北京和利时系统工程有限公司

一、概 述

    汽轮机数字电液控制系统（DEH），分高压抗燃油纯电调和低压透平油纯电调两大类。
    高压抗燃油纯电调是随着引进西屋汽轮机制造技术而进入我国，因而广为人知。高压抗燃油纯电调DEH，克服了传统液压调节系统存在的缺陷，能采用灵活的控制策略以适应多种运行工况自动化控制的要求，为适应机炉协调控制（CCS）和自动发电控制（AGC）打下基础。由于高压抗燃油纯电调具有上述特点，因而被广泛应用于300MW以上大型机组的控制系统。近年来，高压抗燃油纯电调技术又被推广到200MW机组的调节系统改造，收到较好效果。
    但是，高压抗燃油纯电调也存在一些先天不足，影响到它的进一步推广。主要不足之处如下：

 ■ 系统结构复杂，制造成本高。
 ■ 对油质清洁度要求很高，油品需要不断再生，运行维护费用高。
 ■ 电液伺服阀容易卡涩，需要常备备件，增加了运行成本。
 ■ 需配备外置式液压油源，不但增加了设备费用和运行维护费用，而且安全性不如透平油液压油源。透平油液压系统与润滑系统共用油源，主油泵由主轴驱动，只要汽轮机在转，就不会有失压问题。
 ■ 抗燃油有毒性，长期大量使用抗燃油将为环境保护所不容。

    上述不足之处，在125MW、100MW等中小容量机组的自动化改造上反映尤为突出。随着电网容量的增大，这些机组逐渐进入调峰运行，协调控制和AGC控制的要求提到日程，而昂贵的高压抗燃油纯电调是这些机组用户难以接受的，因此，有必要开发经济适用的低压透平油纯电调，以适应用户的需求。其实，电调功能的发挥，并不在于采用高压或低压，只要设计得当，两类系统都能达到同样的自动化水平。
    我国曾经引进过多台日立机组，例如首阳山300MW机组，其控制系统就是采用低压透平油纯电调，用比较经济可靠的办法，完全达到了高压抗燃油纯电调的控制水平，用户反映十分满意。低压透平油纯电调技术的应用，可使制造成本和运行维护费用大大降低。用于老机组改造时，所保留的油动机和液压油源是汽轮机原有的液压调节系统中故障率最低的部分，因此，改为纯电调后，控制系统的可靠性大大提高，并取得了可观的经济效益。
    低压透平油纯电调的应用，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。迄今为止，和利时应用的DDV阀已超过200套，装备了超过100套DEH；其中60%用于低压透平油系统，40%用于高压抗燃油系统，卡涩的例子一套也没再发生过。
    DDV阀的应用，不但解决了低压透平油纯电调电液转换问题，同时解决了高压抗燃油纯电调伺服阀卡涩问题，为DEH事业的发展作出了重要贡献。

二、纯电调的基本概念

    一般而言，DEH控制系统由两大部分组成，即控制器部分和执行器部分。控制器部分实现控制系统的控制策略；执行器部分执行控制器的控制结果，定位调节机构。
    汽轮机的液压调节系统的控制器，包括调速器、同步器、中间放大滑阀等部件，实现转速测量，偏差放大等控制策略，为液压控制器。油动机为执行器，接受控制器来的液压信号，定位调节阀位。
    汽轮机电液调节系统的控制器，为数字式DEH控制器，实现转速调节、负荷控制、新汽压力控制及机炉协调控制等多种控制策略，其输出的总阀位信号为电气量信号，该信号经过电液放大，驱动液压执行器，即油动机；也可直接驱动电液执行器，即电液伺服油动机，简称电液油动机，以定位相应的调节阀位。
    DEH控制器与电液油动机配合，组成纯电调。
    或者，DEH控制器通过电液放大器控制油动机，组成纯电调。
    作为执行器，油动机应能接受三种信号的控制，即正常控制、快关控制和遮断控制。
    对液压油动机而言，正常控制时，由调节器来的液压信号通过中间放大滑阀，控制油动机，定位调节阀；当发生甩负荷时，OPC系统控制超速限制滑阀或微分器，通过中间放大滑阀暂时快关各调门油动机，以限制机组转速动态飞升；当发生遮断时，保安系统通过危急遮断器滑阀、中间放大滑阀，永久性地关闭各油动机，使机组停机。由此可见，液压调节系统的油动机具有正常控制，快关控制和遮断控制三个接口。不过，液压油动机的三个接口是通过中间放大滑阀联系在一起的，这使调节系统中各油动机只能按固定的关系协调动作，如果调节系统中只有一个油动机，便不存在多个油动机协调动作问题。
    电液调节系统中的油动机，也存在上述三个接口，当采用一个电液伺服阀控制多个油动机时，各油动机之间的关系就像液调系统一样，是固定的；当采用每个油动机由一个电液伺服阀控制时，三个接口便被赋予每个油动机，使每个油动机都能独立完成正常控制，快关和遮断三种任务，各个油动机的运行关系由阀门管理软件（软凸轮）进行协调，可按固定模式和可变模式控制汽轮机进汽。在后一种方式，油动机与电液伺服阀，快关电磁阀和遮断转换阀为一体化设计，称为电液伺服油动机，简称电液油动机。
    高压抗燃油纯电调采用的油动机，是典型的电液油动机，每个油动机可单独执行正常控制，快关和遮断动作；可接受阀门管理软件控制，实现固定模式和可变模式的配汽管理。本文推荐的低压透平油电液油动机，参照高压抗燃油电液油动机的控制模式进行设计，使低压透平油纯电调能执行与高压抗燃油纯电调相同的功能。低压透平油纯电调也可参照液调系统的设计模式，采用一个电液伺服阀控制多个油动机，构成简易纯电调。简易纯电调能实现纯电调的基本控制功能，具有很好的实用价值。

三、关于阀门管理
 
    这里，要专门讨论一下阀门管理的实用价值。阀门管理是西屋公司推出的一种控制功能，是一种用于高压抗燃油纯电调的软件配汽方式，通常是指高压进汽节流调节和喷咀调节两种方式的相互无扰转换，可以兼顾启动快速性和部分负荷经济性的要求。要实现这种功能，要求每个调节阀采用一个油动机驱动，由阀门管理软件协调各油动机的工作。下面将通过机组常见的几种运行方式，探讨阀门管理的实用价值。

1） 定压运行，带基本负荷
    在这种运行方式下，调节阀接近全开，节流调节和喷咀调节区别不大。

2） 滑压运行，调峰
    在这种运行方式下，调节阀也接近全开，节流调节和喷咀调节也区别不大。

3） 定压运行，调峰
    在这种运行方式下，靠改变阀门开度来调整负荷，喷咀调节比节流调节经济性好，采用阀门管理是有意义的。但是，这是一种不常用的运行方式。按混合调节方式设计的凸轮配汽机构能适应这种运行方式。
    汽轮机常用的凸轮配汽机构，既不是纯粹的节流调节，也不是纯粹的喷咀调节，而是一种混合调节方式，通常是这样设计的：在低负荷阶段，1#、2#调门同时开启；1#、2#调门为对称布置，可以保证高压缸进汽部份受热均匀，保证启动过程的快速性；1#、2#调门接近开足时，开3#调门；3#调门接近开足时，开4#调门。这种设计可以看作低负荷时为节流调节，高负荷时为喷咀调节，因而兼顾了启动快速性和部分负荷经济性的要求。因此，凸轮配汽机构的特性已是一种较好的阀门管理模式，当机组调峰运行时，通常是3#和4#调门参与调节，已是处于高效的喷咀调节区。并且可以采用变压运行方式，使调门定位在节流损失最少的位置，例如1#、2#调门全开，3#调门全开或4#调门全开等位置。采用这种运行方式，便可在不用阀门管理的前提下达到最好的部分负荷经济性，使阀门管理变得不必要。这样，在中小型机组的DEH改造中，便可不必为追求阀门管理而采用每阀一个油动机的控制模式，不必取消凸轮配汽机构和原有的油动机，更不必采用高压抗燃油纯电调。这将使中小型机组的DEH改造大为简化，节约大量的改造资金。在中小型机组DEH改造中，阀门管理功能是不必要的。

    凸轮配汽（杠杆配汽）与阀门管理配汽的比较
    凸轮（杠杆）配汽 阀门管理配汽
    低负荷区 二阀对称进汽 四阀全周进汽
    高负荷区 3#、4#依次开启 3#、4#阀依次开启
    评价：低负荷区，二阀对称进汽与四阀全周进汽的均热效果基本相同，且节流损        失较全周进汽小。
     高负荷区，两种配汽方式相同。

四、低压透平油纯电调的特点

低压透平油纯电调，具有如下特点：
 ■ 系统简洁，制造工艺符合汽轮机厂的设备条件，制造成本低。
 ■ 老机组改造时，可以利用机组原有的油动机和液压油源。
 ■ 液压系统易损件少，寿命长，运行维护费用低。
 ■ 采用常规的透平油液压油源，不需另配外置式油源站。常规透平油油源主油泵由汽轮机主轴驱动，其可靠性高于外置式油源站。
 ■ 采用MOOG公司新近推出的DDV型电液伺服阀，控制精度高，抗污染能力强。
 ■ 由DDV阀构成的电液放大器和电液油动机，定位精确、灵敏度高，可靠性好，抗污染能力优于高压抗燃油电液油动机。
 ■ 不用抗燃油，环保特性好。

五、100MW汽轮机低压透平油纯电调（优化控制实例）

    100MW汽轮机，只有一个油动机，不考虑配备阀门管理功能。只要采取下列改造措施，便可构成低压透平油纯电调。本方案的设计原则可推广到200MW、50MW、25MW等多种机型。

 ■ 保留配汽杠杆，凸轮配汽机构。
 ■ 将油动机改造为电液油动机。
 ■ 拆去调速器，调速器滑阀，微分器等部套。
 ■ 增设DEH控制器。
 ■ 增设由电磁阀构成的遮断，挂闸，开主汽门和喷油试验模块，可以实现全面远方操作，达到高压抗燃油纯电调的自动化水平。

电液油动机原理如图1，其构成要点如下：
 ■ 机组原配油动机，拆去反馈滑阀，反馈杠杆，保留油动机滑阀和油动机活塞。
 ■ 增设DDV阀，作为正常控制接口。
 ■ DDV阀压力油进口增设过滤器，精度25μ-100μ
 ■ 增设可调节流阀，用以调整油动机滑阀0位。该节流阀应这样设置，使DDV阀失电时，油动机能自动关闭。可调节流阀的位置应能锁定。
 ■ 活塞杆上增设双冗余LVDT，作为反馈定位作用。
 ■ 增设卸荷阀，作为快关和遮断控制接口。
 ■ DDV阀，可调节流阀和卸荷阀做成一个液压集成块，安装在前箱侧面适当位置。
 ■ DDV阀由DEH控制器中的伺服板控制，接受总阀位信号，改变油动机位置，直到与LVDT反馈信号平衡为止。
 ■ 若有多个油动机，可共用一个滤油器。

 DDV阀具有如下特点：
 ■ 采用高能永磁直线力马达，自带功放，具有强大的驱动力。
 ■ 取消了喷咀挡板式前置液压放大器，解决了由此引起的伺服阀卡涩问题，抗污染能力大大提高。
 ■ 具有高分辨率、低滞环，具有很高的控制精度。
 ■ 动态特性与供油压力无关，能适应任何压力的电液控制系统。

    电液油动机具有很高的灵敏度，其值高于原油动机的最高灵敏度，并且在全行程范围内灵敏度的数值相同。
    本方案适用于哈汽，东汽和北重型汽轮机。建议每个油动机由一个DDV阀控制。
    电液油动机为和利时专利产品，专利号：ZL 00 2 54529.2 见附表

六、125MW汽轮机低压透平油纯电调（简易控制实例）

    125MW汽轮机为中间再热式，具有2个高压油动机和2个中压油动机，其中每个高压油动控制2个高压调节阀，共计2个高压油动机控制4个高压调节阀，中压油动机则为每个油动机控制1个中压调节阀。4个油动机均接受二次脉动油压控制。二次脉动油路为变油压系统，每个油动机均可调整其始开油压和开足油压，以协调各油动机的运动关系。

125MW低压透平油纯电调，采用一个DDV阀控制四个油动机的控制方式，不考虑配备阀门管理功能，改造要点如下：
 ■ 完整保留机组原有的液压系统，各油动机的运动关系由二次脉动油压Pm2来维系。
 ■ 在二次脉动油路上外接一个DDV阀，DDV阀工作在排油方式，与原液压放大器的碟阀排油口并联。
 ■ 原配启动阀完成挂闸、开主汽门后，摇到最高位，使Pm2控制油口完全关闭。
 ■ 同步器摇到最高位，使液压放大器的碟阀排油口在所有的工况中均处于关阀状态。
 ■ DDV阀接受DEH控制器总阀信号，改变二次脉动油压Pm2，以控制油动机，完成从冲转到带满负荷的全行程控制。Pm2油路上接有压力传感器，用以构成Pm2反馈，以获得良好的静态和动态特性。
 ■ 甩负荷快关功能仍由超速限制滑阀执行，OPC控制策略包含在DEH控制器中。
 ■ 遮断控制仍由原液压系统的遮断控制回路执行。
 ■ DEH故障时，只需降低同步器定值，系统便可回到液调方式运行，配上和利时开发的专利产品同步器马达控制器，（专利号：ZL 99 2 10575.7 见附表）仍可实现负荷闭环控制，继续执行电调功能。
 ■ 若启动升速过程中发生DEH故障，可打闸停机，然后用启动阀重新启动。
 ■ 在二次脉动油路上设置的压力传感器，通过伺服板闭环，组成Pm2反馈，可以改善系统的静态和动态特性，可以消除油源压力波动新形成的寄生反馈，以及由此引发的系统振荡。
 ■ 配备DEH控制器，完成所需的控制策略运算，给出总阀位信号。
 ■ DDV阀及其所需的附属设备，作成一个集成块，安装在前箱在侧适当位置，由支架固定。

    本方案为简易型纯电调，适用于上汽机型，已在多台125MW机组得到应用。
    电液放大器为和利时专利产品，专利号：ZL 00 2 33849.1，见附表

七、保安系统的处理

    汽轮机电调改造的主要目的是克服原液压调节系统存在的缺陷，完善控制策略，提高控制系统的自动化水平，为实现协调控制（CCS）和自动发电控制（AGC）创造条件。这个目的在调节系统的改造中已经实现了。机组的液压保护系统，性能良好，工作可靠，操作的机会较少，改造的必要性不大。在中小型机组进行简易型DEH改造时，保安系统可不进入改造，以减少改造工作量，节省费用，但系统操作自动化水平较低。在优化的改造方案中引用了高压抗燃油系统的设计思想，将机组的保安系统的改造列入改造范围，全面提高自动化水平。经过这样改造的机组，其功能配置和自动化水平可以达到高压抗燃油纯电调的水平。

八、DEH控制器的基本功能

    DEH控制器的主要功能是转速控制的负荷控制，其中，负荷控制具有阀控、功控和压控三种方式，分别适合于炉跟机、机炉协调和机跟炉三种运行方式。
 此DEH控制器由北京和利时公司MACS分散控制系统构成，与DCS为一体化设计，与液压系统的改造通盘考虑，适用于200MW和125MW及以下机组低压透平油纯电调控制。

8.1转速控制

    转速控制系统为大范围无差闭环转速反馈系统，可实现自动或手动方式，完成从冲转到额定转速的控制过程。
    自动时，按根据机组热状态预先设定的自动升速曲线完成升速过程；手动时，由操作员设定目标转速和升速率，控制机组升速。通过临界转速区时，升速率自动加到最大。
    设有自动同期接口，可接受自动同期装置控制，自动完成并网操作；也可在自动周期装置指导下，由操作员控制并网。并网后自动进入阀控状态，并自动带3%初负荷。

8.2负荷控制

1) 阀控方式
    机组并网后，自动进入阀控方式。本方式为负荷开环控制方式，具有一次调频能力，适合于炉跟机运行方式。

2）功控方式
    为负荷闭环控制方式，具有一次调频能力，适合于机炉协调控制运行方式。

3）压控方式
    由汽机调门控制机前压力，由锅炉控制机组负荷。机组负荷服从于调压，不具备一次调频能力。本方式适合于机跟炉运行方式。该方式适用于配直流炉、并在大电网中并列运行的机组。

8.3一次调频功能
    根据华北电力集团公司“华北电网发电机组一次调频运行管理办法”的规定，并网运行的机组必须参与一次调频。该项规定正在向全国推广。根据上述文件的规定，和利时设计的DEH，在阀控、功控和压控方式均具有一次调频能力，不调频死区设置在0-2r/min范围内。在任何情况下，机组均不能退出一次调频。

8.4超速限制与附加超速保护
    为确保甩负荷控制的快速性，超速限制和附加超速保护控制采用继电器回路。
    甩负荷判据为油开关跳闸信号和103%n0信号。
    当发生甩负荷时，油开关跳闸信号通过继电回路控制超速限制滑阀或OPC电磁阀，快关各调门以限制转速飞升，同时总阀位信号置0。当超速高峰过去后（约2秒），上述信号复位，系统进入转速控制方式，使机组维持3000r/min的运行。
    当机组转速超过103%n0时，给出快关信号，通过超速限制滑阀或OPC电磁阀，快关各阀门，同时使总阀位信号置0。转速低于103%n0时，恢复转速控制。
    当机组转速超过110%n0时，给出信号至ETS，使机组停机。当机组进行提升转速试验时，该值自动提高到113%n0，保护试验过程防止超速。
    103%n0和110%n0信号来自测速板，响应时间小于10ms。

8.5其他功能
    包括新汽压力降低自动减负荷，真空降低自动减负荷，阀门活动试验，提升转速试验和来自协调控制的减负荷控制等功能，这些功能可按需设置。

九、DEH控制的构成

    DEH控制器由和利时公司标准的MACS分散控制系统构成，其中，除测速板和伺服板为DEH专用I/O板外，其余硬件和软件与DCS通用，并与DCS一体化设计。一体化设计的含义，包括：

    ■ 硬件一体化   ■ 系统软件一体化   ■ 控制策略一体化
    DEH的现场设备包括一台现场控制站和一台专用硬操盘，操作员站和工程师站与DCS共用。
    硬件配置如图3，其中
    冗余主控板 1对
    测速板 3（三选二）
    伺服板 n（按电液伺服阀数量配置）
    开入板 4（共64路）
    开出板 2（共32路）
    模入板 2（共16路）
    模出板 1（共8路）

十、主要技术指标

 ■ 转速控制范围 40-3600r/min
 ■ 转速控制精度 ±1r/min
 ■ 负荷控制范围 0-115%
 ■ 负荷控制精度 ±1MW
 ■ 不等率 3-6%在线连续可调
 ■ 不调频死区 0-2r/min出厂时已设定
 ■ 迟缓率 <0.06%
 ■ 甩负荷最高转速飞升 <7%n0

十一、可靠性设计

 ■ 测速板采用三选二冗余。
 ■ LVDT采用双冗余高选。
 ■ DEH控制器的可靠性设计由MACS系统可靠性设计规范保证。
 ■ 控制系统设计符合国际电工委员会（IEC）规定的安全设计原则，对可能发生的误操作有防范措施，失去动力源时能安全停机。
 ■ 液压系统的设计充分考虑了防火的要求。

十二、油源清洁度问题和油系统改造

    油源清洁度问题，直接影响到液压系统的正常工作，是备受关注的安全性问题。透平油的污染问题，主要是油中带水和颗粒污染，污染物来源与排烟风机系统的设计有密切关系。
    透平油润滑/液压系统，设有排烟风机系统，目的是将各轴承箱的油烟抽出，防止轴承箱内部过热。轴承箱内部过热会引起轴承标高变化，改变轴系的扬度曲线，严重时，会发生动静部件摩擦，引发轴系振动。因此，如何正确发挥排烟系统的冷却作用，控制轴承箱温度变化，对机组安全运行是至关重要的。
    排烟风机设在主油箱上，通过回油管的空气半管抽出各轴承箱的油烟。对各轴承箱而言，抽油烟的作用是通风冷却，必须有进有出，形成一定的通风量，才能发挥冷却效果。目前的排烟系统，没有设计进风口，进风量被迫从轴承箱上的各种孔隙进入，特别是从油封间隙进入，这样便带来一系列问题：

 ■ 为获得足够的进风量，各轴承箱被抽到较高的负压。
 ■ 轴承箱上的油封环正对着汽缸的汽封环，大量空气从油封环间隙进入的同时，将大量蒸汽带入，进入透平油中。
 ■ 蒸汽进入回油管空气半管，凝结在管壁上，形成锈蚀。铁锈不断落入油中，形成污染。
 ■ 从各种孔隙进入轴承箱的空气，将空气中的粉尘同时带入，久而久之便形成油泥。
    这些问题，都是由于排烟系统设计不合理造成的。解决的办法也很简单，只要在每个轴承上适当位置增设一个进风口，让冷却空气主要从进风口进入，降低轴承箱内负压，这样便可减少从油封和各种孔隙等非正常通道进入的风量，相应减少了水蒸汽和粉尘的进入量，同时减少了回油半管锈蚀的产生。进风口的面积应为可调，以保证得到适当的冷却风量，进风口应加空气滤清器和空气干燥剂，以防止空气中的粉尘和湿气进入。仅此措施，便可大大减少透平油的污染来源。
    在此基础上，完善油净化系统，经常性地清除油中的水份和颗粒，便可使透平油保持较好的清洁度水平。
 北京承天倍达过滤技术有限责任公司生产的FC系列过滤脱水装置，采用各种特殊滤芯，能有效清除油中颗粒和水份，清洁度达到NAS6级，油中含水量可达到200PPM以下。
    北京透平新技术开发有限责任公司生产的TP系列离心式净油机，采用瑞典ALFA LAVAL高速离心分离机，能有效地将油中水份和颗粒物分离出来。这种净油机不需要滤芯，免除了更换滤芯和清洗芯等麻烦，运行维护较简单，费用也低。
    上述产品可推荐作为油系统改造之用。
    油系统改造的目的是提高油系统清洁度，改造的目标是减少水份和颗粒物的进入，和清除已进入油中的水份和颗粒物，解决的办法是：各轴承箱加装合适的进风口，合理组织进风，减少水份和粉尘进入；增设高效净油装置，连续清除油中残存的水份和颗粒物。
    低压透平油纯电调，清洁度适应能力与常规液压系统相当，若能对油系统进行改造，提高清洁度水平，则效果更佳。
 中小型机组DEH改造，低压透平油纯电调具有经济适用、可靠性好、环保性好的优点。

十三.结论

 1) 为适应中小型机组DEH改造，开发低压透平油纯电调具有重要意义。200MW及以下机组属于中小机组范围。
 2) 由于纯电调控制系统的控制策略取决于计算机电子控制器，因此，除可变模式阀门管理外，低压透平油纯油调能实现高压抗燃油纯电调的全部功能。
 3) 实践中，阀门管理特性与凸轮配汽机相当，凸轮配汽机构的作用完全可以代替软件型可变模式阀门管理。
 4) 和利时公司推出的低压透平油纯电调，具有自动化水平高、经济适用、可靠性好、环保性好的优点。
 5) 本文推荐的低压透平油纯电调，清洁度适应能力与常规液压系统相当；若能对油系统进行改造，提高清洁度水平，则效果更佳。