直動式液壓系統(tǒng)在汽輪機液調改造中應用

　　摘要：本文介紹了直動式液壓系統(tǒng)的組成和特點，并將直動式液壓系統(tǒng)運用于汽輪機純液壓調節(jié)系統(tǒng)的改造，闡述了汽輪機直動式改造原理和方法，通過改造實踐說明了直動式液壓伺服系統(tǒng)改造方案可行性和優(yōu)越性。

　　關鍵詞：汽輪機;直動式;數(shù)字電液;液壓伺服系統(tǒng);伺服執(zhí)行機構

　　1 前言

　　隨著科學技術的發(fā)展，對電廠供電品質及發(fā)電成本提出了更高的要求，先進的數(shù)字式電液調節(jié)系統(tǒng)(DEH)可靈活組態(tài)各種控制策略，汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)已在汽輪機上得到廣泛應用，EH油系統(tǒng)作為汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的重要組成部分，完成DEH指令信號到汽輪機閥門動作的轉換，它的穩(wěn)定性和汽輪機的安全運行息息相關。老機組原純液壓調節(jié)系統(tǒng)在可控性和控制功能方面已不能滿足機組協(xié)調控制(CCS)和電網自動發(fā)電控制(AGC)等要求，且還存在著調節(jié)系統(tǒng)部套易卡澀、遲緩率大、調節(jié)品質差、不能實現(xiàn)閥門管理等等缺點。因此老機組液壓系統(tǒng)改造勢在必行。

　　2 液壓系統(tǒng)問題分析

　　常州金壇電廠1臺C12MW供熱凝汽機組原系統(tǒng)為純液壓調節(jié)系統(tǒng)。存在抽汽投入困難，抽汽和功率調節(jié)相互干擾大，調門晃動，抽汽波動大，調節(jié)品質差，主油泵與高壓電動油泵切換時，油壓變化也會導致機組轉速擺動等問題。

　　數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)與傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)相比，純液壓系統(tǒng)主要存在問題：

　　1. 采用手動同步器加減負荷難于實現(xiàn)CCS協(xié)調控制和AGC控制;

　　2. 液壓調節(jié)器(滑閥或蝶閥放大器)，不能滿足定功率的要求。易卡澀、遲緩率大、調節(jié)品質差;

　　3. 低壓油動機，體積大、關閉時間長、甩負荷易超速，不安全;

　　4. 杠桿或凸輪配汽機械，不能實現(xiàn)單/多閥方式，閥門重疊度大，進汽節(jié)流損失大，效率低;

　　5. 保護系統(tǒng) 不完善，可性差;

　　6. 監(jiān)測系統(tǒng)欠缺，自動化水平低，運行、維持不方便。

　　為了解決目前機組調節(jié)系統(tǒng)問題，同時提高機組的經濟性、可靠性和自動化水平，必須對該汽機液壓控制系統(tǒng)進行改造。

　　3 直動式伺服液壓系統(tǒng)方案

　　3.1 改造方案選擇

　　液調改電調基本改造方案可歸納為三種

　　1)從液壓控制器的某一中間環(huán)節(jié)引入電液放大器，以實現(xiàn)與算機控制器接口，實現(xiàn)全電調控制。這種方案稱為電液放大器型純電調。其液壓系統(tǒng)可以完整保留，作為備用。

　　2)將油動機改造為電液油動機，實現(xiàn)與計算機控制器接口，實現(xiàn)全電調控制。這種方案稱為電液油動機型純電調，油動機前各環(huán)節(jié)可以拆除，不再保留液壓備用。

　　3)高壓抗燃油純電調，原有的液壓調節(jié)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)全部拆除，液壓執(zhí)行系統(tǒng)需重新設計。

　　前兩種方案部分保留了原液壓系統(tǒng)，是原液壓調節(jié)系統(tǒng)改造而成的全電調，都是低壓透平油純電調。第三種方案是一種全新設計，與原系統(tǒng)已無關系。

　　改造效果與改造方案的設計關系很大。低壓透平油電液伺服系統(tǒng)控制精度和動態(tài)特性均比不上高壓抗燃油系統(tǒng)，且系統(tǒng)耗流量大。高壓抗燃油系統(tǒng)采用獨立油站，電液油動機結構簡單，定位精確，動態(tài)響應快，調節(jié)品質好，抗燃油系統(tǒng)主要用于大型機組。

　　抗燃油是一種化學合成的三芳基磷酸脂液體。具有輕微毒性，不會自行分解，對環(huán)境有危害，廢液不能簡單掩埋，必需送交生產廠集中處理。在使用過程中高溫環(huán)境會加速它的劣化，造成酸值升高和固體顆粒物的增多。酸值升高會對液壓部件產生腐蝕，顆粒污染會使液壓部件卡澀和磨損，因此抗燃油系統(tǒng)需要復雜的再生裝置，而且抗燃油平均兩年需更換，成本高。

　　抗燃油系統(tǒng)一般采用噴嘴擋板的伺服閥，抗污染能力不及低壓透平油系統(tǒng)。

　　由于抗燃油的以上缺點，特別是對環(huán)境造成的污染，所以國外汽輪機廠也提供采用透平油作為介質的純電調系統(tǒng)，如日本日立600MW以下機組均采用透平油純電調控制方案。

　　綜合低壓透平和高壓抗燃油的優(yōu)缺點，采用高壓直動式液壓系統(tǒng)方案。直動式吸收了抗燃油系統(tǒng)的控制特性好的特點，同時在其基礎上進行了改進，采用防火結構設計，采用直動式電液伺服閥，抗污染能力能力大大增強，采用抗磨液壓油，抗磨液壓油的液壓性能遠優(yōu)于抗燃油，可提高液壓系統(tǒng)的靈敏度，防止卡澀，減少零件磨損，延長液壓系統(tǒng)壽命，減少了再生設備，減少運行維護的工作量，系統(tǒng)結構簡化，成本大大降低。

　　3.2 直動式油動機方案介紹

　　直動式伺服調節(jié)器系統(tǒng)主要包括供油裝置、伺服油動機、隔膜閥(可選配)以及管路附件等液壓部套組成。

　　供油裝置設有蓄能器、在線試驗油泵聯(lián)鎖功能、冷卻、加熱、過濾作用，主、備泵冗余設計。為直動式伺服調節(jié)器提供動力源。供油裝置液壓原理圖，見下圖。

　　圖1直動式供油裝置原理圖

　　圖2直動式供油裝置

　　伺服油動機采用46#抗磨液壓油為工作介質，額定工作壓力為14MPa,采用兩種控制方式，即正常調節(jié)控制和快動作控制，兩者間相互并聯(lián)，實際工作時是互鎖的，可通過控制完成，同時伺服油動機配有快關電磁閥，直動式伺服調節(jié)器油動機原理圖，見下圖：

　　圖3 直動式伺服油動機原理圖

　　圖4直動式伺服油動機

　　安全部分。安全組件把高壓透平油系統(tǒng)與低壓透平油系統(tǒng)分開，通過兩壓力油的工作面積不同，從而實現(xiàn)低壓油控制高壓的功能。本系統(tǒng)中隔膜閥的作用是以低壓安全油控制高壓OPC油壓的液壓元件。

　　4.直動式伺服系統(tǒng)改造方案實現(xiàn)

　　金壇C12MW抽凝機組，主要調節(jié)設備高調門為體板式結構，抽汽門為旋轉隔板結構，分別用一套油動機控制。改造后的調節(jié)系統(tǒng)液壓部分采用直動式伺服液壓系統(tǒng)，電控軟件和硬件部分采用南京科遠較為先進的DEH-NK汽輪機數(shù)字式電液綜合控制系統(tǒng)。改造系統(tǒng)原理圖見下圖，各部分實現(xiàn)如下。

　　圖5 改造后的直動式伺服液壓系統(tǒng)示意圖

　　4.1 液壓伺服系統(tǒng)實現(xiàn)

　　直動式系統(tǒng)本身自成一體，直接去掉原高調門錯油門和油動機、低抽門錯油門和油動機，及相應液壓機械反饋部件，代替以兩套集成化很高的直動式伺服油動機組件分別實現(xiàn)高、低壓調門的控制。配置獨立供油裝置及其附件，蓄能器組件等，保證控制油的清潔無污染，提供穩(wěn)定的控制油壓。油動機通過自身位移反饋完成調節(jié)過程。伺服原理框圖見如下所示。

　　圖6 伺服原理框圖

　　開調門或加負荷：DEH給定一開調門或加負荷指令，VPC經運算比較后輸出一負偏值電壓△X，并作用在伺服閥上，伺服閥動作，從而驅動油動機動作并往上開啟調門。此調門位移經油動機LVDT反饋回DEH進行比較運算，直至其偏值電壓△X為零后，調門便停止移動，并停留在一個新的工作位置上。關調門或減負荷：作用過程與上相反。

　　圖7 調門油動機配置

　　去掉純液壓調節(jié)回路中的轉速調節(jié)環(huán)節(jié)同步器和抽汽調壓器，通過DEH-NK控制系統(tǒng)很容易實現(xiàn)相關轉速和抽汽壓力邏輯控制功能。

　　4.2 保安系統(tǒng)實現(xiàn)

　　4.2.1保護回路：

　　1)調門遠方電氣保護回路。伺服油動機均配有快關電磁閥OPC。實現(xiàn)調門遠方關閉功能。

　　2)調門液壓、電氣雙回路聯(lián)鎖關閉功能。直動式系統(tǒng)配置隔膜閥安全組件，把低壓安全油接入至隔膜閥低壓油口，隔膜閥高壓油口接入兩油動機的OPC油口。在安全油泄掉時聯(lián)鎖迅速關閉調門。在本系統(tǒng)中作為一道和電氣保護系統(tǒng)并存的液壓聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。

　　3)機組遠方停機功能。安全油路配置有冗余的遮斷電磁閥AST。

　　4.2.2保護功能

　　1)轉速103%超速或甩負荷保護，通過快關電磁閥快關調門，維持機組在額定轉速3000rpm穩(wěn)定運行。

　　2)ETS發(fā)出停機指令或電超速保護(轉速超過110%額定轉速)停機，AST電磁閥動作，關閉主汽門，同時聯(lián)動關調門，機組停機。

　　3)機械超速，機組危急遮斷裝置動作，泄安全油，迅速關閉主汽門，機組停機。

　　當機組打閘或AST電磁閥動作時，轉速超過112%額定轉速，危機遮斷器動作，泄掉低壓安全油，迅速關閉主汽門，泄去OPC油壓，調門伺服油動機快關，機組停機。

　　4)就地手動打閘，泄掉低壓安全油，迅速關閉主汽門，泄去OPC油壓，調門伺服油動機快關，機組停機。

　　5 系統(tǒng)安裝聯(lián)調測試情況

　　5.1 現(xiàn)場安裝、施工

　　直動式液壓系統(tǒng)自成一體，改造改動量比較小，現(xiàn)場停機施工時間短。改造前未停機情況下，根據(jù)現(xiàn)場原油動機工作參數(shù)，確定直動式油動機參數(shù)(如：行程、缸徑、安裝尺寸及連接尺寸等)，直動式系統(tǒng)生產、測試后，再現(xiàn)場實施改造。現(xiàn)場停機施工時間4天，改造周期短。

　　5.2 性能試驗

　　(1)改造后液壓系統(tǒng)，當機柜失電或電液轉換器斷電或電纜損壞或緊急停機時，伺服閥芯會自動回復到中位使系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

　　(2)節(jié)能設計

　　使其穩(wěn)定靜態(tài)耗油量接近0，只有開啟過程所須的工作耗油，使油動機耗油量減到最小。系統(tǒng)平均油耗小于1L/min。因此油溫升高很少，采用蓄能器結構減少了，快速調節(jié)和保護動作時油壓沖擊。

　　(3)保護系統(tǒng)的安全性。

　　采用油路隔膜閥和電氣兩套調門保護回路，安全性更高。

　　5.3 改造效果

　　機組改造后，一次啟動成功，所有功能均一次成功投入。投運至今，系統(tǒng)運行正常、穩(wěn)定。改造后的系統(tǒng)徹底解決了以前系統(tǒng)存在的問題。

　　(1)轉速控制

　　轉速控制范圍擴大，原系統(tǒng)2800rpm以下通過旁路門就地手動控制升速，改造后轉速實現(xiàn)了0~3000rpm全范圍連續(xù)可調。轉速控制精度±1rpm;直動式液壓系統(tǒng)和原液壓系統(tǒng)完全獨立根本解決了主油泵與高壓電動油泵切換時，油壓波動，導致調門晃動，轉速波動問題。

　　轉速控制

　　伺服系統(tǒng)閥位跟蹤控制曲線

　　(2)更換直動式伺服油動機，客服了原液壓系統(tǒng)的缺陷，采用高壓設計的，油源壓力為14MPa，使控制系統(tǒng)的性能達到高壓抗燃油系統(tǒng)的水平，調門跟隨迅速、平穩(wěn)。閥門控制精度1‰。

　　(3)負荷控制、抽汽控制均實現(xiàn)了手/自動無擾切換。負荷控制精度，抽汽投入平穩(wěn)，實現(xiàn)功率、抽汽的軟件解耦控制，精確度高，且參數(shù)實現(xiàn)完全靜態(tài)自整。

　　6 結論

　　直動式液壓系統(tǒng)為作為高壓系統(tǒng)，擁有和高壓抗燃油系統(tǒng)的相同的控制精度，具有環(huán)保、節(jié)能的特點，系統(tǒng)簡單，可靠性高，抗污染能力強，封閉的油源系統(tǒng)，保證可靠的清潔度，無環(huán)境污染問題。相對抗燃油系統(tǒng)結構簡單，成本很低、維護方便。改造周期短，不受原液壓調節(jié)系統(tǒng)特性和缺陷的影響。可以作為中小機組改造很好的選擇。