1、第1章 數字電液控制系統1.1 概述汽輪機的啟動運行及安全保護是通過汽輪機控制系統實現的，作為汽輪機的腦袋，控制系統是汽輪機不可分割的一部分。汽輪機的控制系統是從單純的調節系統發展起來的，早期的液壓調節系統，由主油泵提供整個系統的動力油和控制油，與潤滑油系統共用一個供油系統，啟動是靠人工操縱主汽門來控制汽輪機轉速。在升速過程中，整個控制過程處于開環運行狀態，由人工監視控制。當轉速達到一定轉速時，旋轉阻尼感受到轉速信號，產生一次油壓反饋信號，再通過放大器放大為二次油壓，控制油動機驅動進汽調節閥進一步提升轉速，以達到同步、并網、帶負荷，從而完成整個汽輪機的控制過程。由于控制信號和反饋信號都是由機械

2、或液壓部件產生，在信號的產生和執行過程中，這些部件難免存在著摩擦遲緩，以至準確性差，遲緩率大，造成控制精度不高，不可避免地影響汽輪機控制性能。同時缺少合適的控制接口，很難使機組滿足整個系統的協調控制要求，阻礙了控制系統自動化程度的進一步提高。為了使汽輪機能更準確、更協調、更安全、更可靠地實現控制，使電廠用戶能更方便、更靈活地使用和維護，同時為提高整臺機組的控制水平，與世界接軌，增強產品的競爭力，汽輪機控制系統的發展也應與世俱進。隨著科學技術的發展，國內汽輪機控制系統經過電子管、晶體管、模擬電路幾個階段的發展，通過二代人的努力，已具備實現數字控制的能力。80年代初，引進國外先進技術，通過不斷地消

3、化和實踐，使我們的設計技術和生產制造能力有了質的飛躍。以引進技術為借鑒，一種以數字技術為基礎的電液控制系統控制汽輪機的愿望得以實現。數字式電液控制系統，簡稱DEH，它將現場的信號轉化成數字信號，代替原有機械液壓信號。通過計算機的運算，控制汽輪機的運行，使運行人員可以通過DEH來完成對汽輪機的控制和監視。1.2 調節保安系統調節保安系統由調節系統和保安系統組成。調節系統是汽輪機控制的主要環節，全面控制汽輪機的啟停、升速、帶負荷及電廠的協調控制，采集各種汽輪機的運行信息，顯示汽輪機的運行狀態；保安系統是汽輪機保護的重要部分，它全方位監視汽輪機的各個危害安全運行的參數，保護汽輪機安全可靠的運行。每個

4、系統都是由電氣部分和液壓部分組成。1.2.1 調節系統1.2.1.1 電氣部分數字式電液控制系統（DEH）是電氣部分中最主要組成部分，也是整個調節系統中的大腦，它把所有汽輪機的運行參數都收集起來，經過邏輯判斷、數據計算處理，最后發出控制指令。DEH主要由操作站、工程師站、控制處理器、I/O輸入輸出模件、閥位驅動卡、電源組件、通訊接口等電子硬件組成。（圖1-1、DEH硬件配置圖），由于電子產品生產廠家較多，使得DEH的硬件類型也較多，目前，已投入使用的DEH有西屋公司的WDPF II、FOXBORO公司的I/AS，MOORE公司的APACS、ABB公司的INFI90、WOODWARD公司505等

5、電子產品。1.2.1.1.1 電調控制系統（DEH）簡述DEH通過現場一次儀表的數據采集，如磁阻發送器采集汽輪機轉速，壓力開關采集壓力信號、行程發送器采集油動機的升程，熱電阻、熱電偶采集溫度等，把大量的汽輪機信息傳輸到計算機的微處理器。應用比例積分閉環控制，對調門開度進行調節，使汽輪機的轉速和負荷根據要求進行可靠準確地控制。運行人員可以通過DEH的顯示器控制和監視汽輪機的運行。DEH系統的硬件可分為：分散型處理單元（DPU）即“控制處理器”和操作員/工程師站。每個DPU可以獨立于高速公路。隨機存儲器內含DPU的應用軟件，DPU中的應用軟件是以控制算法的形式編制，類似于功能框圖，且安全透明，這種

6、程序使控制工程師能夠很方便地修改程序以滿足不同的要求。操作員站作為操作員和系統之間的主要接口，通過標準鍵盤和鼠標器來控制，并能在CRT上獲得運行數據和信息，在系統出現報警時可把報警數據和信息打印記錄下來。操作員/工程師站用來裝載各種支持系統的數據庫文件以及高速公路上各站的圖表。電廠工作人員可以獲得所用應用程序操作控制汽輪機，并拷貝在軟、硬盤上存儲起來，必要時可按需要對程序修改或刪除，同樣用戶圖形也可以修改、刪除或按需建立新圖。我公司可根據不同類型的硬件和系統軟件，開發設計適用于汽輪機控制的應用軟件。1.2.1.1.2 DEH控制系統原理DEH控制系統主要由汽輪機狀態控制回路、轉速控制回路、功率

7、控制回路、主汽壓限制回路、抽汽控制回路（僅抽汽機組有）等組成。1.2.1.1.2.1 汽輪機狀態控制回路汽輪機狀態控制回路是對汽輪機狀態進行控制和監測，完成汽輪機沖轉前準備工作及機組停機的操作。同時監視汽輪機的各種運行參數。1.2.1.1.2.2 轉速控制回路運行人員通過運行人員站的操作鍵盤和顯示器（CRT）設定目標轉速進行沖轉、升速。轉速控制回路由磁阻發送器探測汽輪機轉速信號，并反饋到DEH，經PID無差調節控制汽輪機的轉速。當機組達到臨界轉速區域時，DEH使機組快速通過，并拒絕一切停留信號；轉速升到同期轉速區域時，可接受電氣同期信號，完成機組的并網帶負荷。1.2.1.1.2.3 功率控制回

8、路機組并網后，自動帶3-5%額定功率的初負荷，以防止逆功率運行，運行人員通過操作鍵盤和CRT設定目標值，由功率變送器反饋實際功率，經功率控制回路中的PID調節控制汽輪機的負荷，直至滿負荷，也可接受CCS信號控制汽輪機的負荷，實現機爐協調控制。1.2.1.1.2.4 主汽壓限制回路（選擇功能）機組并網后，由于外部原因引起主蒸汽壓力下降，一旦主蒸汽壓力低于限制值時，DEH控制系統可切換到主汽壓限制回路，維持最低主蒸汽壓力。1.2.1.1.2.5 抽汽控制回路（抽汽機組有此功能）在機組帶一定的電負荷后，可投入抽汽壓力控制回路，進行抽汽工況運行，根據壓力變送器的反饋信號及負荷控制信號自動完成抽汽壓力控

9、制，或接受電廠協調控制系統的指令，協調控制熱負荷。機組帶了熱負荷后，此時電負荷的變化，除了控制高壓調節汽閥外，還控制抽汽調節閥，兩者的關系根據熱力計算獲得，使電負荷的變化對熱負荷變化影響減少到最小。同樣，當熱負荷變化時，除了控制抽汽調節閥外，還控制高壓調節閥，兩者關系根據熱力計算獲得，使熱負荷變化對電負荷的影響減少到最小。1.2.1.1.3 DEH的功能汽輪機DEH調節系統可由運行人員通過操作員站的鍵盤和CRT在各操作畫面上控制汽輪機的沖轉、升速、并網、帶負荷、DEH，至少具有以下功能：1.2.1.1.3.1 DEH的功能汽輪機DEH調節系統可由操作員站通過CRT各畫面控制汽輪機沖轉、升速、并

10、網、帶負荷，具有兩種互為跟蹤的運行方式，即自動和手動相互無擾動切換的兩種運行方式。數字電液調節裝置至少具有以下功能。1.2.1.1.3.2 汽機狀態控制運行人員通過DEH操作畫面發出指令信號，對汽輪機沖轉前的狀態進行操作和監視，控制復位電磁閥，進行遙控復置汽輪機，建立安全油，同時檢測汽輪機沖轉前各重要參數。1.2.1.1.3.3 轉速控制完成從盤車轉速到同期轉速或超速試驗轉速的全程閉環控制。在升速過程中，汽機轉速按預先給定的目標轉速的升速率由盤車轉速升至同步轉速。具有大范圍的轉速控制功能。1.2.1.1.3.4 啟動升速按運行人員選定的啟動方式可以依次改變目標轉速及升速率，還可以選定預定的升速

11、曲線，只需操作一次就可完成由盤車轉速開始沖轉，低速暖機，快速通過臨界轉速區，中速暖機，3000rpm定速。1.2.1.1.3.5 同期機組在3000rpm定速后，由運行人員通過DEH操作畫面切換到自動同步控制，接受電氣“自動準同期”裝置增/減信號，控制汽輪機的轉速，完成機組并網帶負荷。1.2.1.1.3.6 超速試驗超速試驗是在DEH控制下，設定目標轉速，控制汽輪機的轉速，進行電超速保護試驗和機械保護試驗。1.2.1.1.3.7 超速保護功能DEH具有OPC超速保護控制功能。當轉速達到103%額定轉速時，OPC動作，快速關閉所有調門，防止汽輪機超速，DEH系統在轉速降低后，再自動將調門重新開啟

12、，維持汽輪機在同步轉速下空轉，然后重新并網。當轉速超過停機值（110%額定轉速）時，發出跳機信號，迅速關閉所有主汽門和調門。1.2.1.1.3.8 全自動起動控制（ATC）根據汽輪機的有關溫度狀態，按汽輪機的冷、熱態情況，實現ATC控制，使汽輪機按預定的啟動程序自動完成由盤車轉速到同期轉速的控制。或根據轉子熱應力計算，確定目標轉速和升速率，完成汽輪機的啟動控制。1.2.1.1.3.9 負荷控制DEH實現機組3000r/min定速，同期并網后，可預先設定機組的目標負荷及升負荷率進行控制，對機組的負荷進行閉環控制。1.2.1.1.3.10 自動帶初負荷及負荷限制機組并網后，DEH自動帶初負荷以防止

13、逆功率運行，并且有負荷限制功能，在電網要求升高或降低負荷時，DEH負荷控制能夠打開或關閉調節汽閥，并有功率限制，防止發電機超負荷。1.2.1.1.3.11 自動調節電負荷 DEH按運行人員給定的目標值及負荷變化率自動調節機組的電負荷，直到滿負荷。并可隨時調節機組的負荷，以滿足電網的負荷要求，提高機組的調峰性能。1.2.1.1.3.12 一次調頻功能接受網控頻差信號，調節汽輪機的負荷，參與一次調頻。1.2.1.1.3.13 遙控DEH負荷控制可在遙控方式下，接受CCS 的4-20mA指令信號，控制汽輪機負荷，實現機爐協調控制。1.2.1.1.3.14 閥門管理（高壓抗燃油系統） 在啟動階段，以單

14、閥方式運行，也即四個調節汽閥同步開啟，二個再熱調節汽閥同步開啟，這樣可以使轉子、汽缸受熱均勻，便于均勻熱漲。在帶了一定的負荷后，可以切換到順序閥運行，這樣，根據負荷大小可以使四個調節汽閥中的二個或三個全開，只有一個在節流，因此減少了閥門的節流損失，提高效率，同時全開的閥門受到汽流的沖擊也減少，提高了閥門的壽命。1.2.1.1.3.15 閥門試驗為確保機組安全運行，監測各執行機構和閥門的靈活性，防止卡澀現象發生，運行人員可定期進行各進汽閥門的在線活動試驗。1.2.1.1.3.16 手動/自動控制DEH控制系統設計有手動和自動兩種控制方式，汽輪機運行以自動控制方式為主，手動控制方式作為備用，手、自

15、動控制方式之間互為跟蹤。一旦自動控制方式出現故障，如：冗余DPU或轉速通道有二路以上等發生故障，DEH自動無擾地切換到手動控制方式，由運行人員手動直接控制調門，自動控制恢復正常后，可無擾地從手動控制切換回自動控制。1.2.1.1.3.17 數據顯示及報警打印根據需要顯示汽輪機的運行參數，及時反映汽機運行狀態。一旦出現報警信號，可以通過打印機記錄事故狀況。1.2.1.1.3.18 模擬仿真 根據機組的運行特征，模擬汽輪機的轉速、功率，使電調控制系統形成閉環控制，對控制系統的控制原理、邏輯、組態、畫面操作進行靜態試驗，檢查整個控制系統的完整性，同時實現電液與液壓系統的靜態聯調。1.2.1.1.4

16、DEH的硬件配置DEH系統由操作員/工程師站、控制處理器（DPU）、I/O卡、電源、功放卡、系統通訊接口等組成，通過網絡聯為一體。1.2.1.1.4.1 操作員/工程師站操作員/工程師站可使運行人員通過鍵盤或鼠標、CRT操作完成對汽輪機的控制和監視，操作簡便、易于掌握。作為操作員/工程師站可利用已經組態好的圖形軟件，對汽輪機進行控制和監視操作，修改應用軟件，也可完成系統組態、網絡應用軟件下載、系統初始化、系統狀態監視、在線修改等功能。如電調控制系統采用的硬件與DCS控制系統的硬件相同，操作員/工程師站可與DCS共享。操作員/工程師站的配置：20” CRT1臺主機（Pentium 166MHz，

17、16M RAM，1.0GHD1.44MFD, Mouse, 標準鍵盤）1套網絡接口卡1套打印機1臺1.2.1.1.4.2 控制處理機（DPU）控制處理機（DPU）為冗余配置，兩臺DPU互為備用，是整個控制系統的中心。處理器為80846，具有處理速度快，能夠快速響應各種事件，準確地完成PID運算、網絡通訊、位總線（BITBUS）通訊、邏輯運算、數據處理等功能。它具有兩種存貯器。一種是失電后能永久保存數據的存貯器，但其寫入數據的時間較長，故它主要存貯DPU運行程序和相關的不變的數據。另一種裝有后備電池的靜態存貯器，主要存放組態信息和動態數據等。1.2.1.1.4.3 I/O卡 模擬量輸入/輸出卡

18、熱電偶/熱電阻輸入卡 開關量輸入輸出卡 功放卡/伺服卡1.2.1.1.4.4 電源1.2.1.1.4.5 系統通訊接口1.2.1.1.5 DEH控制系統的指標性能DEH控制系統指標性能l 速度控制范圍03400r/minl 負荷控制范圍0115%l 轉速不等率36%可調l 系統遲緩率：調速系統<0.06%l 轉速控制精度：±1r/minl 負荷控制精度：±1MWl 轉速保護回路時間20ms，轉速控制回路時間50ms，DEH裝置運行環境050，裝置安裝在機房內。1.2.1.2 液壓部分液壓部分是汽輪機控制的執行機構，它主要由電液轉換器（或MOOG閥）和油動機組成。根據機

19、組容量的大小，液壓動力油采用不同的形式。小機組動力油一般采用與潤滑油相同的油源，低壓透平油，減少不必要的輔助設備，大機組一般125MW以上機組，采用高壓抗燃油。1.2.1.2.1 電液轉換器電液轉換器是把電氣信號轉化液壓信號的重要部件。它接受DEH發出的控制信號，通過信號轉換，輸出控制油壓。1.2.1.2.2 EH供油系統（僅高壓抗燃油系統）EH供油系統（見圖2-1 EH供油系統原理圖）向高壓抗燃油油動機提供動力油源，供油壓力為14MPa，工作油液為三芳基磷酸脂（俗稱抗燃油），為保證供油的可靠性，供油系統采用雙通道，互為備用，有各自獨立的油泵、電動機、濾器組件、流量計等，工作泵與備用泵之間設有

20、電氣及油壓聯鎖。EH供油系統是組合式結構，由油箱、油泵、過濾器、蓄能器、冷油器、再生裝置、不銹鋼油管路、各種閥門及端子箱等基本部件以及用來監控供油系統運行工況的就地儀表，控制設備組成。考慮到保證高壓抗燃油的油質潔凈，油箱采用不銹鋼材質（見圖2-5 EH油箱）。油再生裝置是一種用來儲存吸附劑和使油得到再生（保持中性，去除水份等）的裝置，一般由精密過濾器（波紋纖維過濾器）和硅藻土過濾器串聯構成。在EH油系統中提供蓄能器作為緩沖裝置，以改善執行機構的動態特性，并在供油泵發生故障時提供緊急操作所需壓力油。1.2.1.2.3 油動機油動機是根據控制油壓的變化，不斷改變行程，達到控制調節門的開度，使汽輪機

21、按照DEH的指令運行（見圖2-4 油動機原理圖）。根據油動機所控制的進汽門的功能，決定所配的油動機的形式，即調節型和開關型兩種，調節型油動機能將汽閥控制在任意位置上，成比例地調節進汽量以適應負荷需要，開關型油動機只能將汽閥控制在全開或全關位置（見圖2-11，2-14，2-15，2-16油動機）。1.2.2 保安系統保安系統由監測儀表（TSI）和危急遮斷系統（ETS）兩部分組成。1.2.2.1 電氣部分1.2.2.1.1 監測儀表（TSI）汽輪機監測儀表（TSI）是一種可靠的多通道監測儀表，能連續不斷地測量汽輪機發電機組轉子和汽缸的機械運行參數，顯示機器的運行狀況，提供輸出信號給記錄儀，并在超過設定的運行極限時發出報警。另外，還能使汽機自動停機以及提供可用于故障診斷的測量。汽輪機監測儀表（TSI）監測的主要內容有：汽輪發電機組所有軸承的振動、轉子推力盤相對于推力軸承支承面的相對軸向位移（軸位移）、轉子相對于靜止部件的相對膨脹（差脹），用于嚙合盤車齒輪的零轉速指示、偏心等。TSI由探頭、預制電纜、前置器和數據處理模塊組成，主要生產廠家有美國本特利公司，荷蘭飛利浦公司、日本新川公司、美國恩坦克公司及國產儀表。1.2.2.1.2 危急遮斷控制系統（ETS）危急遮斷控制系統（ETS）是保護汽輪機正常運行的保護設備，它選用可靠的硬件設備，根據汽輪機運行規范設計其控制原理。一旦發生