牛春燕，田宇宙，鄭玉成

（1.杭州汽輪機(jī)股份有限公司工業(yè)透平研究院，浙江 杭州 310022；2.華能蘇州熱電廠，江蘇 蘇州215000；3.沈陽東北電力調(diào)節(jié)技術(shù)有限公司電力工作部，遼寧 沈陽 110179）

汽輪機(jī)拖動(dòng)機(jī)組廣泛應(yīng)用在電力、石油化工等領(lǐng)域，不同于大型汽輪機(jī)電調(diào)調(diào)節(jié)方式，小汽輪機(jī)可以靈活的采用液壓伺服執(zhí)行器替代液壓伺服閥，通過錯(cuò)油門對驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行放大，從而驅(qū)動(dòng)油動(dòng)機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽量。作為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的控制核心部件，國內(nèi)起步比較早的使用液壓伺服執(zhí)行器，一般為美國伍德沃德公司生產(chǎn)的TM25系列產(chǎn)品，此系列產(chǎn)品為開式油路設(shè)計(jì)，雙線圈力矩馬達(dá)噴嘴節(jié)流，二級(jí)滑閥位置控制。需要配置獨(dú)立油站為其提供符合要求的油品，且在設(shè)備啟動(dòng)和運(yùn)行中需要監(jiān)視油質(zhì)是否因?yàn)榭諝獾难趸冑|(zhì)、油中含水量及油品雜質(zhì)顆粒度影響是否超標(biāo)。機(jī)組維護(hù)人員一般通過定期慮油驗(yàn)油，和更換油品來保證設(shè)備可靠運(yùn)行，設(shè)備維護(hù)量相對較大，維護(hù)費(fèi)用較高，穩(wěn)定性較差，且相對耗能較大。

吉林某廠2臺(tái)汽輪機(jī)給水泵為北京電力總廠生產(chǎn)的單杠冷凝汽輪機(jī)，型號(hào)GT03B額定功率6 000 kW，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制方式為DCS操作控制，伍德沃德505轉(zhuǎn)速邏輯及保護(hù)控制?，F(xiàn)場伺服單元為伍德沃德TM25-LP電液轉(zhuǎn)換器，配獨(dú)立油站供油，屬于典型的錯(cuò)油門油動(dòng)機(jī)調(diào)門控制方式。

由于設(shè)備老舊及開式油路調(diào)節(jié)導(dǎo)致的油品質(zhì)量問題，致使給水泵汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速控制不穩(wěn)，導(dǎo)致給水與鍋爐負(fù)荷不匹配，汽包水位控制不穩(wěn)。

1 TM25-LP伺服執(zhí)行器簡介

TM25-LP為美國WOODWARD生產(chǎn)的比例型電液轉(zhuǎn)換器，主要用于大力矩輸出的位置控制，典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榭刂仆钙綁嚎s機(jī)的轉(zhuǎn)速。TM25-LP工作原理為通過雙線圈產(chǎn)生扭力，此扭力通過一根擋板遮擋相互作用的兩個(gè)噴嘴，使噴油嘴一路噴油量增加（減少）時(shí)，另外一路噴油量減少（增加），兩路油產(chǎn)生推拉力驅(qū)動(dòng)二級(jí)滑閥中心位置的改變，再通過二級(jí)滑閥的開口大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入伺服油缸的油量。當(dāng)油缸達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，內(nèi)部的機(jī)械反饋裝置調(diào)節(jié)擋板位置，使調(diào)節(jié)擋板兩側(cè)噴油量相同，即擋板回中心位置，作用到二級(jí)滑閥兩端的壓力相互抵消，此時(shí)輸出軸停止運(yùn)動(dòng)。

TM25-LP電調(diào)控制系統(tǒng)可分為三部分。第一為電控部分，主要包含了閥位控制的控制邏輯、保護(hù)邏輯及電調(diào)控制策略，在通過標(biāo)準(zhǔn)的控制伺服卡，輸出20～200 mA控制電液執(zhí)行器。第二為液壓站，主要作用為系統(tǒng)提供合格的油品，對于TM25-LP需要提供3.8～18.9 L/min的供油量，最小供油量時(shí)為設(shè)備穩(wěn)定狀態(tài)不需要調(diào)節(jié)，即噴油孔靜泄油量；供油壓力552～2 586 kP，過濾精度要求10 μm，最大供油量時(shí)為設(shè)備瞬態(tài)頻繁調(diào)節(jié)時(shí)需要的平均耗油量，即系統(tǒng)最大耗油量。第三部分為TM25-LP本體比例電液轉(zhuǎn)換器部分，主要作用為控制的終端輸出部分提供1英寸線性閥位移動(dòng)量，最大輸出72 J（53 ft-lb）。

2 REXA伺服執(zhí)行器簡介

REXA伺服執(zhí)行器是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力輸出的轉(zhuǎn)換裝置，是該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。REXA執(zhí)行器包括控制器和動(dòng)力模塊兩部分，力模塊由伺服電機(jī)和獨(dú)立的、封閉的、無閥液壓控制泵系統(tǒng)組成，采用高度集成化模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、維修簡易化，獨(dú)特的設(shè)計(jì)使外界因素對油品品質(zhì)的影響到最?。豢刂破饔瑟?dú)立的嵌入式單片機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、高精度位置檢測傳感器組成，具有故障智能檢測診斷、高精度控制、用戶操作界面友好等特點(diǎn)。

REXA執(zhí)行器控制工作原理如圖1所示，伺服電機(jī)接受控制系統(tǒng)的控制指令、控制動(dòng)力模塊、輸出大力矩位移、驅(qū)動(dòng)被控對象，同時(shí)通過自身位移反饋，完成閉環(huán)位置調(diào)節(jié)過程，實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)。

圖1REXA執(zhí)行器控制工作原理

圖2 為動(dòng)力模塊的工作原理。在油泵停止工作的工況下，執(zhí)行器依靠液壓鎖FMV1、FMV2封閉液壓缸兩側(cè)進(jìn)、排油，使其處于保位狀態(tài)（圖2a）。智能可控電機(jī)接受控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)油泵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，向?qū)?yīng)的系統(tǒng)側(cè)供油，在14 MPa高壓油的作用下，開啟液壓鎖FMV1、FMV2，液壓缸左側(cè)通過液壓鎖FMV2排油至油泵入口，高壓油通過液壓鎖FMV1進(jìn)入液壓缸右側(cè)，在壓差的作用下，液壓缸活塞向左側(cè)運(yùn)動(dòng)輸出位移，信號(hào)消失，油泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)作過程結(jié)束，執(zhí)行器在新的平衡位置下保位（見圖2b）。智能可控電機(jī)接受控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)油泵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，向?qū)?yīng)的系統(tǒng)側(cè)供油，在14 MPa高壓油的作用下，開啟液壓鎖FMV1、FMV2，液壓缸右側(cè)通過液壓鎖FMV1排油至油泵入口，高壓油通過液壓鎖FMV2進(jìn)入液壓缸左側(cè)，在壓差的作用下，液壓缸活塞向右側(cè)移動(dòng)輸出位移，信號(hào)消失，油泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)作過程結(jié)束，執(zhí)行器在新的平衡位置下保位（見圖2c）。

圖2 REXA動(dòng)力模塊工作原理

3 改造方案簡述

該次改造保留危急遮斷停車系統(tǒng)和505控制器的設(shè)備及功能，僅對調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器部分進(jìn)行改造，即采用以REXA執(zhí)行器作為電液驅(qū)動(dòng)裝置替換原液壓油站及TM25-LP電液動(dòng)執(zhí)行器。

3.1 改造部件明細(xì)

1）取消的部件

①液壓油站（包括油箱、油泵、電磁閥組管路等）及相關(guān)油管；

②TM25-LP電液執(zhí)行器。

2）保留的部件

①危急遮斷停車控制系統(tǒng)的設(shè)備及功能；

②杠桿機(jī)構(gòu)；

③調(diào)節(jié)汽門；

④505控制器。

3）增加的部件及工作

①REXA執(zhí)行器EH2000-2-0.5D-P及控制箱；

②REXA執(zhí)行器接口支架；

③將505控制器的輸出信號(hào)由原來的20～160 mA信號(hào)改為4～20 mADC。

4）執(zhí)行器單項(xiàng)電源220 VAC，功率2 kW，執(zhí)行器掉電閥保持原位。

5）改造后調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能和運(yùn)行方式保持不變。

3.2 改造后設(shè)備性能

改造后汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍：10%～110%高限工作轉(zhuǎn)速；

轉(zhuǎn)速控制精度：≯±0.1%高限工作轉(zhuǎn)速；

轉(zhuǎn)速定值精度：≯±0.1%高限工作轉(zhuǎn)速；

系統(tǒng)靜態(tài)特性：系統(tǒng)遲緩率≯±0.1%；

定位精度小于全行程的0.3%；

重復(fù)率小于全行程的0.3%；

死區(qū)在控制信號(hào)的0.1%～5%范圍內(nèi)可調(diào)，最小可達(dá)0.05%；

輸入信號(hào)4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量。

3.3 油動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)形式

汽輪機(jī)調(diào)門力驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由REXA執(zhí)行器、杠桿反饋機(jī)構(gòu)、錯(cuò)油門和油動(dòng)機(jī)組成。根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式工作原理的組合和擴(kuò)展，可應(yīng)用于不同類型的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

改造后的液壓調(diào)節(jié)原理如圖3所示，杠桿一端通過滑動(dòng)鉸鏈與油動(dòng)機(jī)活塞桿聯(lián)接，杠桿另一端與通過鉸鏈與控制連桿聯(lián)接，控制連桿作用在錯(cuò)油門滑閥上部，REXA執(zhí)行器通過鉸鏈作用在近于控制連桿側(cè)的杠桿上。固定的壓力油分別作用在錯(cuò)油門滑閥上、下。錯(cuò)油門滑閥下油壓稱脈沖油，適用于錯(cuò)油門滑閥與油動(dòng)機(jī)活塞動(dòng)作方向相反的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖3 改造后的液壓調(diào)節(jié)原理

3.4 調(diào)門調(diào)節(jié)原理

在調(diào)門全關(guān)，REXA全關(guān)狀態(tài)下，當(dāng)高壓油與下部的脈沖油油壓符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，錯(cuò)油門閥芯在下部壓力油與上部杠桿壓桿力平衡狀態(tài)而處于中間位置，即封死油動(dòng)機(jī)油口位置，此位置為錯(cuò)油門閥芯的動(dòng)態(tài)中心位置。當(dāng)需要開啟（關(guān)閉）調(diào)門時(shí)，REXA在控制指令的作用下向上（向下）運(yùn)動(dòng)一定距離，此時(shí)連接REXA錯(cuò)油門閥芯壓桿與油動(dòng)機(jī)的杠桿以油動(dòng)機(jī)端為杠桿支點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)軸心），帶動(dòng)壓桿向上（向下）運(yùn)動(dòng)，錯(cuò)油門在下部壓力油的作用下閥芯上（下）移，導(dǎo)通油動(dòng)機(jī)上（下）部進(jìn)油口，油動(dòng)機(jī)開始向下（上）移動(dòng)。在移動(dòng)過程中杠桿以REXA輸出端為支點(diǎn)（旋轉(zhuǎn)軸心）向下（上）運(yùn)動(dòng)，促使錯(cuò)油門閥芯回中心位置，整個(gè)調(diào)節(jié)過程結(jié)束。錯(cuò)油門閥芯的中心位置可能在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中因?yàn)橛蛣?dòng)機(jī)出力的不同有約±2 mm偏差。

3.5 調(diào)門試驗(yàn)

電調(diào)改造完成后，電廠利用母管蒸汽對改造后的設(shè)備進(jìn)行零負(fù)荷沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)，調(diào)試各項(xiàng)性能均符合設(shè)計(jì)要求。圖4為改造前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令與實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線圖，可以明顯的看出轉(zhuǎn)速很不穩(wěn)定。

圖5為REXA電調(diào)改造后的轉(zhuǎn)速指令和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，可以明顯看出零負(fù)荷工況下設(shè)備慣性最小，調(diào)節(jié)的惰性不強(qiáng)時(shí)，轉(zhuǎn)速依然控制的非常穩(wěn)定。

4 結(jié)論

此次改造取消了油站及原有油管路現(xiàn)場電液轉(zhuǎn)換器TM25-LP，油站開式油源更改為REXA的閉式油源，電調(diào)設(shè)備用油減少，油質(zhì)穩(wěn)定性得到提高。濾油驗(yàn)油更換濾芯等工作量取消，消耗備件取消，設(shè)備整體能耗大大降低，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性得到極大改善。從此次拖動(dòng)汽輪機(jī)電調(diào)改造結(jié)果來看，REXA伺服電液執(zhí)行器特別適合杠桿反饋的錯(cuò)油門油動(dòng)機(jī)電調(diào)方式的電調(diào)改造，能夠有效的提升設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)減少設(shè)備維護(hù)工作量，降低設(shè)備能耗。

圖4 改造前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速指令與實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

圖5 REXA電調(diào)改造后的轉(zhuǎn)速指令和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線