大型超超臨界二次再熱汽輪機組超高壓調節閥操縱機構動態特性分析

李慶，劉炯，劉宏兵，邵毅，陳林（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

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大型超超臨界二次再熱汽輪機組超高壓調節閥操縱機構動態特性分析

李慶，劉炯，劉宏兵，邵毅，陳林
（東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000）

摘要：超高壓調節閥操縱機構是二次再熱汽輪機組調節系統中最重要的設備之一，其動態性能的好壞直接影響汽輪機轉速和負荷的控制，一次調頻，OPC超速控制等工況的控制效果，進而影響整個汽輪機組的性能和安全性。文章通過相關仿真軟件對超高壓調節閥操縱機構動態性能進行分析，可看出該超高壓調節閥操縱機構具有較高的動態性能，可滿足大型超超臨界二次再熱汽輪機組調節系統的技術要求。并對以后類似機組調節系統的研發和設計提供理論參考。

關鍵詞：二次再熱，汽輪機組，超高壓調節閥操縱機構，動態特性

0 引言

隨著國家電力行業產業結構的調整以及國家發展改革委對能源、污染排放等措施的出臺，一些常規高能耗的火電廠將逐步被關停，同時將新建一批高效、大容量、低排放或者零排放的燃煤電廠。因此，高效大型超超臨界火電機組的研發是當今發電設備制造企業的重點，也是每一個企業可持續發展的方向。在此背景下東方電氣成功開發出了大型超超臨界、二次中間再熱、四缸四排汽、凝汽式汽輪機組，并成功應用于華能安源電廠。

該汽輪機組與常規一次再熱汽輪機組的區別是增加了一個超高壓缸，在整個汽輪機的調速系統中起決定作用的閥門為超高壓調節閥，所以超高壓調節閥操縱機構性能的好壞直接影響和決定了該機組的整體性能。

1 超高壓調節閥操縱機構簡介

1.1 超高壓調節閥操縱機構組成

該機組的超高壓調節閥操縱機構主要由超高壓調節閥操縱座和超高壓調節閥油動機組成。超高壓調節閥操縱座主要作用是固定預壓縮的組合彈簧，該操縱座中組合彈簧的預壓縮力在超高壓閥門的各個行程位均大于蒸汽關閉力；超高壓調節閥油動機主要由液壓缸、壓力控制閥、卸荷閥、電液伺服閥、電磁閥和位移傳感器（LVDT）等組成，該油動機是單作用推缸油動機，其無桿腔為工作腔。

1.2 超高壓調節閥操縱機構工作原理

超高壓調節閥操縱機構原理如圖1所示。通過原理圖可知，該超高壓調節閥操縱機構是一個電液伺服控制系統通過伺服閥接受閥位指令信號來控制油動機運動并和位移傳感器（LVDT）檢測到的位置信號做反饋；來控制超高壓調節閥閥位開度進而控制汽輪機發電機的轉速、負荷和執行一次調頻指令。

超高壓調節閥操縱機構的工作原理如下：在電磁閥處于失電狀態下，壓力油經過一個節流孔后形成超速限制（OPC）油，使處于油動機底部的盤式卸荷閥關閉，此時超高壓調節閥操縱機構工作準備就緒；當DEH系統發出超高壓調節閥閥門開啟指令時，控制信號作用在伺服閥上將汽輪機抗燃油調節系統壓力油引入超高壓調節閥油動機工作腔，超高壓調節閥油動機活塞在該壓力油的作用下克服彈簧力和蒸汽力使超高壓調節閥閥門開啟，位移傳感器（LVDT）將其實時行程信號反饋給控制系統；當DEH系統發出超高壓調節閥閥門關小指令時，控制信號作用在伺服閥上將超高壓調節閥油動機工作腔接通排油，超高壓調節閥操縱機構在彈簧力和蒸汽力作用下使閥門關小，并實時通過位移傳感器將其行程信號反饋給控制系統。當超高壓調節閥操縱機構開啟或關小到DEH系統指令給定位置時，控制系統指令信號與位移傳感器（LVDT）反饋信號偏差為零，此時伺服閥處于中位，超高壓調節閥操縱機構則停留在DEH系統指令給定位置上。

在汽輪機某些工況下，如當機組轉速超過額定轉速103%即OPC超速時，則需要快速關閉包括超高壓調節閥在內的所有調節閥門阻止蒸汽進入以達到快速降低轉速的目的，如通過控制伺服閥進行排油根本無法滿足快速關閉閥門要求，此時超高壓調節閥操縱機構油動機的工作腔通過卸荷閥接通排油，OPC超速信號使超調節閥油動機上的電磁閥線圈帶電，使超高壓調節閥油動機內部的超速限制油接通排油，此時超高壓調節閥油動機底部的盤式卸荷閥開啟，油動機工作腔中的油液在彈簧力和蒸汽力作用下通過油動機底部的盤式卸荷閥快速排出，進而使超高壓調節閥快速關閉，總關閉時間小于0.3 s設計值。同時通過該超高壓調節閥操縱機構具有相對獨立性。即超高壓調節閥油動機上的電磁閥線圈帶電可完成單個閥門的快速關閉試驗，且不會對汽輪機組上的其他閥門操縱機構造成任何影響。

圖1　超高壓調節閥操縱機構原理圖

2 超高壓調節閥操縱機構仿真模型建立

2.1 電液伺服閥工作原理

超高壓調節閥操縱機構采用的是流量控制電液伺服閥（如圖2所示），主要由一級電力矩馬達和兩級液壓放大及機械反饋機構組成。繞有冗余線圈的電力矩馬達受力旋轉，帶動與之相連的擋板轉動，擋板的位移使其兩側的噴嘴泄油面積發生變化，引起與噴嘴相通的滑閥兩端受力不平衡產生位移將油動機活塞油口接通供油口或泄油口，從而開大或關小閥門；同時滑閥由于移動與其相連的擋板向反方向運動進行機械反饋。另外，用于測量閥門行程的LVDT將閥門位置信號反饋給HSS去平衡閥位指令，平衡時，電力矩馬達電流接近零，擋板重新回到中間位置。

圖2　電液伺服閥簡圖

2.2 超高壓調節閥操縱機構分析

超高壓調節閥操縱機構主要由超高壓調節閥油動機和超高壓調節閥操縱座組成。超高壓調節閥油動機可簡化成一個由四通零遮蓋伺服閥控制的單作用液壓缸，超高壓調節閥操縱座是一個典型的彈性負載機構，所以超高壓調節閥操縱機構的受力簡圖見圖3。

圖3　超高壓調節閥操縱機構受力簡圖

利用某種基于物理模型建模仿真軟件建立超高壓調節閥操縱機構數學模型。在模型中僅對伺服閥、油動機和操縱座進行建模，如圖4所示。

圖4　超高壓調節閥操縱機構簡化仿真模型

2.3 超高壓調節閥操縱機構主要參數

超高壓調節閥操縱機構主要參數如表1所示。

表1　超高壓調節閥操縱機構主要參數

3 超高壓調節閥操縱機構仿真分析

將基于物理模型建立的超高壓調節閥操縱機構數學模型做為一個子系統進行封裝后導入另一種基于數字計算的仿真軟件中進行聯合仿真分析。超高壓調節閥操縱機構是一個帶彈性負載的位置控制系統，現對其進行開環頻域分析，通過繪制bode圖（如圖5所示）可以看出，該超高壓調節閥操縱機構幅值裕度為133 dB，相位裕度為91.5°，由此可知該超高壓調節閥操縱機構本身是一個穩定的系統。

圖5　超高壓調節閥操縱機構bode圖

現利用某仿真軟件對超高壓調節閥操縱機構進行閉環仿真，其仿真模型如圖6所示。

圖6　超高壓調節閥操縱機構仿真模型

超高壓調節閥操縱機構在100%閥位指令下的階躍響應仿真結果如圖7所示，從圖中可以看出系統的響應速度為1.8 s，同時出現小的超調量，最終達到精度很高的穩定輸出。

圖7　超高壓調節閥操縱機構仿真結果曲線圖

在實際工程應用中，所有帶伺服控制的閥門操縱機構都在其控制器中設置PID參數來達到精確控制閥門開度的目的，本工程使用的伺服模件僅配PI參數。現在仿真軟件中僅使用PI參數對超高壓調節閥操縱機構進行校正。其仿真模型如圖8所示。

圖8　基于PI校正超高壓調節閥操縱機構仿真模型

通過對PI參數的調整，從圖9中的仿真結果曲線可以看出，超高壓調節閥操縱機構在100%閥位指令下的階躍響應，從圖中可以看出加入PI校正后的超高壓調節閥操縱機構的響應速度為2.3 s，幾乎沒出現超調量，且能達到精度很高的穩定輸出。

圖9　基于PI校正超高壓調節閥操縱機構仿真結果曲線圖

4 結論

通過對大型超超臨界、二次再熱汽輪機的超高壓調節閥操縱機構進行仿真分析，可得出超高壓調節閥操縱機構的動態特性曲線，通過仿真分析結果可看出，超高壓調節閥操縱機構可滿足大型超超臨界、二次再熱汽輪機調節系統的技術要求，其性能完全符合國家標準。同時為以后更高參數的汽輪機調節系統設計提供了理論參考。

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Dynamic Characteristics Analysis of VHPCV Actuator for Large Ultra-supercritical Double-reheat Turbo Set

Li Qing，Liu Jiong，Liu Hongbing，Shao Yi，Chen Lin
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:VHPCV actuator is the important set in turbo set governing system,dynamic characteristics of VHPCV actuators directly in?fluence rotational speed,load,primary frequency modulation and OPC over speed control of turbo set,and then influence the perfor?mance and safety of the unit.This article analyses dynamic characteristics of VHPCV actuator for large ultra-supercritical double-re?heat turbo set by retated simulation software,we can see that high dynamic characteristics of VHPCV actuator can meet the require?ments of turbo set governing system.And the article supplies theory reference to research and design of similar turbo set governing sys?tem in the future.

Key words:double-reheat，turbo set，VHPCV actuator，dynamic characteristics

作者簡介：李慶（1983-），男，工程師，工學碩士，長期從事汽輪機控制系統研究和設計工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.012

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：B

文章編號：1674-9987（2016）01-0063-04