DEH 控制系統在電站50 MW 機組上的應用

林海杰(國能包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

汽輪機數字式電液控制系統(digital electric hydraulic control system, DEH)，在電廠中非常重要。汽輪機自動調節控制系統歷史長久，主要發展了四代[1]：(1) 機械液壓式調節系統(MEH)；(2) 電氣液壓式調節系統(EHC)；(3) 模擬式電氣液壓調節系統(AEH)；(4) 數字式電氣液壓調節系統(DEH)。

下面主要介紹一下某電站裝置50 MW 機組所應用的ABB Symphony 系統所組成的DEH 控制系統(汽輪機選用哈汽廠生產的高壓、沖動、單抽、凝汽式汽輪機。額定功率為50 MW，型號為CKZ 50-8.83/4.1，主蒸汽壓力為8.83 MPa，抽汽壓強為4.1 MPa)。此汽輪機主要設有4 個高壓調節閥(GV)，4 個中壓調節閥(LV)，2 個自動主汽閥(TV)。中壓調節閥(LV) 和高壓調節閥(GV) 采用美國MOOG761 伺服閥對其進行連續控制，2 個高壓主汽閥(TV) 采用電磁閥進行兩位控制。每個閥門都有自己獨立的執行機構驅動。采用專用的伺服模件對以上連續性閥門進行控制，采用普通開關量輸出模件對兩位型閥門進行控制。

1 DEH 控制系統網絡配置

1.1 DEH 控制系統網絡結構配置

此Symphony DEH 系統采用了多層通信網絡結構，主要有三個層次：過程數據管理層控制網絡(Cnet)[2]；過程控制數據層控制總線(C. W)；過程I/O 數據層擴展總線(X. B)，本系統采用首尾相接的環形冗余網絡結構，配置有一臺工程師站，一臺操作員站，兩對BRC300 冗余控制器分別對應超速保護(OSP) 部分和基本功能部分，還有單個MFP12 控制器用來與DCS 系統進行通訊，一對冗余網絡接口模件用來將數據上網，使操作員站可以與控制器進行數據交換。還有若干I/O 模件，3 塊FCS01測速專用模件，8 塊HSS03 液壓伺服子模件，此為DEH 控制系統的核心模件，分別控制現場的4 個高壓調閥(GV) 閥和4 個中壓調閥(LV)。

圖1 DEH網絡配置圖

2 DEH 控制系統組成

2.1 電子控制裝置

控制柜：裝有計算機、模擬量和開關量(脈沖量) 輸入輸出組件和電源等。完成數字運算和邏輯運算，輸出控制與保護指令。

工程師站：進行組態和編程，管理數據庫。在線狀態可監視操作員站全部功能等。

操作員站：可選擇控制方式、修改設定值、操作控制系統、顯示和確認報警等手操盤是當計算機系統故障時，通過手操盤控制閥位，維持機組運行。

2.2 高壓抗燃油供油系統(EH)

供油系統主要提供高壓抗燃油，用來驅動閥門的伺服機構及為汽輪機危急跳閘系統和汽輪機超速保護控制系統提供油源。

它主要由抗燃油箱、抗燃油泵、濾油器、溢流閥、控制塊、蓄能器、磁性過濾器、抗燃油再生過濾系統、自循環冷卻系統、抗燃油加熱系統及對油溫、油壓、油位等指示和報警的設備組成。抗燃油泵的出口壓力在0～20 MPa 間任意可調。正常工作壓力為14.0±0.5 MPa。供油裝置有兩套泵組，即可同時工作，又可互為備用。機組啟動時，需要的流量較大或某種原因而造成壓力偏低，此時通過電氣聯鎖可啟動備用泵，以滿足系統要求。供油系統設有完善的保護、參數顯示和報警。

2.3 執行機構

汽輪機的閥門分兩種型式：一種是開關型，如TV，只有開和關二個位置，采用電磁閥控制；另一種是可控制型的，如：GV、LV。它們的開度可以被控制在任一位置。每個閥門都配有單獨的油動機，都由一個單獨的伺服回路控制。油動機的油缸是單側進油，其開啟由抗燃油壓力驅動，而關閉靠彈簧力。

GV 閥和LV 閥的伺服執行機構控制原理完全相同。由控制器輸出的指令與LVDT 反饋信號進行比較，兩者之差經伺服放大器放大后以電流的形式送至電液轉換器的線圈中，電液轉換器將此電流信號轉換為液壓信號。使電液轉換器的主滑閥移動，將閥門開大或者關小，當控制器指令和LVDT 反饋信號差值為零時，主滑閥居中，閥門處于一個新的穩定狀態，侗服閥執行機構控制回路中有一只快速卸載閥，當遮斷油母管油壓跌落時，此閥將油缸下腔的油與回油接通，使閥門快速關閉。

2.4 汽輪機危急跳閘系統

汽輪機危急跳閘系統(emergency trip system, ETS)。ETS 系統是把機組的所有跳閘信號綜合，諸如EH 油壓低、真空低、潤滑油壓低、軸向位移大、振動大、機組超速等。并進行邏輯判斷后輸出指令去控制AST 電磁閥。在異常情況下，使汽輪機緊急停機，以保護汽輪機的安全。其OPC/AST電磁閥組件，如圖2所示。

圖2 OPC/AST電磁閥組件原理圖

OPC 和AST 整套電磁閥模塊組件主要由兩只OPC 超速保護電磁閥并聯放置(OPC1-2)、模塊組內設有兩個逆止閥、“兩或一與”布置的危急遮斷電磁閥組(20/AST-1、2、3、4) 和一個控制模塊構成。

在汽輪機組正常運行期間，OPC1 和OPC2 兩個超速電磁閥為失電狀態，將OPC 油母管的泄油通道封閉。使調節閥執行機構工作腔建立起油壓，當機組有103% 超速動作信號輸出時，OPC1 和OPC2 兩個電磁閥得電勵磁，OPC 母管內的控制油液失去壓力，經無壓回油油管回流至EH 抗燃油油箱，同時，所有高壓調節閥(GV) 和中壓調節閥(LV) 執行機構上的卸載閥迅速打開，關閉所有高中壓調節閥和抽汽逆止閥。

模塊組上4 個AST 電磁閥接受ETS 的信號控制，機組在正常運行期間4 個AST 電磁閥處于常帶電狀態，AST 控制油母管的泄油通道被封閉，使所有主汽閥、高調閥和中調閥的執行機構的工作腔室內建立起油壓，當機組某些監視參數越限并可能引起汽輪機安全運行時，機組發出跳閘信號，由ETS 輸出控制，現場4 個AST 電磁閥失電打開，AST 控制母管油失去壓力，經無壓回油管回流至EH 抗燃油油箱，所有主汽門(TV)、高壓調節閥(GV) 和中壓調節閥(LV) 執行機構上的卸載閥迅速打開，所有汽門全部關閉。

4 個AST 電磁閥組的布置方式為“兩或一與”的串并聯方式，其主要目的是保證汽輪機安全可靠的運行。4 個AST 電磁閥分成兩組：AST1 和AST3 為高壓側電磁閥并聯連接，AST2和AST 為低壓側電磁閥并聯連接，然后兩組再串聯起來連接在一起，這樣布置后，當汽輪機發生危急遮斷時，兩組電磁閥中每組只要有一個電磁閥動作，就能將AST 控制油母管中的油壓泄掉，從而保證了汽輪機的安全。在掛閘(復位) 時，兩組電磁閥當中，只要有一組電磁閥得電，就可以建立起AST 安全油壓，使汽輪機的主汽閥和高中壓調閥具備開閥條件，汽機具備啟動條件。在機組正常運行期間，4 個AST 電磁閥可進行在線試驗，通過兩個ASP1(對應高壓側定值為大于等于9.8 MPa) 和ASP2(對應低壓側定值為小于等于4.2 MPa) 兩個壓力開關的狀態來檢驗AST 電磁閥動作的正確性。

OPC/AST 電磁閥模塊組件上的兩個逆止閥的作用是；當機組有103% 超速信號時，2 個OPC 電磁閥得電勵磁，AST 控制油母管油壓不會受到影響，AST 油壓正常，主汽閥不會關閉，機組不會跳閘；當機組有遮斷信號時，4 個AST 電磁閥失電關閉，由于AST 油壓失去，在兩個單向閥的作用下，OPC 控制油母管油壓也失去，所有汽門全部關閉。

2.5 汽輪機超速保護控制(OPC)

控制高中壓調閥的保護油壓也是由高壓抗燃油經過節流孔后產生，受汽輪機超速保護電磁閥(OPC 電磁閥) 控制。OPC電磁閥的控制信號來自DEH 控制系統。當轉速超過103% 時，OPC 電磁閥通電，高中壓調閥GV 和LV 關閉，轉速<102% 時，OPC 電磁閥斷電，GV 和LV 在伺服閥控制下開啟。為了提高可靠性，OPC 控制邏輯采用轉速信號三取二的方式。

3 DEH 控制系統功能

DEH 主要功能就是控制汽機的轉速控制和功率控制，實際上就是汽輪機從掛閘到沖轉、暖機和閥門切換以及并網、帶負荷的過程。同時，DEH 還具備汽輪機的超速保護功能。

3.1 汽機復位(掛閘)

總體看來，汽機的跳閘主要是兩個路徑：一是當汽機危急保安裝置動作時，低壓潤滑油保安油壓失去，薄膜閥上部油壓失去動作。將AST控制油母管內油壓泄掉，所有汽門全部關閉；另一個是當4 個AST 電磁閥失電動作后直接將AST 控制油母管內油壓泄掉，關閉所有汽門。汽機復位(掛閘) 的作用就是使危急保安裝置復位。是通過將現場掛閘電磁閥帶電使危急保安裝置滑閥上腔油壓泄掉，重新建立起滑閥組至薄膜閥的保安油壓。同時，ETS 系統進行跳閘信號復位，4 個AST 電磁閥恢復至帶電狀態，AST 控制油母管油壓建立，具備汽機啟動沖車條件。

3.2 轉速控制

DEH 的最基本的功能就是轉速閉環控制。汽機在沖轉升速的過程中，DEH 將轉速給定信號與實際轉速信號進行比較，如果檢測到有轉速偏差，轉速PID 會發出指令，通過伺服閥將電信號轉換成液壓信號，去控制高壓調閥的開度，使給定值與實際值保持一致。消除轉速偏差。

3.2.1 系統轉速選擇

轉速信號選擇為三取中，即由三路轉速信號兩兩選大，然后再進行小選。其信號邏輯為：當出現以下情況時認為系統轉速信號故障，發生系統轉速故障后，DEH 將自動產生跳閘指令。(1) 三路中有二路轉速故障；(2) 一路轉速故障，其余兩路轉速偏差大；(3) 三路轉速任意兩路之間偏差均過大；(4) 轉速給定大于500 r/min 時，系統轉速與給定偏差過大。

3.2.2 超速控制

超速控制主要是通過使2 個OPC 電磁閥得電，來關閉所有高中壓調閥。防止汽機轉速飛升，防止超速引起機組跳閘甚至是發生機組事故。并網前OPC 保護動作：當機組未進行電氣超速或者機械超速試驗，機組在運行過程中如果轉速達到103%，2 個OPC 電磁閥得電動作，所有高中壓調閥關閉，DEH控制系統為轉速控制。當轉速低于102% 時，2 個OPC 電磁閥失電，轉速PID 控制機組的轉，維持機組在額定轉速下穩定運行。

并網后OPC 保護動作：當機組轉速達到103% 額定轉速，并確認發電機出口開關在合閘狀態時，OPC 電磁閥動作，迅速關閉調速汽門；當機組轉速低于102% 額定轉速時，OPC 電磁閥恢復，系統切換為閥位控制方式，開啟調速汽門接帶負荷，目標值應自動置為初負荷值。

3.2.3 超速試驗

超速試驗條件：(1) 機組轉速在3 000 r/min 定速；(2) 油開關斷開，未并網狀態。超速試驗主要包括OPC(103%) 超速試驗；電氣超速試驗(110%)；機械超速試驗(111%～112%)，三項試驗在邏輯上互鎖。在任意情況下，只可以進行一項超速試驗。轉速由轉速PID 控制。當進行機械超速試驗時，DEH 控制系統自動將電超速延遲至3 360 r/min，如果轉速超過3 360 r/min，機械超速仍未動作，DEH 將發出超速跳閘指令送至ETS。

3.2.4 DEH 跳閘

DEH 跳閘是將DEH 的內的所有邏輯跳閘指令送至ETS，由ETS 輸出跳閘信號控制現場AST 電磁閥使其失電，進行跳機。DEH 跳閘有：(1) 系統轉速故障；(2) 轉速大3 300 r/min；(3)DEH失電。

3.3 單閥/順序閥切換

單閥和順序閥之間的切換實際上就是由單閥控制方式無擾地切換至順序閥控制方式，目的是為了減少節流損失，提高機組的經濟效益。單閥控制模式下，蒸汽通過噴嘴全周進入汽輪機調節級動葉，使葉片均勻受熱，同時調節級葉片的應力分布更加均勻，這種情況下，機組可以快速增減負荷，但由于4 個高壓調閥開度保持一致，節流損失較大。而在順序閥控制模式下，四個高壓調閥(GV) 按照預定順序(GV1/GV2-GV3-GV4)開啟，GV1 和GV2 同時全部開啟后再依次開啟GV3 和GV4。此時蒸汽以部分進汽的形式進入噴嘴，很大程度上減小了節流損失。使機組的熱效率和經濟性顯著提高。這種控制方式對葉片沖擊嚴重，應力分布不均勻，容易形成部分應力區，增減負荷的速度受到極大限制。在冷啟動和變負荷低參數運行時，可采用單閥控制方式，可有使機組均勻受熱，加快熱膨脹的速度，同時可減小金屬熱應力，機組壽命延長；而機組在變負荷額定參數運行時，宜采用順序閥控制方式，這種控制方式可以提高機組的熱效率，減少節流損失，提高熱經濟性。熱經濟性是電廠運行的考核指標。

3.4 閥門試驗

主要有主汽門/ 調門嚴密性試驗和自動主汽門活動試驗。

閥門嚴密性試驗條件：(1) 機組在3 000 r/min 定速；(2) 油開關斷開，未并網狀態。主要目的是檢驗高中壓調門和自動主汽門的嚴密性，確保在緊急情況下所有閥門能可靠的關閉，防止蒸汽進入汽缸并防止超速。在此說明，在做嚴密性試驗時，未做試驗的閥門在全開位置，所以，閥門試驗結束以后，為保證機組安全和防止汽機超速，DEH 將發出汽機跳閘指令信號，跳閘機組，嚴密性試驗結束以后，汽機需重新復位(掛閘) 升速。

自動主汽門活動試驗的目的是檢驗汽輪機的閥門無卡澀，確保汽輪機的安全。機組帶穩定負荷運行后，定期進行。試驗的條件：(1) 機組負荷低于60% 額定負荷；(2) 機組處于單閥控制方式；(3) 機組運行穩定，各重要參數正常；(4) 未進行其他閥門活動試驗。

4 結語

DEH 系統具有數字系統的靈活性、模擬系統的快速性和液壓系統的可靠性。功能較原有的汽輪機控制系統大大地擴展了集自動控制、過程監控和保護于一體。通過對ABB 公司Symphony DEH 控制系統的組成以及功能的詳細論述，希望能給各界同行帶來一些幫助，保證機組的穩定運行。