自容式油動機在凸輪配氣機組DEH電調改造上的應用

侯林鵬，常波

(杭州和利時自動化有限公司，浙江杭州 310018)

自容式油動機在凸輪配氣機組DEH電調改造上的應用

侯林鵬，常波

(杭州和利時自動化有限公司，浙江杭州 310018)

某熱電廠有兩臺機組，1號機組為CC50機組、2號機組為CB25機組，是南京汽輪機廠生產的汽輪機。使用自容式油動機專利技術對原凸輪配氣機構進行了改造，使之具有單閥、順序閥、電子凸輪、孤網運行等所有DEH功能。打破了只有高壓抗燃油系統才能改造凸輪配氣機構機組的局面，機組的各項性能指標全部一次性合格，運行效果非常好，達成預期的改造目的。

自容式油動機;凸輪配氣機構;DEH電調;改造

中石油大港油田濱海熱電廠從2004年開始籌建，2006年獲得國家發改委核準開工建設，2010年投產發電供熱。

濱海熱電廠坐落于油田港東地區距離大港石化公司1 km，現有3臺260 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐，型號為SG-260/9.81-M260，配1臺50 MW和1臺25 MW供熱機組，擁有4.5億KWh/年的發電能力和502萬GJ/年的供熱能力。1號機組為南汽生產的CC50機組，該汽輪機配置1臺自動主汽門、1組凸輪配氣結構的高壓調節閥、1組中壓抽汽調節閥和1組低壓抽氣調節閥。機組運行中出現了如下的一些問題:

(1)4個高壓調節汽門由1個油動機采用固定的順序閥開啟控制方式，不具備單閥控制功能，調門易出現卡澀。

(2)SVA9伺服閥極容易出現卡澀，大大影響機組正常運行的效率，并且更換備件頻繁。

(3)中壓油動機和低壓油動機互相影響，無法達到應有的控制精度。

2012年10月份，杭州和利時公司對該廠的1號、2號汽輪機進行了電調系統改造，EH液壓系統采用的是自容式油動機系統。此次改造的突出特點是將凸輪配氣機構拿掉，布置4臺油動機分別拖動每一個調節氣閥，由DEH系統進行單獨控制，這是自容式油動機系統首次應用到凸輪配氣機構的機組改造過程中。

1 凸輪配氣機構結構及對機組運行的影響

(1)凸輪配氣機構的動作原理

如圖1所示，凸輪配氣機構的動作原理是油動機活塞的位移通過齒條、齒輪傳動，帶動凸輪軸轉動，從而控制氣門。凸輪的角度及型線不同，閥門開啟的先后、程序也不同，以達到調節的目的。氣門的關閉靠上部彈簧作用。

圖1 凸輪配氣機構示意圖

凸輪配氣機構在本質上具備一定的順序閥控制功能，這主要是由機械凸輪的角度及型線決定的。理想的進汽流量曲線應該是一條平滑的曲線。但現實情況可能存在重疊度差的情況，即同一個蒸汽流量可以允許不同的閥門升程，這勢必會引起調節系統的晃動。由于實現這種方式是通過機械凸輪實現的，對于運行年限較久的機組，就存在一定的機械磨損，導致流量曲線發生改變，對機組安全、經濟運行都存在一定的影響。

(2)凸輪配氣機構對重疊度和靜特性的影響

當前一只閥門未開足時，比如開到閥門前后壓力比0.85～0.95時，后一只閥門就提前開啟。這樣提前開啟，得到的升程－流程曲線是一條光滑連續的曲線。這個提前開啟量5%～15%稱為重疊度。但由于兩個氣門同時部分開啟，節流損失增大，經濟性下降，重疊度應選擇適當。如圖2所示。

圖2 合理的重疊度曲線

重疊度對氣機運行的意義。這里引出一個重要的概念:機組的靜態特性。在各個穩定工況下，油動機的開度m與汽輪機發功率N之間的關系曲線稱為配氣機構的靜態特性曲線。由于油動機活塞的位置與汽門的開度一一對應，在初終參數一定時，汽輪機的功率與蒸汽流量相對應。通過象限轉換，得出汽輪機轉速n與汽輪機發功率N之間的關系，也稱功頻曲線，是調速系統的核心。如圖3所示。

圖3 氣輪機調節系統靜特性曲線

機組靜態特性曲線對調速系統的指導意義:

一次調頻。機組故障解列，能否帶廠用電，實現全廠的快速恢復生產。

系統穩定性。靜態特性的局部斜率超過規定范圍時，系統會發生震蕩，這種情況多出現在調門重疊度不好的運行區域。IEC規定不等率范圍為:3%～6%。

總之，凸輪配氣機構由于機械磨損導致了配氣機構的流量特性有所改變，修正這種特性又存在一定的難度。目前較大容量的機組均采用軟件凸輪代替機械凸輪。由于軟件的靈活性，可以較精確地修正流量曲線。

(3)凸輪配氣機構對機組運行的影響

全周進氣方式進行汽輪機沖轉是最經濟和優化的沖轉方式，即所有進氣調閥處于全開狀態。這樣做的好處是:氣輪機本體受熱較均勻，熱應力較小，機組啟動較快。當機組定速后，進行控制模式切換，轉由調門控制，此時調門由全周進氣切換為節流進氣。所有調門保持相同的開度。當負荷達到一定值時，可以再切換為部分節流控制，實現經濟運行，實現調閥的管理功能，完成單閥順序閥的切換。300 MW以上的機組，均具備調閥的兩種控制方式——單閥和順序閥，這是一種成熟先進的控制策略。總體認為這是一種兼顧快速性和經濟性的控制方案。而凸輪配氣機構由于機械部分已經將閥門型線固定死，沒有辦法進行此種方式運行，最終對其進行改造。

結論:凸輪配氣機構改單個調閥控制有成熟的控制方案做為基礎，這部分涉及到軟件組態的靈活性。目前基于DCS平臺的DEH系統均可以實現此部分功能。而電控方案已經實現標準化，液壓執行機構的改造將是重點工作。此方案得以實施的前提條件:提升系統工作壓力，滿足單個調閥提升力的要求，同時需要考慮改造后油動機的安裝空間。

2 自容式執行器的結構特點

(1)自容式油動機系統簡介

自容式執行器控制系統是汽輪機數字式電液控制系統 (DEH)中的一個執行部分，現場采用的是分體式自容式油動機結構，即油動機與油源分離布置，中間用兩個液壓管路連接。現場安裝工程量極小，油動機體積小巧。

(2)自容式油動機組成結構

自容式油動機系統主要由單獨的供油系統 (油站、蓄能器、抗磨液壓油等)、執行機構 (油動機、伺服閥、OPC電磁換向閥等)、油管路系統 (油管路及各閥門等)組成。

供油系統既是一個動力源，也是一個油液貯存和處理中心，通過它，系統可得到所必需的工作介質——抗磨液壓油。同時，該供油系統與原汽機供油系統相分離。執行機構響應DEH的控制指令信號，通過伺服閥控制油動機以驅動汽輪機各調門開度，OPC電磁換向閥接受氣輪機所有的停機打閘信號和103%超速信號，當有信號發出時，OPC電磁換向閥動作從而快速關閉執行機構所控制的調節氣閥，以保證汽輪機正常安全地運行。油管路系統為各液壓部件輸送工作介質并可將供油系統與執行機構等連接起來，從而構成液壓控制系統工作回路。1號機CC50機組改造后的調節系統結構如圖4所示。

圖4 自容式執行器液壓原理圖 (CC50機組)

圖6 高壓調節閥油動機(上方)

3 液壓伺服系統的配置和功能

原機組為南汽CB25凸輪配氣機構形式，先將凸輪配氣機構拿掉，采用4臺油動機單獨控制4個閥門，可以實現閥門管理功能，控制性能指標可達到高壓抗燃油系統。此改造項目的的特點為保留原系統中的保安控制部份 (保留危急遮斷器、掛閘、打閘等裝置)而將調節部份 (原油動機和所有其他調節部套)全部替換掉。采用整套的自容式油動機替代原凸輪配氣機構。現場改造如圖5—8所示。

圖5 自容式油動機油源部分

圖7 自容式油動機的電液伺服閥組件

圖8 高壓調節閥油動機(側方)

4 現場運行達到的性能指標

(1)100%連續可調節工作，閉環伺服控制系統具有高可靠性。

(2)定位精度小于全行程的0.1%。

(3)重復率小于全行程的0.1%。

(4)控制死區小于全行程的0.05%。

(5)動態響應時間小于20 ms，快關時間0.2 s。

(6)壓力控制范圍10～14 MPa。

舉例:2號機組于11月9日下午首次并網，并在17∶47進行了一次甩50%負荷試驗，試驗結果如圖9所示。

11月9日下午17∶47，2號機組在閥控方式下運行，并采用順序閥運行，1號、3號調門開度為31.8%和31.4%，2號、4號調門開度為0，機組負荷為12.6 MW，此時發電機油開關解列，油開關跳閘信號送至DEH，DEH發出OPC動作信號，系統切到轉速控制狀態，OPC電磁閥帶電，調門迅速關閉，轉速低于3 000 r/min后OPC動作信號消除，調門重新開啟以立即維持系統轉速3 000 r/min，最高飛升轉速為3 024.69 r/min。

圖9 2號機組甩50%負荷轉速飛升曲線圖

5 自容式油動機系統控制方式

(1)正常控制

DEH控制器生成的油動機閥位指令信號，經伺服板、DDV閥油路塊，形成調節油壓直接進入高壓油缸，從而產生油動機動作。油動機行程經LVDT測出，反饋至伺服板輸入端，使之與該油動機閥位指令保持相等，從而使油動機行程完全由DEH閥位指令控制，進而實現DEH純電調控制。

來自DEH控制器的閥位控制信號，控制DDV閥，驅動液壓缸，并由LVDT反饋定位。油動機安全倍率為2倍，調壓過程的油源壓力變動不會影響油動機的控制能力。

(2)快關控制

自容式油動機設有快關電磁閥，可以實現“遮斷”和“快關功能”。

快關電磁閥為“得電遮斷”設計，當快關電磁閥帶電時，油動機進入“打閘”狀態。

當保安系統掛閘時，安全油壓建立，通過壓力開關，建立安全電壓，使執行器進入“掛閘”狀態。

當保安系統“跳閘”或“打閘”后，安全油壓失去，安全電壓失電，OPC電磁閥帶電，插裝閥動作，油動機打閘，直接進入“遮斷”狀態，使機組停機。改造后機組如圖10所示。

圖10 濱海熱電2號機組CB25機組

6 結論

從濱海熱電1號、2號機組的DEH系統改造結果來看:采用和利時自容式油動機對凸輪配氣方式的液壓調節系統進行改造，可以解決原機組固定閥門順序的啟動模式，解決了凸輪配氣機構的機械卡澀問題，同時提高了機組運行的經濟效益。另外也開拓了只有高壓抗燃油改造方案能夠做此類機型改造的局面，在達到與高壓抗燃油系統相同性能的同時改造成本至少能降低一倍，大大緩解了用戶的經濟負擔。此種改造方案也解決了機組的油源壓力不足和油動機的輸出剛度差等缺點，并解決調門卡澀的問題，保證了機組的穩定運行。

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TM76

A

1001－3881(2014)8－143－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.046

2013－03－14

侯林鵬 (1980—)，男，學士，高級工程師，研究方向為汽輪機電液伺服控制。E－mail:hlplxl@163.com。