淺談汽輪機數字電液調節系統

葉祺

摘??要：汽輪機數字電液調節系統是以數字計算機為基礎的調速系統，采用汽輪機數字電液調節系統可有效提高高、中壓閥門的精確控制能力，保障汽輪機發電機組的安全高效運行，避免造成電力癱瘓、人員傷亡等惡性事件。本文從工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式幾個方面對數字式電液調節系統進行全面的介紹和總結，為其在實際工程上的應用和后續的理論研究提供借鑒和參考。

關鍵詞：汽輪機;數字式電液;調節系統

汽輪機由高溫、高壓的蒸汽帶動運轉，蒸汽在其中的能量轉換涉及內能轉換機械能，讓汽輪機能夠高速旋轉，提供能量輸出帶動同步發電機產生電能。在汽輪機的旋轉過程中，相對于汽輪機由蒸汽能量轉換的驅動力矩而言，汽輪機轉子自身慣性較小。如果在機組運行過程中，所帶電負荷突然降至低谷甚至到零，若沒有及時的反饋調節機制，汽輪機巨大的驅動力矩將作用在其轉子上，失去負荷需要滿足即沒有發電機組需要帶動轉子轉速將飛速上升。此時如果不迅速、及時地將汽輪機的輸入蒸汽供給切除，轉子的轉速將超過其設計值的安全極限，從而可能會導致機組故障甚至釀成涉及電力系統癱瘓、人身安全等惡性事故。為了使汽輪機在各種工況下都能處理一系列突發狀況，使整臺機組和電力系統的安全、高效運行，需要配置一種能夠根據設定轉速和實際轉速的偏差，迅速、正確地調整汽輪機的進氣量，從而改變機組的輸出功率，滿足電負荷的變化要求的控制調節系統。汽輪機這種通過調節蒸汽量和焓降從而調節機組轉子的實際轉速的調節系統通常也被稱為汽輪機調速系統，其任務是及時調節汽輪機功率以供應用戶足夠的電力、控制汽輪機的轉速保持在額定范圍內[1]。本文主要總結數字電液調節系統的工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式，通過理論知識結合實踐經驗，為數字電液系統的后續研究提供借鑒和參考。

1 DEH控制系統工作原理

汽輪發電機組應用DEH控制調節系統主要是控制汽輪發電機組輸出功率，滿足負荷變化或電力系統的突發狀況，如機組還兼有供熱任務，DEH系統還將根據負荷變化和工況需求控制汽輪機抽汽或背壓處供熱蒸汽的壓力或流量。[1]從控制學的角度來看，DEH系統被歸類于串聯的比例積分（PI）控制調節系統，計算機根據傳感器反饋信號完成系統中所需的相關控制操作與調節計算，再向相應執行元件發送指令。從電路系統的角度來看，DEH系統內的基本回路擔任轉速控制，電功率控制等功能，邏輯回路主要擔及同期、調頻限制等功能。[2]從系統部件的角度來看，DEH控制調節系統通過傳感測量實際轉速、計算元件計算所需轉速、電液伺服閥接收信號元件發送信號，并控制高壓汽閥門等操作，從而達到控制機組轉速、功率等目的。其具體工作原理為：在汽輪機組啟動和正常運行的過程中，實時對汽輪機組轉子的轉速和發電機組功率輸出以及蒸汽調節閥的位置反饋等信號進行采集并轉換為電信號傳遞給比較元件，在DEH系統的比較元件接收反饋信號后，由數字計算機進行分析處理、綜合運算、再將控制指令以電信號的形式傳遞給電液伺服閥，通過調節閥的開度的改變以保證汽輪機組的正常安全運行。DEH系統主要是以兩種方式運行：“調頻方式”和“基本負荷方式”。當DEH系統以調頻方式運行時，若電網的負荷突然減少，將導致發電機輸出頻率上升，汽輪機發電機組的轉速隨之增加，測速傳感器測得轉速后以數字信號的形式反饋給比較元件與原給定值比較，產生負偏差信號，通過PI比例積分調節器校正該偏差信號后，數字計算機所給出的校正信號被傳輸進入伺服放大器，通過控制油動機關小調節汽閥，減少蒸汽流入汽輪機，從而減少機組的功率輸出。如果DEH系統是以基本負荷方式運行，機組的功率輸出嚴格等于控制系統的功率給定值，此時比較元件對電網反饋信號不敏感。

2 DEH控制系統的組成

電子控制器主要包括計算機、混合數模插件、接口和電源等設備，主要用于實現給定、接收反饋數字信號，并對信號進行邏輯運算和發出相應指令等操作。

操作系統包括人員操作盤、圖像顯示器和打印機等設備，為操作的工作人員提供系統實時信息、對汽輪機組進行實時監督。

高壓控制油系統（EH系統）和潤滑油系統是油系統的主要組成部分。高壓油為整個調速系統提供控制與動力，還根據所接收的指令，控制電壓伺服閥;潤滑油系統為機組提供機械間潤滑所需用油。

伺服放大器、電液轉換器和油動機組成了執行機構的核心部分，主要負責在接收到調節信號后對各壓力級汽閥的帶動調節等。

保護系統包括測量傳感器、繼電系統及電磁閥。

2.1 伺服卡

線性可變差變送器測量到蒸汽閥門開度反饋值被伺服卡所采集，與控制系統內的數字計算機所發出的給定指令信號比較，電液伺服閥經過PI比例積分運算后輸出相應的調節電流所驅動，蒸汽閥門被逐漸調節到達給定的開度值。

2.2 伺服閥

DEH系統的關鍵和核心部件是伺服閥，它是實現液壓信號和電信號轉換的元件，也是將計算機元件輸出的指令信號放大的功率放大元件。它的性能的優劣決定了DEH系統所能發揮的最大功用，所以需要根據場景和工況的需求設計選擇合適的伺服閥元件。

2.3 線性可變差變送器（LVDT）

LVDT傳感器能把閥門開度轉換成電信號，從而將信號以極快的速度傳遞給比較元件產生反饋信號參與控制調節。[3]

3?DEH系統的運行方式

DEH系統主要以下四種基本運行方式運行并發揮其調節作用：（1）操作員自動操作。（2）汽輪機自啟動運行方式。（3）遙控自動操作運行方式。（4）操作員手動操作運行方式。四種運行方式的特點和過程均有較大不同，簡要將其運行過程和主要特點介紹如下。

3.1?操作員自動操作

在操作員自動操作的運行模式下，汽輪發電機組的運行由電廠運行工作人員所控制。操作人員可以根據機組運行具體情況進行如下操作：

（1）在汽輪機組轉子轉速加快的過程中，修改速度提升率和目標期望轉速值。

（2）主動實現將機組的運行方式由中央缸啟動切換至主汽閥控制的閥切換。

（3）當機組轉速最終達到與設定轉速相同時，啟動“自動同步”操作。

（4）?在汽輪發電機組并網后，此時機組的運行將配合電網實時調度和受到用戶實時負荷變化的影響，所以該操作應實現即時修改機組設定的輸出功率目標值及變負荷率，并啟動一次調頻回路用于調節發電機輸出頻率，實現機組安全運行下的供需匹配。

（5）?根據實際工況切換單閥或順序閥的工作狀態，調節其開度或開閉狀態。

3.2 汽輪機自啟動

汽輪機自啟動運行方式通常也被稱為ATC，其目的是使得汽輪發電機組能夠在啟動和加負荷或其他突發工況下仍然能夠安全正確地運行。通過該種運行方式汽輪機組能夠自動完成如下操作：

（1）自動完成從汽輪機沖轉到轉速最終達到與設定值相同的過程。

（2）根據汽輪機轉子軸承等各關鍵部件的應力分布情況、在當前機器條件和負荷特征決定的臨界轉速等實時運行參數設定速度上升率、暖機時間等，并在條件允許時自動投入與實施負荷同步的調節運行工況和與大電網并網運行。

（3）與大電網并網后，根據各關鍵部件應力分布情況、轉子臨界轉速以及機組的其他實際運行參數，自動確定負荷上升率或者執行危險報警等操作。

3.3 遙控操作

在機組正常運行的情況下，遙控操作是在操作員自動方式下由操作人員選擇執行與否。一旦投入遙控操作，?DEH系統的期望轉速值便由操作遙控端的人員或計算機設定。在遙控操作中，采“自動同步”和“協調控制”兩種方式進行操作運行，后者是DEH系統中最為主要應用的一種遙控方式。

3.3.1自動同步

在該種運行方式中，由“自動同步增”和“自動同步減”兩個觸點共同實現對轉速目標值的調整，直至汽輪發電機轉子被調整至設定轉速，隨時準備與大電網相連，使所發電力上網滿足用戶負荷需求。

3.3.2協調控制

協調控制這種遙控負荷操作受到實時負荷變化的控制，它必須在滿足如下條件時才能被投入運行：

（1）DEH須在“自動”或“ATC控制”方式。

（2）油開關必須閉合。

（3）遙控允許觸點必須閉合。

3.4 汽輪機手動操作

汽輪機手動操作不是在機組正常運行下采用的運行方式，而是在面對突發緊急情況或DEH系統故障時的應急操作，僅能起到維持機組運行的作用，不建議長期運行。因為無論從靈敏性或是準確性的角度而言，操作人員的操作均不如數字自動化的調速系統。所以待汽輪機組恢復正常、故障被處理完善后，應立即恢復機組自動運行。

4?DEH系統的常見故障及解決方式

由于DEH系統在進行調節時需要調動的機械部件和邏輯回路均較多、較復雜，可能會偶爾因各種原因發生小故障。但汽輪機組畢竟是大功率的原動發電機組，一旦發生故障造成的后果難以想象。故而為了確保汽輪發電機組安全可靠、節能經濟地高效運行，必須在平日里就加強對DEH系統的檢修維護力度，并且研究常見故障及對應的解決方式，從源頭上杜絕事故的發生。就工程經驗而言，常見的故障及其原因分析如下所示。

4.1 安全油壓異常

汽輪機DEH系統在進行調節過程中有時會出現高壓油壓、空轉油壓、以及汽輪機緊急停機保護油壓異常不穩定的現象。油壓異常一般表現為油壓異常波動（幅度大、頻率高）等不穩定現象。在現有的故障報警記錄中占比率較高的就是油壓異常引起的故障。而根據工程經驗總結，造成油壓異常的主要原因大致可以總結如下：

（1）?汽輪機自身的油系統中的部件或DEH系統中的高壓油路存在故障。

（2）?接收蒸汽閥門開度調節信號的電液伺服閥出現卡澀或其相關的控制系統出現故障。

（3）控制系統的執行機構故障導致其不能正常執行指令。

（4）汽輪機跳閘保護系統出現故障，導致汽輪機出現緊急跳閘現象時沒有保護系統保證其他部件的安全運行。

（5）?故障存在于DEH系統中的超速控制邏輯單元中，導致超速現象發生時DEH系統無法正常運行調節。

經總結分析故障現象，首先應停機并對機組進行檢修維護。其次應關閉汽輪機各汽閥的進油截止閥，記錄油系統主油泵的供油狀況，同時觀察高壓油路的油壓供應數值是否穩定，根據上述記錄判斷故障是否發生在汽輪機自身的油系統和DEH系統的高壓油路中。再次應當將關閉的汽閥進油截止閥再根據給定規律依次打開，并對如下三種狀況進行測試：汽門全關狀態、汽門全開狀態、以及汽門半開閉狀態。根據各個汽輪有無出現卡澀、內泄露等現象判斷各個汽門工作是否正常。

綜上所述，造成DEH系統安全油壓波動的可能原因有很多，需要結合具體情況和機組狀況對故障現象進行詳細分析研究、對可能發生的油壓故障點進行逐一排查檢修，確定故障發生的源頭，降低機組故障帶來的經濟損失。[4]

4.2?汽輪機調節系統擺動

DEH系統另一個常見的故障現象是汽輪機調節系統出現擺動現象，無法進行穩定的調節。這種故障現象主要存在在轉子轉速和負荷波動兩個方面。導致該問題發生的原因可以概括為三個典型原因：熱工伺服機構存在干擾分量、伺服閥故障和蒸汽促使閥門誤動。

4.2.1熱工伺服信號存在干擾分量

在汽輪機組經長期工作后，在振動、電磁干擾等外部環境影響下，伺服系統的伺服卡輸出的電信號中由于如下原因可能會含有交流干擾分量：伺服系統中的位移傳感器的精度降低、DEH系統中的屏蔽接地線接觸不良、設計時工作地、信號控制地、保護地出現混繞等。這些原因將導致汽輪機DEH調節系統的輸出電信號中出現干擾信號，接收元件接收信號后不能根據信號進行穩定、準確的調節，故而不能滿足設計調節要求，導致轉速出現波動。

4.2.2伺服閥故障

經前述介紹，伺服閥是伺服調節系統中的核心部件，它也是DEH控制系統中實現電信號和液壓信號轉換過程的核心元件。油系統的供油是引起伺服閥出現故障的主要原因：當供應油質變差從而造成伺服閥出現卡澀等故障時，輕則可能導致汽輪機DEH調節系統出現擺動現象，不能穩定運行;重則可能導致機組發生緊急停機或不能正常啟動。

4.2.3蒸汽力促使閥門誤動

由于外力作用導致閥門過度動作，從而引起DEH系統輸出指令信號呈反復周期性變化是DEH調節系統出現轉速擺動現象的另一大原因。當汽輪機發電機組處于正常運行狀態時，其所有閥門均在特定的工況點上工作，若此時由于汽輪機組內部水蒸汽集中作用在某個進汽閥門上，將導致閥門工作狀態偏離正常的工況點，特別當主汽閥受到作用后，會導致機組內部蒸汽流量瞬間增多。為保證汽輪機發電機組穩定運行，DEH控制系統在監測到閥門開度異常、蒸汽流量異常等現象后必然會發出指令信號使閥門開度變小，但在閥門逐步調小過程中，由于蒸汽的持續集中作用，將使閥門的開度發生跳躍，瞬時使蒸汽流量減小，該流量減小信號經反饋系統?傳輸到DEH系統邏輯處理中心，就會生成調大信號，執行機構收到信號后又會將閥門調大，在蒸汽力的作用下又會過度調節，如此反復，將導致調節系統發生轉速和負荷的擺動現象。

為了解決汽輪機調節系統擺動的問題，首先在設計時就應嚴格依據行業規范和相關標準，將一定數量的隔離板安置在伺服系統的內部電路之間，以防止電子設備的相互干擾;對于伺服閥故障的狀況，應從產生該問題的源頭——供應油質量去解決，在正式運行過程中中應嚴格管理進機組的油源、油質，杜絕質量不符合標準的油進入機組中的情況出現。同時要加強日常對機組的維護，定期管理油質，清理油路。防止伺服閥堵塞;對于蒸汽力引起閥門過度調節的狀況，應在正式投入使用之前查驗閥門綜合性能，預防出現因閥門反復調節而引起DEH系統異常調節的情況。[5]

5?總結

本文從工作原理、組成、主要功能、運行方式和常見故障及解決方式幾個方面對數字式電液調節系統進行全面的介紹和總結，特別是用較多篇幅對常見故障及解決方式進行了介紹。DEH系統在工程實踐的檢驗中已經獲得了認可，成為了汽輪機組的關鍵部件，現代的汽輪機機組可謂是缺之不可，保障了汽輪機發電機組高效安全運行。該項技術也在不斷地改進和進步。本文對DEH系統進行了較為全面的總結和介紹，突出其重要性的同時也強調了故障原因及解決方法，為后續的工程應用和理論研究提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1]黃樹紅.汽輪機原理[M].中國電力出版社，?2008.

[2]劉麗然.淺析汽輪機數字式電液控制系統[J].科技與企業，?2013（21）：271.

[3]王麗珍.汽輪機數字式電液調節系統的研究[D].太原理工大學，?2007.

[4]彭建平.淺談汽輪機DEH液壓調速控制系統[J].價值工程，?2013（10）：179-180.

[5]陳立明.汽輪機DEH控制系統常見故障原因分析及處理措施研究[J].電力學報，?2011，?26（3）：251-253.