汽轮机调节系统改造方案分析及优化.pdf

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1、192 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 中国海南 汽轮机调节系统改造方案分析及优化 贾 和 （ 通辽发电总厂,辽宁省 ） 摘要： 本文介绍了目前国内汽轮机 DEH 调节系统采用的 各种改造方案并进行比较，指出了其各种改造方案的优缺 点，对调节系统油油源、阀门管理功能应用情况特别是高 压抗燃油系统（DEH 控制系统）的应用与优化等几个问 题进行了探讨，供汽轮机调节系统改造时参考。 关键词：汽轮机；调节系统；DEH 改造；优化 1 引言 随着科学技术的发展，对电厂供电品质及发 电成本提出了更高的要求，老机组原液压调节系 统在可控性和控制功能

2、方面已不能满足机组协调 控制（CCS ）和电网自动发电摇调控制（AGC ） 等要求，且还存在着调节系统部套易卡涩、迟缓 率大、调节品质差、不能实现阀门管理等缺点。 先进的数字式电液调节系统（DEH ）可灵活组态 各种控制策略，可满足现代汽轮机控制系统的要 求，在系统的安全性、可靠性方面也已经达到电 厂的要求。因此，我厂经过调研、考察论证，决 定对其进行改造。本文就我厂一号机在大修中， 通过对高压抗燃油 EH 系统的应用与优化， 分析了 目前国内采用的各种改造方案，指出各种改造方 案的优缺点，对几个问题进行分析探讨，以供汽 轮机调节系统改造时参考。 2 目前国内采用的改造方案 2.1 目前国内采

3、用的改造方案有以下几种： （1 ）同步器控制 （2 ）电液并存（切换控制） （3 ）透平油纯电调控制（包括保留凸轮配汽 机构、去掉凸轮配汽机构两种） （4 ）抗燃油纯电调控制 2.2 下面对几种改造方案进行简介： 2.2.1 同步器控制改造方案 原液压调节系统不变，只改造同步器、启动 阀。 DEH 控制信号通过原同步器电动机与液压 调节系统接口，实现对机组的闭环控制。原同步 器由一般的电动机驱动，控制特性差，与协调控 制 CCS 自动接口有困难，且此类电动机一般都有 转速高、易惰走、不稳速、控制精度低、控制接 点易拉弧、烧坏等缺陷。改造采用高性能的电动 机或高级电动执行器，控制性能好，接口方便

4、易 实现 CCS 协调控制。 同步器的控制可以由 CCS 系统直接控制或 者做一套独立的 PI 调节器，与原液压系统构成串 级调节系统，实现升降转速、负荷控制。 2.2.2 电液并存控制改造方案 原液压系统的部套全部保留，增加一套电调 系统，二套系统并存、切换运行（以电调系统运 行为主）。 此改造方案包括以下两种： （1） 联合控制改造方案 DEH 控制信号通过电液转换器和同步器电 动机与液压系统接口，实现对机组的闭环控制。 其中，电液转换器与二次脉动油路构成电液放大 器，取代液压放大器，接受 DEH 控制信号，完 成对油动机的控制。在原液压系统的脉动油路上 并联引出一个油路，连接到电液转换器

5、，使 DEH 通过电液转换器控制脉动油的排油量（或进油量） 来控制机组。 电液转换器和同步器可采用转移的方式完成 联合控制：电液转换器担任调节动态负荷的作用， 同步器用于承担缓变负荷。稳态时电液转换器处 于零位。在稳态时可无扰切除电液转换器，变为 同步器控制方式。 电调、液调按小选（或大选）方式控制：若 将同步器置于最高位（或低位）将液调排除，使 液压放大器完全退出工作，由电液放大器完成全 电调控制。若同步器减小（或增加）到一定的值 后，仍可退为同步器控制。 （2）切换控制改造方案（通辽厂 2、 3、 4 号机目前采用的改造方案） DEH 控制信号通过电液转换器和同步器电 动机与液压系统接口，

6、实现对机组的闭环控制。 中国海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 193 同步器通过模拟脉动油路实现电液跟踪， DEH 可 控制切换阀实现无扰切换。 在电调位置时，由 DEH 控制的电液转换器 的节流控制排油口，取代调速器滑阀控制的油口， 从而实现机组的控制。 为了使电调、液调之间能够相互跟踪，实现 无扰切换，在中间滑阀套筒上增设了跟踪模拟脉 动油路，在电液转换器上增设了跟踪、切换阀控 制回路。 2.2.3 低压透平油纯电调控制改造方案 取消液压调速器，采用数字调节器，执行机 构、保护系统基本保留。 此改造方案包括以下两种： （1）有凸

7、轮配汽机构控制的改造方案（沈阳 电力调节所采用此改造方案） DEH 控制信号通过电液转换器与油动机构 成的电液油动机接口，实现对机组的闭环控制。 电液转换器与油动机滑阀及油动机活塞紧密结合 在一起，油动机脉动油直接由电液转换器控制， 构成了电液伺服油动机。 DEH 控制单元及电液伺 服油动机、油动机行程传感器 LVDT 组成位置随 动系统。将原液压调节系统中的转速测量、同步 器给定、调速器滑阀、中间滑阀、油动机反馈滑 阀等全部排除在系统之外。 本方案保留了凸轮配汽机构，实现固定模式 阀门管理，管理模式为混合调节模式。 （2） 无凸轮配汽机构的杠杆形式控制改造方 案（上汽生产的 300MW 机组

8、） 将凸轮、凸轮轴、原油动机和所有液压调节 部件全部去掉，仅保留保安系统部套，把油动机 滑阀与电液转换器组装在一起，油缸（活塞）固 定在凸轮轴座上，油缸为顶推式，代替凸轮推动 杠杆来开启调节阀门，油缸上只有一根脉动油管， 一根排油管，很好密封，可以严防漏油，能避免 因而可能引起的火灾，高压调节阀为一阀一缸方 式，中压调节阀仍为一缸拖四阀方式（也可为一 缸拖一阀的方式），可实现可变阀门管理功能。本 方案的控制功能与高压抗燃油纯电调的基本一 样。但却免去了另设一套油源的投，减少了维护 和运行管理费用（江苏常熟电厂上海生产的 300WM 机组改造方案）。 2.2.4 抗燃油纯电调控制改造方案（通辽厂

9、 1#机进行的改造）。 除阀门以外，调节系统基本上全部进行改造。 本方案既可采用高压抗燃油作为工作介质， 也可采用中压抗燃油作为工作介质。目前国内采 用较多的是高压抗燃油方案。 本方案要求另外设置一套抗燃油的独立油 源，将原液压调节系统中的所有调节部套去掉， 更换调节阀操纵座，在调节阀的操纵座上放置抗 燃油油动机，直接拖动调节阀阀杆。本方案有两 种： （1 ）保留机械保护 本方案实现高、中调门一对一控制，保留主、 调速油泵、射油器。其他所有液压调节部套去掉。 （通辽厂所采用改造的形式）。 （2 ）取消机械保护（徐州发电厂所采用的改 造形式） 本方案取消主、调速油泵、射油器，保留中 压凸轮配汽机

10、构，高调门一对一控制。中调门一 对四控制，其他所有液压调节部套去掉，润滑油 系统增设一台备用交流润滑油泵，十米增设一台 备用 8 立米的高位油箱。 2.2.5 下面就我厂所采用的高压抗燃油改造 形式进行简介。 （1 ）我厂一号机原调速系统拆除并取消调节 系统设备的有： 调速器、调速器滑阀组、中间滑阀、同步器、 功率限制器、高中压凸轮配汽机构（包括高中压 操纵座）、高中压自动关闭器、高中压油动机（包 括节流阀、活动滑阀、高压油动机基础）、防火滑 阀、电调箱及电调部套（包括超速限制滑阀、中 缸启动阀、电磁控制阀、电调滤网、电液转换器）。 （2 ）拆除并取消调节系统管道的如下： 高中压自动关闭器及高

11、中压油动机的压力油 管道、脉动油管道、回油管道、电调箱及电调部 套所连接的油管、油动机回油逆止门、前箱里面 的脉动油联箱、压力油至危急遮断器滑阀油管、 危急遮断器滑阀挂闸油管、附加保安油管、一二 次脉动油管及所对应拆除设备管道的一次表门； 高中压配汽冷却水系统。 （3 ）新增、改进、保留的设备管道 1）保留的及检修设备管道如下： 危急遮断器、危急遮断器杠杆、危急遮断器 滑阀、主油泵、主油泵启动排油阀、调速油泵、 两台射油器、所对应保留设备管道的一次表门、 194 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 中国海南 高压关闭器弹簧支座；主油泵出入口

12、管，调速油 泵出口管，主油泵启动排油阀油管，射油器压力 油管。 保安操纵箱改进，喷油试验油管重新布置， 危急遮断器滑阀系统重新布置，危急遮断器杠杆 的系统重新布置。 2）新安装的设备及系统如下： 高压抗燃油油源及系统 1 套（包括冷却系 统）；高压遮断模块 1 组；高压调节阀油动机 4 套；高压调节阀操纵座 4 套；高压主汽阀油动 机 2 套；高压主汽阀操纵座 2 套； 中压调节阀油 动机 4 套； 中压调节阀操纵座 4 套；中压主汽阀 油动机 2 套；中压主汽阀操纵座 2 套；高、低压 蓄能器组件各 2 套；蓄能器再生装置 1 套；油 再生装置 1 套；油动机滤油器 8 件； 复位遮断 阀组

13、 1 套；危急遮断试验阀组 1 套；隔膜阀 1 套。前箱端盖 1 件。 2.3 各改造方案的比较 上述各种形式的 DEH 装置，其控制功能的 绝大部分是任何一种形式的 DEH 都能实现的， 特别是 DEH 改造最主要达到的功能：自动大范 围升速闭环控制、功率闭环控制、CCS 控制及 AGC 控制。 2.3.1 同步器控制改造方案 如上所述，同步器控制改造方案的优点主要 体现在其改造工作量小，改造费用低，也可实现 CCS 控制及 AGC 控制。但因其液压调节系统均 未改造，液压调节系统的缺点如配汽机构卡涩、 滑阀卡涩等问题无法消除，改造方案适用于原液 压调节系统工作状况良好的中小机组。 2.3.

14、2 低压透平油纯电调型式 此型式采用低压透平油为工质，其液压部套 取消原调节系统的同步器、调速器、中间滑阀， 保留油动机及凸轮配汽机构，此系统每个油动机 安装一个电液转换器、滤油器，采用一个油动机 带 2 个调门。此种改造型式的优点是：系统布置 简单，节省费用；缺点是与主机一个油源，油质 不好控制，因有凸轮配汽机构，凸轮配汽易卡涩 及油动机滑阀卡涩缺陷难以治理。整个系统控制 速度与高压抗燃油系统比较要稍慢一些，迟缓率 偏大，油动机关闭时间与高压抗燃油系统比较偏 长。各项指标没有高压抗燃油系统高。 如能控制好油质，此方案实用于无凸轮配汽 机构的杠杆分配形式控制改造（上汽机组）。 透平油纯电调控制

15、改造方案由于工作压力较 低，提升力受到限制，对大容量的机组会使得油 动机及管路过大，据计算，同样推力的油动机， 工作油压由 12.8MPa 降到 4MPa 时，其油动机直 径需增到原直径的 1.79 倍。取消了液压调速器而 采用数字调节器，去掉凸轮配汽机构的改造方案 可以实现可变阀门管理功能，在控制功能可以与 高压抗燃油系统相同。 此方案性能价格比较优惠，适用于大、中、 小型机组改造。 2.3.3 低压透平油电液并存系统 （我厂 2、 3、 4 号机） 此型式的优点是：改造力度小，节省费用， 改造工期短，当电调出现故障时，可切换至液调 运行。主要体现在系统用油统一，便于管理；具 有液调跟踪后备

16、，可以适当降低电子设备的冗余 要求，甚至可以单 CPU、单 I/O 配置，从而减少 系统投资，对于那些配备液调并且已经投入运行 的机组，尤其是带基本负荷的机组，是一个较为 理想的控制方案。在获得相应优点的同时，不可 避免地在另外方面带来局限，液调后备的存在使 得机械液压环节相应增多，系统迟缓率等性能受 到一定影响；统一用油存在一定的油质干扰风险。 系统调整也比较麻烦。在系统跟踪上，液调对电 调的跟踪是通过同步器进行的，因此，跟踪死区 设置过小、同步器电动机频繁启动会导致电动机 很快损坏，跟踪死区设置过大又会导致切换时误 差大，输出波动大。此方案适用于原系统放大部 分工作良好的中小机组。 缺点是

17、：由于保留了凸轮配汽机构，存在配 汽机构卡涩问题，成为影响机组运行的不稳定因 素；与主机共用一个油源，使油质难以控制，油 动机滑阀卡涩，造成负荷摆动等；电调滤网经常 堵塞和漏油，被迫切至液调运行，影响了电调投 入率及机炉协调运行，且切换时有时扰动大；电 动伺服器有时卡涩，出现负荷摆动现象，导致电 动伺服器线圈烧损。同时由于调节部套可靠性差， 机组甩负荷后动态飞升转速偏高，致使机组电液 并存改造后不能进行甩负荷试验。另外，此系统 脉动油管的金属软管也易发生漏泄,造成停机。 电 液并存调节系统阀门管理为固定形式，门的重叠 度较大，汽轮机节流损失较大，在线无法对门的 中国海南 中国科协 2004 年

18、学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 195 重叠度进行调整。中压调速汽门在运行中无法进 行活动，使门有卡涩的危险，对机组的安全稳定 运行不利。 2.3.4 高压抗燃油纯电调型式 此种型式的优点是：调节系统为单独一个油 源，油质好控制，与低压透平油系统比较，调节 系统用油可以采用独立油源而避免统一用油存在 一定的油质干扰风险。提高了系统运行的灵敏度， 降低了迟缓率，各项技术指标明显提高。增强了 系统的稳定性及快速响应，提高了系统的自动化 投入率、控制力。 此系统由于取消了原调节系统中间放大环 节，取消了高、中压凸轮配汽机构，利用高压抗 燃油油缸直接带动调速汽门，消

19、除了机械传动部 分迟缓卡涩现象，实现了电控阀门管理，在线实 现了单阀和顺序阀切换和活动功能，这样，机组 在启动时可实行单阀调节，有利于机组暖机，缩 短启机时间。带部分负荷后，可切换为顺序阀调 节，减少节流损失，提高机组热效率。机组在线 可实现中压调速汽门活动实验。 A 高压抗燃油纯电调试验功能 此系统能够实现且完成下列实验项 目： 危急遮断器滑阀打闸试验；挂闸试验（挂闸 电磁阀实现远方挂闸功能）；危急遮断器喷油、油 压出试验； OPC 电磁阀、电磁阀跳机试验、 低油压联锁油泵试验、润滑油压低试验、真 空低试验；主调门活动试验；调速系统的在静止 状态可进行防真试验。 B 高压抗燃油纯电调技术指标

20、: （1 ）转速控制范围：冲转 03500r/min ，精 度1r/min 。 （2 ） 负荷控制范围： 0125 额定负荷（即 0250MW ）。 （3 ） 转速波动量：额定转速的1 r/min 。 （4 ） 功率波动量：额定功率的1MW ， 负荷控制精度 0.5。 （5 ） 转速不等率 4.5（3 6范围内无机 可调）。 （6 ） 系统迟缓率 0.06 。 （ 7）甩满负荷转速超调量 8000 小时，电控装置 20000 小时。 （9 ） 系统可用率不小于 99.9。 （10） 油动机关闭时间 实际总流 量，即当目标流量为 89.7时， 1、 2 调门全开。 而优化后将各调门流量相加得到总

21、流量， 即目 标流量等于总流量 （目标流量实际流量 0） ，从 而得到新的调门管理数据。优化后的图 4 则表 明： 实际总流量曲线是条直线， 无任何拐点 ,这就提高了 机组的平稳性，运行中无振荡。 3.3.3 优化前、后，机组热效率及功率的对比 利用表 3、 4 的试验数据，我们可以绘制出主 蒸汽流量与高压缸效率发电机功率的关系曲线， 见图 5、图 6。 在优化前、 后对比图中 ，我们可看 出：当主蒸 汽 流量达 到 600t h 时， 机组 热效率 提高 2.4左 右； 而 当主蒸 汽流 量达到 550t t 时， 功率 上升 5000KW， 提高了机组的经济性。 表 3 优化前的试验数据

22、目标流量 主蒸汽流量 发电机功率 高压缸效率 #1、 2 调门开度 #3 调门开度 #4 调门开度 % T/h MW % % % % 90 625.4 216.7 80.6 92.2 48.2 19.9 85 598.0 208.4 79.2 84.4 38.1 10.7 80 556.6 193.3 78.8 76.0 28.4 1.3 75 518.9 181.7 78.4 69.1 23.0 0.0 70 471.1 165.7 75.7 63.4 18.3 0.0 65 432.0 151.7 72.9 57.4 12.7 0.0 60 385.7 135.1 69.8 52.8 6.

23、8 0.0 55 329.9 115.5 65.6 48.2 1.0 0.0 表 4 优化后的试验数据 目标流量 主蒸汽流量 发电机功率 高压缸效率 #1、 2 调门开度 #3 调门开度 #4 调门开度 % T/h MW % % % % 90 648.1 225.7 82.2 100.00 64.5 6.4 85 621.5 218.1 81.5 100.00 44.8 0.0 80 584.9 206.8 81.1 100.00 31.1 0.0 75 542.8 192.9 80.3 88.0 21.0 0.0 70 511.3 182.0 79.0 68.0 8.6 0.0 65 470

24、.8 166.8 76.7 62.4 0.0 0.0 60 443.6 156.6 74.6 58.8 0.0 0.0 55 407.6 143.3 71.7 55.1 0.0 0.0 50 363.8 127.9 68.3 51.5 0.0 0.0 65 70 75 80 85 300 350 400 450 500 550 600 650 主蒸汽流量 （t /h） 高压缸效率（%） 优化前 优化后 图 5 主蒸汽流量与高压缸效率关系曲线 中国海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 203 110 120 130 140 150 160

25、 170 180 190 200 210 220 230 300 350 400 450 500 550 600 650 主 蒸 汽 流 量 （ t/h） 发电机功率（%） 优化 前 优化 后 图 6 主蒸汽流量与发电机功率关系曲线 3.4 关于 DEH 功能应用的探讨 DEH 由于其 电气回路的 灵活性可以 很容易的 适应汽轮机各种运行要求， 特别是在应用了计算机 技术后， 采用灵活的组态软件使得电气回路的适应 性更强。由此可见 DEH 系统可以实现的功能远比 液压调节系统多。 但是实际上这些功能在现场中应 用的情况如 何呢？根据 中国电机工 程学会过程 自 动化技术交流中心 1995 年及

26、 2000 年 的调查结果可 以看出 ： 应 用效果 不好 的功能 中有 两种情 况： 第 一情况是该功能是能够完成的， 但是实际使用得不 多， 对于这种情况， 主要是人们的观念与功能之间 的不适应所造成的。 例如阀门试验功能。 在机组运 行过程中定 期将阀门关 闭后再重新 开启以确定 阀 门的工作情况， 对于保证汽机保护系统的正常工作 是非常必要的。 阀门关闭再重开会给汽机运行工况 带来扰动， 还会短时影响机组的负荷。 汽轮机制造 厂要求在 70 一 80额定 负荷以下进行阀门试验， 且保证试验时对负荷的影响不会超过 5。在 上述 条件下每周试验一次是不难实现的， 但人们普遍担 心阀门失灵，

27、 而不愿进行试验。 电调系统设计阀门 试验功能的目的就是要早期了解阀门的失灵情况， 如在阀门试 验过程中发 现阀门失灵 正好表明定 期 进行阀门试验的必要性，即使发现个别阀门失灵， 机组也有足够的时间安全退出运行， 何况有时阀门 失灵的故障是可以在运行过程中处理的。 总之阀门 失灵并不是阀门试验功能造成的， 而是通过这一功 能发现的。类似的情况在负荷限制功能中也存在。 另一种情况则是 DEH 系统中原设计的功能与 实际汽轮机本体的特性或运行要求不符造成的。 例 如汽轮机的自启动功能（ ATC） ，在 温热态启动时， 常规启动方式是快速冲转、 升速、 并网， 将负荷带 至高压缸内 壁温度对应 的

28、初始负荷 后再按一定 的 升负荷率带负荷暖机， 而 DEH 系统 ATC 程序则 是 通过应力计 算要求机组 必须按照一 定的温升率 升 速暖机， 造成机组启动时间过长、 机组受交变应力 过大等后果。 其它功能如热应力限制功能、 寿命管 理功能等也因类似原因电厂不使用。 从此看出： 当 DEH 的 功 能 与实际 运行 要求不 完全 符合时 是无 法 获得真正应 用的。控制 功能仅仅能 够实现是不 够 的， 只有真正为汽轮机运行带来真实效益的功能才 能得到真正的应用。 4 结论 综上所述， 汽轮机调节系统改造方案有同步器 控制、 电液并存 （包括联合控制、 切换控制两种） 、 透平油纯电调控制

29、 （包括保留凸轮配汽机构、 去掉 凸轮配 汽机 构两种） 、 高 压抗燃 油纯 电调控 制等 几 种， 调节油油源有高压抗燃油及透平油两种， 各种 改造方案各 有利弊，机 组改造时应 根据机组的 现 状， 考虑机组原来的控制方式、 机组容量、 现场的 情况是否满足新增加设备的布置要求， 根据机组的 实际情况确定改造后 DEH 所具备的功能，同时也 要考虑改造资金情况、 投入产出比、 改造工期等等 问题， 以确定用何种方案进行改造。 从阀门管理角 度出发， 优化后的调门管理方式 （即可变阀门管理 方式） 为最佳运行方式， 可降低汽轮机汽耗率， 提 高机组热效率及运行安全稳定性。 204 中国科协

30、 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术 年会论文集 中国海南 参考文献 1 华东六省一市电机工程（电力）学会，600MW 火力发电机组培训 教材汽轮机及其系统 ，中国电力出版社，1999.12 2 20 万千瓦汽轮机的结构 ，哈尔滨汽轮机厂，水利电力出版社， 1992.7 3 戚野堰发电有限公司11 机组控制改造汽轮机数字式电液控 制系统（DEHIIIA）技术标书 ，1990.7 4 CC140/N20 0-130/535/535 型汽轮机电调系统设计说明书 ，哈 尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨汽轮机控制工程有限公司， 2001.6 5 调节保安部套证明书 ，东方汽轮机厂，2003.6 6 国产 200MW 机组 DEH 控制系统低压全电调改造方案 ，东方汽 轮机厂，2002.6 7 国产 200MW 机组 DEH 控制系统高压抗燃油全电调改造方案 ， 东方汽轮机厂，2002.6 第四届火力发电厂技术交流学会资料，2003.12