浅谈汽轮机数字电液调节系统
叶祺
摘 要：汽轮机数字电液调节系统是以数字计算机为基础的调速系统，采用汽轮机数字电液调节系统可有效提高高、中压阀门的精确控制能力，保障汽轮机发电机组的安全高效运行，避免造成电力瘫痪、人员伤亡等恶性事件。本文从工作原理、组成、主要功能、運行方式和常见故障及解决方式几个方面对数字式电液调节系统进行全面的介绍和总结，为其在实际工程上的应用和后续的理论研究提供借鉴和参考。
关键词：汽轮机;数字式电液;调节系统
汽轮机由高温、高压的蒸汽带动运转，蒸汽在其中的能量转换涉及内能转换机械能，让汽轮机能够高速旋转，提供能量输出带动同步发电机产生电能。在汽轮机的旋转过程中，相对于汽轮机由蒸汽能量转换的驱动力矩而言，汽轮机转子自身惯性较小。如果在机组运行过程中，所带电负荷突然降至低谷甚至到零，若没有及时的反馈调节机制，汽轮机巨大的驱动力矩将作用在其转子上，失去负荷需要满足即没有发电机组需要带动转子转速将飞速上升。此时如果不迅速、及时地将汽轮机的输入蒸汽供给切除，转子的转速将超过其设计值的安全极限，从而可能会导致机组故障甚至酿成涉及电力系统瘫痪、人身安全等恶性事故。为了使汽轮机在各种工况下都能处理一系列突发状况，使整台机组和电力系统的安全、高效运行，需要配置一种能够根据设定转速和实际转速的偏差，迅速、正确地调整汽轮机的进气量，从而改变机组的输出功率，满足电负荷的变化要求的控制调节系统。汽轮机这种通过调节蒸汽量和焓降从而调节机组转子的实际转速的调节系统通常也被称为汽轮机调速系统，其任务是及时调节汽轮机功率以供应用户足够的电力、控制汽轮机的转速保持在额定范围内[1]。本文主要总结数字电液调节系统的工作原理、组成、主要功能、运行方式和常见故障及解决方式，通过理论知识结合实践经验，为数字电液系统的后续研究提供借鉴和参考。
1 DEH控制系统工作原理
汽轮发电机组应用DEH控制调节系统主要是控制汽轮发电机组输出功率，满足负荷变化或电力系统的突发状况，如机组还兼有供热任务，DEH系统还将根据负荷变化和工况需求控制汽轮机抽汽或背压处供热蒸汽的压力或流量。[1]从控制学的角度来看，DEH系统被归类于串联的比例积分（PI）控制调节系统，计算机根据传感器反馈信号完成系统中所需的相关控制操作与调节计算，再向相应执行元件发送指令。从电路系统的角度来看，DEH系统内的基本回路担任转速控制，电功率控制等功能，逻辑回路主要担及同期、调频限制等功能。[2]从系统部件的角度来看，DEH控制调节系统通过传感测量实际转速、计算元件计算所需转速、电液伺服阀接收信号元件发送信号，并控制高压汽阀门等操作，从而达到控制机组转速、功率等目的。其具体工作原理为：在汽轮机组启动和正常运行的过程中，实时对汽轮机组转子的转速和发电机组功率输出以及蒸汽调节阀的位置反馈等信号进行采集并转换为电信号传递给比较元件，在DEH系统的比较元件接收反馈信号后，由数字计算机进行分析处理、综合运算、再将控制指令以电信号的形式传递给电液伺服阀，通过调节阀的开度的改变以保证汽轮机组的正常安全运行。DEH系统主要是以两种方式运行：“调频方式”和“基本负荷方式”。当DEH系统以调频方式运行时，若电网的负荷突然减少，将导致发电机输出频率上升，汽轮机发电机组的转速随之增加，测速传感器测得转速后以数字信号的形式反馈给比较元件与原给定值比较，产生负偏差信号，通过PI比例积分调节器校正该偏差信号后，数字计算机所给出的校正信号被传输进入伺服放大器，通过控制油动机关小调节汽阀，减少蒸汽流入汽轮机，从而减少机组的功率输出。如果DEH系统是以基本负荷方式运行，机组的功率输出严格等于控制系统的功率给定值，此时比较元件对电网反馈信号不敏感。
2 DEH控制系统的组成
电子控制器主要包括计算机、混合数模插件、接口和电源等设备，主要用于实现给定、接收反馈数字信号，并对信号进行逻辑运算和发出相应指令等操作。
操作系统包括人员操作盘、图像显示器和打印机等设备，为操作的工作人员提供系统实时信息、对汽轮机组进行实时监督。
高压控制油系统（EH系统）和润滑油系统是油系统的主要组成部分。高压油为整个调速系统提供控制与动力，还根据所接收的指令，控制电压伺服阀;润滑油系统为机组提供机械间润滑所需用油。
伺服放大器、电液转换器和油动机组成了执行机构的核心部分，主要负责在接收到调节信号后对各压力级汽阀的带动调节等。
保护系统包括测量传感器、继电系统及电磁阀。
2.1 伺服卡
线性可变差变送器测量到蒸汽阀门开度反馈值被伺服卡所采集，与控制系统内的数字计算机所发出的给定指令信号比较，电液伺服阀经过PI比例积分运算后输出相应的调节电流所驱动，蒸汽阀门被逐渐调节到达给定的开度值。
2.2 伺服阀
DEH系统的关键和核心部件是伺服阀，它是实现液压信号和电信号转换的元件，也是将计算机元件输出的指令信号放大的功率放大元件。它的性能的优劣决定了DEH系统所能发挥的最大功用，所以需要根据场景和工况的需求设计选择合适的伺服阀元件。
2.3 线性可变差变送器（LVDT）
LVDT传感器能把阀门开度转换成电信号，从而将信号以极快的速度传递给比较元件产生反馈信号参与控制调节。[3]
3 DEH系统的运行方式
DEH系统主要以下四种基本运行方式运行并发挥其调节作用：（1）操作员自动操作。（2）汽轮机自启动运行方式。（3）遥控自动操作运行方式。（4）操作员手动操作运行方式。四种运行方式的特点和过程均有较大不同，简要将其运行过程和主要特点介绍如下。
3.1 操作员自动操作
在操作员自动操作的运行模式下，汽轮发电机组的运行由电厂运行工作人员所控制。操作人员可以根据机组运行具体情况进行如下操作：
（1）在汽轮机组转子转速加快的过程中，修改速度提升率和目标期望转速值。
（2）主动实现将机组的运行方式由中央缸启动切换至主汽阀控制的阀切换。
（3）当机组转速最终达到与设定转速相同时，启动“自动同步”操作。
（4） 在汽轮发电机组并网后，此时机组的运行将配合电网实时调度和受到用户实时负荷变化的影响，所以该操作应实现即时修改机组设定的输出功率目标值及变负荷率，并启动一次调频回路用于调节发电机输出频率，实现机组安全运行下的供需匹配。
（5） 根据实际工况切换单阀或顺序阀的工作状态，调节其开度或开闭状态。
3.2 汽轮机自启动
汽轮机自启动运行方式通常也被称为ATC，其目的是使得汽轮发电机组能够在启动和加负荷或其他突发工况下仍然能够安全正确地运行。通过该种运行方式汽轮机组能够自动完成如下操作：
（1）自动完成从汽轮机冲转到转速最终达到与设定值相同的过程。
（2）根据汽轮机转子轴承等各关键部件的应力分布情况、在当前机器条件和负荷特征决定的临界转速等实时运行参数设定速度上升率、暖机时间等，并在条件允许时自动投入与实施负荷同步的调节运行工况和与大电网并网运行。
（3）与大电网并网后，根据各关键部件应力分布情况、转子临界转速以及机组的其他实际运行参数，自动确定负荷上升率或者执行危险报警等操作。
3.3 遥控操作
在机组正常运行的情况下，遥控操作是在操作员自动方式下由操作人员选择执行与否。一旦投入遥控操作， DEH系统的期望转速值便由操作遥控端的人员或计算机设定。在遥控操作中，采“自动同步”和“协调控制”两种方式进行操作运行，后者是DEH系统中最为主要应用的一种遥控方式。
3.3.1自动同步
在该种运行方式中，由“自动同步增”和“自动同步减”两个触点共同实现对转速目标值的调整，直至汽轮发电机转子被调整至设定转速，随时准备与大电网相连，使所发电力上网满足用户负荷需求。
3.3.2协调控制
协调控制这种遥控负荷操作受到实时负荷变化的控制，它必须在满足如下条件时才能被投入运行：
（1）DEH须在“自动”或“ATC控制”方式。
（2）油开关必须闭合。
（3）遥控允许触点必须闭合。
3.4 汽轮机手动操作
汽轮机手动操作不是在机组正常运行下采用的运行方式，而是在面对突发紧急情况或DEH系统故障时的应急操作，仅能起到维持机组运行的作用，不建议长期运行。因为无论从灵敏性或是准确性的角度而言，操作人员的操作均不如数字自动化的调速系统。所以待汽轮机组恢复正常、故障被处理完善后，应立即恢复机组自动运行。
4 DEH系统的常见故障及解决方式
由于DEH系统在进行调节时需要调动的机械部件和逻辑回路均较多、较复杂，可能会偶尔因各种原因发生小故障。但汽轮机组毕竟是大功率的原动发电机组，一旦发生故障造成的后果难以想象。故而为了确保汽轮发电机组安全可靠、节能经济地高效运行，必须在平日里就加强对DEH系统的检修维护力度，并且研究常见故障及对应的解决方式，从源头上杜绝事故的发生。就工程经验而言，常见的故障及其原因分析如下所示。
4.1 安全油压异常
汽轮机DEH系统在进行调节过程中有时会出现高压油压、空转油压、以及汽轮机紧急停机保护油压异常不稳定的现象。油压异常一般表现为油压异常波动（幅度大、频率高）等不稳定现象。在现有的故障报警记录中占比率较高的就是油压异常引起的故障。而根据工程经验总结，造成油压异常的主要原因大致可以总结如下：
（1） 汽轮机自身的油系统中的部件或DEH系统中的高压油路存在故障。
（2） 接收蒸汽阀门开度调节信号的电液伺服阀出现卡涩或其相关的控制系统出现故障。
（3）控制系统的执行机构故障导致其不能正常执行指令。
（4）汽轮机跳闸保护系统出现故障，导致汽轮机出现紧急跳閘现象时没有保护系统保证其他部件的安全运行。
（5） 故障存在于DEH系统中的超速控制逻辑单元中，导致超速现象发生时DEH系统无法正常运行调节。
经总结分析故障现象，首先应停机并对机组进行检修维护。其次应关闭汽轮机各汽阀的进油截止阀，记录油系统主油泵的供油状况，同时观察高压油路的油压供应数值是否稳定，根据上述记录判断故障是否发生在汽轮机自身的油系统和DEH系统的高压油路中。再次应当将关闭的汽阀进油截止阀再根据给定规律依次打开，并对如下三种状况进行测试：汽门全关状态、汽门全开状态、以及汽门半开闭状态。根据各个汽轮有无出现卡涩、内泄露等现象判断各个汽门工作是否正常。
综上所述，造成DEH系统安全油压波动的可能原因有很多，需要结合具体情况和机组状况对故障现象进行详细分析研究、对可能发生的油压故障点进行逐一排查检修，确定故障发生的源头，降低机组故障带来的经济损失。[4]
4.2 汽轮机调节系统摆动
DEH系统另一个常见的故障现象是汽轮机调节系统出现摆动现象，无法进行稳定的调节。这种故障现象主要存在在转子转速和负荷波动两个方面。导致该问题发生的原因可以概括为三个典型原因：热工伺服机构存在干扰分量、伺服阀故障和蒸汽促使阀门误动。
4.2.1热工伺服信号存在干扰分量
在汽轮机组经长期工作后，在振动、电磁干扰等外部环境影响下，伺服系统的伺服卡输出的电信号中由于如下原因可能会含有交流干扰分量：伺服系统中的位移传感器的精度降低、DEH系统中的屏蔽接地线接触不良、设计时工作地、信号控制地、保护地出现混绕等。这些原因将导致汽轮机DEH调节系统的输出电信号中出现干扰信号，接收元件接收信号后不能根据信号进行稳定、准确的调节，故而不能满足设计调节要求，导致转速出现波动。
4.2.2伺服阀故障
经前述介绍，伺服阀是伺服调节系统中的核心部件，它也是DEH控制系统中实现电信号和液压信号转换过程的核心元件。油系统的供油是引起伺服阀出现故障的主要原因：当供应油质变差从而造成伺服阀出现卡涩等故障时，轻则可能导致汽轮机DEH调节系统出现摆动现象，不能稳定运行;重则可能导致机组发生紧急停机或不能正常启动。
4.2.3蒸汽力促使阀门误动
由于外力作用导致阀门过度动作，从而引起DEH系统输出指令信号呈反复周期性变化是DEH调节系统出现转速摆动现象的另一大原因。当汽轮机发电机组处于正常运行状态时，其所有阀门均在特定的工况点上工作，若此时由于汽轮机组内部水蒸汽集中作用在某个进汽阀门上，将导致阀门工作状态偏离正常的工况点，特别当主汽阀受到作用后，会导致机组内部蒸汽流量瞬间增多。为保证汽轮机发电机组稳定运行，DEH控制系统在监测到阀门开度异常、蒸汽流量异常等现象后必然会发出指令信号使阀门开度变小，但在阀门逐步调小过程中，由于蒸汽的持续集中作用，将使阀门的开度发生跳跃，瞬时使蒸汽流量减小，该流量减小信号经反馈系统 传输到DEH系统逻辑处理中心，就会生成调大信号，执行机构收到信号后又会将阀门调大，在蒸汽力的作用下又会过度调节，如此反复，将导致调节系统发生转速和负荷的摆动现象。
为了解决汽轮机调节系统摆动的问题，首先在设计时就应严格依据行业规范和相关标准，将一定数量的隔离板安置在伺服系统的内部电路之间，以防止电子设备的相互干扰;对于伺服阀故障的状况，应从产生该问题的源头——供应油质量去解决，在正式运行过程中中应严格管理进机组的油源、油质，杜绝质量不符合标准的油进入机组中的情况出现。同时要加强日常对机组的维护，定期管理油质，清理油路。防止伺服阀堵塞;对于蒸汽力引起阀门过度调节的状况，应在正式投入使用之前查验阀门综合性能，预防出现因阀门反复调节而引起DEH系统异常调节的情况。[5]
5 总结
本文从工作原理、组成、主要功能、运行方式和常见故障及解决方式几个方面对数字式电液调节系统进行全面的介绍和总结，特别是用较多篇幅对常见故障及解决方式进行了介绍。DEH系统在工程实践的检验中已经获得了认可，成为了汽轮机组的关键部件，现代的汽轮机机组可谓是缺之不可，保障了汽轮机发电机组高效安全运行。该项技术也在不断地改进和进步。本文對DEH系统进行了较为全面的总结和介绍，突出其重要性的同时也强调了故障原因及解决方法，为后续的工程应用和理论研究提供借鉴和参考。
参考文献：
[1]黄树红.汽轮机原理[M].中国电力出版社， 2008.
[2]刘丽然.浅析汽轮机数字式电液控制系统[J].科技与企业， 2013（21）：271.
[3]王丽珍.汽轮机数字式电液调节系统的研究[D].太原理工大学， 2007.
[4]彭建平.浅谈汽轮机DEH液压调速控制系统[J].价值工程， 2013（10）：179-180.
[5]陈立明.汽轮机DEH控制系统常见故障原因分析及处理措施研究[J].电力学报， 2011， 26（3）：251-253.
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