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200MW机组DEH汽轮机数字式电液控制系统
200MW机组DEH——汽轮机数字式电液控制系统
作者：
张宪奎
随着电力工业的发展，200MW机组已成为电网的调峰机组，其负荷适应能力及响应速度的快慢便显得越来越重要，过去，国产200MW机组控制普遍采用传统的液压控制系统，此类系统结构复杂，控制精度低，可靠性差，传动速度慢，已远远满足不了电网调度自动化的要求。
富拉尔基发电总厂的六台哈汽轮机厂生产的200MW机组，均采用液压控制系统，从长期的运行效果看，液压调节系统不能满足定功率的要求，负荷摆动大，调节部件易卡涩，迟缓率大，调节品质差；油动机体积大，关闭时间长，甩负荷易超速；不能实现阀门的单/多阀门方式的管理，阀门重叠度大，效率低；润滑油与调节油混用，油质容易乳化，易造成调节、保安部件卡涩、锈蚀，易造成机组超速事故。
在早期的DCS改造中曾把部分机组改为电液并存的数字（DEH）控制系统。
各项指标有所提高。
但是，由于该系统仍保留了液压控制系统的一部分，用原汽机透平油及伺服机构，使得原液压系统存在的易卡涩、同步器打滑合磨损、油质差等问题没有得到彻底根除，系统的整体可靠性不高。
针对这一情况，200MW机组液压控制系统的改造应走纯电调数字控制的道路。
为此,富拉尔基发电总厂于1996年陆续对６台机组的控制系统进行了全面改造。
本文将对电调系统的结构、工作原理、以及与原纯液压式调节系统的对比进行全面的论述。
【关键词】
DEH汽轮机
一.H系统介绍:
DEH-汽轮机数字式电液控制系统,由计算机控制部分和EH液压
执行机构组成。
200MW机组纯电调型DEH--ⅢA，改变原先国产200MW机组低压油纯液压控制，采用高压抗燃油驱动的纯电调系统。
对与原高中压主汽门控制及保护系统采用两种方式改造。
一种保持原先系统不变，通过隔膜阀与EH安全系统接口。
另一种为高、中压主汽门均采用高压抗燃油油动机控制，保护系统只保留机械超速部分。
这两种方式都将高压调门、中压调门的低压油动机及凸轮配汽机构部分拆除，换成每一个高压调门，每一个中压调门分别用一个独立的高压油动机驱动。
油动机上装有一个电液伺服阀及2只LVDT位移变送器。
油动机位置可由DEH精确控制。
这样，4个高压调门、4个中压调门的位置，均由DEH系统根据转速调节、功率调节及运行方式的要求进行控制。
从而大大提高了控制精度，为实现CCS协调控制及提高整个200MW机组控制水平提供了基本保障。
首次在国产200MW机组上实现阀门管理，将更有利于汽轮机运行。
200MWDEH-ⅢA高压油系统通过OPC电磁阀和OPC油路，实现超速保护功能。
通过隔膜阀与低压安全油接口，实现停机时快关。
200MWDEH-ⅢA的硬件结构主要包括冗余电源、一对控制DPU、I/O卡（阀门控制卡、测速卡、AI卡、DI卡、AO卡、超速保护卡、Bitbus卡等）、一个操作员站（工程师站）、一个后备手操盘。
操作员站与控制DPU通过冗余数据高速公路（以太网）相连。
I/O卡与控制DPU之间通过冗余I/O网（Bitbus）相连。
后备手操盘通过硬接线直接连到阀门控制卡。
当控制DPU以上的设备发生故障时，均可由后备手操盘直接控制阀门位置。
冗余的控制DPU之间的切换，以及手动/自动之间的切换，对系统的控制来说均是无扰的。
在自动情况下，操作员主要通过操作员站的鼠标和键盘，进行各种控制操作和图象操作。
操作员指令传到控制DPU，由I/O卡执行输出控制。
二、DEH-ⅢA系统介绍：
2.1DEH-ⅢA系统功能：
DEH-ⅢA具有自动调节、程控启动、监视、保护等功能，DEH-ⅢA主要功能如下：
1.机转速控制
汽机挂闸后，由高、中压调门联合控制汽机升速到3000转/分。
2.自动停机控制
汽机到3000转/分以后，DEH接受自同期装置指令，将汽机控制到同步转速，准备并网。
3.负荷控制
机组并网后，由DEH自动加初始负荷及控制机组负荷。
可由功率和调节级压力反馈，组成串级控制系统。
4.调频
可根据需要，使机组参与一次调频。
不等率可以方便地由操作人员修改。
通常情况下不参与一次调频。
5.协调控制
接受CCS负荷指令，控制汽机负荷。
机组处于机炉协调控制方式。
6.快速减负荷（RUNBACK）
提供三档快速减负荷的速率及限制值。
使机组在不同辅机故障情况下，快减负荷。
快减负荷参数可现场修改。
7.主汽压控制
可实现低汽压保护及机调压功能。
8.多阀（顺序阀）控制提供阀门管理功能，单阀/多阀切换，进行节流调节和喷咀调节。
9.阀门试验
对汽门进行在线阀门试验。
10.OPC控制
超速保护及超速保护试验。
11.汽轮机程控启动
根据经验曲线,自动升速到全速。
12.甩负荷工况控制
甩负荷预保护功能及甩负荷后中调门根据再热汽压参与调节,迅速稳定在额定转速。
13.双机容错
主机采用完全冗余的系统配配置,软件双机容错。
14.与厂用计算机（DAS）系统或DCS通迅,实现数据共享。
15.手动控制
设有硬件手动操作功能作为备用手段。
2.2、DEH-ⅢA系统的硬件结构:
DEH-ⅢA硬件配置如附图，主要由操作员站、工程师站、基本控制DPU、与其它系统的通迅接口站以及各种I/O卡件，硬件后备手操盘等组成。
DEH-ⅢA的各站之间及控制DPU之间，由冗余的数据高速公路相连。
高速公路为以太网，符合IEEE802.3标准，通讯速率为10M，是目前最流行的通讯网络之一。
各DPU控制处理单元的I/O站，通过冗余的Bitbus工业控制网络与DPU相连。
Bitbus网络通讯速率375K，是常用的现场监控网络之一。
DEH-ⅢA的基本控制部分，由一对冗余的DPU及相应的I/O控制卡件组成。
转速测量卡（MCP卡）、模拟量控制卡（AI卡）、开关量输入卡（DI卡）、回路控制卡（LC卡）、开关量输出卡（DO卡）组成基本控制的信号输入部分。
输入I/O卡件及重要信号均采用三选二冗余配置。
由另外三块测速卡（MCP卡）及OPC卡组成超速保护控制功能块，专门用于硬件逻辑判断。
基本控制DPU软件中，同时也具有OPC控制功能。
而这一功能有硬件、软件双重保护。
由多块阀门控制卡（VCC卡）组成阀门伺服控制系统部分，每一块VCC卡用于一个阀门的控制，相互独立。
在VCC卡件的设计保证即使在主机故障情况下，也能通过硬手操盘，手动控制机组阀门，并通过其中的AO卡，显示机组阀门开度。
一块VCC卡故障只影响一个阀门，且可以立即在线更换。
操作员站由一台Pentium工业控制机组成，配一台大尺寸（20’）彩色监视器CRT。
操作员站是运行人员与DEH人机接口。
操作员可通过薄膜键盘或鼠标对DEH进行各种操作。
由于采用了全汉化的WINDOWS操作系统，操作直观，简便。
不适当的操作会被自动禁止。
因此可防止勿操作。
工程师站配置与操作员站相同。
工程师站可由专人对DEH进行组态、维护。
专业工程师在授权的情况下，可以在现场对系统进行在线或离线修改。
同时，所有运行情况和控制逻辑均可在工程师站上查看，增加了用户对系统掌握的程度，以及系统软件、硬件的透明度。
当不需要组态时，可运行与操作员站完全相同的软件，达到互为备用的目的。
DEH-ⅢA的软件固化在EEPROM或电池后备的RAM中，停电后不丢失。
工程师站组态的软件还存在工程师站本身的硬盘中，可随时调用。
因而，DEH-ⅢA的软件组态修改是透明、方便和可靠的。
但由于DEH的重要性，有关控制的组态必须要经授权和认可后才能进行。
DEH-ⅢA配一个专用的后备硬手操盘，其上主要有阀位增减按钮和阀位指示等。
由于它是通过硬件的方式直接操作阀门控制卡（VCC卡），而其阀位指示也由硬件卡给出，因而，只要VCC卡及直流电源正常，在DPU等其它计算机均故障或停电的情况下，仍能对汽机进行手动控制。
200MW机组纯电调DEH-ⅢA硬件由下列部件组成：
1个控制柜、1个端子柜、1个操作员站、1个工程师站。
具体如下：
1.01柜—基本控制计算机机柜
主要由电源、1对冗余DPU、3个基本控制模拟量输入I/O站、1个OPC超速保护站及1个伺服控制系统站组成，完成对汽轮机的基本控制功能，即转速控制、负荷控制及超速保护功能。
2.02柜—基本控制端子柜
现场信号先接到端子柜，经端子柜变换，通过内部预制电缆接到对应的I/O卡件。
另外，DEH仿真器与DEH-ⅢA的连接插头也在端子柜上。
控制实际汽轮机时，信号连到现场，带仿真器时，信号连到仿真器。
还可在现场带实际油动机和阀门进行曲仿真试验。
3.
手动操作盘：
手动操作是DEH的一种后备操作方式，当控制用的一对冗余DPU均故障时（这种情况应该说是极少的），可用手动操作维持运行，等待系统恢复，也可在操作员站发生故障时，为安全起见，切到手动操作。
运行人员通过手动操作盘对DEH进行应急手动操作。
4.液压部分：
（EH部分）
EH供油系统（油箱及油管路）
油动机
安全保护系统控制块
隔膜阀
各部套间的联接见DEH系统结构图
主汽门油动机既有改为高压抗燃油方式，也有保留原是低压油动机的方式。
两者的动作均为开/关方式，作用是汽机的安全保护，在正常调节过程中不动作。
2.3、DEH数据输入/输出方式
DEH系统就其功能来说，它是多参数多回路的反馈控制系统。
其控制回路见图3，DEH系统控制原理图。
其功能环节主要有：
给定部分，反馈部分，调节器，执行机构，机组对象等。
综合DEH的特点，分别说明如下：
2.3.1、给定部分：
DEH系统接受不同方式给出的指令，进行运算及控制。
（1）
给定方式：
操作员给定，通过人机接口站的键盘和鼠标，输入数据及控制方式；遥控给定（CCS，AS，RUNBACK等）通过I/O接口输入或其它方式输入。
（2）给定内容：
转速，功率或主汽压的目标值和变化率。
（3）数值运算回路：
目标值是需要达到的最终目标值，给定值是控制回路中当前的输入值。
在闭环情况下，任何时候实际值应该跟踪给定值。
2.3.2、信号检测及A/D转换：
（1）摸拟量检测和A/D转换
基本控制测量参数主要有：
转速WS
功率MW
调节级压力IMP
主汽压TP
再热压力RHP
测量环节：
为了提高可靠性，功率、调节级压力、主汽压都是由变送器送三块模拟量采集板进行A/D转换。
三路转换信号在计算机内三选二后进入控制回路。
转速信号是用三个变送器分别送三块MCP板，转换后，在计算机内进行三选二，再进入控制回路。
所有模拟量输入都有隔离放大器进行隔离。
（2）开关量输入、输出
基本控制主要开关量如：
挂闸ASL
油开关（并网）BR
均由二路或三路现场信号输入，DEH中由三个不同通道输入，进行三选二处理。
检测回路：
二级隔离回路。
输入和输出开关量都是常开，无源触点，闭合有效。
2.3.3、伺服控制回路：
DEH--ⅢA的控制输出，最终由阀门管理程序分配到每个阀门，给出每个阀门的开度指令，阀门开度指令送到每个阀门控制卡。
阀门控制卡中的方面伺服控制回路原理如下：
OFFSET---偏置调整
G---回路总增益
LVDTG---LVDT增益调整
LVDT0---LVDT0位调整
每个调门有一个伺服回路控制卡（VCC），典型的200MW机组共8块。
工作原理：
DEH输出的信号首先经函数变换（凸轮特性）到VCC卡，转换为阀位指令，经功率放大输出去控制伺服阀油动机。
油动机位移，经LVDT变送器转换为电压信号反馈到综合放大器与阀位指令相比较，当其二者相等时，油动机稳定在某一位置上。
2.3.4调节器及控制对象：
由以上的给定及输入，即可构成DEH的调节回路。
调节器输出最终转换为伺服系统指令，由伺服系统控制油动机，从而控制阀门开度，最终达到控制汽轮机转速及功率的目的。
2.4自动调节系统：
DEH自动调节系统主要有转速调节系统，负荷调节系统。
控制回路有高压调门控制回路（GV），中压调门控制回路（IV）。
各回路按一定的逻辑协调工作。
其主要控制回路工作原理如下：
2.4.1转速控制：
汽机转速由高、中压调门联合控制。
高中压调门之间流量指令比例关系在并网后为1：
3，即高压1/3时，中压全开。
在转速控制期间，加上压力修正，修正系数最大为3，最小为1。
油开关状态BR由机组运行状态决定，转速调节器为常闭的PI调节器。
高压主汽门和中压主汽门不参与转速调节，只作机组安全保护。
2.4.2负荷控制：
负荷调节是三个回路的串级调节系统，通过对高压调门的控制来调节机组负荷。
三个回路是：
内环调节级压力回路（IMP），调节器为P3、I3，给定值为REF2。
中环功率调节回路（MW），调节器为P2、I2，给定值为REF1。
外环转速一次调频回路（WS），调节器为1/δ，给定值REFDMD。
给定值变换过程：
负荷参数（REFDMD）经一次调频修正后变功率给定REF1。
其值经功率调节器修正后变为调节级压力给定REF2。
最后经过阀门管理变换后变为阀位指令（VP）。
在额定工况下，REFDMD、REF1、REF2都为其额定值，其相对值都为1。
三个回路能自动或手动切除或投入，可以很方便构成各种运行
方式，如下表，当CCS未投自动时，建议采用阀位控制（即开环控制）。
2.4.3其他控制方式:
（1）自动同步调节（AS）
（2）协调控制CCS
（3）快速减负荷RUNBACK
（4）程控启动
这些方式对DEH--ⅢA来说,仅是给定值方式不同而已,调节回路与上面相同。
主汽压控制
在此种方式下，由汽机来调节机前压力。
此时，与调功率往往是矛盾的，不能同时满足，因而功率控制回路与主汽压控制回路是互拆的，不能同时投入。
有以下两种方式：
机调压功能：
将主汽压调节到给定值上。
低汽压保护（TPC）：
只有在主汽压低于设定值时才进行调节。
2.5手动控制系统：
手动控制系统是通过阀门控制卡（VCC卡）,用阀门增、减按钮,直接控制各阀门的开度。
因而，保证在DPU故障情况下，仍能通过手动操作按钮，控制阀门，维持汽机运行，等待DPU恢复后，再投自动。
手动时增减阀门，还有一些逻辑限制条件，起到防止误操作的作用。
手动、自动系统相互跟踪，可以无扰切换。
当自动系统故障或检测到某些条件时，系统自动切到手动运行。
2.6OPC系统：
机组超速保护系统（OPC），有二条回路可以启动。
原理如下：
1．调节级压力IMP>30%，既机组运行在30%负荷以上时，油开关跳闸同时出现时，启动触发器，输出OPC全关信号失去GV、IV。
延时3~4秒后，转速N<103%，触发器复位。
2．任何情况下，只要转速N>103%，关GV和IV，N<103%时恢复。
转速和压力信号由硬件板MCP检测和逻辑判断。
为了提高可靠性，OPC控制逻辑采用三选二方式。
另外，OPC信号或ETS动作信号还可以直接送到伺服控制回路，通过电液伺服阀，将阀门关闭，防止机组超速。
电磁阀回路阀门关闭时间为0.2~0.3秒，能有效地防止机组超速。
3．DEH还提供了110%超速信号。
2.7监视系统
现场来的信号和DEH---ⅢA的数据，通过数据高速公路直接送到操作员站和工程师站，再由操作员站PC机将处理过的信息送到CRT显示和打印机上打印。
打印机能完成各种画面打印、越限报警打印以及事故追忆打印等。
工程师站上也有和操作员站相同的信息。
DEH---ⅢA操作员站提供了监视汽机运行状态的典型画面。
总画面可不少于200幅。
所有画面均可由用户很方便地进行添加和修改，包括事故追忆内容等。
2.8阀门管理
200MW汽轮机有4只中压调节阀，每只调节阀有一个独立的伺服控制回路，阀门的开启需要一个专用程序进行管理，使阀门开启预先设定的顺序进行。
根据汽机运行的要求，设计两种控制方式。
第一、单阀控制。
所有高压调门开启方式相同，各阀开度一样，好比一个阀控制一样，故叫单阀方式。
特点：
节流调节，全周进汽。
第二、多阀控制。
调门按预先给定的顺序，依次开启，各调门累加流量呈线性变化，200MW机组调门开启次序，如图所示。
特点：
喷咀调节，部分进汽。
一般冷态启动或带基本负荷运行，要求全周进汽，即用单阀控制方式。
机组带部分负荷运行，为了提高经济性，要求部分进汽，即多阀控制方式。
单阀控制与多阀控制二种方式之间可无扰动切换。
阀门管理任务由软件系统完成，主要程序如下：
1、阀门特性曲线产生程序
2、单阀控制程序
3、多阀控制程序
4、单/多阀转换控制程序
操作台设有单阀控制，多阀控制按钮，按动按钮，能在2—3分钟内平稳地完成单阀控制，多阀控制的相互转换。
阀门管理方块图和特性曲线如下：
2.9程控启动
200MW机组一般只有程序控制，而不设ATC控制，即DEH可以按照冷态、热态、温态等的不同经验曲线，自动进行升速，而不进行应力检测与控制。
2.10系统仿真及仿真器
DEH系统主要包括DEH控制器和控制对象，即汽轮机、锅炉、电机，这个对象用实物难以进行研究。
为了对系统研究、调试，就必须进行系统仿真。
所谓仿真，就是将实物系统数学模型化，利用数学模型对系统研究的一种方法。
控制机与控制对象全部用数学模型来研究叫纯数学仿真，控制机用实物，对象用模型的仿真叫半实物仿真。
对DEH系统工程，我们在纯数学仿真的基础上，将对象模型做成一个便于携带的装置，这就是仿真器。
可把仿真器带到电厂，在实际机组不启动的情况下，用仿真器与控制机相连，形成闭环系统。
可以对系统进行闭环，静态和动态调试，包括整定系统参数，检查各控制功能，培训操作人员等。
DEH---ⅢA仿真系统原理方块图如下：
2.11DEH系统可靠性设计
1、双机容错系统
DEH---ⅢA型系统采用双主机切换运行。
系统故障检测和判别由容错系统进行。
故障类型包括：
通讯故障，差值故障等，通道检测故障等。
主控机故障自动切到备用机上运行，故障恢复，又自动升为双机运行。
如双机均故障
，则自动切到手动运行。
2、三选二系统
主要变送器采用冗余设计
（1）转速：
三个测速头分别进入三块测速板，三路同时进入计算机，机内三选二后进入控制回路。
（2）主汽压、调节级压力通过三个变送器进入模拟量转换板进入计算机，三选二后进入控制回路。
（3）其它模拟量单变送器，三个转换器，机内三选二。
（4）OPC控制板为三选二系统。
3、并联贮备设计
（1）电源:
双路交流电源供电
（2）双路直流电源供电,1:
1冗余
（3）OPC电磁阀采用双电磁阀并联系统.
4、双路数据通讯
5、系统硬件和软件各种抗干扰措施的采用
（1）模拟量输入,用隔离放大器隔离外界的干扰.
（2）开关量输入输出,继电器隔离和光电隔离.
（3）输入滤波的采用
滤去突变的各种干扰量.
6、元器件的筛选，老化
主要器件,如微机等,全用进口件.
元件筛选,老化,整机考机试验,在出厂前进行带仿真器考验.
采用以上各种措施,使DEH---ⅢA装置的可靠性大提高.
7、元器件降额使用
8、系统具有自检功能
9、在线维护或更换
三.EH系统组成及介绍
3．1
EH系统包括供油系统,执行机构和危急遮断系统,供油系统的功能是提供高压抗燃油,并由它来驱动伺服执行机构,执行机构响应从DEH送来的电指令信号,以调节汽轮机各蒸汽阀开度.危急遮断系统是由汽轮机的遮断参数所控制,当这些参数超过其运行限制值时,该系统就关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门,或只关闭调节汽阀。
3.2供油系统
EH供油系统由供油装置、抗燃油再生装置及油管路系统组成。
3.2.1供油装置
供油装置的主要功能是提供控制部分所需的液压油及压力，同时保持液压油的正常理化特性和运行特性。
它由油箱、油泵、控制块、滤油器、磁性过滤器、溢流阀、蓄能器、泠油器、EH端子箱和一些对油压、油温、油位的报警，指示和控制的标准设备以及一套自循环滤油系统和自循环冷却系统所组成。
3.2.1.1油箱
设计成能容纳900升液压油的油箱（该油箱的容量设计满足1台大机组和2台5%小机的正常用油）.考虑抗燃油内少量水分对碳钢有腐蚀作用,设计中全部采用不锈钢材料.
油箱板上有液位开关（油位报警和遮断）、磁性滤油器、空气滤清器（兼作加油口）、控制块组件等液压元件。
另外，油箱的底部外侧安装有一个加热器以使油温低于20℃时加热EH油。
3.2.1.2油泵
考虑到系统工作的稳定性和特殊性，系统采用高压变量柱塞泵，并采用双泵工作系统，当一台泵备用，以提高供油系统的可靠性，两台泵布置在油箱的下方，以保证泵的吸入压头。
EH油泵工作原理
由交流马达驱动高压柱塞泵，通过油泵吸入滤网将油箱中的抗燃油吸入，从油泵出口的油经过压力滤油器通过单向阀流入高压蓄能器，和该蓄能器联接的高压油母管将高压抗燃油送到各执行机构和危急遮断系统。
泵输出压力可在0～21Mpa之间设置。
本系统允许正常工作压力设置在11.0～15.0Mpa。
油泵启动后，油泵以全流量约85L/mim向系统供油，此时系统油
压在0开始上升到9。
2Mpa时给蓄能器供油，当油压到达系统的整定压力14Mpa时，高压油推动恒压泵上的控制阀，控制阀操作泵的变量机构，使泵的输出流量减少，当泵的输出流量和系统用油流量相等时，
泵的变量机构维持在某一位置，当系统需要增加或减少用油量时，泵会自动改变输出流量，维护系统油压在14Mpa。
但当系统瞬间用油量很大时（例汽轮机阀切换）时蓄能器才参与供油。
溢流阀在高压油母管压力到17±0.2Mpa时动作，起到过压保护作用。
各执行机构的回油通过压力回油管先经过3微米油滤油器然后通过冷油器回至油箱。
高压母管上压力开关63/MP以及63/HP、63/LP能自动启动备用油泵和对油压偏离正常值时进行报警。
冷油器出水口管道装有油箱温度控制器,油箱内也装有油温过高报警的测点及油位报警和遮断的装置,油位指示安放在油箱的侧面.
3.2.1.3控制块
控制块安装在油箱顶部,它加工成能安装下列部件:
a.四个10微米的滤芯,每个滤芯均分开安装及封闭。
b.两个单向阀装每个泵的出口侧高压油路中。
c.一个溢流阀位于单向阀之后的高压油路中，它用来监视油压，并且当油压高于设计值时，将油送回油箱，保证系统正常的工作压力。
d.两个截止阀，正常全开，装在单向阀之后的高压管路上，手动关闭其中的一个阀门，只隔离双重泵系统中的一路，不影响机组的运行，以便对该路的滤器、单向阀以及泵等进行在线维修或更换。
3.2.1.4磁性过滤器
在油箱内回油管出口下面，装有一个200目的不锈钢网兜，网兜内有一组永久磁钢组的磁性过滤器，以吸取EH油中的金属垃圾.同时整套滤油器可拿出来清洗及维护。
3.2.1.5蓄能器
一个高压蓄能器装在油箱旁边，吸收泵出口压力的高频脉动分量，维持油压平稳。
此蓄能器通过一个蓄能器块与油系统相连，蓄能器块上有二个截止阀，此阀能将蓄能器与系统隔绝并防掉蓄能器中的高压EH油，以进行实验与在线维修。
3.2.1.6冷油器
二个冷油器装在油箱上，冷却水在管内流过，而系统中的油在冷油器外壳内环绕管束流动。
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