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汽轮机数字电液控制系统( DEH)的结构功能及其与CCS的接口

时间:2012-07-23 13:26来源: 作者:邢红涛 点击:
摘 要 :介绍了汽轮机数字电液控制系统(即DEH系统)的一般功能及硬件、软件的结构。着重介绍了协调控制系统(CCS)与DEH系统密切相关的几个重要信号CCS指令信号、RB信号、FCB信号的产生,它们与DEH相互联系的方式以及对DEH指令信号的作用,并剖析了投入协调运行后汽轮机控制
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    摘  要:介绍了汽轮机数字电液控制系统(即DEH系统)的一般功能及硬件、软件的结构。着重介绍了协调控制系统(CCS)与DEH系统密切相关的几个重要信号——CCS指令信号、RB信号、FCB信号的产生,它们与DEH相互联系的方式以及对DEH指令信号的作用,并剖析了投入协调运行后汽轮机控制系统、协调控制系统作为一个整体时的工作原理及工作方式。
    关键词:DEH系统;协调控制系统(CCS);RB信号;FCB信号

    汽轮机数字电液控制系统(Digital Electric-Hydraulic Control System,以下简称DEH)是当今汽轮机特别是大型汽轮机必不可少的控制系统,是电厂自动化系统最重要的组成部分之一。现代DEH系统由于采用计算机控制技术为核心的分散控制系统结构,提高了控制精度,并且能够方便地实现各种复杂的控制算法。其执行部分由于采用了液压控制系统,具有响应快速、安全、驱动力强的特点。

1DEH系统的硬件结构
    DEH系统主要由计算机控制部分与液压控制部分(EH)组成。DEH部分完成各种控制回路、控制逻辑的运算,通过操作员站等人机接口设备完成运行操作、监控及系统管理。根据对汽轮机、发电机运行参数的实时采集,经过各种控制策略、控制回路的运算,将最终的阀门控制指令输出到执行机构,通过EH系统由液压执行部件驱动阀门完成对机组的负荷、转速、压力等被调节变量的控制。人机接口是操作人员或系统工程师与DEH系统的人机界面。操作员通过操作员站对DEH进行操作,给出汽轮机的运行方式、控制目标值等各种控制指令,完成各种试验,进行回路投切等。
    EH系统是DEH的执行机构,主要包括供油装置(油泵、油箱)、油管路及附件(蓄能器等)、执行机构(油动机)、危急遮断系统等。供油系统为系统提供压力油。执行机构响应DEH的指令信号,控制油动机的位置,以调节汽轮机各蒸汽进汽阀的开度,从而控制汽轮机运行。危急遮断系统响应控制系统或汽轮机保护系统发出的指令,当DEH发出超速控制信号时,紧急关闭调节阀;当汽轮机保护系统发出停机信号或机械超速等动作引起汽轮机安全油泄去时,危急遮断系统紧急关闭全部汽轮机蒸汽进汽门,使机组安全停机。调门的安全油为OPC油,主汽门的安全油为AST安全油。OPC安全油泄去时,调门快速关闭;AST安全油泄去时,同时通过单向阀泄去OPC安全油,所有阀门快速关闭,汽轮机紧急跳闸。
    综上所述,DEH的硬件系统由控制运算部分、执行机构、危急跳闸系统组成。控制运算部分是DEH系统的核心,由控制柜(包含分散控制单元DPU、通讯板、I/O板)、端子柜、跳闸控制柜等构成,完成对现场采集信号的处理、网上传送、控制回路运算、逻辑功能运算等。执行机构包括主汽门、调节门、油动机、电液伺服阀及供油系统等。跳闸回路完成机组危急遮断功能。具体构成见图1。


2DEH的一般功能
    新型的DEH系统,除了能够完成负荷控制、转速控制等常规控制功能外,一般还具有各种汽轮机功能试验、阀门试验和超速试验等许多附属功能。以DEH—IIIA型系统为例,新型DEH系统常具备以下功能。
2.1摩擦检查
    机组在操作员自动状态,挂闸,操作员投入摩擦检查功能,自动设置某一转速目标值及升速率,转速升到后,目标值置零,调门关下,进行摩擦检查。再按摩擦检查按钮,退出摩擦检查方式。
2.2升速
2.2.1自动方式
    投操作员自动、挂闸,选择控制方式,操作员设定转速目标值、转速升速率,汽轮机逐步打开调节门,自动提升转速。在此过程中,当目标值通过临界转速区时,系统自动设置升速率为最大值。此时设置其它转速目标值无效,保证汽轮机以最快的速度通过临界转速区。
2.2.2程控方式
    汽轮机挂闸启动后,如选择程控启动方式,系统会根据机组热力、应力特性要求,自动设定转速目标值,各阶段暖机的转速及时间,实现启动冲转过程的全程自动。另外,由于考虑了机组本身热力特性,对延长机组本体使用寿命,提高热效率也有很大帮助。
2.3自动同期
    机组升速到同期转速区,电气专业投入同期装置后,向DEH发出“同期允许”信号,DEH系统接收此信号并投入“自动同期”功能,并将此“投入”信号返回电气控制系统。同期装置根据机组转速与网频的差距,向DEH发送“同期增减”信号以调整机组转速与网频同步,准备机组并网。此时DEH处于一种“遥控”状态。
2.4并网带负荷
    机组并网成功后,控制系统将功率目标值设定为额定功率的2%~5%,目标值和给定值为相应功率的阀位开度。投入功率回路后,操作员可设定负荷目标值及升降负荷率,机组功率值将以此速率向目标值变化。投/切功率回路瞬间,给定值、目标值应该自动跟踪机组功率值,实现回路投切过程无扰动。
2.5参与一次调频
    DEH系统均设计有一次调频回路,其工作原理是:机组转速以3 000 r/min为目标值,频差以一定的函数对应为负荷指令叠加到目标值上。一般的频差——指令函数曲线见图2。为防止反复调节引起振荡,应设置一定的频差控制死区。

2.6参与协调控制
    大型机组的协调控制是机组必备的功能之一。实现CCS与DCS一体化后,在控制系统内部实现汽轮机与锅炉的协调控制会更加方便、安全。协调控制的实现,综合考虑了机侧与炉侧不同被控对象的特性,在很大程度上改善了机组的负荷响应能力,也减少了运行人员由于负荷变动进行的运行操作,降低了劳动强度。
    协调控制的基本原理是:当允许条件满足时,投入“DEH遥控”按钮,机组的负荷定值将由CCS回路控制,DEH系统负责将接收到的CCS负荷指令转换成相应阀门开度指令送给执行机构,控制机组的电负荷值。CCS向DEH发送指令增减脉冲信号,控制负荷给定值与负荷值变化。CCS指令也可以是模拟信号,视系统要求而定。
2.7多阀控制和单/多阀切换
    机组运行过程中可工作在“单阀”、“顺序阀”2种阀门开度方式。在“多阀”方式下,机组升降负荷时,应按阀门流量特性要求顺序开启/关闭相应阀门,以减小截流损失,提高机组运行的稳定性。投入“单阀”,各阀门恢复开度一致。切换过程中,应尽量保持功率值无扰。
2.8主汽压控制(TPC)
    阀位控制、额定主汽压、满负荷工况时,可投入主汽压控制。具体方法是设定主汽压定值,按“主汽压控制”钮,当主汽压小于定值时,调门开度减小,保证主汽压不会出现过低的情况。
2.9汽轮机调压力(TCP)
    设定主汽压值,投入TCP,当主汽压高于设定时,调门开大;主汽压低于设定时,调门开小,以维持主汽压波动小于一定值。
2.10超速保护和超速试验
2.10.1超速试验
机组做超速试验时,转速目标值可以设定到103%(3 090 r/min)、110%(3 300 r/min)。103%超速试验,机组在3 090 r/min转速动作,高调门、中调门全关;110%超速试验,机组在3300 r/min转速动作,AST信号触发使主汽门、调门全关,紧急停机。机械超速试验,应闭锁103%、110%试验逻辑不被触发,机组转速升到机械超速触发点。在操作员自动方式下,甩负荷试验(油开关跳闸),一般触发OPC动作,调门全关,自动调节转速恢复到3 000 r/min。
2.10.2超速保护
    运行过程中的超速保护动作,103%超速动作有软件、硬件2套保护回路。控制系统测量转速值升到3 090 r/min,触发OPC信号,OPC电磁阀带电打开,泄去OPC母管油压使调门关闭;另外,系统软件判断转速超过103%时,自动将调门给定值置零,实现双重保护作用,最大限度提高机组安全性。 
2.11阀门在线试验
    投入“阀门试验”,选择需要试验的阀门,可以进行阀门在线试验。观察阀门关要求的行程,如做主汽门全关的试验,相应的调门自动关闭/开启,保证对机组没有扰动。
3EH与CCS控制信号的联络
    随着工业自动化程度的不断提高,发电厂单机容量的增大,分散控制系统(DCS)在国内外大型发电厂的应用日趋广泛。机组运行方式也向单元制、协调控制的方向发展。为实现单元制机组的汽轮机、锅炉两大主设备间的协调控制,必须将汽轮机的控制系统纳入整个机组的控制中,即在汽轮机本身的控制回路上加入协调控制回路。不投入协调控制时,汽轮机控制系统本身可以独立完成对转速、功率等被调量的控制;当投入协调控制回路时,DEH侧退出本身的功率等控制回路,接受协调控制系统发出的负荷指令。此时的DEH系统处于开环状态,功率的调节由协调控制系统的相关回路完成。
    以下是协调控制系统与DEH系统之间的联络信号及功率控制回路在DEH与CCS系统之间的切换过程,其示意图见图3。
    a.DEH投入功率控制时,由DEH本身的功率回路完成负荷调节。
    b. 由协调控制系统发出“请求DEH投入CCS”开关量信号到DEH系统,请求DEH投入到CCS控制;同时,协调控制系统进行逻辑运算,判断DEH投入CCS的条件是否满足,若条件满足,发出“CCS允许”信号到DEH。


    

    c. DEH接收上述“请求”、“允许”2个开关量信号,由DEH操作员进行“DEH投入CCS”操作(操作按钮完成),返回“DEH投入CCS”开关量信号到CCS系统,同时断开本身的功率等控制回路,准备接受CCS系统的负荷指令。
    d. 协调控制系统接收“DEH投入CCS”信号,完成协调控制回路控制方式的切换,并开始送出有效的负荷指令到DEH系统,进行负荷的控制。经过负荷调节器运算送到DEH系统的负荷指令有2种形式:模拟量信号形式和开关量信号形式。这2种信号都可以完成负荷控制的任务,由DEH系统转换成相应的阀门开度指令送到执行机构,实现对阀门开度的闭环控制。
4RB信号、FCB信号的产生及与DEH的联络方式
    辅机故障减负荷(RB)是协调控制系统必备功能之一。在炉辅机故障时RB信号触发汽轮机快关调门,稳定主汽压力,配合锅炉控制系统快减负荷。RB信号用硬接线连接CCS与DEH系统,炉辅机发生故障后,协调控制并不切除(即汽轮机仍在CCS遥控方式),控制方式切换到“锅炉基本”,转由协调控制系统的汽轮机调压控制回路调节主汽压力,其输出指令与DEH系统反馈比较,偏差大于一定值时,偏差报警模块发出偏差报警信号,并和“辅机故障信号”进行逻辑“与”运算后,触发RB信号送至DEH系统。DEH接收RB信号后,以预定的RB速率关闭调节门快减负荷,同时维持主汽压力。由于送到DEH的RB信号在CCS侧是断续产生的(只有在偏差大于一定值时才有可能触发RB),所以RB产生以后,关调门的动作也是断续的,避免了长信号触发RB使汽轮机关门过快引起超压。
    DEH-IIIA系统负荷产生指令的具体算法如图4。与一般使用斜坡增减函数发生器产生按一定速率增减指令的方法不同,DEH—IIIA的负荷指令变化采用类似“循环增量法”的方法,即在每个运算周期中将经过速率选择运算的变化速率(图4中的RATE)累加到负荷指令上。运算周期是分散控制单元DPU的“页周期”,对于每一个“页周期”,DPU

中所有的页都会执行一次。“页周期”一般取50~200 ms,所以若变负荷速率取为6 MW/min,页周期取200 ms,即每s完成5次页计算,则折算到DUP页中的速率为6/(60×5)=0.02。无论是CCS的负荷指令,还是RB、FCB开关指令,都是经过这样的指令形成逻辑转换为DEH自身的负荷指令的。
    如果锅炉因事故灭火,触发“快速回切”(FCB)长信号,此时汽轮机会退出CCS遥控,调节门以预定的FCB速率快速关闭,尽量维持系统主汽压力的稳定,利用锅炉蓄热带厂用电运行,直至锅炉重新启动点火。
5结论
    机组协调控制的实现,在很大程度上依赖于CCS与DEH系统间信号的稳定、可靠、快速地传输。由于DEH系统本身具备响应速度快的优点,在保证控制系统稳定性的前提下,使用负荷增减指令的开关量传输方式能够更及时地传递负荷指令,提高协调控制系统整体的反应速度,进一步满足电网对机组的出力进行快速调节的要求。通过若干台投入CCS系统运行机组实践检验,证明这种传输方式能够安全、有效地实现CCS、AGC控制,并获得了很好的调节效果。综上所述,DEH系统与传统的汽轮机液调控制系统、电液共存式控制系统相比具有很多优点。采用纯电调系统,控制精度高、执行机构线性度好,减少了机械部件之间的传动环节,进一步减小了阀门迟缓率和控制死区的不利影响,改善了大型发电机组转速负荷控制的稳态、动态特性。DEH系统的投入,使机组能够稳定、快速地响应机组负荷指令变化,这样才有可能进一步投入协调控制系统(CCS)和机组自动发电控制(AGC)。

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