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汽轮机数字电液控制系统技术的应用现状与发展 |
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| 汽轮机数字电液控制系统技术的应用现状与发展 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:15:46  |
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陈向东
浙江省电力试验研究所 浙江 杭州 310014
0 概述
从20世纪初开始，汽轮机发电机组配备的机械液压式控制系统，一直沿用至今。随着机组容量的增大和蒸汽参数的提高，使汽轮机的结构越趋复杂，电网容量的增大和电网对自动化要求的提高，传统的机械液压式控制系统已难以适应，因此，需要有性能更好，功能更强的新型汽轮机控制系统。
电液控制的汽轮机于20世纪中进入火电厂，在60年代出现了把电子技术和液压技术相结合的模拟电子控制系统，到了70年代出现了数字式电液控制系统（DEH），80年代DEH发展到了较高的阶段，已普遍应用于大型汽轮发电机组上。早期的DEH系统多以小型计算机为核心构成，而随着计算机技术的飞速发展，电子元器件性能和可靠性的极大提高，近期的DEH系统均以微机为基础。
1 国外电调控制系统技术的发展
近10多年来，我国相继从美、日、英、法、瑞士等西方国家引进了数10台与汽轮发电机组配套的电调系统，它们既反映了现代汽轮机组控制的领先水平，又分别展示了不同公司根据实际机组型式和运行要求，以及技术条件设计的不同类型、不同系列的电调系列的特点。其中尤以美国西屋公司、GE公司；日本东芝公司 、三菱公司的产品具有代表性。另外引进有ABB、ALSTHOM、GEC、西门子、日立、ANSALDO等公司的产品。
在我国火电厂中不仅有国际上主要汽轮机厂设计生产的电调系统，而且在部分汽轮机厂生产的电调系统中除了原型系统外，还有改进后的升级系统。总体而言，这些电调系统都将计算机技术应用于DEH之中，都具有系统集散化，功能模块化的特点。同时也体现了这些公司对电调系统的研究和改进情况。如美国MCS公司采用的DEB协调控制是一种先进的设计思路，它随着负荷的改变，自动调整控制器参数，使之适应对象动态特性随负荷的变化，改善了部分负荷下单元机组的特性。由于常用的电液伺服阀性能的限制，通流量有限而影响了阀门关闭速度，使汽轮机甩负荷时上升速度过高。为此在大部分电调系统中，除常规转速控制回路外还增加了一个附加的双位式控制回路。附加转速控制回路通过电磁阀直接泄放阀门油动机的油以加速阀门关闭速度。在西屋型电调系统中这个附加转速控制回路，称为防超速控制器，简称OPC。在甩负荷时，常规转速控制回路送出指令关阀，由于阀门关闭速度不够快而造成转速上升达到103％额定转速时，OPC回路动作 ，开启电磁阀泄油使阀门快速关闭，当转速降到103％时再关闭电磁阀。由于OPC回路是双位调节回路，它的工作是断续的，会使转速产生大幅度摆动，对汽轮机不利。ALSTHOM的电调系统原来也采用类似回路，通过改进后改用电液转换器取代电液伺服阀，提高了泄油量和阀门的关闭速度，使系统能更好地适应甩负荷工况。
国外所有汽轮机控制系统都是作为汽轮机本体的主要部件，由汽轮机厂设计和配套供货，汽轮机性能由汽轮机厂负责。部分汽轮机厂所属企业集团中具有自动化部门时，大多由该部门协作开发汽轮机控制系统，并由自动化部门生产电调系统的电气部分。由于汽轮机这一控制对象有别于一般对象，电调系统的电气部分并不一定与自动化部门生产的常规控制器通用。
现存的不同类别的DEH系统各具不同特点，从完善提高的角度看，它们可根据实际机组的运行要求和条件相互借鉴，这对用软件来实现控制功能的系统是极为方便的。就发展我国的DEH系统而言，掌握和合理运用这些特点，对系统的设计、分析、整定，提高DEH的水平都是十分必要的。
2 我国电调控制系统技术的发展和应用
我国汽轮机电调系统的技术开发工作基本和欧美各国同步，但由于国内生产的电子元气件性能和可靠性当时还较低，再加上电力系统内部传统观念的影响，阻碍了电调控制系统的发展。直到90年代初，在国外成套进口机组多数配备电调控制系统和引进300 MW、600 MW火电机组技术形势下，由原国务院重大技术装备办公室主持，原机械部、水电部配合，上海新华公司成功地开发出与引进型汽轮机配套的电调控制系统，此后 ，电调控制系统才在国内大容量机组上得到广泛的应用。
根据有关统计显示，国内目前在役的300 MW以上汽轮机已达240台左右，其中配备电调控制系统的占70 ％以上，而未配备电调控制系统的汽轮机70％以上是国内早期生产的，其余则大多是从俄罗斯等国进口的机组。近年来老电厂汽轮机技术改造的重要内容是将原来未配电调系统的汽轮机逐步配备电调系统。随着主机技术改造工作的开展，增配纯电调或电液切换系统的汽轮机已超过投产机组总数的1／3，随着老机组改造工作的扩大，这个数字还在不断上升。
目前，我国汽轮机组配套的电调控制系统主要有：电液并存式控制系统、模拟电路构成的电调系统、专用型数字式控制系统和通用型数字式控制系统。
2.1 电液并存式控制系统
汽轮机的电液并存式控制系统，多用于对原机械液压式调节系统进行改造的机组。DEH的控制信号通过电液转换器，变换成液压控制信号，取代液压调节系统中的脉冲油压信号去控制油动机。原液压控制系统可以作为备用，使电调和液调之间能相互无扰动切换，相互跟踪。
在国内配置电液并存式控制系统的机组上，只有一小部分试用过电调系统，部分系统早已处于废弃状态 ，能较长时间投运电调系统的极为少见。造成这一状况的原因，除了由于当时电子元器件性能较差而影响系统可靠外，很重要的一个原因还是受传统习惯的影响。电厂中专业的细分，使汽轮机运行人员对于传统的机械液调系统极为熟悉，而对电气方面则显得陌生，也尽量避免使用，而且即使使用，一旦发现调节系统有不稳定情况出现，为减少风险，大都简单地切除电调而退至液调控制。
在为机组配备电液并存式控制系统时，其指导思想是一方面承认电调系统的控制功能和技术特性优于机械液压调节系统，而另一方面又怀凝其电气系统的可靠性。因此，以液调作为电调的后备。这在当时电子元器件技术水平低，其组成的电气系统可靠性尚不够高的情况下是可以理解的。但随着近十几年电子行业元器件技术的飞速发展，纯电调控制系统已完全能适应汽机运行的要求。
2.2 模拟电液控制系统
模拟电液控制系统（AEH）是随着电子元件可靠性的提高，在50年代中期出现的，它由模拟电路组成。模拟电调系统的调速器部分由电子元件组成而执行部件仍采用液压执行器。电调的电子部分很容易实现信号的综合处理，控制精度高，能适合各种不同运行工况的要求，而且操作、调整和修改都比较方便；电调的液压部分输出推动力大，响应速度快。
这类系统在我国应用的有美国GE公司的MARK－V型，用于南通、上安电厂的350 MW机组；法国ALSTHOM公司生产的REC－70型，用于姚孟电厂的300 MW机组和元宝山电厂的600 MW机组；意大利ANSALDO公司的ESACON型，用于大港、利港电厂的350 MW机组。
2.3 专用型数字式控制系统
专用型数字式控制系统在我国应用的有美国西屋公司的DEH－Ⅱ型，用于石横电厂的300机组和平圩电厂的600 MW机组；法国ALSTHOM公司生产的MICRO－REC型，用于江油、达旗、台州、珞璜电厂的330、360 MW机组，北仑的600 MW机组及沙角C的660 MW机组；英国GEC公司的MI－CRO－GOVERNOR型，用于岳阳电厂的360 M W机组；新华控制工程公司的DEH－Ⅲ，用于汉江、铁岭、双辽等电厂的引进型300 MW机组。
专用型数字式控制系统，由于专用化程度高，电厂运行人员和维护人员对系统的了解较差。且目前专用型数字式控制系统的功能大都未全面发挥，其中特别是美国西屋公司的DEH－Ⅱ型，仅限于转速控制、负荷控制和超速保护等基本功能。故其使用情况不如通用型数字式控制系统，许多专用型数字式控制系统生产厂家已改用通用型，如上海新华控制工程公司生产的DEH－Ⅲ型已不再生产，而改进为通用型的DEH－ⅢA。
2.4 通用型数字式控制系统
通用型数字式控制系统在我国的应用有日本三菱公司生产的MIDAS－8000系统，用于福州、大连电厂的350 MW机组；瑞士ABB公司生产的Pro－control－P系统，用于石洞口二电厂的600 MW机组；日本东芝公司的TOSMAP系统，用于北仑的600 MW机组和沙角B电厂的350 MW机组；美国西屋公司的WDPF，用于吴泾、外高桥 、沙角A的引进型300 MW机组；美国ETSI公司用INFI－90组成的电调，用于妈湾电厂的引进型300 MW机组；日本日立公司的HIACS－3000系统，用于首阳山电厂300 MW机组。上海新华控制工程公司生产的DEH－ⅢA系统 ，用于荆门、扬二、镇海等电厂的200 MW。
通用型数字式控制系统采用分散型控制系统（DCS）组成，工程师站和操作员站采用WINDOWS为平台；控制软件采用组态方式，通讯方式由原来普遍采用的串行通讯改进为以太网通讯。其发展的主要特点是软件和硬件都广泛采用标准化产品。
从以上四种电调系统的总体使用情况来看，模拟式电调和通用型数字式控制系统的使用情况最好，绝大部分功能都能投入运行。而做到这一点的主要原因是模拟式电调电路结构直观；通用型数字式电调的软件透明、直观，硬件通用性强，使运行人员及维护人员对系统的结构能较深入的了解，以便于熟练地查找问题、解决问题。
电液并存式控制系统是一种机械液压式到电调系统的过渡产品，主要用于对老机组的自动化改造，新建电厂现已很少采用。而随着技术的不断发展，尤其是电子计算机技术的日新月异，模拟电路组成的电调系统现已不再生产，故通用型数字式控制系统具有相当广泛的应用前景。
机械液压式控制系统是汽轮机本体的一个部分，传统上一直把汽轮机控制系统作为汽轮机本体的附件，由汽轮机厂负责。但在采用电调系统后，我国目前已发展到由电调系统制造厂专业生产。汽轮机厂对于电调系统只能负配套供货责任，难以承担技术上的责任，电调系统的调试和故障处理只能由电调系统的制造厂负责。但电调装置的功能应根据汽轮机运行手册确定，汽轮机与电调系统的接口部件应由汽轮机厂提供，而电调系统的工作情况的好坏在很大程度上又取决于汽轮机机械部份的配合情况。如因阀门和执行器连接不好会造成阀门动作不灵；由于与汽轮机的特性不协调，电调系统的部分功能就无法发挥，如负荷变化率、应力计算、中压缸启动及汽门快控等问题。电调系统的功能应根据主、辅机特性决定，才能真正体现二次（自动化 ）为一次（主、辅机）服务的原则。
从配备电调系统的汽轮机运行情况可看出：在已投运的电调系统中，运行时间最长的已达到15年，运行情况均良好。虽然少数系统也曾因局部故障造成汽轮机停运，但一般能较快恢复运行。纯电调系统已克服机械液压式控制系统存在的缺点，控制系统功能有很大的扩展外，还提高了调节系统调节精度，并能接受机组协调控制系统指挥，为投入自动发电控制（AGC），满足电网调度自动提供基础，其工作可靠性已完全能满足大容量机组连续运行要求，对于保证大机组安全、经济运行发挥了应有的作用。
3 电调控制系统在浙江省的应用
浙江省电力系统在役的机组中，300 MW及以上容量的机组已逐渐成为主力机组，这些机组都配置了DEH控制系统。而125 MW及200 MW机组也正开始进行DEH改造，提高了机组的自动化程度，减轻了电厂运行人员的工作强度，也提升了整个电网的可靠性和安全性，具体使用情况见表1。
其中法国ALSTHOM公司生产的MICRO－REC型DEH，在北仑电厂2号机组和台州电厂7、8号机组运行中，均发生过一系列故障。
北仑电厂2号机组曾发生4次由于DEH系统故障而引起的机组跳闸。这4次由DEH故障引起的调门误动，前2次是由卡件故障所引起的：第一次，从GRE机柜维修屏中得到报警信息，确认系GRE机柜中上位机的主控卡SBC386／133卡件故障，引起RBP阀位卡至电液转换器信号错误，从而导致调门关闭；第二次是由于IES卡烧坏，致使DEH系统内部通讯故障，引起调门关闭。这2次故障主要是由于DEH控制柜的通风、散热性能不良，导致卡件温度太高引起的。对此，电厂重新对各控制柜的通风情况进行了处理，增加了风扇，改变了风道，使各机柜的通风、散热性能得到很大改善，杜绝了卡件因温度过高而发生故障的现象。另外2次故障则是在DEH上位机复位后产生的，正常情况下上位机复位不会引起卡件故障，但在更换EPROM或作其它一些操作的同时，对上位机进行复位，就会引起调门在1 s或2 s内快关。对逻辑图进行检查后分析，调门快关动作的可能性较大，进一步检查DEH系统软件，发现每次上位机复位后，都有快关信号输出，导致调门快关，通过做模拟试验，也得到证实。于是对控制软件作了修改，使上位机复位后不再有调门快关动作出现。
该DEH在运行功能上也有不足。1997年7月30日，机组负荷470 MW，当机组从“LOADGOV－ERNINGIN”方式切换到协调方式（CCS MODE）后，汽机突然跳闸。从DEH维修屏得到的跳闸信息为“THRUSTBEARING OVER STRESSPROTEC－TION”（推力轴承应力超限保护）。进一步检查表明：机组从负荷调节方式切到“CCSMODE ”后，机组在CCS方式运行时出现问题，导致此时受CCS信号控制的高、中压调门突然关闭，由于各调门相应的电液转换器得到的信号不一致，调门的关闭速度也不一样，造成汽机推力轴承应力超限而跳闸。如果在CC S出现故障时DEH有HOLD（保持）功能，那么各调门就不会随CCS信号的影响而误动作。
另外，机组在正常运行时，曾出现过DEH上位机和下位机的通讯故障，通过检查分析，确认是系统接地不合规范要求所致。随即将通讯电缆的屏蔽层良好接地，此后就再未出现过此类问题。
同型的DEH系统用在台州电厂，其7号机在投产到1997年底，也发生了多起故障，检查发现机务和仪控硬件均正常，后法方专家更换了多块EPROM，并修改了软件，才消除了故障。
用于嘉兴电厂1、2号汽轮机组原为新华控制工程公司生产的DEH－Ⅲ型，在投运初期曾多次死机。此型DEH为专用型数字电液控制系统，开放性差，后改造升级为通用型的DEH－ⅢA，运行情况良好。
上述控制系统的运行，总体情况较好，但尚存不足之处，尤其是对系统内部可能存在的影响机组安全稳定的因素，需相关技术人员作进一步的研究和完善。
4 结论和建议
从实际使用情况看，各种类型的电调控制系统都能满足大容量汽轮机安全运行的要求，采用分散控制系统也越来越普遍。尽管电调系统的硬件已由模拟电路发展为数字电路，直至分散控制系统，然而电调系统控制功能的发挥仍不够理想。不仅原设计功能未全部实现，还有相当大的潜力可开辟更多、更高级的功能。
造成这种情况的主要原因是对汽轮机运行方式研究不够，只有汽轮机运行方式进行更深入细致的研究，才能使电调控制系统更加完善，更好地满足汽轮机安全经济运行的要求。
汽轮机控制系统与汽轮机本体关系极为密切，因此汽轮机控制系统应由汽轮机厂负责设计，并与主机配套供货。而电调系统的工作可靠性已为长期运行所证明，因此对电调系统所有功能均应投入使用。对于老机组的改造工程，其电调系统液压部套的工作介质既可使用高压抗燃油，也可使用低压透平油。对进口电调系统应进行深入消化吸收，掌握其特征，为开发我国电调系统提供参考。
参考文献
[1] 华中工学院．汽轮机原理［M］．北京：电力工业出版社，1983．
[2] 张栾英，古俊杰．汽轮机数字电液控制与保护［C］．北京：华北电力学院，1994．
[3] 陈向东，彭楚峰．汽轮机调节保安系统监测［C］．上海：华东电力集团公司，1998．
[4] 李子连，饶纪杭．火电厂分散控制系统及汽轮机数字电液控制系统应用情况与意见［J］．中国电力，1996，（6）：
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