崔懷明

(國能神華九江發(fā)電有限責任公司 江西九江 332500)

汽輪機是火力發(fā)電廠中的主要設備，在高溫與高壓工況下可發(fā)揮將所產(chǎn)生的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機械功的重要作用。數(shù)字電液控制系統(tǒng)則是協(xié)助汽輪機維持正常運行狀態(tài)的核心系統(tǒng)類型，可保證汽輪機組運行的安全性與穩(wěn)定性，其性能直接關聯(lián)著發(fā)電機組是否能夠保證運行的經(jīng)濟性與安全性。伴隨火電廠的不斷發(fā)展，其自動控制系統(tǒng)同樣獲得了持續(xù)更新，相應模型參數(shù)不斷被改進，充分發(fā)揮了其在供電過程中頻率性能優(yōu)勢，尤其是在汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)出現(xiàn)后，無論是進口閥控制還是電網(wǎng)頻率輸出均保證了控制的精確性。基于此，針對火電廠汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)展開設計分析并進行關鍵內(nèi)容的優(yōu)化，具有極為重要的現(xiàn)實意義。

1 汽輪機電液控制系統(tǒng)

1.1 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)結(jié)構組成

此系統(tǒng)的基本形態(tài)主要包括用于功能控制的人機交互界面、測量元件、執(zhí)行機構以及控制裝置等，包含了電子控制裝置與高壓抗燃油供油系統(tǒng)等。

一是電子控制裝置是包含了工程師站、操作員站以及控制柜，并需要提供配套的手操盤。二是高壓抗燃油供油系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要作用在于保證高壓抗燃油提供的穩(wěn)定性，為汽輪機閥門伺服機構與危機跳閘系統(tǒng)等提供驅(qū)動力。該系統(tǒng)通常包含了2 套泵組，為提高效率可同時工作或互為備用。三是執(zhí)行機構。在汽輪機中所安置的調(diào)節(jié)閥與高壓主汽閥等皆可作為汽輪機的控制閥門，每個閥門均配備單獨的油動機與伺服回路控制系統(tǒng)[1]。由電子控制系統(tǒng)將電子指令輸出后，經(jīng)伺服放大器處理即可傳輸至電液轉(zhuǎn)換器，從而將液壓信號輸出，促使電液轉(zhuǎn)換器主閥移動。其中，伺服閥也被稱之為電液轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑤斎氲碾娦盘栟D(zhuǎn)換為液壓信號，通常包含一個力矩馬達與配套的機械反饋系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)功能組成

1.2.1 汽輪機自動程序控制

此功能可對汽輪機的實時運行參數(shù)進行全面監(jiān)視，從而是在較少的人工干預條件下實現(xiàn)盤車轉(zhuǎn)速帶的同步效果，直至達到滿負荷全過程控制的根本目的[2]?；谧詣映绦蚩刂颇軌蛞罁?jù)內(nèi)外部所提供的熱應力大小設定相應的升速率、負荷率，并能夠始終將轉(zhuǎn)子的應力控制在對應范圍內(nèi)。從實際應用情況來看，無論是并網(wǎng)過程還是閥門切換，均可持續(xù)對其邏輯回路進行完善并自動實現(xiàn)。

1.2.2 汽輪機閥門管理

汽輪機處于不同類型的運行環(huán)境下，為將機組經(jīng)濟性與快速性進一步提升，切換進氣方式極為重要。通常使用數(shù)字電液控制系統(tǒng)切換閥門的控制方式，達到兩種經(jīng)濟模式靈活切換的目的。

1.2.3 閥門試驗功能

基于數(shù)字電壓控制系統(tǒng)能夠逐個對閥門的運行效果進行實驗，從而確保發(fā)生事故后能夠在第一時間可靠關閉相應閥門，主要包括活動試驗與閥門嚴密性試驗兩種試驗類型。

1.2.4 甩負荷控制與超速控制

超速控制功能實現(xiàn)主要基于OPC 電磁閥，可實現(xiàn)主氣閥與調(diào)節(jié)閥的快速關閉，從而有效避免汽輪機由于轉(zhuǎn)速過快而導致跳閘甚至飛車事故等現(xiàn)象[3]。甩負荷預警器則一般應用于超出30%額定負荷的檢測，通過對電磁閥動作的控制關閉相應汽門。這種情況下負荷將自動歸零并由系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速控制回路的切換。

1.2.5 監(jiān)控功能

汽輪機機組無論是處于運行還是停機狀態(tài)下，均由監(jiān)控系統(tǒng)進行統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)控，主要包括運行狀態(tài)各類參數(shù)的顯示、狀態(tài)指示器以及發(fā)生故障后顯現(xiàn)出的提示信息。屏幕界面的監(jiān)測需要獲取到汽輪機運行的關鍵參數(shù)，進而顯示出其相應的運行曲線，體現(xiàn)出內(nèi)部程序的實際運行狀態(tài)。

1.3 數(shù)字式電液控制系統(tǒng)在實際使用過程中所存在的不足之處

以350 MW 汽輪發(fā)電機組為例，基于對其結(jié)構組成與功能組成的全面分析，聯(lián)系機組的實際工作情況即可發(fā)現(xiàn)此類汽輪機設備的數(shù)字電液控制系統(tǒng)存在著較多的應用不足之處。

一是設計的調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)不合理，尤其是在現(xiàn)場工況復雜且多變的條件下，受氣壓干擾的影響使系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應用效果相對較差。二是汽輪機系統(tǒng)相對較為復雜，并需要保證給予發(fā)電機組與鍋爐系統(tǒng)之間的運行協(xié)調(diào)性，需要控制的參數(shù)較多且有著較高的精度要求[4]，這就使控制系統(tǒng)在實際使用過程中很容易出現(xiàn)控制不及時與不同步的情況。三是從工藝設備的角度來看，汽輪發(fā)電機組在質(zhì)量監(jiān)控不到位與調(diào)試把控不嚴格的條件下，使其在實際應用過程中表現(xiàn)出了汽輪機軸振偏大的不良現(xiàn)象。四是所使用的閥門密閉性相對較差，尤其是在對缸溫信號數(shù)據(jù)進行檢測的過程中，若參數(shù)設置不合理則會增大機組跳閘甚至大軸彎曲等現(xiàn)象的發(fā)生風險。

2 數(shù)字電液控制系統(tǒng)的設計要點

2.1 硬件配置

對數(shù)字電液控制系統(tǒng)來說，在硬件配置方面主要包含了控制柜、電源柜、工程師站以及操作員站等。舉例設計方案共設置4個機柜。第一個控制柜用于對計算機柜進行控制，具備系統(tǒng)的基本控制功能，包括轉(zhuǎn)速、負荷的全面控制，兼顧了超速保護的相關功能[5]；第二個控制柜為基本控制端子柜，展開對汽輪機進行控制的過程中，可將信號與就地設備相連接；第三個機柜為電源柜與繼電器柜；第四個機柜為網(wǎng)絡柜。圖1為數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)機柜布置圖。

圖1 數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)機柜布置圖

2.1.1 網(wǎng)絡配置

無論是信號傳遞系統(tǒng)還是工程師站以及操作員站，所有的硬件設備均需要基于控制柜中的DPU相互連接，并與下方控制板卡建立聯(lián)系從而保證控制的實時性。

2.1.2 模塊選擇

一是閥定位模塊。閥門的開度是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制與負荷控制的重要基礎，需要基于控制系統(tǒng)形成對應的閥位控制定值，形成對應每個閥門的指令并將其傳遞到液壓伺服卡，達到對閥門位置進行精準控制的目的。舉例系統(tǒng)中所使用的閥定位模塊主要為對閥門的閉環(huán)位置進行控制，起到了連接控制系統(tǒng)與電液伺服驅(qū)動的重要作用，并且有處理器保證閥門定位的精準性[6]。此類定位模塊將控制器對閥門的位置設定值予以充分利用，可將指令信號對應輸出，并在微處理器的配合下提供閥位設定值所對應產(chǎn)生的冗余輸出控制信號，經(jīng)由伺服閥執(zhí)行器上的線圈處理后即可保證閥位控制的及時性。位移傳感器主要安裝在閥桿上，基于閥位信號的檢測可建立控制效果較好的閉環(huán)回路。

二是速度檢測模塊。此模塊主要用于對詞組探頭輸出信號的測量，基于信號頻率的分析即可明確汽輪機實時運行速度。現(xiàn)場卡與邏輯卡是速度檢測模塊的主要組成結(jié)構，現(xiàn)場卡主要用于針對探頭所獲取到的脈沖輸入信號的讀取，而邏輯卡則可將獲取的速度信號進行轉(zhuǎn)換后輸入對應系統(tǒng)，可提供需求的邏輯功能。舉例系統(tǒng)中主要包含了數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、熱電阻輸入模塊以及熱電偶輸入模塊。

2.2 軟件設計

2.2.1 轉(zhuǎn)速控制

并網(wǎng)前首先需要汽輪機沖轉(zhuǎn)，將汽輪機啟動后完全開啟高壓與中壓調(diào)節(jié)閥，基于主氣閥調(diào)節(jié)器對高壓進氣量進行控制，進而達到轉(zhuǎn)速控制的目的。設定值達到后即可對控制回路進行切換，主氣閥門全開與控制電流開環(huán)的條件下，對應的高壓調(diào)節(jié)閥控制回路具有閉環(huán)特點?；芈非袚Q完成后則需要將汽輪機持續(xù)升速至3 000 r/min。對轉(zhuǎn)速進行控制主要依賴于數(shù)字電液控制系統(tǒng)的速度規(guī)定與測速模塊所獲取到的信號，偏差比較后即可形成對應調(diào)節(jié)器的閥位指令，只需要基于伺服閥的轉(zhuǎn)換即可控制閥門開度，促使汽輪機的轉(zhuǎn)速逐漸匹配預定值，進而將轉(zhuǎn)速偏差完全消除。圖2為轉(zhuǎn)速控制的主要回路框圖。

圖2 轉(zhuǎn)速控制的主要回路框圖

2.2.2 功率控制

開環(huán)與閉環(huán)是功率控制的兩種類型，其中開環(huán)控制主要為閥位控制，需要操作人員對功率的實時變化進行關注，基于閥位的操作設定即可對氣門開度進行改變，達到靈活控制的目的。此類控制方案對于操作人員有著相應的技術要求，操作人員不僅控制權力較大，且整個操作過程具有靈活性的特點，是閉環(huán)控制一旦失效后的有效后備。

閉環(huán)控制條件下可將實際功率與功率指令的信號相比較，校正控制器后即可完成調(diào)節(jié)及壓力給定的轉(zhuǎn)換，此時一級壓力指令與機組實際的運行功率相匹配。而在使用調(diào)節(jié)級壓力對回路進行控制的過程中，經(jīng)功率校正回路的處理使對應的輸出可與給定的壓力反饋信號相比較，基于控制器的矯正完成后即可將其轉(zhuǎn)換為閥門的開度信號。數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中通常包含了調(diào)節(jié)壓力回路與功率控制回路，所形成的串級控制回路能夠?qū)⒐β士刂苹芈放c調(diào)節(jié)機壓力調(diào)節(jié)回路分別作為外環(huán)與內(nèi)環(huán)。若受到負荷設定值改變的影響，對應的內(nèi)環(huán)回路將快速響應完成相應控制，在第一時間將擾動的影響予以消除[7]。配合外環(huán)功率回路的適當修正負荷與設定值的偏差，可確保實際的負荷與預先設定值相同?；诖壙刂浦械膬?nèi)回路可將調(diào)節(jié)的快速性予以強化，進而將因蒸汽參數(shù)所帶來的內(nèi)部擾動因素予以消除。

2.2.3 監(jiān)控系統(tǒng)舉例的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要基于 Ovation 系統(tǒng)展開設計與研究工作，作為一種具有分散性特點的控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要應用于智能電廠與數(shù)字電廠領域，其特有的多網(wǎng)絡結(jié)構保證了決策支持、數(shù)據(jù)集成以及綜合優(yōu)化應用的效果，滿足了用戶對當下所使用控制系統(tǒng)的功能需求[8]。在配套相應數(shù)量的核心交換機條件下，可連接公共系統(tǒng)與輔助控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完美映射、數(shù)據(jù)集成以及互鎖等綜合操作，確保操作人員即使是在同一控制室內(nèi)同樣可以對連接的多臺機組進行全面監(jiān)視與相關操作，達到了對歷史數(shù)據(jù)采集與存儲流程予以簡化的重要目的。

3 數(shù)字電液控制系統(tǒng)的優(yōu)化處理要點

基于對數(shù)字電液控制系統(tǒng)中所包含硬件與軟件的全面分析，聯(lián)系實際工作情況可發(fā)現(xiàn)汽輪發(fā)電機組在設備設施、控制邏輯以及工藝流程方面存在著較多急需改進的問題。例如：系統(tǒng)所研究的主要為350 MW的循環(huán)流化床鍋爐與單抽氣式汽輪發(fā)電機，從其實際應用情況來看表現(xiàn)出了諸多問題?；趯σ陨蟽?nèi)容的深入研究，可梳理出問題的改進思路，可基于此類優(yōu)化方案將機組的整體運行效能進一步提升，并保證其運行的安全性。

3.1 5X與6X軸承振動較大所誘發(fā)的保護跳機

針對此類問題所需要采取的改進措施如下。

3.1.1 機械安裝的角度

首先，充分發(fā)揮機組檢修機的應用優(yōu)勢，結(jié)合機組的實際運行情況對各個軸承的載荷進行重新計算與分配，從而避免產(chǎn)生極個別軸瓦承載過大的現(xiàn)象影響到其運行質(zhì)量；其次，需要對各個軸瓦的軸徑進行質(zhì)量檢測，若發(fā)現(xiàn)有缺陷產(chǎn)生則需要及時進行修補，確保零部件的表面質(zhì)量滿足運行質(zhì)量需求；再次，需要對各個軸承段轉(zhuǎn)子的頂起高度進行檢查與科學調(diào)整，確保所頂起的高度與制造廠的相關規(guī)范要求相匹配，通過對轉(zhuǎn)子揚度的檢查與調(diào)整即可確保設定參數(shù)滿足規(guī)范要求；最后，各個油檔與各個軸段的間隙也應進行檢查與調(diào)整，設定匹配參數(shù)即可滿足制造廠對零部件的相關規(guī)范要求；另外，各個軸瓦的下瓦套與軸承之間的接觸質(zhì)量需要進行全面檢查，保證二者的接觸良好性是避免產(chǎn)生軸承振動的關鍵因素。

3.1.2 控制啟動角度

對控制邏輯進行持續(xù)優(yōu)化，從而確保在機組正式啟動前基于機組的狀態(tài)對蒸汽參數(shù)進行科學調(diào)整，確保設定的參數(shù)匹配氣缸的實際溫度。在機組啟動過程中，一般選擇具有低參數(shù)與大容量特點的啟動方法，要保證轉(zhuǎn)子與氣缸的膨脹一致性。啟動邏輯方面則需要保證蒸汽參數(shù)平穩(wěn)變化的控制有效性，避免產(chǎn)生大幅度波動現(xiàn)象，從而影響到汽輪發(fā)電機組的運行質(zhì)量。

3.2 轉(zhuǎn)子彎曲變形

受閥門關閉不嚴的影響，使得在汽輪機運行過程中極有可能導致管道內(nèi)的冷凝水大量進入高壓缸中，這就使在機組實際啟動的過程中存在上下缸溫差較大的現(xiàn)象，進而導致汽輪機的缸體產(chǎn)生了較為嚴重的溫差變形。在部分汽封間隙逐漸變小甚至消失的條件下，汽輪機在沖轉(zhuǎn)完成與高速轉(zhuǎn)動的過程中其動靜部分將發(fā)生較為嚴重的摩擦，對應轉(zhuǎn)子的表面局部應力將有超出材料屈服極限的可能，這也是導致高壓轉(zhuǎn)子永久彎曲變形的主要原因。

改進措施主要包括以下幾點：一是需要對汽輪機的啟動相關邏輯進行優(yōu)化，明確禁止啟動的必要條件并將汽輪機的啟動熱控制邏輯進行固化，若條件不滿足則嚴禁啟動汽輪機；二是需要依照相關要求采取防止汽輪機進水的一系列措施，這就需要對汽輪機本體輸水管道的操作邏輯進行優(yōu)化，做好疏水閥的改進工作。

3.3 低壓缸噴水問題

實際調(diào)試過程中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)低壓缸噴水表現(xiàn)出了一定的邏輯問題，不僅無法保證低壓缸的自動噴水及時性，轉(zhuǎn)換為手動操作后仍然有可能無法起到操作作用。

針對此問題的改進措施主要為對配置環(huán)節(jié)的邏輯進行檢查，優(yōu)化操作邏輯后即可達到解決目的。以往的低壓缸噴水出廠前通常是由PID 設定的相應邏輯值，使得其使用性能較差。而若改回開閉則在邏輯正確的情況下即可解決相應問題。

3.4 轉(zhuǎn)速探頭顯示問題

低速度條件下轉(zhuǎn)速探頭顯示相應數(shù)據(jù)，而高速條件下探頭數(shù)據(jù)不顯示為常見問題。此問題的改進措施主要是對探頭的安裝距離與測量范圍進行全面檢查，并對探頭距離重新調(diào)整，能夠起到避免由于距離過大而導致探頭測量范圍超出的作用，從而保證轉(zhuǎn)速探頭獲取信息的全面性與準確性。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對火電廠汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)結(jié)構與功能組成的分析，聯(lián)系其運行的實際情況可發(fā)現(xiàn)存在于控制系統(tǒng)應用過程中的不足之處。結(jié)合系統(tǒng)的軟硬件設計要點，即可制訂相應的優(yōu)化方案，并能夠針對控制系統(tǒng)應用環(huán)節(jié)所發(fā)生的實際問題展開相應優(yōu)化處理，借由優(yōu)化過后的相應控制程序即可將控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性進一步提升，是維持汽輪機正常運行狀態(tài)的重要基礎。