150MW機組汽輪機數字電液控制系統設計及功能

　　一、概述
　　
　　新疆眾和2×150MW熱電聯產工程#1、#2汽輪機是超高壓、一次中間再熱、雙缸（高中壓合缸）、雙排汽、直接空冷抽汽凝汽器汽輪機組，由南京汽輪電機（集團）有限責任公司制造。汽輪機數字電液控制系統DEH是電站汽輪發(fā)電機組*的組成部分，是汽輪機啟動、停止、正常運行和事故工況下的調節(jié)控制器。DEH系統通過控制汽輪機主汽門和調門的開度，實現對汽輪機的轉速、負荷、壓力等的控制。本文從DEH系統軟、硬件的配置情況、工作原理、實現功能等方面介紹其在新疆眾和2×150MW熱電聯產工程中的應用。
　　
　　二、DEH控制系統配置
　　
　　DEH控制系統采用英維斯公司的NT6000V3分散控制系統的硬件平臺。
　　
　　軟、硬件配置：DEH系統配置兩臺DEH控制機柜，一臺操作員站，一臺工程師站，一臺彩色噴墨打印機；配置一對冗余的DPU（KM940）及KM系列IO卡件。冗余DPU分別通過冗余的數據高速公路與操作員站和工程師站相連，完成操作指令、基本控制數據、組態(tài)信息的通訊。
　　
　　操作員站是運行人員進行操作、監(jiān)視系統運行的人機接口。操作員站上安裝了系統操作及畫面顯示等軟件，為操作員提供基于LCD的控制操作、圖形顯示及報警監(jiān)視。操作員站上可以顯示以下幾個方面的內容：模擬流程和總貌顯示，實時數據顯示，控制狀態(tài)顯示，運行參數實時趨勢顯示，控制流程實時顯示，報警狀態(tài)顯示等。系統顯示各測點的實時變化趨勢曲線及歷史曲線，用戶可以根據歷史數據分析過程趨勢，追逐故障，歸檔過程數據，監(jiān)控生產效率，維護設備。報警功能供運行人員和測試維護人員觀察了解系統中各測點和工作狀態(tài)和報警情況，當有報警發(fā)生時，在畫面的左上方始終閃爍顯示報警信息，報警程序界面的屏幕顯示項共有八項，它們是：報警時間、報警日期、報警類型、所處狀態(tài)、測點名稱、側點名稱描述、報警數值。
　　
　　工程師站是于工程師設計、組態(tài)、調試、監(jiān)視系統的工具。工程師站和操作員站軟硬件配置基本相同，工程師站配置一臺打印機，用于畫面及歷史曲線的打印輸出。操作員站與工程師站在系統中*互為備用，它們之間的差別僅在于，為保證操作員站始終運行于DEH軟件下，防止無關人員對系統進行更改，操作員站與工程師站分別設有權限，只有以不同的身份和密碼登陸，才能進入相應級別。操作員級別可對DEH進行控制操作，工程師級別除了操作員級別外，可對DEH系統進行組態(tài)、修改。系統管理員級別開放所有的安全區(qū)和操作權限。
　　
　　網絡結構：DEH系統采用2路冗余的以太網口，*層控制網絡（ELIN）連接DPU和MMI站，也稱為數據高速公路。采用符合IEEE802.4協議的令牌冗余工業(yè)100M以太網，通訊協議為TCP/IP，通訊介質為超五類雙絞線，通過網絡交換機連接；第二層網絡為實時I/O通訊網絡，連接DPU及其所屬的I/O站，I/O網絡為通用的Profibus-DP，Profibus-DP專門為控制器與分散I/O之間進行通訊而設計，即可滿足高速傳輸，又簡單實用、可靠性強，傳輸速率為0.5M~2Mbps。
　　
　　電源配置：每個DEH機柜需要兩路交流220V/10A，50HZ的單相電源和一路直流220V/2A電源，兩路交流電源互為備用，任何一路電源的故障均不會導致系統的任一部分失電。任一路電源故障都會報警，并自動切換到另一路工作。直流220V電源主要用于一個掛閘電磁閥，兩個OPC電磁閥和四個AST電磁閥的驅動電源。交、直流電源均由DCS電源柜提供。
　　
　　三、工作原理
　　
　　DEH應用的150MW汽輪機組它由兩只高壓主汽閥、四只高壓調節(jié)閥控制高壓進汽，兩只中壓主汽閥和兩只中壓調節(jié)閥控制中壓進汽。以多功能處理器（MFP）為核心的DEH控制系統，采集機組的轉速、功率、汽壓等有關參數后，經過分析、鑒定、計算，控制電液伺服閥，通過油動機分別使四只高壓調節(jié)閥按啟動、運行要求工作。液壓動力油以磷酸脂抗燃油為工質，工作油壓14.5Mpa，由集裝式抗燃油箱供油。
　　
　　本機組啟動方式為高、中壓缸聯合啟動。升速和升負荷過程由DEH實現轉速和負荷的閉環(huán)控制。升速過程中，目標轉速設定后，給定轉速將按啟動曲線逐漸增加。DEH把實際轉速與給定轉速相比較，經過PI校正后得到閥位設定值，再經電氣凸輪（閥門流量曲線）修正后得到調節(jié)閥位置指令，從而控制各閥門開度使機組平穩(wěn)升速；需要暖機時，給定轉速保持不變；過臨界轉速時，自動提高升速率；并網后，升負荷過程中，目標功率設定以后，給定功率將按啟動曲線逐漸增加，DEH把實際功率與給定功率相比較，經過PI校正后得到閥位設定值，經過電氣凸輪（閥門流量曲線）修正后得到各調節(jié)閥閥位指令，從而控制各閥門開度，使機組平穩(wěn)升負荷；機組啟動結束后穩(wěn)定運行時，宜采用噴嘴調節(jié)方式，即高壓調節(jié)閥順序開啟，以減少處于節(jié)流狀態(tài)下的閥門個數，提高熱效率；在啟動過程中，為保證機組全周進汽，減少熱應力，宜采用節(jié)流配汽方式，即所有閥門同步開啟。實現這兩種配汽方式間的轉換，稱為閥門管理。DEH可接受指令，2分鐘左右完成上訴轉換。　　超速控制：DEH具有超速控制功能，當發(fā)電機甩負荷以后，汽輪機轉速將很快飛升，正常的轉速調節(jié)回路很難將轉速控制在保護系統動作轉速以下。因此，甩負荷后，DEH接受油開關跳閘信號，通過各調節(jié)閥油動機的快關電磁閥快速關閉高、中壓調節(jié)汽閥，以抑制機組轉速的zui大動態(tài)飛升，經過2S左右各電磁閥復位，由正常轉速回路進行調節(jié)。若甩負荷后油開關跳閘信號沒有發(fā)出，DEH還設有103%超速預警控制，即當汽輪機轉速超過103%額定轉速（3090r/min）時，DEH發(fā)出指令到各調節(jié)閥油動機的快關電磁閥，快速關閉高、中壓調節(jié)汽閥。當轉速低于103%額定轉速時，各電磁閥復位，轉入正常轉速回路調節(jié)。
　　
　　超速保護：DEH具有超速保護功能，即當機組轉速超過110%額定轉速（3300r/min）時，DEH發(fā)出110%超速停機信號，同時作用到AST遮斷電磁閥，關閉高、中壓主汽閥及調節(jié)汽閥，切斷機組進汽，實現停機。
　　
　　DEH系統圖見下圖：
　　
　　供油系統：高壓抗燃油供油系統采用集裝式抗燃油箱供油，它配置兩臺柱塞式油泵，一臺工作，一臺備用，向伺服系統提供14.5MPa的工作油，當壓力低于11.2Mpa時，備用泵自動啟動。為保證油動機快速動作時補充工作油，系統配有一臺10L高壓皮囊式蓄能器。為保證油泵潔凈，配有一臺高精度的濾油器，過濾精度達到3μm。油再生循環(huán)泵可使油經過油再生裝置，除去油中的水份和雜質。為使高壓油工作在40±2.5℃，設有油加熱器和冷卻器，當油溫高或低時將發(fā)出報警。主油箱的容積為900L，裝有浮子式液位計，具有高高、高、低、低低的油位報警功能。
　　
　　執(zhí)行機構：液壓控制系統具有兩種類型的執(zhí)行機構：兩位執(zhí)行機構和連續(xù)執(zhí)行機構。高中壓主汽閥油動機為兩位執(zhí)行機構，主要由油缸、泄荷閥、試驗電磁閥組成。當汽輪機發(fā)生危急情況時自動停機危急遮斷油（AST油）母管失壓后，卸荷閥在壓力油的作用下快速打開，迅速卸去高壓主汽閥油動機活塞下腔的壓力油，則主汽門在彈簧力的作用下迅速關閉。試驗電磁閥帶電時油動機關閉速度較慢，從而可以通過該電磁閥作閥門活動試驗。高、中壓主汽閥油動機上裝有全開全關的行程開關。高、中壓調節(jié)閥油動機為連續(xù)執(zhí)行機構。從DEH來的控制信號通過伺服閥去操作各自油動機，按運行需要開大或關小調節(jié)閥，裝在油動機上的線性差動位移傳感器LVDT給出閥位反饋信號，在DEH中取得平衡后維持閥門靜止。油動機由油缸、伺服閥、液壓集成塊、LVDT、快泄閥和電磁閥組成。伺服閥為雙線圈，一個線圈故障時，仍可可靠工作，失電時，能使油動機關閉。LVDT的零點和幅值可在線校驗。電磁閥接受機組遮斷信號或超速信號快速關閉汽閥。在汽機左右兩側配有一套高、低壓蓄能器，高壓蓄能器容量各為2×40L，低壓蓄能器容量各為2×10L。
　　
　　高壓遮斷系統：高壓遮斷系統由OPC、AST電磁閥組成。遮斷插裝閥動作可分別關閉主汽閥和調節(jié)閥。由兩個并聯布置的超速保護電磁閥（20-1、2/OPC）及兩個逆止閥和相關表記組成超速保護（OPC）電磁閥的組件。它們是由DEH控制器的OPC部分所控制，正常運行時兩個OPC電磁閥是失電關閉的，封閉了OPC母管的泄油通道，使高壓調節(jié)汽閥執(zhí)行機構活塞桿的下腔建立起油壓；當汽輪機運行轉速超過103%額定轉速時，DEH控制系統OPC控制器發(fā)出動作信號，這兩個電磁閥就被勵磁打開，使OPC母管油經無壓回油管排至EH油箱。這樣相應的調節(jié)閥伺服執(zhí)行機構上的卸載閥就快速開啟，使各高、中壓調節(jié)閥迅速關閉。四個串并聯布置的AST電磁閥（20-1、2、3、4/AST）是由ETS系統控制的，正常運行時這四個AST電磁閥是得電關閉的，封閉了AST母管的泄油通道，使主汽門執(zhí)行機構和調節(jié)閥門活塞桿的下腔建立起油壓，使機組發(fā)生危急情況時，AST信號輸出，這四個電磁閥就失電打開，使AST母管油經無壓回油管路排至EH油箱。這樣主汽閥執(zhí)行機構和調門執(zhí)行機構上的卸荷閥就快速打開，使各個汽門快速關閉。四個AST電磁閥布置成串并聯方式，其目的是為了保證汽輪機運行的安全性可靠性，20-1/AST和20-3/AST、20-2/AST和20-4/AST每組并聯連接，這樣在汽輪機危急遮斷時每組中只要有一個電磁閥動作，就可以將AST母管中的壓力油泄去，進而保證汽輪機的安全，這樣設計，可以保證AST電磁閥既能防止“拒動”又能防止“誤動”。在復位時，兩組電磁閥組的電磁閥，只要有一組關閉，就可以使AST母管中建立起油壓，使汽輪機具備起機的條件。AST油和OPC油是通過AST電磁閥組件上的兩個逆止閥隔開的，這兩個電磁閥被設計成：當OPC電磁閥動作時，AST母管油壓不受影響；當AST電磁閥動作時，OPC母管油壓也失去。
　　
　　低壓遮斷系統：當轉速升到110~112%額定轉速時，主軸上的兩個危急遮斷器擊出，打在危急遮斷油門的撐鉤上，使危急遮斷油門掉閘，放掉通往隔膜閥上方的一次安全油，隔膜閥向上動作，卸掉高壓系統中的AST油壓，使所有的主汽閥和調節(jié)閥關閉，切斷進汽，實現停機。
　　
　　高壓遮斷系統和低壓遮斷系統，用隔膜閥聯接起來。
　　
　　四、實現功能
　　
　　DEH控制系統主要實現以下功能：
　　
　　1.自動掛閘；
　　
　　2.整定伺服系統靜態(tài)關系；
　　
　　3.啟動前控制；
　　
　　4.轉速控制；
　　
　　5.負荷控制（并網帶初負荷、負荷反饋控制、一次調頻、CCS控制、負荷限制、快減負荷、閥位限制、快減負荷、閥位限制）；
　　
　　6.主汽壓力控制；
　　
　　7.主汽壓力低保護；
　　
　　8.抽汽控制；
　　
　　9.背壓控制；
　　
　　10.單/多閥控制；
　　
　　11.超速控制；
　　
　　12.在線試驗；
　　
　　13.EH設備控制；
　　
　　14.ATC汽機自啟動。
　　
　　五、結束語
　　
　　DEH控制系統的投入，使機組能夠穩(wěn)定、快速地響應機組負荷指令變化，提高了轉速、壓力、負荷控制精度,保證了機組的安全、穩(wěn)定運行。