汽輪機電液伺服系統仿真研究

方 明

（核動力運行研究所，湖北武漢 430223）

0 引言

工業汽輪機是電廠的核心設備，具有溫度高、壓力高、轉動速度高等特征，其控制系統具有調整負荷、各種運行工況控制、升速、降速等功能，是機組安全穩定運行必不可少的保障。為了保證汽輪機穩定可靠地運行，汽輪機調節系統必須具有性能完美、動作精準正常等特征。調節系統的主要功能是跟隨機組負荷（電功率、熱負荷）變化的要求，調節機組轉速、主蒸汽壓力等參數；當機組運行參數超過限值或外界因素引起擾動時，汽輪機調節系統可以主動采取緊急保安措施，避免汽輪機發生事故，保障機組安全運行。對于不同使用功能的汽輪機，要求調節系統類型有各自的特點，如凝汽式調節系統、背壓式調節系統、抽汽式調節系統、中間再熱式等。汽輪機電液調節系統升級改造主要經歷了以下4 個過程。

（1）機械液壓式控制系統：機械液壓調節系統工作原理是通過杠桿、曲柄放大信號，利用液壓流量控制閥放大功率。

（2）電氣液壓調節系統：電氣液壓控制系統核心元件包括2 個控制器，實現信號運算和傳輸，控制精度等級高，穩定性強，操作、維護簡便，不受復雜的運行環境影響。

（3）模擬式電氣液壓調節系統：伴隨電氣元器件升級換代，汽輪機電液控制系統開始用純電調系統代替機械液壓控制系統，純電調控制系統由模擬電路構成。

（4）數字式電氣液壓控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）：伴隨著數字計算機技術的提高和在工業控制領域的推廣應用，汽輪機電液控制系統開始出現數字式電氣液壓控制系統，簡化為數字電調。

最近以來汽輪機DEH 慢慢以分散控制系統DEH 控制系統為主，應用在各個領域，運行穩定可靠，靈活方便，并且獲得了良好的經濟效益。

1 工業汽輪機調節控制系統

該控制系統由調速系統和保安系統兩個部分組成（圖1）。鍋爐過熱器出來的主蒸汽通過主汽門、調節閥進入汽輪機做功，汽輪機做功功率受蒸汽流量大小的影響，而進入汽輪機蒸汽量的大小取決于調節汽閥的開度。DEH 控制系統的任務通過電液伺服閥輸出指令，調節調節汽閥的開度。具體的工作原理如下：轉速傳感器將測量轉速信號傳輸到DEH 控制系統，經過DEH 邏輯PID 運算后，轉換為電流信號值，并將其放大，輸出指令給電液伺服閥，通過電液伺服閥輸出油壓信號給調節閥油動機，油動機通過位移傳感器將位移信號值與DEH 模擬量卡件輸出信號比較，兩者間差值調節電液伺服閥油壓信號的輸出。

為確保機組的安全穩定運行，主蒸汽先經過主汽閥，然后再通過調節閥。在機組正常運行時，主汽閥油動機的活塞處于上頂部對應著主汽門全開位置；機組發生事故時，主汽門油動機活塞處于下底部對應著主汽門全關位置。主汽門油動機動作原理過程：手動遮斷閥或電磁遮斷閥動作，主汽門油動機下腔排油口接通，活塞通過彈簧力快速下移關閉主汽門，切斷主蒸汽，汽輪機緊急停機保證了設備安全。同時，因為主汽門油動機下腔壓力突然變小，壓力繼電器動作，電液伺服閥位于中間位置，二位二通閥接通，安全油流入調節閥油動機下腔，其上腔內部安全油流過二位二通閥進入油箱，調節閥油動機活塞立即向上運動，從而調節汽閥立即關閉。

圖1 工業汽輪機控制方案構成

為了保證安全油系統可靠運行，主油泵出現故障或機組突發停機時，潤滑油泵可以做為備用泵，在機組啟動或事故停機時啟用。

2 電液伺服系統的設計

2.1 電液伺服閥的選型

在汽輪機電液控制系統中，電氣設備和液壓設備之間需要一座橋梁連接，電液伺服閥就是兩者之間的連接橋梁，電信號可以通過電液伺服閥轉換為液壓信號。DEH 控制系統中，通常選擇MOOG G631 做為電液伺服閥，供油壓力為7 MPa，供油流量可達75 L/min，并聯接線方式實現工作，單個線圈阻值28 Ω，額定電流為100 mA。

2.2 電液伺服閥放大器的選型

通常選擇SA4200 型伺服放大器做為電液伺服閥配套的放大器，它能夠克服各種復雜的工況，可適應抗油污、抗干擾、抗高溫等特殊環境。該放大器散熱性好、高度集成性、輸出電流大，而且不受引線電阻和負載變化的干擾，可以安全實現短路保護功能。

2.3 控制系統的設計

根據汽輪機電液控制系統應具有的功能，設計DEH 控制系統由3 部分構成，分別是轉速控制、TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機安全監視系統）保護、運行各參數監測（圖2）。

（1）工業汽輪機DEH 控制系統TSI 保護部分。當機組運行參數引起汽輪機保護控制系統動作時，數字輸出模塊發送指令給電磁閥，電磁閥失電引起主汽門油動機下腔迅速排油，從而切斷主蒸汽，引起汽輪機停機。

（2）汽輪機運行參數監測部分。通過就地監測儀表，如轉速傳感器、壓力變送器、熱電阻或熱電偶、位移傳感器等，將采集的信號傳輸給模擬量輸入卡件。所有信號經過計算機運算后，實現對汽輪機電液控制系統運行參數的監測和管理。

（3） 工業汽輪機控制系統的轉速控制部分。DEH 控制系統畫面人工輸入轉速設定值，模擬量輸入卡件根據轉速傳感器實際測量的轉速與轉速設定值比較，經過DEH 控制系統PID 運算，電流差值通過模擬量輸出模塊發送到電液伺服閥，經過放大器后控制調節閥油動機開度。

3 電液伺服控制系統建模仿真分析

（1）伺服放大器。伺服放大器可以當作PID 控制回路中的比例環節，K=，并且能夠通過調節伺服放大器增益改變比例參數K。

（2）電液伺服閥。通常電液伺服閥根據實際情況，符合二階振蕩環節形式的傳遞函數，高階微量忽略后，油動機傳遞函數可以簡化為一階慣性環節：。其中，T1表示油動機活塞在最大油流量時，活塞移動完所有行程需要的時間。

圖2 DEH 控制系統

（3）蒸汽容積方程。汽輪機的進汽室及內部汽輪機室均有很大空間，可以貯存大量蒸汽。所以調節閥開度改變后，汽輪機室蒸汽參數不能立即改變，存在一定的滯后特性，其動態特性傳遞函數為W（s）=。其中，T2為汽輪機室時間常數，通常設定為0.2 s。

（4）汽輪機運動方程。工業汽輪機一般為單機運行，其傳遞函數簡化為W（s）=。其中，T3為汽輪機轉子時間常數，設定值為3 s。

結合以上，汽輪機電液伺服控制系統如圖3 所示。

圖3 控制系統仿真結構

4 結束語

根據工業汽輪機電液伺服控制系統的要求和特征，確定了整體的控制方案和對應設備的傳遞函數，分別對伺服放大器、電液伺服閥、汽輪機室和汽輪機轉子建立數學模型，仿真結果表明具有良好動態特性。