽机构或直接驱动 进汽阀门。它与操纵座、油动机滑阀、反馈滑阀或操纵座、伺服阀、行程测量元 件 LVDT 等设备组成完整的油动机，完成位置随动，功率输出功能。 伺服阀（电液转换器） 为 DEH 电气信号与

13、液压系统的接口设备，它将电气信号 转换为与之对应的液压信号，与伺服控制单元、油动机等结合完成电压位置随动 控制。滑阀 为液压系统的综合运算、放大环节，它将油压、油口开度等信号进行综 合放大，并通过油管路将信号传递到各油动机。调速泵（弹性调速器、旋转阻尼） 为汽轮机转速的敏感部件，它将转速转换为 与之对应的液压信号，再通过滑阀进行综合放大。危急遮断器（飞锤） 为机组超速的检测装置，为保证安全可靠通常配有互为冗 于的两组。当机组转速超过预定值时，危机遮断器立即动作，通过危机遮断器滑 阀（危机遮断油门）使主汽门、调门快速地永久性地关闭。电磁阀 为电气开关信号与液压系统的接口设备。 DEH 通过它可使

14、调节阀快速 关闭，或使机组打闸。测速探头 DEH 通过它感知机组的转速。 通常采用磁阻式测速探头， 汽轮机转子 上安装有 60 齿的测速齿盘， DEH 的测速单元接受到测速探头的感应电压后，即 可计算出机组的转速。4. DEH 控制系统的组成：DEH 控制系统包括电子控制设备和液压调节保安系统。简述测速、伺服单元的功能。DEH 控制系统分为两大部分电子控制系统部分、液压调节保安系统部分。DEH 电子控制系统部分主要包括 I/O 控制柜、硬操盘、与 DCS 共用的操作员站、工程 师站等。控制柜中除配有与通常 DCS 系统类似的开入、开出、模入、模出 I/O 模块外，还 配有 DEH 专用模块测速

15、单元、伺服单元。通过先进的图形化组态工具，我们可设计出 完善的控制策略，以适应不同汽轮机、不同液压系统的要求。操作画面、数据库、历史库等 均可与 DCS 系统共享。电控制设备典型配置见附图。 附图为低压透平油系统的配置。 对于高压抗燃油系统还需 增加一对主控单元、伺服单元及部分 I/O 模块。测速单元：有三路测速通道，内部三选中逻辑，可输出超速限制、超速保护接点信号。具有测速范围大15000Hz、测速精度高0.1%、响应速度快10ms等特点。伺服单元： 它与伺服阀、 油动机、 LVDT 等组成位置随动系统。 具有自动整定零位幅值、 及紧急手动控制功能。定位精度为 0.2%，响应时间小于 0.5

16、 秒。可与各种液压伺服系统相 配。现场设备25MW抽机组DEH电子控制设备硬件系统图液压调节保安系统部分可分为转速敏感部件：将转速信号转换为液压信号。给定部件：操作员通过启动阀（同步器）马达或手柄，改变调节系统的给定值。综合运算部件：由各种滑阀完成给定、 实际信号的偏差放大， 将控制信号分配到各油动机。执行部件：控制信号由油动机完成功率放大后，通过配汽机构（杠杆、凸轮、操纵座等）驱动调节阀。保护系统：包括危急遮断系统、挂闸系统、主汽阀执行部件等。试验系统：有喷油试验、超速试验、阀门严密性试验、阀门活动试验等。油源系统： 为调节保安系统液压部套提供油源。 有透平油油源系统， 也可能有高压 抗燃油

17、油源系统。不同类型的汽轮机， 其液压调节保安系统有所不同。 首先按照用户的改造要求， 作出简 捷实用的液压系统改造方案，再根据改造后的液压系统，确定 DEH 主要功能、 I/O 信号清 单、硬件配置。按照液压系统与 DEH 电气部分的关系可分为：同步器控制： DEH 通过同步器马达与液压系统相连。电液并存、切换控制： DEH 通过电液转换器、同步器马达与液压系统相连。电液 相互跟踪，实现无扰切换。以电调方式运行为主、液调方式作备用。电液并存、联合控制： DEH 通过电液转换器、同步器马达与液压系统相连。电液 无须跟踪，可采用两种运行方式：1)同步器置于极限位置，利用调节系统静特性，使电调系统投

18、入工作。必要时操 作同步器即可平滑地使液调系统投入工作，电调系统退出工作。2) 随时改变同步器的位置，使液调系统承担稳态负荷，电调系统负责动态负荷的 调节。纯电调控制： DEH 通过电液转换器与液压部套相连，没有液调系统作后备。有 1 个电液转换器控制多个调节阀的形式， 也有 1 个电液转换器仅控制 1个调节阀的形 式。可沿用低压透平油作油源、也有采用高压抗燃油作油源的。5伺服系统工作原理DEH控制系统的阀位控制信号在伺服单元与油动机的实际行程LVDT信号综合，并经PI调节后，控制信号送到伺服阀改变其油口开度，使油动机相应地上或下运动。当油动机行程达到阀位控制信号指定的位置后，油动机活塞的油口

19、被封住，因此油动机活塞被定位在指定位置，从而调节阀也被定位在相应的位置。保安油压力油无压回油 有压回油:_1|1L10L/-LLVDT高压抗燃油调节阀油动机LVDTinv压力油低压透平油电液油动机DEH控制系统使用的电液转换器主要有两种:MOOG公司的761型伺服阀和633、634型直接驱动式伺服阀DDV 阀。IIIUIIIAB X761型伺服阀761型伺服阀：它带有喷嘴挡板式前置放大机构，此伺服阀仅用于高压抗燃油系统中。控制电流在伺服阀线圈中产生偏转力矩，使挡板偏离中间平衡位置， 通过喷嘴在控制滑阀两端产生油压差，推动滑阀向边上运动， 滑阀又通过弹簧片带动挡板恢复到中间平衡位置。滑阀的位移与

20、电流的大小成比例变化，它同时控制了A、B 口接通压力油P和排油T的面积。油动机的油缸通常设计为单侧进油形式，A 口与油动机活塞下油压相连，B 口堵死。伺服阀内部有两组线圈，通常采用并联连接形式，额定总电流为正负20mA，对应额定油口 开度。稳态时，油动机定位在中间任意位置，A 口被封住，为克服伺服阀的机械零偏，有5mA左右的电流。DDV 阀（D633、D634）DDV阀与常规伺服阀比较，最大的区别在于从结构上取消了喷嘴一一挡板前置放大级、用大功率的直线马达代替了小功率的力马达。用先进的集成块与微型位置传感器替代了工艺复杂的机械反馈装置一一力反馈杆与弹簧管。从而简化了结构，提高了可靠性，却保持了

21、伺服阀的基本性能与技术指标。它的抗污染能力比喷嘴一一挡板式的伺服阀强得多。由于其动态特性与供油压力无关，因此它可用于各种压力等级的液压系统。冲转 3600 r/min1 r/min0.2%<0.06%<7%6. DEH 控制系统性能指标 转速控制范围： 转速控制精度 ： 负荷控制精度： 控制系统迟缓率： 甩负荷最高飞升转速7. 可靠性设计 :DEH 控制系统必须符合国际电工委员会汽轮机技术规范IEC60045-1（ 1991-06）规定的故障安全原则。即：DEH 系统失电时机组能安全停机。液压系统工作油压消失时能安全停机。具有防止误操作的措施。系统间切换无扰。具有完善的保护系统，且

22、能独立于调节系统工作。冗余设计重要信号采用三选中冗余设计 ,如转速。油动机 LVDT 反馈为双冗余高选。测功信号采用数值滤液，能有效防止电网负荷扰动引起的反调。 完善的跟踪措施，保证控制方式切换为无扰。冲转汽轮机必须分别按挂闸、开主汽门、开调门的操作顺序由逻辑控制回路保证。可以 预防误操作，防止转子意外冲转。高压抗燃油油动机采用单侧进油、弹簧复位设计，可保证万一动力油源失压时能可靠停 机。电液伺服阀设置了机械零偏，可保证万一控制系统失电时能可靠停机。8. DEH 控制系统功能在汽轮发电机组并网前， DEH 为转速闭环无差调节系统。给定转速与实际转速之差， 经 PID(Proportional-

23、Integral-Differential Controller) 调节器运算后，通过伺服系统控制油动机 开度，使实际转速跟随给定转速变化。操作员通过操作员站上的软操盘设置升速率、目标转速后，给定转速自动以设定的升 速率向目标转速逼近， 实际转速随之变化。 当进入临界转速区时， 自动将升速率改为大于等 于 400r/min/min 快速冲过去。在升速过程中，通常需对汽轮机进行暖机，以减小热应力。在机组同期并网时，总阀位给定立即阶跃增加46% ，使发电机带上初负荷，并由转速 PI 控制方式转为阀位控制方式。 并网后 DEH 的控制方式可在阀位控制、 功率控制、 主汽 压力控制方式之间方便地无扰切

24、换。并且可与协调控制主控器配合，完成协调控制功能。在阀控方式下，操作员通过设置目标阀位或按阀位增减按钮控制油动机的开度。在阀 位不变时，发电机功率将随蒸汽参数变化而变化。在功控方式下，操作员通过设置负荷率、目标功率来改变功率给定值，给定功率与实 际功率之差，经 PI 运算后控制油动机的开度。在给定功率不变时，油动机开度自动随蒸汽 参数变化而变化，以保持发电机功率不变。在压控方式下，操作员通过设置压变率、目标压力来改变压力给定值，给定压力与实 际功率之差，经 PI 运算后控制油动机的开度。在给定压力不变时，油动机开度自动随蒸汽 参数变化而变化，以保持主汽压力不变。为了确保机组的安全，还设置了多种

25、超速限制、负荷限制及打闸保护功能。有的还可 进行试验，以验证其正确性。8.1 调节系统功能升速控制 根据机组热状态，可控制机组按经验曲线完成升速率设置、暖机、过临界转速区，直 到 3000r/min 定速。同期并网可与自动准同期装置配合， 将机组转速调整到电网同步转速， 以便迅速完成并网操作。 并网时，自动使发电机带上初负荷。阀控方式司机通过 CRT 设置目标阀位或按增、减按钮改变总阀位给定值(单位为%)，来调整 机组负荷。功控方式 根据司机设置的目标负荷（单位为 MW ），自动调整机组负荷。压控方式根据司机设置的目标主汽压力（单位为MPa）,自动调整主汽压力。CCS 方式接受CCS主控器负荷

26、管理中心来的负荷指令信号，自动调整机组负荷。一次调频在机组并网后,除紧急手动外,均具有一次调频功能。死区在±2 r/min 内 ,初值为2r/min 。不等率在 3%6% 内连续可调,初值为 4.5%。紧急手动 伺服单元在紧急手动方式下,操作员通过备用手操盘的增、减按钮直接控制油动机。 增、减速率为 30%/min 。8.2 限制保护功能超速限制 在发电机脱网状态下,转速超过 3090r/min 时,关调门；当转速小于 3060r/min 时,控 制恢复正常。油开关跳闸时,目标给定等于 3000r/min ,调门立即关 2 秒后控制恢复正常。阀位限制 总阀位给定小于阀位限制值。当改变

27、阀位限制值后,总阀位给定以6%/min 的速率减到此限制值。高负荷限制 负荷大于限制值时,高负荷限制动作,总阀位给定以 6%/min 的速率下降。主汽压力低限制 主汽压力低于主汽压力限制值时,主汽压力低限制动作,总阀位给定以6%/min 的速率下降。快卸负荷 锅炉系统主、辅机故障时,汽机负荷以规定速率减到规定的下限值。低真空负荷限制 当真空对应的负荷限制值小于实际负荷时，真空保护动作。总阀位给定以 12%/min 的 速率下降。超速保护1)原有机械超速保护。2)原有 TSI 电气超速保护。3)DEH软件组态超速保护。4)DEH 测速板硬件超速保护。8.3 试验系统功能超速保护试验用于检验各超速

28、保护的动作转速。做机械超速试验时，DEH超速保护动作转速自动 改为 3390r/min ，作后备保护。阀门严密性试验 可分别进行调门、主汽门严密性试验，并记录转子惰走时间。飞锤喷油试验可在线进行喷油试验，活动危急遮断器飞锤。阀门活动试验可分别对 MSV1 、 MSV2 、 RSV1 、RSV2 、 ICV 油动机进行试验。油动机活动范围从 100%到 85% 。遮断模块试验可在线进行试验，用于检验遮断模块动作是否灵活。8.4 辅助系统功能自动判断热状态 根据机组冲转前高压内缸内上壁温度，将机组划分为冷、温、热、极热四种热状态。预暖 在中压缸启动方式下，机组若为冷态，可根据机组予暖系统设计予暖程

29、序，自动对高 压缸进行预暖。具有两种启动方式 高中压联合启动：高压、中压调节阀同时开启，通流能力为1:3 关系。中压缸启动：用中压调节阀完成升速、并网后，再开启高压调节阀。阀门管理 阀门配汽方式有单阀、顺序阀两种，可兼顾热经济性及寿命损耗。汽轮机自启动（必要时）DEH采集汽轮机的有关运行状态信号，计算汽轮机转子的应力等参数，按照安全、经济的原则，与锅炉控制系统密切配合，自动完成汽轮机的启动升负荷及变工况控制。3060r/minA - 转速给定Y DMDSPD11'lf 同期方式YSYNCMO223360r/minYMET ST KS幅值限制暖机1暖机2暖机3转速给定保持 YANYHLD

30、1寸!超速试验允许目标在临界区_YTARINCR TtYSECWARM；-!./YTHDWARMT I.11强制转速目标卜YFSPDTAR t w1YSYNCT AR O1 YCRITAR 匚临界平台'AMMTRACK<：_YFIRWARM T J500r/min1500r/min2500r/min19920*转速给定进行ANYGO1关调门快关CVOFECIVjYCVIVOFFYBKRCLSE目标转速A 3000r/mi nYSYNCUP1同期增1YSYNCDN1同期减1YSYNCMOD '同期方式111100r/min升速率 * B10温态10热态YHOTST运行1“U

31、N*T4M|S.JTD 2SYWARMST P11极热态i yextrstp200r/min300r/min500r/minYARATOIS设置升速< A50r/min.2985-vYDMDSPD<30001YSPEED 'OFFCIKRCLSE T 电OR YDMDSPD系统转速 '2A 3000r/min给定在临界区ydmdmr 丁 Jf A 400r/minPIDFEEDTRACKYSPEED系统转速YACCERAT* F<6014 YREFEREN总阀位给定YACCRAT1Y PIDSPD转速PID输出升速率转速控制回路27:A.'-功率给定Y

32、DMDMW121CCS方式YCCSMODE 宀 Y J T Y1YCCDMDMW_ CCS功率给定 设置升负荷率YLRATOIS23 强制功率目标YFMWTAR1YTARM目标功率x幅值限制20| J功率给定保持YMWIN1?功控投入YMWIN幅值限制Y MWININ一 功控投入 0YDMDMW功率给定 呻YRAT EDMW ,0.01PIDCCS方式最大升负荷率限 LRAT MAXYMWLSLYLOADRAT600.01YFRQDMDYRAT EDMWYFRQDMDFOP 略Y MWOOKG 1TC 3FEEDT RACKYREFEREN总阀位给定YPIDMW功控PID输出功率控制回路机组功率额定功率一次调频给定*24额定功率一次调频给定t - 24系统功率%YDMDTP压力控制回路阀位控制A.YVAL