杭州和利时自动化有限公司

    （杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）侯林鹏，罗作桢
                                    
    侯林鹏（1980-）男，河北秦皇岛人，本科，工程师，现就职于杭州和利时装备自动化工程部，主要研究方向为流体传动与控制。

    摘要：低压透平油电液控制系统，有电液油动机和电液放大器两种方案，用于中小型汽轮机DEH改造的主导型控制系统，由和利时成功开发，已经广泛应用，并为广大用户所认可。在此基础上，和利时又成功开发了自容式电液执行器，分集成式和分体式两种，其性能达到高压抗燃油系统的水平，并具有节能、环保、简单可靠等特点，可适用于大、中、小型机组的DEH改造和新机配套，已有几十台机组的应用业绩。Xpac是美国REXA公司生产的电液执行器，属集成型自容式，其小规格产品用于中小机组的DEH改造，有一定的业绩，主要用作中间放大。本文对自容式电液执行器、低压透平油电液控制系统和Xpac电液执行器的特点和适用范围进行了对比。

    关键词：汽轮机；DEH改造；低压透平油电液控制系统；自容式电液执行器；Xpac

    Abstract: Low pressure turbine oil electro-hydraulic control system including two types: electro-hydraulic servomotor and electro-hydraulic amplifier, is the leading control system used for small and medium turbine DEH reconstruction,which is developed by HollySys and widely applied with the approval by users. Based on this,HollySys also developed self-contained electro-hydraulic actuator successfully which consists of integrated type and split type. It has high pressure fire resistant fluid system level performance, and has energy-saving,environmental protection, simply and reliable features. It can be used for DEH reconstruction and new build of large, medium and small unit, and has been used on several tens of units. The Xpac is the electro-hydraulic actuator produced by American REXA Company, which belongs to the integrated and self-contained type. Its small-size product is mainly used for DEH reconstruction of small and medium unit. The Xpac has been applied on some units and is mainly used for interstage amplifier. This paper mainly introduces the features and application scopes of self-contained electro-hydraulic actuator, low pressure turbine oil electro-hydraulic control system and Xpac electro-hydraulic actuator.

    Key words: Turbine; DEH reconstruction; Low pressure turbine oil electrohydraulic control system; Self-contained electro-hydraulic actuator; Xpac

    1 概述

    和利时研制开发的自容式电液执行器是一种优化的高压电液执行器，分集成式和分体式两种。集成式执行器，是将油源与电液执行器集成在一起，应用时，只需将它安装在被控的阀门上，接通电源和信号线，不需要外供油源和复杂的油管路，便可执行控制任务。分体式则将油源站与电液执行器分块集成，一个油源站可向多个电液执行器供油，只需很少的油管路。自容式设备具有系统简单、性能优化、驱动力大、响应快、应用简便、可靠性
高、节能、环保、耐污染等特点。

    美国REXA公司生产的Xpac执行器，是一种集成型自容式电液执行器，主要用途是用来替代电动执行器。可用于汽轮机的错油门滑阀的中间放大控制。但是由于动态响应较慢，被控机组不能适应一次调频的要求，只能适用于在大电网中带基本负荷的机组。若选用大规格Xpac执行器，可以直接驱动汽轮机蒸汽阀门，但价格很高。沈阳东北电力调节技术研究所是美国REXA公司的中国总代理，负责Xpac电液执行器的销售、推广与技术支持，主要用作中间放大，驱动错油门滑阀。曾与和利时公司合作，将小规格Xpac电液执行器用作中间放大环节。此种小规格的Xpac电液执行器驱动力最大为1吨，无法直接驱动蒸汽阀门，只能驱动油动机的错油门滑阀，目前已应用在多项改造机组的DEH中。

    低压透平油电液控制系统，由和利时推出、用于中小型机组DEH改造的主导性方案，包括电液油动机和电液放大器两种方案，其主要特点是采用DDV阀实现电液转换，将电控系统与机组原配的液压放大、执行系统连系起来，实现DEH控制。这是一种十分成功的改造方案，能充分利用原机组液压系统，简单易行，已经得到广泛应用。对于原液压系统性能较好的机组，如哈汽、东汽、北重、上汽等厂的产品，改造效果很好，改造工作量也较小。但是由于保留了原调节系统中的油源、放大器、错油门和油动机等液压部套，必然将这些部套原来存在的问题带到改造后的系统中。要适应不同厂家不同年代的产品，必须针对具体系统进行特殊设计。特别是那些已运行几十年或停运很久的旧机组，油系统和调节系统都已破旧不堪，图纸、资料缺失，严重影响设计的准确性和改造效果。使改造工作量相对较大。对于这类机组，最好采用自容式电液执行器进行彻底改造。

    和利时自容式电液执行器，采用了蓄能技术，能在瞬间释放出动态过程所需的大流量，使动态响应远比Xpac快；驱动力可达10吨以上，能够直接驱动蒸汽阀门实现连续调节；并具有快关功能。各项控制性能指标达到高压抗燃油系统的水平，但远比高压抗燃油系统简单，并且不用抗燃油，没有由抗燃油带来的环保问题。系列化的设计能适应机组全功能控制的要求。

    2 工作原理及设计特点

    2.1 自容式电液执行器的构成和工作原理

    自容式电液执行器主要由高压油缸、伺服阀、油路集成块、蓄能器、电机油泵、油源块等部件组成。对于集成式，所有部件完全集成在一起，没有外部管路；对于分体式，油源和执行器分块集成，只有很少的外部油管路。

    （1）油源的工作方式：正常运行时，油泵处于卸载状态，只在蓄能器充油过程，油泵才加载。蓄能器额定压力14MPa，当蓄能器压力下降到12MPa时，充油电磁阀带电，油泵向蓄能器充油；当蓄能器压力上升到16MPa时，充油电磁阀失电，油泵卸载，电动机、油泵空载运转，由蓄能器保持向油动机供油。这种开关调压方式节省了调压耗油，是一种节能的运行方式。

    （2）油动机工作原理：正常控制时，功率放大器通过伺服阀控制液压缸，并由LVDT反馈定位。油动机设计成在12～16MPa压力范围内均能满足各种工况下的控制要求，并且不会因油压变化影响油动机的位置。伺服阀采用DDV阀，或其他类型的高精度比例阀型伺服阀，与传统的喷咀挡板型伺服阀相比，除静态精度和动态响应特性相当外，具有静态耗油量极小和抗污染能力强的优点。油动机采用油压复位式单侧缸，或弹簧复位式单侧缸，换向平稳。液压缸采用无内漏缸，使DDV阀稳态时准确地工作在断流位置，保持高压力增益，确保油压变化时不影响油缸位置。采用上述设计，油动机稳态耗油基本为0，只有动态耗油，即工作耗油，这也是一种节能设计。

    （3）快关设计：快控信号通过OPC快关电磁阀，动作卸荷阀，使液压缸快速卸载，实现阀门快关；同时切断伺服阀进油，防止快关过程油源短路。这种设计防止了快关过程意外耗油，也是节能设计。

    （4）采用抗磨液压油作工质，彻底解决了抗燃油的环保问题。配有防火保护系统，万一发生意外损坏，可迅速切断油源，防止引发火灾，达到抗燃油系统的防火效果。抗磨液压油的液压性能远优于磷酸酯型抗燃油，这是一种环保设计。

    （5）由于采用了高压设计，油动机驱动力大，定位精度高，稳定性好，动态响应快，可靠性高，各项性能指标达到高压抗燃油系统的水平。抗污染能力高于目前通行的高压抗燃油系统的水平。

    （6）配有电气箱，正常控制、充油控制和马达控制等回路，由电气箱完成，并具有远方操作功能。

    （7）自容式电液执行器液压油用量很少，且密封在油系统中，不受外界污染影响，可以长期保持清洁，不会发生因油污染带来的故障。系统安装调试完毕，至少正常工作一个大修期（3～5年）。

    （8）定位精度小于全行程的0.1%；重复率小于全行程的0.1%，快关时间0.2秒，均达到高压抗燃油系统的水平。结构上可与控制系统进行完美对接，扩展、维护极其简单。

    2.2 自容式执行器设计特点（优势）

    自容式电液执行器作为电站汽轮机电液执行器的新一代产品，具有集成性、节能性、环保性和控制性能优良等优点，适用于各型机组的DEH改造，特别适合于对现有的高压抗燃油电液控制系统进行环保改造和性能优化，也适用于大、中、小型新机组配套。现将主要特点归纳如下：

    （1）集成性：将液压缸、操纵座、控制系统和油源系统集成为少数几个模块，并经过优化，没有或只有很少外部油管路。结构简单，应用方便。

    （2）节能性：根据系统的稳态耗油少，动态耗油虽大但时间短，由蓄能器供油。按上述特点设计供油系统，可大量节省油系统内部循环能耗。

    （3）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。

    （4）控制性能优良：驱动力大，响应快，定位精度高，动作平稳，达到高压抗燃油系统的水平。

    （5）系统简单、管路短少、不易发生液压激振，可靠性高、应用简便，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。

    2.3 美国REXA执行器工作原理及特点
                  
                       
                                          图1 力驱动执行机构原理图
    下述为REXA公司关于Xpac电液执行器的说明。

    REXA Xpac是一种专用于调整服务的、微处理器控制的、成套式电液执行器和驱动器。以采用流量配对系统（Flow Match System）的电子式液压动力组件为特色，不但实现了REXA执行器独立于负荷变化的精确定位，及在无须运动时油缸的原位锁定，而且是REXA执行器得以真正集电动操作的简易性、液压的动力、固态电子的可靠性和用户配置操作的灵活性于一体，由智能可控电机和独立的、封闭的、无阀液压控制系统组成。采用高度集成化、模块化、小型化设计，所有组件内部集成，一体化结构。智能可控电机接受控制模块的功能指令，控制动力模块，以线性位移大力矩输出驱动被控对象，同时通过自身位移反馈，完成调节过程，实现各种功能控制。

    100%连续调节工作，高可靠性；

    定位精度小于全行程的0.15%；

    重复率小于全行程的0.1%；

    可接受4~20mA标准控制信号，并可选用脉冲和电压模拟信号控制方式，具备数字通讯能力，能方便的与其它控制方式接口；

    智能化设计，可根据现场情况对执行器的输出位移、行程速度、阀门预紧力等进行设定和调整。

    3 自容式电液执行器和Xpac的比较

    （1）两种执行器都有一个共同的优点：自容式设计、节能、环保。

    （2）Xpac没有蓄能机制，电机既是能源提供者又是电液转换器，对于指令信号响应速度慢（全行程相应时间2秒）。如果Xpac要做到响应速度快，要求能够短时间提供很大的功率，那么相应的电机功率将加大很多。但是，如果电机功率加大，相应的绕组电感增大，电感时间随之增大，响应速度仍然快不起来。自容式电液执行器设计，使用了蓄能装置，能在瞬间向液压缸提供快速动作所需的大流量；DDV阀作为控制元件，响应时间仅为20毫秒；蓄能器、DDV阀和液压缸的配合，使自容式电液执行器的快速响应特性得到了保证。

    （3）自容式执行器能够以足够的驱动力（10吨以上）直接驱动汽轮机蒸汽阀门。从而从根本上解决了汽轮机调节系统静态精度和动态响应速度问题，当用作电调改造时，并且摒除了原液压系统众多的干扰因素。

    （4）自容式执行器能够依据现场实际的安装条件和机组特性作结构设计，方便现场安装、调试。柔性制造的方案为广大用户提供了更广阔的选择空间。

    （5）Xpac电液执行器控制电路娇贵，直接安装到汽机旁边环境恶劣，容易损坏，同时因为是国外厂商，维护保养价格昂贵，并且核心技术不被代理商掌握，调试过程中的技术故障难以完全解决。

    （6）自容式油动机直接驱动阀门，灵敏度极高，输出刚度大，稳定性好，具备Xpac的所有优点；Xpac则需配套原低压错油门才能使用，未从根本上解决低压透平油油动机的迟缓率和输出刚度低、滑负荷等实际问题。

    （7）Xpac无自身反馈系统，与电子系统不能构成快速闭环回路，响应慢，速度慢，再通过错油门、油缸作用到汽机阀门上，时间常数更长，不能满足机组快速响应，迅速动作的要求。尤其是当低压油动机不好用时，此种缺点尤为明显。

    4 自容式油动机与低压透平油电液控制系统的比较

    低压透平油电液控制系统，用作电调改造时，需对原机组液压系统结构做详细了解，区别对待。

    对于哈汽型、东汽型、北重型机组，液压系统性能较好，可保留错油门和油动机，只需配DDV阀构成电液油动机，组成低压透平油纯电调，改造工作量较小，改造效果很好。

    对于上汽型机组，液压系统性能也较好，可保留液压放大器、错油门和油动机，只需配DDV阀构成电液放大器，组成低压透平油纯电调，改造工作量小，改造效果较好。

    对于以小机型系统为基础的机组，如青汽型、南汽型等，其特点是采用机械弹簧错油门，液压系统性能较差，需要更换原机械弹簧错油门为液力弹簧错油门，以提高错油门滑阀的灵敏度，和消除油源压力变化造成的寄生反馈。这种低压透平油纯电调，改造工作量较大，改造效果不易保证。若改用自容式，则可免去错油门改造的麻烦，使改造工作量大为减少，并可达到较高的性能。

    对于一些运行年代久远，十分陈旧的机组，或原设计存在问题的非标准机组，原机液压系统已很难利用，最好改用自容式电液油动机。

    上述各种机型，都可采用自容式油动机进行彻底改造，消除原系统存在的各种缺陷。如迟缓率大、控制精度低、输出刚度差，动态响应慢、动作不平稳、寄生振荡等问题。使控制系统的综合性能达到高压抗燃油系统的水平，并可实现标准化和系列化设计。

    5 结论

    （1）对于原液压系统性能较好的中小型机组，进行DEH改造时，宜采用低压透平油电液控制系统。

    （2）对于在大电网并联运行的上述机组，根据用户要求，可采用Xpac电液执行器。

    （3）对于原液压系统性能很差的机组，最好采用自容式电液执行器。

    （4）自容式电液执行器适用于大、中、小型机组DEH改造和新机配套。

    其他作者：罗作桢（1937-），男，广东顺德人，本科，研究员级高级工程师，现就职于杭州和利时装备自动化工程部，主要研究方向为汽轮机DEH控制系统高压、低压系统的控制策略设计、系统方案设计及工程实施。

     摘自《自动化博览》2010年第八期