張亞凱（大唐黃島發(fā)電有限公司，山東 青島 266000）

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DEH系統(tǒng)組成及被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

張亞凱
（大唐黃島發(fā)電有限公司，山東 青島 266000）

摘 要：為了提高電廠工作人員對(duì)DEH系統(tǒng)的組成、運(yùn)行機(jī)理及系統(tǒng)故障的認(rèn)識(shí)水平，本文對(duì)DEH系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)功能進(jìn)行了介紹，并推導(dǎo)出電液伺服閥、油動(dòng)機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，為相似的工程提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：DEH系統(tǒng)；組成；功能；數(shù)學(xué)模型

0　引言

電廠DEH系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制器、操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、保護(hù)系統(tǒng)，主要功能包括汽輪機(jī)自動(dòng)保護(hù)、機(jī)組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控、汽輪機(jī)自動(dòng)控制、汽輪機(jī)自動(dòng)程序控制，在此基礎(chǔ)上提出了DEH系統(tǒng)主要控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

1　 DEH系統(tǒng)的主要組成

DEH系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制將系統(tǒng)的邏輯判斷、控制運(yùn)算、軟件組態(tài)等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與保護(hù)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、順序控制等融為一體。采用高壓抗燃油EH液壓系統(tǒng)替代先前的液壓系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)DEH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可將系統(tǒng)分為控制器、操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和保護(hù)系統(tǒng)。（1）控制器?？刂破髦饕刂乒駜?nèi)的DPU、I/O卡件、電源、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。主要用于給定接收系統(tǒng)控制信號(hào)，利用邏輯運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)采用控制器、網(wǎng)絡(luò)、電源冗余控制，以以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通訊，開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)發(fā)出和接收通過(guò)I/O卡件通道，調(diào)節(jié)汽閥和主汽閥的閥門(mén)控制伺服調(diào)節(jié)回路由VCC卡實(shí)現(xiàn)。（2）操作系統(tǒng)。由工程師站和操作員站組成，為運(yùn)行人員提供系統(tǒng)運(yùn)行的信息監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)操作，人機(jī)對(duì)話等功能，通過(guò)冗余的以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)操作員和DPU的系統(tǒng)通訊。（3）油系統(tǒng)。油系統(tǒng)由潤(rùn)滑油系統(tǒng)和高壓控制油系統(tǒng)。潤(rùn)滑油系統(tǒng)由主機(jī)拖動(dòng)的潤(rùn)滑油泵提供，高壓控制油系統(tǒng)為DEH控制系統(tǒng)提供控制與動(dòng)力用油，接受調(diào)節(jié)器或操作盤(pán)的信號(hào)指令驅(qū)動(dòng)控制油泵。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。DEH的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由高壓調(diào)節(jié)電液伺服機(jī)構(gòu)、高壓主汽電液伺服機(jī)構(gòu)、中壓調(diào)節(jié)電液伺服機(jī)構(gòu)、中壓主汽電液伺服機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電液伺服閥、伺服閥放大器、快速卸載閥、線性位移變換器（LVDT）、油動(dòng)機(jī)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)DEH系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（5）保護(hù)系統(tǒng)。保護(hù)系統(tǒng)是指在汽輪機(jī)超速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電磁閥關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)汽閥，在汽輪機(jī)嚴(yán)重超速（110%）、EH油壓低、軸承油壓低等情況下危機(jī)遮斷和手動(dòng)停機(jī)。

2　DEH系統(tǒng)主要功能

從根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行要求和DEH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，DEH系統(tǒng)主要有汽輪機(jī)自動(dòng)保護(hù)、機(jī)組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控、汽輪機(jī)自動(dòng)控制、汽輪機(jī)自動(dòng)程序控制功能（ATC）。（1）汽輪機(jī)自動(dòng)保護(hù)功能。汽輪機(jī)的自動(dòng)保護(hù)功能主要是避免機(jī)組因超速、振動(dòng)、差脹等原因受到破壞。包括超速保護(hù)系統(tǒng)（OPC）、危急遮斷系統(tǒng)（ETS）、機(jī)械超速保護(hù)和手動(dòng)脫扣。1）超速保護(hù)系統(tǒng)（OPC）。此項(xiàng)保護(hù)是在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的103%～110%時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)OPC電磁閥，快速關(guān)閉高、中壓調(diào)門(mén)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行超速保護(hù)。2）危急遮斷系統(tǒng)（ETS）。此項(xiàng)保護(hù)措施是在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的110%時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)高壓遮斷電磁閥泄去高壓油，將系統(tǒng)主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全停機(jī)，達(dá)到保護(hù)機(jī)組的目的。（2）機(jī)組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控功能。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括CRT畫(huà)面、操作狀態(tài)指示、狀態(tài)按鈕指示，對(duì)DEH系統(tǒng)的信號(hào)通道、程序運(yùn)行情況和系統(tǒng)硬件等進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)CRT畫(huà)面顯示機(jī)組運(yùn)行的主要參數(shù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、故障信息等等。（3）汽輪機(jī)自動(dòng)控制功能。汽輪機(jī)自動(dòng)控制包括機(jī)組并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制和機(jī)組并網(wǎng)后的負(fù)荷自動(dòng)控制。在轉(zhuǎn)速控制時(shí)，系統(tǒng)的高壓調(diào)門(mén)、中壓調(diào)門(mén)和主汽門(mén)的控制回路反饋信號(hào)為汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。在汽輪機(jī)處于負(fù)荷控制時(shí)，以汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為電網(wǎng)負(fù)荷擾動(dòng)的前饋信號(hào)，反饋信號(hào)則是發(fā)電機(jī)的功率和調(diào)節(jié)級(jí)壓力的折算功率，組成的串級(jí)控制回路實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自動(dòng)控制功能。（4）汽輪機(jī)自動(dòng)程序控制功能（ATC）。此項(xiàng)控制功能可實(shí)現(xiàn)在機(jī)組允許的應(yīng)力范圍內(nèi)，對(duì)機(jī)組啟動(dòng)程序進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組最短時(shí)間、最高效率的啟動(dòng)。ATC控制可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在啟動(dòng)階段的升速速率的調(diào)整、自動(dòng)升速和高速暖機(jī)控制，在機(jī)組并網(wǎng)后可限制機(jī)組的升負(fù)荷速率，對(duì)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)保持功能。

3　DEH系統(tǒng)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是利用數(shù)學(xué)公式的方式表現(xiàn)出系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，將DEH系統(tǒng)這樣一個(gè)復(fù)雜的模型進(jìn)行假設(shè)和簡(jiǎn)化，通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)公式和其他數(shù)學(xué)形式表現(xiàn)DEH系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系。

（1）電液伺服閥數(shù)學(xué)模型。電液轉(zhuǎn)換器在工作時(shí)涉及到的信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以分為如下幾個(gè)子過(guò)程：電液伺服閥的工作時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程可分為：通過(guò)控制器發(fā)出差動(dòng)信號(hào)U（s），使線圈的電流變化，這樣使電磁力矩T 發(fā)生變化，這樣引起使閥門(mén)擋板位移Xf變化，從而實(shí)現(xiàn)滑閥位移置Xv變化。由此可已得到電液伺服閥的傳遞函數(shù)為：，對(duì)上述數(shù)學(xué)公式進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到電液伺服閥的數(shù)學(xué)模型為：，其中T0為電液伺服閥的時(shí)間常數(shù)。

（2）油動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。為提升調(diào)節(jié)汽閥的可靠性，則油動(dòng)機(jī)的最小提升力要大于調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)啟的所需力。當(dāng)油動(dòng)機(jī)到最小位置時(shí)，需要彈簧作用力將汽閥關(guān)閉至閥芯緊壓在閥座上。又因在滑閥移動(dòng)時(shí)，進(jìn)油流量公式為：，油動(dòng)機(jī)的排油量公式為：，其中?p1為進(jìn)油壓力和油動(dòng)機(jī)活塞底部的壓力之差，則?p0為活塞底部的壓力與排油壓力之差。

忽略液體流動(dòng)的慣性和閥門(mén)的提升力，則?p0等于0，經(jīng)推導(dǎo)得到油動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為：，得到：，其中TM為油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)。

（3）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型主要有蒸汽容積、中間再熱器、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子模型，經(jīng)過(guò)無(wú)量綱化處理后得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為：

其中Tρ表示蒸汽容積時(shí)間常數(shù)，

4　結(jié)論

本文介紹了汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和功能，并在此基礎(chǔ)上采用機(jī)理分析的方法推導(dǎo)出DEH系統(tǒng)的主要控制對(duì)象電液伺服閥、油動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。

參考文獻(xiàn)：

［1］肖林海.汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及故障診斷研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

［2］靳智平.電廠汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.263

作者簡(jiǎn)介：張亞凱（1986-），男，助理工程師，主要從事：電廠汽輪機(jī)側(cè)控制及設(shè)備檢修維護(hù)。