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(diào)改造上的應(yīng)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(chǎn)的汽輪機。使用自容式油動機專利技術(shù)對原凸輪配氣機構(gòu)進行了改造，使之具有單閥、順序閥、電子凸輪、孤網(wǎng)運行等所有DEH功能。打破了只有高壓抗燃油系統(tǒng)才能改造凸輪配氣機構(gòu)機組的局面，機組的各項性能指標(biāo)全部一次性合格，運行效果非常好，達成預(yù)期的改造目的。

自容式油動機;凸輪配氣機構(gòu);DEH電調(diào);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(fā)改委核準(zhǔn)開工建設(shè)，2010年投產(chǎn)發(fā)電供熱。

濱海熱電廠坐落于油田港東地區(qū)距離大港石化公司1 km，現(xiàn)有3臺260 t/h高溫高壓循環(huán)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(fā)電能力和502萬GJ/年的供熱能力。1號機組為南汽生產(chǎn)的CC50機組，該汽輪機配置1臺自動主汽門、1組凸輪配氣結(jié)構(gòu)的高壓調(diào)節(jié)閥、1組中壓抽汽調(diào)節(jié)閥和1組低壓抽氣調(diào)節(jié)閥。機組運行中出現(xiàn)了如下的一些問題:

(1)4個高壓調(diào)節(jié)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(diào)門易出現(xiàn)卡澀。

(2)SVA9伺服閥極容易出現(xiàn)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(yīng)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(diào)系統(tǒng)改造，EH液壓系統(tǒng)采用的是自容式油動機系統(tǒng)。此次改造的突出特點是將凸輪配氣機構(gòu)拿掉，布置4臺油動機分別拖動每一個調(diào)節(jié)氣閥，由DEH系統(tǒng)進行單獨控制，這是自容式油動機系統(tǒng)首次應(yīng)用到凸輪配氣機構(gòu)的機組改造過程中。

1 凸輪配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)及對機組運行的影響

(1)凸輪配氣機構(gòu)的動作原理

如圖1所示，凸輪配氣機構(gòu)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)的目的。氣門的關(guān)閉靠上部彈簧作用。

圖1 凸輪配氣機構(gòu)示意圖

凸輪配氣機構(gòu)在本質(zhì)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(yīng)該是一條平滑的曲線。但現(xiàn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的晃動。由于實現(xiàn)這種方式是通過機械凸輪實現(xiàn)的，對于運行年限較久的機組，就存在一定的機械磨損，導(dǎo)致流量曲線發(fā)生改變，對機組安全、經(jīng)濟運行都存在一定的影響。

(2)凸輪配氣機構(gòu)對重疊度和靜特性的影響

當(dāng)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(xù)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(jié)流損失增大，經(jīng)濟性下降，重疊度應(yīng)選擇適當(dāng)。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(tài)特性。在各個穩(wěn)定工況下，油動機的開度m與汽輪機發(fā)功率N之間的關(guān)系曲線稱為配氣機構(gòu)的靜態(tài)特性曲線。由于油動機活塞的位置與汽門的開度一一對應(yīng)，在初終參數(shù)一定時，汽輪機的功率與蒸汽流量相對應(yīng)。通過象限轉(zhuǎn)換，得出汽輪機轉(zhuǎn)速n與汽輪機發(fā)功率N之間的關(guān)系，也稱功頻曲線，是調(diào)速系統(tǒng)的核心。如圖3所示。

圖3 氣輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性曲線

機組靜態(tài)特性曲線對調(diào)速系統(tǒng)的指導(dǎo)意義:

一次調(diào)頻。機組故障解列，能否帶廠用電，實現(xiàn)全廠的快速恢復(fù)生產(chǎn)。

系統(tǒng)穩(wěn)定性。靜態(tài)特性的局部斜率超過規(guī)定范圍時，系統(tǒng)會發(fā)生震蕩，這種情況多出現(xiàn)在調(diào)門重疊度不好的運行區(qū)域。IEC規(guī)定不等率范圍為:3%～6%。

總之，凸輪配氣機構(gòu)由于機械磨損導(dǎo)致了配氣機構(gòu)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(gòu)對機組運行的影響

全周進氣方式進行汽輪機沖轉(zhuǎn)是最經(jīng)濟和優(yōu)化的沖轉(zhuǎn)方式，即所有進氣調(diào)閥處于全開狀態(tài)。這樣做的好處是:氣輪機本體受熱較均勻，熱應(yīng)力較小，機組啟動較快。當(dāng)機組定速后，進行控制模式切換，轉(zhuǎn)由調(diào)門控制，此時調(diào)門由全周進氣切換為節(jié)流進氣。所有調(diào)門保持相同的開度。當(dāng)負荷達到一定值時，可以再切換為部分節(jié)流控制，實現(xiàn)經(jīng)濟運行，實現(xiàn)調(diào)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(diào)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(jīng)濟性的控制方案。而凸輪配氣機構(gòu)由于機械部分已經(jīng)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(jié)論:凸輪配氣機構(gòu)改單個調(diào)閥控制有成熟的控制方案做為基礎(chǔ)，這部分涉及到軟件組態(tài)的靈活性。目前基于DCS平臺的DEH系統(tǒng)均可以實現(xiàn)此部分功能。而電控方案已經(jīng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，液壓執(zhí)行機構(gòu)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(tǒng)工作壓力，滿足單個調(diào)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(zhí)行器的結(jié)構(gòu)特點

(1)自容式油動機系統(tǒng)簡介

自容式執(zhí)行器控制系統(tǒng)是汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng) (DEH)中的一個執(zhí)行部分，現(xiàn)場采用的是分體式自容式油動機結(jié)構(gòu)，即油動機與油源分離布置，中間用兩個液壓管路連接。現(xiàn)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(jié)構(gòu)

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

供油系統(tǒng)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(tǒng)可得到所必需的工作介質(zhì)——抗磨液壓油。同時，該供油系統(tǒng)與原汽機供油系統(tǒng)相分離。執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)DEH的控制指令信號，通過伺服閥控制油動機以驅(qū)動汽輪機各調(diào)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(dāng)有信號發(fā)出時，OPC電磁換向閥動作從而快速關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)所控制的調(diào)節(jié)氣閥，以保證汽輪機正常安全地運行。油管路系統(tǒng)為各液壓部件輸送工作介質(zhì)并可將供油系統(tǒng)與執(zhí)行機構(gòu)等連接起來，從而構(gòu)成液壓控制系統(tǒng)工作回路。1號機CC50機組改造后的調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自容式執(zhí)行器液壓原理圖 (CC50機組)

圖6 高壓調(diào)節(jié)閥油動機(上方)

3 液壓伺服系統(tǒng)的配置和功能

原機組為南汽CB25凸輪配氣機構(gòu)形式，先將凸輪配氣機構(gòu)拿掉，采用4臺油動機單獨控制4個閥門，可以實現(xiàn)閥門管理功能，控制性能指標(biāo)可達到高壓抗燃油系統(tǒng)。此改造項目的的特點為保留原系統(tǒng)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(diào)節(jié)部份 (原油動機和所有其他調(diào)節(jié)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(gòu)?，F(xiàn)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(diào)節(jié)閥油動機(側(cè)方)

4 現(xiàn)場運行達到的性能指標(biāo)

(1)100%連續(xù)可調(diào)節(jié)工作，閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)具有高可靠性。

(2)定位精度小于全行程的0.1%。

(3)重復(fù)率小于全行程的0.1%。

(4)控制死區(qū)小于全行程的0.05%。

(5)動態(tài)響應(yīng)時間小于20 ms，快關(guān)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(wǎng)，并在17∶47進行了一次甩50%負荷試驗，試驗結(jié)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(diào)門開度為31.8%和31.4%，2號、4號調(diào)門開度為0，機組負荷為12.6 MW，此時發(fā)電機油開關(guān)解列，油開關(guān)跳閘信號送至DEH，DEH發(fā)出OPC動作信號，系統(tǒng)切到轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)，OPC電磁閥帶電，調(diào)門迅速關(guān)閉，轉(zhuǎn)速低于3 000 r/min后OPC動作信號消除，調(diào)門重新開啟以立即維持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最高飛升轉(zhuǎn)速為3 024.69 r/min。

圖9 2號機組甩50%負荷轉(zhuǎn)速飛升曲線圖

5 自容式油動機系統(tǒng)控制方式

(1)正?？刂?/h3>

DEH控制器生成的油動機閥位指令信號，經(jīng)伺服板、DDV閥油路塊，形成調(diào)節(jié)油壓直接進入高壓油缸，從而產(chǎn)生油動機動作。油動機行程經(jīng)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(xiàn)DEH純電調(diào)控制。

來自DEH控制器的閥位控制信號，控制DDV閥，驅(qū)動液壓缸，并由LVDT反饋定位。油動機安全倍率為2倍，調(diào)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(guān)控制

自容式油動機設(shè)有快關(guān)電磁閥，可以實現(xiàn)“遮斷”和“快關(guān)功能”。

快關(guān)電磁閥為“得電遮斷”設(shè)計，當(dāng)快關(guān)電磁閥帶電時，油動機進入“打閘”狀態(tài)。

當(dāng)保安系統(tǒng)掛閘時，安全油壓建立，通過壓力開關(guān)，建立安全電壓，使執(zhí)行器進入“掛閘”狀態(tài)。

當(dāng)保安系統(tǒng)“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(tài)，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(jié)論

從濱海熱電1號、2號機組的DEH系統(tǒng)改造結(jié)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(diào)節(jié)系統(tǒng)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(gòu)的機械卡澀問題，同時提高了機組運行的經(jīng)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(tǒng)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(jīng)濟負擔(dān)。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(diào)門卡澀的問題，保證了機組的穩(wěn)定運行。

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TM76

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1001－3881(2014)8－143－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.046

2013－03－14

侯林鵬 (1980—)，男，學(xué)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。