數(shù)字電液控制系統(tǒng)(Digital Electric-Hydraulic Control System，DEH)是保證汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必不可少的條件。汽輪機(jī)DEH的任務(wù)是根據(jù)控制指令(目標(biāo)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及其變化率)，控制運(yùn)行方式、閥門試驗(yàn)方式、機(jī)組狀態(tài)參數(shù)和轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率等被控量，通過數(shù)字控制器輸出控制信號(hào)，經(jīng)與反饋信號(hào)比較后，其偏差經(jīng)過伺服放大后，送到電液轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)控制進(jìn)汽量，以改變蒸汽轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速改變不大的情況下，達(dá)到新的平衡，以適應(yīng)外界負(fù)荷或蒸汽狀態(tài)的變化。
1、汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)組成
一個(gè)完善的汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)由監(jiān)視系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、應(yīng)力控制系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、汽輪機(jī)自啟?？刂葡到y(tǒng)等組成，如圖1所示。
圖1 DEH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖監(jiān)視系統(tǒng)可以保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，連續(xù)監(jiān)視汽輪機(jī)運(yùn)行中各參數(shù)的變化。調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大范圍的轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制、異常工況下的負(fù)荷限制、主汽壓力控制以及閥門位置控制等。應(yīng)力控制系統(tǒng)主要對(duì)高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)和中壓缸第一級(jí)處轉(zhuǎn)子和汽缸的熱應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)視、溫度裕量計(jì)算和應(yīng)力限制。保護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)汽輪機(jī)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，迅速關(guān)閉所有進(jìn)汽閥，防止發(fā)生重大事故，保護(hù)汽輪機(jī)設(shè)備安全，同時(shí)提供閥門試驗(yàn)功能。汽輪機(jī)DEH保護(hù)系統(tǒng)的基本思想是“寧可誤動(dòng)，不可拒動(dòng)”。液壓伺服系統(tǒng)包括供油系統(tǒng)和電液執(zhí)行系統(tǒng)兩部分。供油系統(tǒng)為獨(dú)立高壓抗燃油系統(tǒng)，為電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供12-16MPa的壓力穩(wěn)定的壓力油電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)由油動(dòng)機(jī)、閥位檢測器、試驗(yàn)電磁閥和電液轉(zhuǎn)換器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。
汽輪機(jī)的參數(shù)監(jiān)視通常由DAS和TSI(Turbine Supervision Instrument，汽輪機(jī)監(jiān)視儀表)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。測量結(jié)果同時(shí)送往調(diào)節(jié)系統(tǒng)作限制條件，送往保護(hù)系統(tǒng)作保護(hù)條件，送往順序控制系統(tǒng)作控制條件。機(jī)械方面的參數(shù)主要有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)、軸承振動(dòng)、轉(zhuǎn)子軸向位移、轉(zhuǎn)子與汽缸的相對(duì)膨脹、汽缸的熱膨脹、主軸偏心度、油動(dòng)機(jī)行程等。熱工方面的參數(shù)有主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、凝汽器真空、高壓缸速度級(jí)后壓力、再熱蒸汽壓力和溫度、汽缸溫度、潤滑油壓、調(diào)節(jié)油壓、軸承溫度等。
轉(zhuǎn)速控制可以實(shí)現(xiàn)大范圍的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)，使汽輪機(jī)從盤車轉(zhuǎn)速逐漸升到并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍為50-3300r/min，調(diào)節(jié)精度為±(1-2)r/min，大多數(shù)電調(diào)系統(tǒng)是以實(shí)際轉(zhuǎn)速作為測量信號(hào)與轉(zhuǎn)速定值比較，將轉(zhuǎn)速偏差送入轉(zhuǎn)速控制回路運(yùn)算，通過負(fù)荷控制回路輸出閥位控制指令，閥位指令作用于閥門控制回路去操作蒸汽閥門的啟閉，達(dá)到轉(zhuǎn)速控制目的。汽輪機(jī)升速過程中，轉(zhuǎn)速定值已預(yù)先給定的升速率連續(xù)變化、是一條隨時(shí)問增長的直線。升速率的值由汽輪機(jī)制造廠提供函數(shù)數(shù)據(jù)，運(yùn)行操作人員可以根據(jù)汽輪機(jī)熱狀態(tài)進(jìn)行選擇，也可以由控制系統(tǒng)自動(dòng)選擇。
還有的電調(diào)系統(tǒng)采用升速率作為被調(diào)量來實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)升速過程的轉(zhuǎn)速控制。測取的實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)微分后得到實(shí)際升速率信號(hào)，該信號(hào)與給定的升速率相比后得到升速率信號(hào)，此信號(hào)送至低選環(huán)節(jié)，低選環(huán)節(jié)同時(shí)接受轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，取兩偏差值的低值作轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。機(jī)組升速過程中，由于轉(zhuǎn)速偏差值很大，故汽輪機(jī)按給定升速率控制轉(zhuǎn)速的上升。升速率可以由運(yùn)行人員來選擇，也可以由電調(diào)系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組的熱狀態(tài)自動(dòng)選擇。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速接近目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差小于升速率偏差，低選環(huán)節(jié)選擇轉(zhuǎn)速偏差為控制信號(hào)，這時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。
對(duì)于以上兩種情況，轉(zhuǎn)速控制還要采取一定技術(shù)措施保證汽輪機(jī)的安全，一是當(dāng)升速過程中汽輪機(jī)出現(xiàn)工況異常，如振動(dòng)過大等，應(yīng)采取閉鎖升速，工況正常后繼續(xù)升速是當(dāng)汽輪機(jī)過臨界轉(zhuǎn)速的，電調(diào)系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)提高升速率，使汽輪機(jī)快速通過臨界轉(zhuǎn)速。
負(fù)荷控制是在汽輪機(jī)啟動(dòng)升速過程結(jié)束、機(jī)組已完成并網(wǎng)任務(wù)后開始工作的。負(fù)荷控制的功能是通過開環(huán)或閉環(huán)工作方式去控制汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。閉環(huán)工作時(shí)，以發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率值為測量信號(hào)與功率定值相比較，得到功率偏差值經(jīng)負(fù)荷控制回路運(yùn)算后去控制調(diào)節(jié)閥的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。開環(huán)工作時(shí)，根據(jù)功率定值及頻差信號(hào)由負(fù)荷控制回路直接給出閥門開度指令。無論應(yīng)用哪種方式，最終都要使汽輪機(jī)實(shí)發(fā)功率達(dá)到功率給定值。功率給定值回路與轉(zhuǎn)速定值回路相似，也是根據(jù)目標(biāo)負(fù)荷和變負(fù)荷速率給出連續(xù)變化的升負(fù)荷指令。變負(fù)荷速率通常由運(yùn)行人員在(0.5%-10%)/min范圍內(nèi)選擇。具有熱應(yīng)力限制功能的電調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)熱應(yīng)力在線計(jì)算值限制變負(fù)荷速率的大小。
當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后，轉(zhuǎn)速控制回路的轉(zhuǎn)速偏差實(shí)際上反映的是電網(wǎng)實(shí)際頻率與額定頻率之差。當(dāng)出現(xiàn)頻差信號(hào)后，為了調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率使之維持在額定頻率(50Hz)值上，可將轉(zhuǎn)速偏差根據(jù)汽輪機(jī)靜態(tài)特性曲線轉(zhuǎn)換為功率偏差，然后通過負(fù)荷回路去調(diào)節(jié)機(jī)組的實(shí)發(fā)功率，使機(jī)組參加一次調(diào)頻。
2、汽輪機(jī)的啟動(dòng)曲線
汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程分為升速-暖機(jī)-升速-暖機(jī)-升速-沖臨-升速-暖機(jī)升速一定速這樣幾個(gè)過程?？梢钥闯銎啓C(jī)的啟動(dòng)有點(diǎn)像爬山，當(dāng)盤車帶動(dòng)汽輪機(jī)啟動(dòng)以后、打開主汽門，由高溫高壓蒸汽作為源動(dòng)力推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)作，到達(dá)一定速度后，汽輪機(jī)通過脫扣裝置與盤車脫開，沖轉(zhuǎn)開始，這個(gè)過程中需要監(jiān)視汽輪機(jī)是否有異音，到500r/min后，汽輪機(jī)保持這個(gè)速度運(yùn)行一段時(shí)間，稱為暖機(jī)。
圖2 汽輪機(jī)啟動(dòng)曲線
①暖機(jī)
暖機(jī)主要的目的是使汽輪機(jī)內(nèi)部機(jī)械強(qiáng)度、各方向應(yīng)力、部件的熱膨脹、熱變形等指標(biāo)緩慢上升。然后重新設(shè)定升速率和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，向下一個(gè)轉(zhuǎn)速1500r/min前進(jìn)，同樣，到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，恒速運(yùn)行一段時(shí)間，設(shè)定下一目標(biāo)轉(zhuǎn)速2500r/min，到達(dá)這個(gè)速度之前會(huì)經(jīng)歷一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)程序會(huì)自動(dòng)設(shè)定更高的速率來沖過這個(gè)區(qū)域，這個(gè)過程稱為沖臨。
②什么是臨界轉(zhuǎn)速呢?
轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速的増大而增大，到某一轉(zhuǎn)速時(shí)振幅達(dá)到最大值(也就是平常所說的共振)，超過這一轉(zhuǎn)速后振幅隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減少，且穩(wěn)定于某一范圍內(nèi)，這一轉(zhuǎn)子振幅最大的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。到2500r/min的時(shí)候，還需要暖機(jī)一段時(shí)間，然后按曲線達(dá)到3000r/min，此過程稱為定速。
根據(jù)汽輪機(jī)所處的狀態(tài)不同，比如冷態(tài)、暖態(tài)和熱態(tài)，每個(gè)過程的升速率和暖機(jī)時(shí)間會(huì)有不同設(shè)定值，這樣既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，又節(jié)省了啟機(jī)時(shí)間。汽輪機(jī)從冷態(tài)啟動(dòng)到正常運(yùn)行需要的時(shí)間跟機(jī)組大小有很大關(guān)系，大概為3-6h不等。在并網(wǎng)要求下達(dá)以后，汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)接收自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置命令，把轉(zhuǎn)速控制交與自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)以后，DEH繼續(xù)根據(jù)負(fù)荷要求來調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行速度(3000±2)r/min的要求。
此處僅僅描述了汽輪機(jī)啟動(dòng)的大概過程，實(shí)際運(yùn)用中需要注意很多參數(shù)及系統(tǒng)工況等，因此需要非常仔細(xì)。
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