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4. 汽轮机调速系统改造的实效性

DEH电控独立油系统改造简介

一、改造前概述：

该机组采用一台7.5兆瓦抽汽凝汽式汽轮发电机组。其配置包括：一个高压主汽阀、一个高压调节阀和一个低压抽汽调节阀。高压主汽阀通过手轮进行手动操作，用作启闭控制阀；高压调节阀和抽汽调节阀分别由液压马达经杠杆机构驱动，即调速器液压马达和抽汽液压马达均为连续控制型。原汽轮机调节系统采用505E控制系统，液压控制系统则使用低压汽轮机油系统，并配备CPC电液转换器。机组运行中存在负荷波动现象，液压马达的出力刚性较差，阀门位置偏差严重，无法满足运行要求。

二、DEH电气控制独立油系统改造方案

1. 考虑经济可行性和稳定运行，改造将主要针对以下两个部件：

(1) 电子控制系统：

将采用MACS-DCS K系列产品，并将其与DEH专用转速测量模块、伺服模块、高速CAN通信硬件及软件产品进行集成。这种配置可确保转速反馈和加速度反馈周期小于50毫秒，从而构成DEH控制系统。

(2) 液压控制系统：

将高低压调节阀的液压马达改造成具有独立供油的电液伺服系统。

a. 改进的优势：

高调节性能全面改变了原机组的调节特性，有效消除了滑移和卡滞等诸多液压系统问题。确保了快速响应与精准控制，从而显著提升调节品质。其调节性能可媲美高压抗燃油DEH系统。简单易行的改造安装：现场只需拆除原液压马达，将自含式液压马达安装到位，并连接供油管路，最大限度减少现场作业量。控制精度高：整套自含式液压马达系统提升了输出刚性，为DEH控制系统提供了稳定可靠的运行保障。

b. 修改功能：

● 液压马达的高输出刚度可提供卓越的控制精度和品质。

● 控制系统采用独立的油液供应系统，与原汽轮机油液供应系统分开。

● 独立油站液压马达改造方案。

新增的供油系统是一个模块化单元。该液压马达系统的首要优势在于其高达14兆帕的工作油压，这使得控制阀所用伺服液压马达的尺寸得以缩小，同时仍能保持同等的阀门提升力。

● 冗余供油系统配置

供油泵采用冗余配置，配备两套泵，互为备用，以确保供油的可靠性。这两台泵以热备方式运行，具备在线切换功能，并设有低压联锁和高压报警输出。

● 简化现场调试与故障排除

所有液压设备均经过工厂测试与调试。在现场安装完成后，仅需进行基本的静态调整即可达到启动准备状态。此外，我们还在液压马达上增设了多个监测点，可实现对每台设备的实时现场数据监控，从而大大简化了故障诊断流程。

● 维护需求降低

与低压涡轮机油系统相比，每年的例行小修无需拆卸液压马达——只需更换泵站及马达处液压元件中的密封件。与高压抗燃油系统相比，无需对再生装置进行维护。

1. 改造前高低压调速器的波动情况

2. DEH电子控制单元功能与技术规格

2.1 主要功能：

控制电路可单独或联合实现包括可编程涡轮机启动、自动调节、参数限制、保护、监控和测试等功能。

2.1.1 自动调节控制功能：

● 速度升速：设定目标转速后，装置会根据当前热态对应的经验曲线自动控制调节阀，完成升速、暖机及临界转速的过渡，直至达到3000转/分钟的稳态转速控制。在升速过程中，也可通过调整目标转速、升速速率、转速保持时间等参数来对过程进行控制。

● 自动同步：当汽轮机达到稳定转速后，DEH接收自动同期装置发出的指令，自动控制机组达到同步转速。

● 初始负荷并网：发电机并网后，DEH会自动提高设定值，使发电机自动承担初始负荷，防止功率反向。

● 负荷斜坡：并网后，可根据需要通过阀门控制模式、功率控制模式、压力控制模式或CCS模式对机组进行控制。此举可与锅炉控制系统协同配合，完成稳态滑差至稳态负荷的斜坡过程。

● 阀门控制模式：通过设定目标阀门位置，直接控制阀门开度。DEH系统可保持阀门位置恒定，自动根据蒸汽压力平衡机组负荷。

● 功率控制模式：通过设定目标功率值来控制机组负荷。DEH系统以实际汽轮机出力作为反馈，实施功率闭环控制，以维持机组负荷恒定。如果采用发电机有功功率信号作为功率信号，则需进行一定的逻辑处理。注意：若锅炉蒸汽压力未处于自动调节状态，请勿使用功率控制模式。

● 压力控制模式：通过设定目标压力来控制汽轮机前的压力。DEH调节阀门开度，以维持主蒸汽压力恒定。

● CCS模式：在CCS模式下，DEH接收来自CCS主控制器的阀门位置设定信号，并直接控制阀门开度。DEH与CCS主控制器协同工作，实现多种控制功能，包括汽轮机与锅炉的同步、锅炉与汽轮机的同步以及汽轮机与锅炉的协调运行。

● 一次调频：通过CAN总线传输数字信号。设定转速与实际转速之间的偏差经不等率处理后，生成一次调频设定值。该设定值可应用于功率设定值或阀门控制设定值。当实际转速与3000 r/min的偏差超过±15 r/min时，系统将退出功率控制模式、电压控制模式和CCS模式，切换至阀门控制模式。

● 自动二次调频：自动执行二次调频，将频率恢复至50赫兹。

2.1.2. 限制控制功能：

● 负荷与阀门位置限制：可手动设定限制值。DEH会自动将负荷限制在上下限范围内，并将阀门位置限制在设定值以下。

● 低主蒸汽压力限制：当主蒸汽压力降至设定限值以下时，DEH会自动减小阀门开度以限制负荷，从而使主蒸汽压力恢复。

● 低真空限制：当真空降至设定值时，DEH会自动减小阀门开度以降低负荷。

● 快速减负荷：DEH具备三种快速减负荷速率（快速、中速、慢速），分别对应不同的辅助设备故障。当CCS发出快速减负荷信号时，DEH会按照指定速率将负荷降至相应值。

● OPC控制：在机组减负荷过程中，DEH接收油开关跳闸或超速（转速达103% n）的信号，迅速关闭调节汽阀，以减少过渡过程中的超调量。经过一段延时或当转速降至103% n以下后，DEH会自动重新开启调节汽阀，并将机组转速稳定在3000 r/min，等待再次并网同步。

2.1.3 测试控制功能：

● 模拟并网试验：接收到模拟并网试验隔离开关分闸信号后，DEH会自动与电气系统协调，完成模拟并网试验。

● 摩擦检测：具备摩擦检测功能，可根据机组工况发出报警提示，并自动确定下一台汽轮机的运行模式。

● 超速测试：

● 该功能可通过液晶显示屏界面操作，通过提高转速来验证超速保护系统的动作情况，包括超速飞锤的释放以及电气超速保护装置的跳闸转速。在进行机械超速试验时，DEH系统会自动将电气超速保护装置的跳闸值从3300转/分钟调整至3390转/分钟，作为备用超速保护措施。

● 阀门操作测试：为确保事故时阀门可靠关闭，DEH系统可对高压主汽阀进行在线操作测试。在这些在线阀门测试期间，汽轮机的运行和负荷均不受影响。

● 阀门密封性测试：可通过液晶显示屏操作，此功能可对调节阀和主蒸汽阀进行密封性测试，并自动记录死区时间。

2.1.4 保护控制功能：

● 系统状态监测：通过系统网络数据通信，DEH与DCS共享数据，以实时监测启动或运行期间关键参数的变化。历史数据可利用DCS系统的组态历史数据库进行记录。

● 液晶显示屏上设有故障报警指示器，用于识别报警项目。诸如跳闸、快速停机等关键信号具备SOE功能，事件分辨率高达1毫秒。

● 超速保护：当机组脱网且转速超过额定转速的110%时，DEH会发出信号，中断系统动作，迅速关闭主汽阀和调节汽阀。

2.1.5 自动化水平功能：

● 自动抄表：支持按计划或事件触发的每日/每小时抄表，实现自动记录。

● 仿真能力。

2. 改造前高压调速器的波动情况

2.2 主要技术指标：

● 速度控制范围：手轮转速 ~ 3600 转/分钟

● 速度控制精度：<±1 转/分钟

● 速度不均匀度：可连续调节3-6%

● 排气压力不均：0~20% 连续可调

● 负载控制范围：0-120%

● 负载控制精度：≤0.2%

● 主蒸汽压力控制精度：+0.1 MPa

● 速度提升率控制精度：+0.1%

● 控制系统灵敏度：<0.06%

● 负载切除时的转速超调：不超过额定转速的7%，保持在3000转/分钟。

● DEH设备的平均无故障运行时间（MTBF）：≥25000小时

● 系统可用性：≥99.9%

● 全负荷切除时的最大超调转速：<7% n

● 控制系统周期时间：<50毫秒

3. 改造前低压调速器的波动情况

3. 液压伺服机构的改造方案

采用一套完整的自-contained液压马达系统，可有效解决“传统液压马达输出刚度不足，无法克服蒸汽分配机构产生的滑动负载”的问题，从而确保DEH控制系统的稳定运行。这为改造传统低压汽轮机DEH系统提供了最佳解决方案。

自成一体的执行器控制系统是汽轮机数字电液（DEH）控制系统的组成部分。它主要由供油系统（油站、蓄能器、抗磨液压油等）、执行器（油动机、伺服阀、OPC电磁换向阀等）以及油管路系统（油管和各类阀门）构成。该系统能够实现对汽轮机转速升速率及负荷调节的精确控制。

该解决方案保留了原系统的安全控制部件（包括紧急切断阀、闸阀、磁力断路器节流阀等）以及提升板式蒸汽分配机构，同时将所有调节部件（原液压马达及所有其他调节组件）全部替换为自备式液压马达。

(1) 实施方案：

保留： 蒸汽分配机构、原液压安全系统的部件（主蒸汽阀自动切断装置、紧急切断阀、磁力断路器节流阀等），以及部分操作控制装置——主要是汽轮机机头的手动紧急停机装置和紧急切断阀注油试验装置。

删除： 压力传感器、差压油阀、液压马达、节流孔调节装置以及相关油路管道（拆卸并密封）。

添加： 自带液压马达，可与电液转换器（用于连续伺服调节）、OPC电磁阀组件、低压压力开关组件等配套使用。

增加： 一套高压独立抗磨液压油供油系统；增设转速传感器及其他液压辅助设备。

原则： 用磁阻式编码器取代脉冲泵，实现宽范围的转速测量。用电液转换器取代同步器和压力传感器。该装置接收DEH发出的控制指令，直接生成脉冲式液压压力，从而控制液压马达。通过伺服板，实时接收安装于液压马达活塞上的LVDT反馈的位移信号，进而构成电液伺服系统，实现对高压调节阀的连续控制。

(2) 液压伺服系统与DEH装置的工作原理：

该DEH装置的液压伺服系统由一个独立的执行机构、供油系统和控制系统组成。其工作原理图如下：

1. 自含式执行器

(1) 高压和低压液压马达

高低压液压马达采用闭环控制，利用双LVDT进行位置反馈。它们接收来自机组的安全油切断信号，以快速关闭各自的蒸汽阀，从而实现快速关闭功能。快速关闭由通电OPC电磁阀启动。

(2) 液压马达工作原理

液压执行器具有两种功能：连续控制阀门开度，以及快速关闭阀门系统，即阀门的快速关闭能力。

(3) 石油管道系统

该输油管道系统主要由一组输油管和一个高压蓄能器组成。输油管将供油系统与执行机构连接起来，构成工作回路并输送工作介质。

(4) 液压执行器的结构与组成部件

液压执行机构由缸体、位移传感器、电液转换器和控制块组成。控制块内装有伺服阀、卸荷阀、OPC电磁阀、单向阀以及用于控制阀执行机构的压力监测口等部件。执行机构的活塞由抗磨液压油驱动。对于双作用活塞，其开启和关闭均采用加压油驱动。为确保汽阀阀盘在气缸快速关闭过程中与阀座之间的冲击力保持在允许范围内，在气缸活塞的后端安装了一种缓冲装置。该装置可在活塞到达行程终点时将其减速至零速。

(5) 液压缸

液压缸由活塞杆、活塞、前端盖、后端盖、缸筒、缓冲装置、防尘导向环、活塞杆串联密封件、活塞密封件以及相应的连接部件组成。所有密封件均与高压抗磨燃油表现出优异的物理和化学相容性。

(6) 电液伺服阀

一种进口的电液伺服阀用作电液转换器。

(7) Entferner Ventil

卸载阀安装在液压马达的液压歧管上。其主要功能是在安全油压降低后，当汽轮机需要紧急停机或单阀需进行快速关闭试验时，通过卸载阀将缸体下腔的压力油释放出去。此时，无论伺服阀放大器输出的信号大小如何，该阀门都会关闭。

(8) 冗余位移传感器

位移传感器连接至液压执行器的活塞杆。当执行器运动时，传感器会输出一个电信号，用于测量其位移，从而调节蒸汽阀门的开度。该位移传感器采用冗余配置。

4. DCS界面上负载数据的波动情况

2. 独立供油系统

抗磨油供油系统（以下简称“供油单元”）是一种集成式组合装置，为整个液压系统的正常运行提供符合要求的高压工作介质。该系统以高压抗磨液压油作为工作介质。

供油装置的泵站采用高压泵。每个供油单元配备两套独立的泵组。这两套泵组可同时运行，以实现油液流量翻倍；在正常运行期间，它们也可独立工作，互为备用。当汽轮机启动时需要更大流量，或系统压力降至正常水平以下时，电气联锁装置会自动启动备用泵组，以满足系统需求。该装置的设计还允许在单条管路出现故障时进行泵组切换与维修。

油液供应系统配备了一个先导式安全溢流阀作为安全装置。如果由于某种原因导致系统压力超过设定值，该溢流阀将自动启动，以防止系统承受过高的压力波动。此外，系统中还安装了多个压力开关，用于在系统压力过低或过高时发出报警信号。当系统压力低于设定值时，这些开关将启动备用泵组。

● 油液供应系统配备独立的油液过滤和油液冷却装置。

(1) 组成与主要成分概述

油液供应单元采用模块化设计，主要设备包括油泵、油滤器、溢流阀、油冷却器、蓄能器、空气滤清器、液位指示器以及必要的监测仪表。

① 油箱

采用不锈钢焊接密封结构制造，配备检修口，便于日后维护与油箱清洁。油箱上安装有空气过滤器，在系统通风时可提供高精度的空气过滤效果，确保油液系统的清洁度。

② 泵组件

本装置采用带柔性套筒销联轴器的高压泵。泵与电机的连接采用法兰套筒联轴器，便于维护检修。

③ 油滤器与回油滤器

机油滤清器按要求设计为整体式板型，而回油滤清器则采用滤芯式。

④ 油冷却器

该油冷器采用壳管式设计，独立安装，便于维护和更换。

⑤ 蓄能器组件

油液供应装置配备了一个囊式蓄能器。该蓄能器组件包括截止阀、安全阀、压力表等，可确保操作便捷且可靠。

⑥ 必备监测仪器

供油装置还配备了关键的监测仪表，包括泵出口压力表、系统压力表、回油压力表、压力传感器、液位温度计以及热电偶。这些仪表与中央控制室仪表盘、计算机控制系统和安全系统相连接，用于监测和控制供油装置及液压系统的运行。

5. 改造后自含式液压马达拉阀的测试程序

3. 控制系统

(1) 正常控制

来自DEH控制器的阀门位置控制信号驱动伺服阀，进而带动液压缸运动，位置反馈由LVDT提供。该液压马达的安全系数为2倍，确保在压力调节过程中油压波动不会影响其控制性能。

(2) 快速关闭控制

该执行器内置一个快速关闭电磁阀，可实现“切断”和“快速关闭”功能。作为一款“通电即切断”的阀门，当快速关闭电磁阀通电时，会激活液压马达，使其进入“脱开”状态。一旦安全系统启动，安全液压压力便会逐渐升高。此压力将触发压力开关，从而建立安全电压，并使执行器切换至“接合”状态。当安全系统“跳闸”或“关闭”时，安全液压压力随之消失，安全电压被切断，执行器随即进入“停机”状态，使机组停止运行。

(3) 业绩：

● 采用闭环伺服控制系统，实现100%连续可调运行，确保高可靠性。

● 定位精度小于全行程的0.1%。

● 重复性＜满量程的0.1%。

● 控制死区小于满量程的0.05%。

● 动态响应时间小于20毫秒；快速关闭时间0.2秒。

● 机电一体化设计，提供两种系列配置：简单的外部液压管路或无需外部管路。使用寿命长，免维护。

● 体积小巧，安装简便，现场维护极为便捷。

● 集成控制系统可接受任何标准控制信号。配备数字通信接口，便于与其他控制方式无缝集成。

● 智能设计支持现场调节执行器位移、行程速度、阀门预紧力等参数。可实现多项功能，包括被控对象特性校正（例如阀门曲线调整）、水锤保护以及最小控制点设定。

● 输出刚度极高。液压系统工作压力范围：10–15 MPa。支持根据现场工况进行在线调节，完全不受负载类型限制。

● 一种间歇性可靠供油控制模式，电机输入功率极低，体现了低能耗、节能的设计理念。