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案例頻道 作者簡(jiǎn)介：尹靜 （1979-），女，河北保定人，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，主要從事自備電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化技術(shù)工作。
摘 要：本文以HOLLIAS-DEH為基礎介紹了DEH系統的組成、控制原理、控制功能以及在化工企業(yè)自備電廠(chǎng)機組中的應用。運行結果表明，系統性能穩定，能滿(mǎn)足對自備電廠(chǎng)安全高效運行的要求。
關(guān)鍵詞： DEH；汽輪機；控制
Abstract: Based on Hollias-DEH,this paper introduces the composition ,control theory,control functions of the DEH system,and the application of DEH in self-supply power plant of chemical enterprise.The operation result indicates that the stable system performance can meet the requirements of safe and high-efficient operation for self-supply power plant.
Key words: DEH; turbine; control
1 DEH綜述
汽輪機數字電液調節系統DEH（Digital Electric-Hydraulic Control System）分為電子控制系統部分和液壓調節保安系統部分。
1.1 DEH電子控制系統
硬件方面主要包括I/O控制柜、硬操盤(pán)、操作員站、工程師站等?？刂乒裰谐溆谐Ｒ嶥CS系統I/O模塊外，還配有DEH專(zhuān)用模塊。軟件方面則通過(guò)先進(jìn)的控制方案和圖形化組態(tài)工具，可設計出完善的控制策略。它完成信號的采集、綜合計算、邏輯處理、人機接口等方面的任務(wù)。
1.2 DEH液壓調節保安系統
液壓系統就是DEH的執行機構，主要包括供油裝置、油管路及附件、執行機構、危急遮斷系統等。以下是液壓系統主要部套，它們將電氣控制信號轉換為液壓機械控制信號，最終控制汽輪機進(jìn)汽閥門(mén)的開(kāi)度。
（1） 伺服閥（電液轉換器）：將電氣信號轉換為與之對應的液壓信號，與伺服控制單元、油動(dòng)機等結合完成電壓位置隨動(dòng)控制。
（2） 滑閥：將油壓、油口開(kāi)度等信號進(jìn)行綜合放大，并通過(guò)油管路將信號傳遞到各油動(dòng)機。
（3） 油動(dòng)機：它的活塞桿通過(guò)凸輪配汽機構或直接驅動(dòng)進(jìn)汽閥門(mén)。它與操縱座、伺服閥、行程測量元件LVDT等設備組成完整的油動(dòng)機，完成位置隨動(dòng)，功率輸出功能。
（4） 調速泵：將轉速轉換為與之對應的液壓信號，再通過(guò)滑閥進(jìn)行綜合放大。
（5） 危急遮斷器：當機組轉速超過(guò)預定值時(shí)，危機遮斷器立即動(dòng)作，關(guān)閉主汽門(mén)、調門(mén)。
（6） 電磁閥： DEH通過(guò)它可使調節閥快速關(guān)閉，或使機組打閘。
（7） 測速探頭：通常采用磁阻式測速探頭，DEH的測速單元接受到測速探頭的感應電壓后，即可計算出機組的轉速。
伺服系統工作原理：DEH控制系統的閥位控制信號在伺服單元與油動(dòng)機的實(shí)際行程LVDT信號綜合，并經(jīng)PI調節后，控制信號送到伺服閥（DDV閥）改變其油口開(kāi)度，使油動(dòng)機相應地上或下運動(dòng)。當油動(dòng)機行程達到閥位控制信號指定的位置后，油動(dòng)機活塞的油口被封住，因此油動(dòng)機活塞被定位在指定位置，從而調節閥也被定位在相應的位置。如圖1所示。
圖1 低壓透平油電液油動(dòng)機
DDV閥與常規伺服閥比較，結構簡(jiǎn)化，可靠性高。
快關(guān)轉換閥為一彈簧復位式插裝閥，閥芯上部連接快關(guān)控制油，噴咀接通錯油門(mén)的脈動(dòng)油。
LVDT為一線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器，將油動(dòng)機的位移變換為電信號，輸入到DEH裝置的伺服板，作為位移反饋。
1.3 DEH控制系統原理及功能
在汽輪發(fā)電機組并網(wǎng)前，DEH系統為轉速閉環(huán)無(wú)差調節系統，可以實(shí)現自動(dòng)升速控制。在機組同期并網(wǎng)時(shí)，使發(fā)電機帶上初負荷，并由轉速PI控制方式轉為閥位控制方式。并網(wǎng)后DEH的控制方式可在閥位控制、功率控制、主汽壓力控制方式之間無(wú)擾切換。
在閥控方式下，操作員通過(guò)設置目標閥位或按閥位增減按鈕控制油動(dòng)機的開(kāi)度。在閥位不變時(shí)，發(fā)電機功率將隨蒸汽參數變化而變化。
在功控方式下，操作員通過(guò)設置負荷率、目標功率來(lái)改變功率給定值，經(jīng)過(guò)控制回路運算后控制油動(dòng)機的開(kāi)度。在給定功率不變時(shí)，油動(dòng)機開(kāi)度自動(dòng)隨蒸汽參數變化而變化，以保持發(fā)電機功率不變。
在壓控方式下，操作員通過(guò)設置壓變率、目標壓力來(lái)改變壓力給定值，經(jīng)過(guò)控制回路運算后控制油動(dòng)機的開(kāi)度。在給定壓力不變時(shí)，油動(dòng)機開(kāi)度自動(dòng)隨蒸汽參數變化而變化，以保持主汽壓力不變。
為了確保機組的安全，還設置了多種限制保護功能、試驗系統功能、輔助系統功能等。
2 公司自備電廠(chǎng)12MW汽輪機改造背景
我公司的主要產(chǎn)品是離子膜燒堿和聚氯乙烯樹(shù)脂。由于生產(chǎn)工藝需要，在離子膜燒堿工藝的電解工序要耗用大量電能。為了降低生產(chǎn)成本，我公司于2006年建立了熱電聯(lián)產(chǎn)自備電廠(chǎng)，其規模為3*75T/H循環(huán)流化床鍋爐、2*12MW抽凝式汽輪機（C12-4.9/0.98型）、2*15MW空冷發(fā)電機，電廠(chǎng)主要向離子膜燒堿車(chē)間電解工段的整流變壓器供電，同時(shí)由汽輪機的抽汽向各車(chē)間提供生產(chǎn)用汽。
我廠(chǎng)用電和用汽存在特殊性，在離子膜燒堿工藝中，用電品質(zhì)要求高:電壓：10kV±5% 頻率：50Hz±0.5。
電壓和頻率波動(dòng)過(guò)大或過(guò)快，就會(huì )引起電解槽跳閘，造成重大經(jīng)濟損失，不利于公司長(cháng)期穩定安全地生產(chǎn)；同時(shí)，膜一車(chē)間的蒸發(fā)工序和電解工序以及樹(shù)脂車(chē)間的汽提工序和干燥工序對蒸汽品質(zhì)要求也較高。
我公司安裝的是由青島捷能汽輪機股份有限公司生產(chǎn)的C12-4.9/0.98型抽凝式汽輪機。一個(gè)高壓主汽閥由自動(dòng)關(guān)閉器拖動(dòng)，自動(dòng)關(guān)閉器的開(kāi)啟為手動(dòng)方式。五個(gè)高壓調節閥由一個(gè)高壓油動(dòng)機通過(guò)杠桿和提板拉動(dòng)。六個(gè)低壓抽汽調節閥由一個(gè)低壓油動(dòng)機通過(guò)杠桿和提板拉動(dòng)。本機組與另一臺機組采用母管制方式供汽。在機組安裝前，公司經(jīng)過(guò)多方考察與調研，發(fā)現汽輪機原液壓調節保安系統存在一些不足之處：
（1） 調節閥為提板式拖動(dòng)，其流量特性的非線(xiàn)性沒(méi)有辦法修正，在低轉速時(shí)，調節閥很難準確控制轉速。
（2） 轉速測量信號為脈沖油壓，低轉速時(shí)很難做到轉速閉環(huán)控制。
（3） 作用在油動(dòng)機滑閥上的力，上端為彈簧力，下端為脈沖油壓，在壓力油壓變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生寄生反饋，會(huì )使油動(dòng)機不穩定。
（4） 在運行中，電、熱負荷在被調整時(shí)會(huì )發(fā)生相互干擾，造成電熱負荷波動(dòng)較大。
綜合我公司化工生產(chǎn)及機組本身的客觀(guān)情況，為了達到機組精確控制、快速響應、保證正常生產(chǎn)，我公司決定將原有機械式液壓調節系統改造為低壓透平油純數字電液調節（DEH）系統。
3 HOLLIAS-DEH系統在自備電廠(chǎng)中的實(shí)現
3.1 DEH電子控制裝置系統
我公司DCS及DEH系統均采用了和利時(shí)公司的MACS-V系統。HOLLIAS-DEH系統共配置了2臺DEH過(guò)程控制站，2臺DEH操作員站，1臺工程師站（與DCS系統共用），及相應的繼電器操作回路、硬接線(xiàn)操作盤(pán)等。如圖3、圖4所示。
圖2 氯堿分公司自備電廠(chǎng)DCS網(wǎng)絡(luò )結構圖
圖3 低壓透平油HOLLIAS-DEH單臺機組控制站硬件配置原理圖
通迅網(wǎng)絡(luò )分為監控網(wǎng)絡(luò )、系統網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)絡(luò )。監控網(wǎng)絡(luò )(MNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)絡(luò )構成，用于完成工程師站的數據下裝，操作員站的在線(xiàn)數據通訊。系統網(wǎng)絡(luò )(SNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)構成，用于完成現場(chǎng)控制站的數據下裝，服務(wù)器與現場(chǎng)控制站之間的實(shí)時(shí)數據通訊?？刂凭W(wǎng)絡(luò )(CNET)由PROFIBUS-DP總線(xiàn)構成，用來(lái)實(shí)現過(guò)程I/O模塊與現場(chǎng)控制站主控單元的通信。
工程師站用于對應用系統進(jìn)行數據庫、控制邏輯算法、圖形和報表等功能組態(tài)，并將組態(tài)數據下裝到現場(chǎng)控制站和操作員站。
操作員站可以完成系統各工藝流程畫(huà)面及實(shí)時(shí)參數顯示，控制分組調節，過(guò)程參數趨勢曲線(xiàn)顯示，報警處理，記錄在線(xiàn)打印，運行狀態(tài)及故障顯示，控制參數設定及修改等。
現場(chǎng)控制站由主控單元、各種I/O模塊及現場(chǎng)電源模塊等組成，主要完成：轉速控制，閥門(mén)管理，伺服放大，閥位移測量的調制和解調，各種定值生成，功率、汽壓、閥位等控制回路及邏輯運算等。以下是DEH專(zhuān)用模塊介紹：
（1） DEH專(zhuān)用測速模塊FM163E，系統配有3塊測速板組成三取二冗余結構。
（2） DEH專(zhuān)用伺服模塊FM146是伺服控制板，它與液壓系統的伺服閥、油動(dòng)機、LVDE組成電壓—位移隨動(dòng)系統，系統配有2塊伺服板，分別控制高壓調節閥和低壓調節閥。
（3） 繼電器操作回路完成現場(chǎng)電磁閥的驅動(dòng)；電源失電及硬接線(xiàn)打閘邏輯；硬件甩負荷快關(guān)邏輯。
（4） 硬接線(xiàn)手操盤(pán)安裝在操作臺上，用預制電纜與現場(chǎng)控制站連接，盤(pán)面上有調門(mén)行程顯示，調門(mén)緊急手操按鈕，打閘按鈕（帶保護蓋）等。
3.2 DEH系統控制回路
DEH采用MACS-V系統進(jìn)行系統組態(tài)。主要有以下回路：
（1） 轉速控制回路；
（2） 功率控制回路；
（3） 閥門(mén)開(kāi)度控制回路：該回路構成對高壓調節閥開(kāi)度的控制，維持閥位為定值；
（4） 主汽壓力控制（TPC）回路：構成對機前主汽壓力的控制，維持鍋爐出口壓力穩定；
（5） 抽汽壓力控制回路；
（6） 汽壓（TPL）及真空保護控制回路；
（7） 防超速保護控制回路（OPC）；
（8） 快速減負荷控制回路（RB）；
（9） 伺服放大LVDT反饋回路；
（10）手動(dòng)控制回路：該回路只能在并網(wǎng)狀態(tài)下才能投入。
3.3 HOLLIAS-DEH控制系統液壓伺服機構的改造方案
以下改造說(shuō)明均以一臺汽輪機配置為例。
（1） 調節系統
拆除部件：同步器、抽汽調壓器、節流孔、油路遮斷器。
保留部件：高壓錯油門(mén)、高壓油動(dòng)機（各一個(gè)）、低壓錯油門(mén)、低壓油動(dòng)機及活動(dòng)試驗油門(mén)、油壓轉換器（各一個(gè)）。
新增部件：油動(dòng)機控制集成塊（2個(gè)）、LVDT（2對）、測速傳感器等。
DEH控制系統使用的電液轉換器是MOOG公司的D634型直接驅動(dòng)式伺服閥。如圖4所示。
圖4 DDV閥（D634）
（2） 保安系統
拆除部件：?jiǎn)?dòng)閥、濕式電磁換向閥。
保留部件：危急遮斷器、危急遮斷油門(mén)、軸向位移遮斷器、電磁閥、主汽門(mén)。
新增部件：OPC快關(guān)集成塊、安全油壓力開(kāi)關(guān)組件。
（3） 濾油器組件
為確保DDV電液伺服閥可靠工作，各DDV閥的進(jìn)油需經(jīng)過(guò)濾油器過(guò)濾。濾油器組件由兩個(gè)濾芯（20μ）和一個(gè)差壓開(kāi)關(guān)組成。
3.4 HOLLIAS-DEH控制系統的運行方式
DEH系統具有手動(dòng)控制、操作員自動(dòng)控制、遙控三種運行方式，各種運行方式間能無(wú)擾切換。由于我公司為孤網(wǎng)運行，遙控運行方式未用到。
3.5 HOLLIAS-DEH控制系統的控制功能
3.5.1 調節控制功能
（1） 升速控制
我公司由于汽輪機本身的特性限制，所以汽輪發(fā)電機組在并網(wǎng)前為手動(dòng)操作，主油泵工作后，由DEH系統自動(dòng)完成3000r/min定速。
（2） 同期并網(wǎng)
可與自動(dòng)準同期裝置配合，將機組轉速調整到電網(wǎng)同步轉速，以便迅速完成并網(wǎng)操作。并網(wǎng)時(shí)，自動(dòng)使發(fā)電機帶上初負荷。
（3） 閥控方式
司機通過(guò)CRT設置目標閥位或按增、減按鈕改變總閥位給定值（單位為%），來(lái)調整機組負荷。我公司自備電廠(chǎng)孤網(wǎng)運行，機組正常運行時(shí)只投閥控。
（4） 功控方式
根據司機設置的目標負荷，自動(dòng)調整機組負荷。
（5） 壓控方式
根據司機設置的目標主汽壓力，自動(dòng)調整主汽壓力。
（6） 一次調頻
不調頻死區在0~30r/min內連續可調。不等率在3%~6%內連續可調。功控、閥控均具有一次調頻能力。DEH系統能適應孤網(wǎng)運行要求。當系統突然甩掉90％額定負荷，能通過(guò)一次調頻、OPC超速保護維持帶廠(chǎng)用電運行。
（7） 解耦計算
DEH對轉速、負荷、抽汽壓力進(jìn)行控制，實(shí)現解耦計算，牽連調節。
（8） 緊急手動(dòng)
系統出現故障時(shí)，系統自動(dòng)切換到手動(dòng)。操作員通過(guò)備用手操盤(pán)的增、減按鈕來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度，維持機組運行。
3.5.2 限制保護功能
為了確保機組的安全，DEH設置了以下限制保護功能。
①超速限制
②閥位限制
③高負荷限制
④主汽壓力低限制
⑤快卸負荷
我公司DEH系統只提供了接口，實(shí)際運行中并未用到此功能。
⑥低真空負荷限制
⑦超速保護
原有機械超速保護、原有電氣超速保護、DEH軟件組態(tài)超速保護、DEH測速板硬件超速保護。
3.5.3 試驗系統功能
超速保護試驗用于檢驗103%n0、110%n0、機械超速保護的動(dòng)作轉速。
閥門(mén)嚴密性試驗可分別進(jìn)行調門(mén)、主汽門(mén)嚴密性試驗，并記錄轉子惰走時(shí)間。
閥門(mén)活動(dòng)試驗可分別對各個(gè)油動(dòng)機進(jìn)行試驗。
停機可以進(jìn)行仿真試驗。
4 汽輪機組采用DEH后達到的主要技術(shù)指標
轉速控制范圍：40～3600r/min
轉速控制精度：≤±1r/min
轉速不等率：3%～6%范圍內在線(xiàn)可調
甩負荷時(shí)轉速超調量：<7%，維持3000r/min
甩全負荷最大飛升轉速：<8%
5 DEH的可靠性
（1） 控制系統以電調控制為主，硬手操控制為備用。
（2） 主控單元冗余設計，互為熱備用。重要信號采用三選中冗余設計。油動(dòng)機LVDT反饋為雙冗余高選。
（3） DEH系統失電或液壓系統工作油壓消失時(shí)機組能安全停機。
6 DEH與機械式液壓調節相比所具有的優(yōu)越性
從我公司自備電廠(chǎng)向化工車(chē)間供電的具體情況來(lái)看，DEH調節系統比汽輪機原有液壓調節系統存在很多優(yōu)越性。
（1） 采用DEH控制系統后，通過(guò)使用磁阻式測速探頭、DDV電液轉換器、LVDT、快關(guān)轉換閥等克服了原有機械式液壓調節的不足。通過(guò)組態(tài)能構成各種不同的控制系統，不僅使被調參數準確地維持在給定值上，而且擴展了汽輪機調節保安系統的功能。提高了機組控制精度及其平穩性和可靠性，可延長(cháng)汽輪發(fā)電機組的使用壽命。
（2） DEH可以與DCS實(shí)現一體化，既達到電廠(chǎng)內部信息資源共享，又減少了運行人員，節省了運行成本，提高了運行效率和經(jīng)濟效益。
（3） 由于我公司用電負荷主要是6臺電解槽的整流變壓器，而電解槽可能因為其他輔機原因而跳閘，且有電解槽全跳閘的可能性。采用DEH控制系統后，可及時(shí)將轉速維持在3000r/min，大大提高了電廠(chǎng)運行安全系統，從而避免由于汽輪機飛車(chē)或汽輪機組本體及輔機損壞而造成的重大經(jīng)濟損失。
7 結論
通過(guò)對近3年的機組運行情況總結，發(fā)現DEH系統充分體現了計算機控制的精確與便利及液壓控制系統的快速響應、安全、驅動(dòng)力強的特點(diǎn)。使汽輪發(fā)電機組平穩運行，降低了發(fā)生重大運行事故的機率，保證向化工生產(chǎn)提供高品質(zhì)的電能及蒸汽，提高了公司的整體經(jīng)濟效益，所以DEH系統是未來(lái)電廠(chǎng)自動(dòng)化運行中的發(fā)展趨勢。
參考文獻
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號