盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司汽輪機控制系統

摘要：本文以盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司的再熱抽汽凝汽式汽輪機為例，介紹該汽輪機蒸汽工藝、油系統工藝，對該汽輪機配套的DEH控制系統的505E調速器、電液轉換器的基本工作原理、磁電式轉速傳感器、油動機、危機遮斷器、等進行分析介紹，供各位同行參考。

關鍵詞：DEH控制系統；DEH控制邏輯；505E；再熱抽汽凝汽式汽輪機

中圖分類號：TB"""""" 文獻標識碼：A""""" doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.14.079

0 引言

盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司是剛果（金）唯一家從事火法煉銅，并生產硫酸和液體二氧化硫的企業。汽輪機作為公司的核心設備，就像企業運轉的“心臟”。它的穩定運行和靈活調節能力，不僅關系到發電和供熱系統的安全可靠運行，更直接影響著公司的經濟效益和可持續發展。

公司自備電站是兩臺4.8MPA，54噸余熱鍋爐的配套設備，由青島捷能汽輪機廠生產的RNC6.5-4.4/0.8型6.5MW再熱抽汽凝汽式汽輪機。機組自從2020年4月投產以來，已發電65561920KWH，為公司創造了約8523049美金的毛利潤。

汽輪機控制系統是汽輪機運行的“大腦”和“神經中樞”，能保證汽輪發電機組及時調整功率，在滿足熱負荷的需要情況下，使機組維持在額定轉速下運行[12]。在汽輪機發電、供熱，以及全廠生產過程中著起著關鍵作用。

1 汽輪機調速系統

1.1 調速系統功能

盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司余熱電站采用的數字式電調系統（DEH）構成如下：以WOODWARD 505E為核心的數字控制系統、用于緊急工況處理的汽輪機跳閘保護系統[3]、負責設備監測的汽輪機安全儀表系統[4]、確保安全運行的危機遮斷系統[5]，以及精確控制的EH液壓控制系統[6]。該DEH系統具備多項先進功能，包括轉速與負荷的智能調節、抽汽過程控制、超速狀態下的安全保護、閥門的精準操控、自動同期運行控制、快速減負荷處理、OPC協議控制，以及與分布式計算控制系統（DCS）的數據實時共享等[78]。

從接令啟動汽輪機至正常帶負荷運行的操作過程中，調節系統需要嚴格控制汽輪機轉速、升速率、規避機組臨界點、控制暖機時間。汽輪機的調控過程是一個信號轉換與執行的鏈式過程：首先，分布式計算控制系統（DCS）向505E發送數字控制信號；隨后，505E將其轉換為模擬電信號；這些電信號再經由電液轉換器（CPC）轉化成液壓油信號；液壓油信號驅動油動機執行相應動作，實現對蒸汽進汽量和抽汽量的精確調節，最終達到對轉速和負荷的有效控制[9]。

1.2 汽輪機調速原理

盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司是的汽輪機電液調節系統為轉速負反饋自動調節系統，由轉速傳感器、放大部件、動作部件、被調節對象汽輪機組成，四部分的工作流程為：現場磁電式轉速傳感器的轉速信號和負荷信號作為反饋值505E系統，505E系統比較反饋值與操作員設定值的差值并根據比較得到的結果對電液轉換器輸出的液壓信號進行調整，從而對汽輪機的高壓調門開度、抽汽調門（低壓調門）進行控制達到控制進汽量、控制負荷的功能。調節原理如圖1所示。505E進行反復信號比對和調整，就可以達到用戶所需要的負荷和功率。505E控制系統能夠適應汽輪機的多種運行模式（單機運行、全凝運行、抽凝運行），通過實時監測外部負荷變化導致的機組轉速或頻率波動，自動調節汽門開度，實現負荷的精確匹配。在進行超速試驗和閥門動作試驗時，該系統可靈活調節汽輪機轉速；而在并網運行狀態下，則可根據外界負荷變化和操作員的指令，對機組負荷進行實時動態調整[10]。

1.3 調節油系統工藝

本廠汽輪機油系統的安全性和穩定性直接關系到整套機組的運行。機組啟動時，先啟動高壓潤滑油泵（兼做頂軸油），將油輸送到軸承潤滑點及盤車裝置，并建立保安油壓。待機組達到3000RPM后，主油泵啟動，高壓油泵聯鎖停止。

油系統作為汽輪機的關鍵輔助系統，由多個精密部件協同工作：高壓油泵提供系統所需的動力油，交流潤滑油泵和直流事故油泵確保設備的持續潤滑，油霧風機負責油氣的有效處理，冷油器維持油品溫度在最佳工作范圍，油箱則實現油品的儲存與凈化。整個系統選用46號高溫耐磨透平油作為工作介質，以保證設備的可靠運行。油路分為四路：一路向CPC提供脈沖油；一路經高壓注油器和冷油器后作為軸承潤滑油；一路經低壓注油器向主油泵供油；一路向油動機和錯油門提供動力油。

機組油箱不僅是油品儲存裝置，更是一個多功能的油品處理系統。其內部通過垂直濾網分為回油區和凈油區兩個獨立區域，能夠有效實現油品中水分和雜質的分離、泡沫的消除等凈化功能。油箱設有液位計、加熱器、事故放油口等裝置。

本機組采用電液調節器和飛錘式危機遮斷器進行超速保護。當轉速達到110%～112%（3300～3360RPM）時，飛錘飛出切斷危機遮斷油；轉速降至102%時飛錘復位。電調超速保護動作值為3270RPM，儀表超速保護為3390RPM。

掛閘需要ETS復位和保安油壓復位兩個步驟。操作流程是：建立危機遮斷油，ETS復位后建立保安油壓，然后手動打開啟動閥控制主汽門開啟。高壓油泵或主油泵向危機遮斷器供油與潤滑油系統互不影響。調節油通過CPC轉換為脈沖油來控制油動機工作。

2 505E控制器

2.1 505E控制器的構成

505E是一款先進的一體化汽輪機調速器，采用32位微處理器作為核心處理單元，將現場可組態功能與操作控制界面完美集成。其操作界面設計簡潔實用，配備了雙行LED顯示屏和一個包含30個按鍵的專業鍵盤，為操作人員提供直觀的監控和操作體驗。505控制系統配備的30鍵操作面板具有多重功能：既可執行汽輪機的各項運行指令，又能實現系統的在線編程組態和參數調整。這種集控制、編程和調試于一體的設計，為操作人員提供了便捷的人機交互界面，確保機組的高效運行和靈活調節。

2.2 505E控制器功能

本機組使用的數字式電液調節系統（DEH）在控制精度、準確性、自動化程度等方面較傳統控制系統有顯著提高。505E系統主要功能包括轉速控制、啟機暖機、自動帶負荷、抽汽控制、DCS通信等。

啟動控制采用順序自動控制模式，根據停機時間確定啟動狀態：

- 冷態啟動（≥40小時）： 0～500RPM（2.5RPM/SEC，停留20MIN）、500～1000RPM（2.5RPM/SEC，停留90MIN）、1000～3000RPM（2.5RPM/SEC）

- 熱態啟動（lt;40小時）： 各階段升速率為5RPM/SEC，停留時間0.5MIN

- 溫態啟動（1～40小時）： 采用內插值計算參數

負荷控制包括同步并網和負荷調節。機組達到額定轉速后自動啟勵磁，由運行人員操作同期并網。并網后自動帶上5%初始負荷（約300KWH），并根據工況自動調節至最大負荷。

抽汽控制采用手動投入方式，通過調節低壓調門和設定抽汽壓力實現。系統通過MODBUS通信口與DCS進行數。。

2.3 505E控制器基本原理

505調速器采用數字式信號低選（LSS）總線技術，從轉速PID輸出、可編程輔助PID輸出和閥位限制器輸出3個關鍵信號中選取最小值，用于控制汽輪機調節閥，并直接驅動執行機構的輸出電流。

505E系統的轉速控制采用雙重輸入機制。系統可通過升邏輯模塊實現轉速提升，也支持通過MODBUS直接設定轉速值。根據不同的運行工況，轉速PID控制器可靈活切換3種運行模式：根據斷路器狀態自動選擇控制模式：發電機斷路器斷開時采用轉速控制，僅發電機斷路器閉合時切換為頻率控制，雙斷路器閉合則啟用負荷控制。

本廠汽輪機采用中壓級和低壓級雙級設計。中壓蒸汽經主汽閥進入后完成首輪做功，到達中壓級末端時可選擇抽汽。低壓調節閥則精確控制進入低壓級的蒸汽量。505E系統通過輔助和串級控制方式，根據透平低壓段進汽壓力實現對調節閥位置的精確限制。系統設置了嚴格的抽汽條件控制，必須同時滿足：抽/補汽輸入信號正常、透平轉速達到允許值、發電機斷路器和電網斷路器處于正確狀態。

3 DEH系統

3.1 電液轉換器

電液轉換器（EH）負責將505電信號轉換為液壓脈沖信號，通過控制油動機和調節閥的動作，實現對汽輪機的精確調節。國內小型汽輪機的電液轉換器通過電信號到液壓信號的轉換來控制液壓執行機構。本廠使用的是伍德沃德WOODWARD電流壓力轉換器（CPC），具有高穩定性、高可靠性和抗污染能力。該轉換器展現出卓越的抗污染性能，這得益于其創新的無濾網設計。轉換器通過自動產生周期性、對稱的反向脈沖，有效清除閥系統中的堆積物。這種自清潔機制不僅避免了機械磨損，同時確保了汽輪機控制系統的穩定運行，不會產生任何干擾。原理圖如4所示。

CPC由印刷電路板、三通旋轉控制閥、定角度旋轉式扭矩執行器和壓力傳感器構成。通過閉環控制原理，系統將輸出壓力與設定值比對生成參考信號，再與實際閥位比較形成驅動信號，最終由執行器實現液壓閥位置的精確調節。

其閥門系統采用雙端口設計：壓力油輸出端口和液壓回油端口。開啟壓力油端口時輸出壓力上升，開啟回油端口時壓力降低，從而實現精確的壓力控制。

3.2 轉速傳感器

本廠汽輪機采用磁電式轉速傳感器（MPU）測量轉速，通過磁電感應原理和信號處理電路采集轉速數據，并將其傳輸至505E控制回路。磁電式轉速傳感器屬于非接觸式轉速測量儀表，具有很好的抗干擾性能。

505E轉速控制回路采用閉環控制原理：系統實時接收轉速信號后，由轉速PID控制放大器將該實測信號與預設的轉速給定值進行比對運算，經過PID算法處理后，輸出精確的控制信號至執行機構，從而實現轉速的動態調節。

本廠汽輪機轉速測量共有6個探頭，分為3組，處理時候采用三取二。機組臨界點為1450RPM，和2430RPM，505E能夠控制汽機快速平穩通過兩個臨界點。超速信號原理如圖所示，當圖中的任何2個轉速超過110%就認定為超速，觸發繼電器動作輸出信號給兩個保安電磁閥，保安電磁閥卸掉油壓，從而實現對機組轉速保護。

3.3 油動機

油動機總成通過將電液轉換器的脈沖油壓信號轉換為有效行程輸出，控制汽輪機的進汽和抽汽。系統采用斷流雙作用往復式伺服機構，使用0.8MPA動力油壓的潤滑油作為工作介質。

其結構主要由三部分組成：油缸、錯油門和反饋機構。油缸系統包含上下蓋、活塞及活塞桿，其中活塞配備特制的聚四氟乙烯活塞環，并設計有10MM阻尼區以減小運動慣性。通過帶關節軸承的螺紋連接裝置，油缸活塞桿與調節汽閥杠桿實現可靠連接，確?？刂凭取?/p>

3.4 錯油門

油動機油路系統由中間P口（動力油進油口）和兩端T口（回油口）組成，通過滑閥體17和轉動盤16構成的錯油門滑閥控制。當二次油C作用力與彈簧力14平衡時，滑閥保持中位，油缸活塞靜止，維持汽閥開度穩定。

當機組轉速降低時，二次油壓升高打破滑閥力平衡，導致滑閥上移，連通動力油至活塞上腔并打開下腔回油，使活塞下行增大汽閥開度，從而提升蒸汽流量和轉速。活塞運動通過反饋機構增加錯油門彈簧負荷，當滑閥重新達到力平衡時，系統將在新的工作點穩定運行。二次油壓降低時，則觸發相反的調節過程。

3.5 危機遮斷器

危急遮斷系統由飛錘式危急遮斷器和危急遮斷油門兩大核心部件組成，是汽輪機的關鍵安全保護裝置。危急遮斷器設于轉子前端主油泵軸，當轉速超過額定值110%～112%時，飛錘離心力大于彈簧壓緊力而飛出，觸發遮斷油門動作。轉速降至額定值的102%左右時，飛錘自動復位。

危急遮斷油門布置在前軸承座內，具有雙重保護功能：既能響應危急遮斷器的超速信號，也能對轉子軸向位移作出反應。當接收到任一保護信號時，油門滑閥在彈簧力作用下移動，切斷保安油路，實現機組緊急停機。具體觸發方式包括：

危急遮斷系統具有雙重保護：轉速超限時飛錘飛出打脫掛鉤，軸向位移時凸肩驅動掛鉤脫扣。系統動作后需通過復位閥手柄進行復位。

4 結論

電液控制系統作為當前最先進的汽輪機控制系統，本文介紹了該系統在盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司的應用。汽輪機的控制過程體現了信號鏈式轉換與執行的精密配合：首先，系統接收操作員發出的數字控制指令，經505E控制器轉換為精確的模擬電信號；隨后，電液轉換器（CPC）將這些電信號轉化為液壓油壓力信號；壓力信號驅動油動機執行相應動作，實現對蒸汽進汽量和抽汽量的動態調節，最終達到精確控制機組轉速和負荷的目標。該控制功能的實現依賴于505E，電液轉換器、轉速傳感器、油動機、錯油門的緊密配合。

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