自容式电液执行器在通宝焦化DEH改造中的应用

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摘 要：为了提高汽轮机调速系统的工作可靠性，改善控制精度低、迟缓率大等弊端，采用数字电液调节系统（DEH Digital Electro-Hydraulic） 改造纯液调机组是提高汽轮机稳定性有效途径。本文以武安通宝焦化厂中洛阳中重发电设备有限责任公司生产的N30/3.43汽轮机组的DEH改造为例，介绍了DEH系统组成和用自容式电液执行机构进行改造的改造方案和改造后系统的构成及工作原理。该系统的成功改造为用户增加了经济效益，提高了自动化程度和设备运行的稳定性，是自容式电液执行器首次在洛发机组上的成功应用。

关键词：DEH；改造；自容式电液执行器；汽轮机

1 引言

武安通宝焦化厂为了节能增效于2007年从洛阳发电设备厂购买了一台N30/3.43型汽轮机用于余热发电，2010年正式投运。该机组调节系统为液压系统，液压调节系统普遍存在起机过程为手动操作，起机操作复杂，运行人员素质要求高；系统复杂，控制精度低，迟缓率大，调节品质差；调节系统与系统共用油源，油液易污染，从而引起调门抖动，稳定性差，故障率高，同时随着工业自动化水平的提高，液压调节系统也不能满足机组控制高度自动化的需求。因此，于2012年使用和利时自容式电液执行器对该机组进行deh系统改造。

2 DEH系统介绍

DEH控制系统分为电子控制系统和液压调节保安系统两大部分。电子控制系统由电子控制硬件和系统软件组成。液压调节保安系统由保安系统和调节系统组成，纯液调和低压透平油系统中保安系统和调节系统共用一个油系统，自容式电液执行器和高压抗燃油系统是将原调节系统和保安系统分开，调节系统使用独立油源进行控制的系统。

2.1电子控制系统

汽轮机电液调节系统的电子控制系统国外的WESTHOUSE、ABB、西门子公司以及国内的新华、和利时、中控公司都有非常成熟的控制系统，各有特点。本次改造使用的是和利时公司的T80通用透平控制器和MACSV系统。电子控制硬件有工程师兼操作员站、智能透平控制器、通讯网络、继电器盘、操作回路等组成。DEH控制装置的控制功能主要由软件来完成，软件由windows XP 系统软件平台和MACSV应用系统软件组成来实现DEH各种功能的组态。控制系统原理图如图1所示。

图1 控制系统原理图

2.2 自容式执行器工作原理[1-3]

液压调速系统是DEH系统中的重要组成部分，本系统改造使用自容式执行器作为液压执行机构是因其兼具了低压透平油电液调节系统和高压抗燃油调速系统的优点。

自容式电液执行器由供油系统和电液伺服系统构成，系统原理图如图2。供油系统由电机、油泵、高压蓄能器、油路集成块等部件组成。供油系统上都装有两台齿轮泵，它们各由一台电机驱动。正常运行期间，只有一台油泵处于工作状态。执行机构工作用油的设计油压范围为10～14MPa。当蓄能器内的油压达到设计油压上限时，充油电磁阀得电，卸掉泵出口油压，靠蓄能器蓄存的高压油来维持执行机构的工作。一旦蓄能器内的油压降到设计油压下限，充油电磁阀失电，向蓄能器补充高压油，如此周而复始。当其中的一台油泵或马达出现故障时，可立即启动另一台备用油泵，此时可以对故障油泵进行维护或更换。

图2 自容式系统原理图

电液伺服系统包括电液伺服阀、油动机、位移传感器（LVDT）等部件组成，DEH给定一开调门或加负荷指令，经运算比较后输出一正偏值电压X，并作用在伺服阀上，伺服阀动作，从而驱动油动机动作并往上开启调门。此调门位移经油动机LVDT反馈回DEH进行比较运算，直至其偏值电压X为零后，调门便停止移动，并停留在一个新的工作位置上。

电液伺服阀采用了阀体与电子放大器集成为一体的直动式DDV（Direct Drive Valve）电液伺服阀，它将±10V给定电信号转换为大功率的液压信号。相对传统的伺服阀来讲，DDV阀具有高控制精度、高性能动态响应、稳态能耗极小、高抗污染能力和高可靠性等特点[4]。

正常的调节过程：上层指令与LVDT反馈进行比较，当指令大于反馈，伺服阀得正电压，阀芯开50%以上，油动机上腔进油，下腔排油，调门打开。当指令小于反馈，伺服阀得负电压，阀芯开50%以下，油动机下腔进压力油，下腔受力大于上腔，调门关闭。当指令与反馈偏差为零时，伺服阀阀芯回50%位，油动机保持当前位置。

快关功能：由电磁阀及卸荷阀完成，自容式执行器接收到快关或打闸信号后，电磁阀动作，卸掉卸荷阀上腔油压，卸荷阀打开，游动机下腔和回油区相通使下腔油迅速排出，使调门迅速关闭，快关时间可以达到0.2s。

3自容式改造方案

电调改造的主要工作，是将汽轮机液压调节系统改造为电液控制系统的执行器，然后配上计算机控制器，构成完整的电液控制系统，因此电液改造的关键是液压系统的改造。

3.1原调节保安系统

原调节保安系统为纯液压调节，调节保安系统图如图3所示。调速系统部分由压力变换器、错油门、油动机组成。通过手动调整压力变换器来改变脉动油压力，当脉动油压升高，错油门阀芯克服弹簧力向上运动，压力油进入油动机下腔，使油动机向上运动，从而带动调门连杆，使调门向下关闭；当脉动油压降低，错油门阀芯在弹簧力作用下向下运动，压力油进入油动机上腔，使油动机向下运动，从而带动调门连杆，使调门向上开启调门，最终实现对调门的控制。

图3 原调节保安系统原理图

该系统需要手动调节调门阀位，操作复杂，控制精度低，无法满足自动化生产的需要，而且低压系统油与调速油共用，油污染严重，容易造成调门卡瑟等问题影响汽机稳定运行，因此改造的目的是选择一个适应该机组运行状态，控制精度高，动态响应时间短，抗油液污染能力强的液压调速系统。

3.2改造方案

传统的液压系统改造方案有低压透平油纯电调和高压抗燃油纯电调两种。低压透平油纯电调改造效果与改造方案的设计关系很大，这种改造方案能够充分利用原机组液压系统，简单易行，已经得到广泛应用，但由于保留了原调节系统中的油源、放大器、错油门和油动机等液压部套，必然将这些部套原来存在的问题带到改造后的系统中，改造效果容易受原系统的影响。在该系统中调速系统要经过压力变换器、错油门、脉动油压等多个环节最终控制油动机动作，控制环节多必然造成迟缓率大，当汽机运行状态发生变化时，电子控制系统快速的做出反应给出指令而油动机不能及时调整阀门开度，将出现超调导致油动机摆动，因此液压系统要有于电子控制系统匹配的反应速度和反馈精度。高压抗燃油系统较满足改造的需求，独立的油源避免了油污染对调速系统的影响；去掉了原系统中的全部调节部件，直接放置抗燃液压油油动机在调节阀的操纵座上，对调门进行控制，控制环节少。但高压抗燃油系统使用的液压油价格昂贵，且有毒。自容式电液执行器各项控制性能指标达到高压抗燃油系统的水平，但远比高压抗燃油系统简单，且不使用抗燃油，没有由抗燃油带来的环保问题。使用独立油源，DDV阀直接驱动油动机动作，工作油压高，满足了所有设计需求并且经济可靠，是最优配置方案[5]。

图4 改造后调节保安系统图

用自容式电液执行器对原系统进行改造只需保留原系统中的保安系统，将调速系统（压力变换器、错油门、油动机及相应系统油路）全部拆除，替换成自容式油动机即可。一套完整的自容式执行器由油源、蓄能器组件、控制集成块组件、油缸组件、位移传感器组件和电气控制箱组件等组成。执行部分与泵站分离，中间通过油管路连接。改造后整个汽机的控制操作可在主控室进行远程操作，通过在操作员站的画面上给出增减的指令即可控制油动机动作从而开关调门使汽机稳定运行。改造后调节保安系统图如图4所示。

4 总结

自容式电液执行器的汽轮机数字电液控制（DEH）系统整体回路简单，由原来的通过压力变换器、错油门到油动机变为由电液转换器直接控制油动机动作，由LVDT电反馈直接反馈油缸活塞杆的实际输出位置，大大减少了控制环节，简单直接并且精准，从而提高了控制精度，定位精度小于全行程的0.1%；油动机压力高，输出刚度大，油缸动作迅速并且稳定，动态响应时间小于20毫秒，快关时间0.2秒。整个系统100%连续可调节工作，闭环伺服控制系统，具有很高的可靠性。控制死区小于全行程的0.05%。

整个系统为自动控制系统，汽机能够充分将余热转化为电能，提高了资源利用率，减少了浪费，该系统的使用具有很高的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]罗作桢.自容式电液执行器及其集成油路块：中国，CN200420121940.8[P]，2006-01-25

[2]纪云锋，罗作桢，侯林鹏.采用自容式电液执行器的汽轮机数字电液控制系统[J].发电设备，2008（4）：348-350.

[3]侯林鹏，罗作桢.和利时自容式电液执行器、低压透平油电液控制系统与Xpac电液执行器的比较[J].自动化博览，2010，8：102-105.

[4]于文库，李海涛，等.汽轮机DEH系统中电液转换器性能的分析与比较[J].汽轮机技术，2006，6（48）：193-195，217.

[5]李春.自容式DEH在大屯发电厂#4、#5汽轮机上的应用[J].机电信息，2011（3）：83-85.