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摘要：本文介紹了直動式液壓系統的組成和特點，并將直動式液壓系統運用于汽輪機純液壓調節系統的改造，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改造方案可行性和優越性。
關鍵詞：汽輪機；直動式；數字電液；液壓伺服系統；伺服執行機構
1 前言
隨著科學技術的發展，對電廠供電品質及發電成本提出了更高的要求，先進的數字式電液調節系統（DEH）可靈活組態各種控制策略，汽輪機數字電液控制系統已在汽輪機上得到廣泛應用，EH油系統作為汽輪機數字電液控制系統的重要組成部分，完成DEH指令信號到汽輪機閥門動作的轉換，它的穩定性和汽輪機的安全運行息息相關。老機組原純液壓調節系統在可控性和控制功能方面已不能滿足機組協調控制（CCS）和電網自動發電控制（AGC）等要求，且還存在著調節系統部套易卡澀、遲緩率大、調節品質差、不能實現閥門管理等等缺點。因此老機組液壓系統改造勢在必行。
2 液壓系統問題分析
常州金壇電廠1臺C12MW供熱凝汽機組原系統為純液壓調節系統。存在抽汽投入困難，抽汽和功率調節相互干擾大，調門晃動，抽汽波動大，調節品質差，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。
數字電液控制系統（DEH）與傳統的液壓控制系統相比，純液壓系統主要存在問題：
1. 采用手動同步器加減負荷難于實現CCS協調控制和AGC控制；
2. 液壓調節器（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，不能實現單/多閥方式，閥門重疊度大，進汽節流損失大，效率低；
5. 保護系統 不完善，可性差；
6. 監測系統欠缺，自動化水平低，運行、維持不方便。
為了解決目前機組調節系統問題，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進行改造。
3 直動式伺服液壓系統方案
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節引入電液放大器，以實現與算機控制器接口，實現全電調控制。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，實現與計算機控制器接口，實現全電調控制。這種方案稱為電液油動機型純電調，油動機前各環節可以拆除，不再保留液壓備用。
3）高壓抗燃油純電調，原有的液壓調節系統各環節全部拆除，液壓執行系統需重新設計。
前兩種方案部分保留了原液壓系統，是原液壓調節系統改造而成的全電調，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控制精度和動態特性均比不上高壓抗燃油系統，且系統耗流量大。高壓抗燃油系統采用獨立油站，電液油動機結構簡單，定位精確，動態響應快，調節品質好，抗燃油系統主要用于大型機組。
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。
由于抗燃油的以上缺點，特別是對環境造成的污染，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，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缺點，采用高壓直動式液壓系統方案。直動式吸收了抗燃油系統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于抗燃油，可提高液壓系統的靈敏度，防止卡澀，減少零件磨損，延長液壓系統壽命，減少了再生設備，減少運行維護的工作量，系統結構簡化，成本大大降低。
3.2 直動式油動機方案介紹
直動式伺服調節器系統主要包括供油裝置、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，即正常調節控制和快動作控制，兩者間相互并聯，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與低壓透平油系統分開，通過兩壓力油的工作面積不同，從而實現低壓油控制高壓的功能。本系統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.直動式伺服系統改造方案實現
金壇C12MW抽凝機組，主要調節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。改造后的調節系統液壓部分采用直動式伺服液壓系統，電控軟件和硬件部分采用南京科遠較為先進的DEH-NK汽輪機數字式電液綜合控制系統。改造系統原理圖見下圖，各部分實現如下。
圖5 改造后的直動式伺服液壓系統示意圖
4.1 液壓伺服系統實現
直動式系統本身自成一體，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，提供穩定的控制油壓。油動機通過自身位移反饋完成調節過程。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。
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活塞 |
提板式調門 |
旋轉隔板 |
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活塞上行 |
調門關 |
調門關 |
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活塞下行 |
調門開 |
調門開 |
去掉純液壓調節回路中的轉速調節環節同步器和抽汽調壓器，通過DEH-NK控制系統很容易實現相關轉速和抽汽壓力邏輯控制功能。
4.2 保安系統實現
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。實現調門遠方關閉功能。
2）調門液壓、電氣雙回路聯鎖關閉功能。直動式系統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。在安全油泄掉時聯鎖迅速關閉調門。在本系統中作為一道和電氣保護系統并存的液壓聯鎖保護系統。
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穩定運行。
2）ETS發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 系統安裝聯調測試情況
5.1 現場安裝、施工
直動式液壓系統自成一體，改造改動量比較小，現場停機施工時間短。改造前未停機情況下，根據現場原油動機工作參數，確定直動式油動機參數（如：行程、缸徑、安裝尺寸及連接尺寸等），直動式系統生產、測試后，再現場實施改造。現場停機施工時間4天，改造周期短。
5.2 性能試驗
（1）改造后液壓系統，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處于安全狀態。
（2）節能設計
使其穩定靜態耗油量接近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，快速調節和保護動作時油壓沖擊。
（3）保護系統的安全性。
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，系統運行正常、穩定。改造后的系統徹底解決了以前系統存在的問題。
（1）轉速控制
轉速控制范圍擴大，原系統2800rpm以下通過旁路門就地手動控制升速，改造后轉速實現了0~3000rpm全范圍連續可調。轉速控制精度±1rpm；直動式液壓系統和原液壓系統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，客服了原液壓系統的缺陷，采用高壓設計的，油源壓力為14MPa，使控制系統的性能達到高壓抗燃油系統的水平，調門跟隨迅速、平穩。閥門控制精度1‰。
（3）負荷控制、抽汽控制均實現了手/自動無擾切換。負荷控制精度，抽汽投入平穩，實現功率、抽汽的軟件解耦控制，精確度高，且參數實現完全靜態自整。
6 結論
直動式液壓系統為作為高壓系統，擁有和高壓抗燃油系統的相同的控制精度，具有環保、節能的特點，系統簡單，可靠性高，抗污染能力強，封閉的油源系統，保證可靠的清潔度，無環境污染問題。相對抗燃油系統結構簡單，成本很低、維護方便。改造周期短，不受原液壓調節系統特性和缺陷的影響。可以作為中小機組改造很好的選擇。
［作者簡介］黃衛東(1972-)，男(漢族)，江蘇金壇人，江蘇省金壇加怡熱電有限公司，大專，主要從事電廠電氣運行、檢修及熱控設備運行、檢修工作。
［作者簡介］程寶清(1980-)，男(漢族)，江蘇泰州人，南京科遠自動化集團有限公司，碩士，主要從事熱工自動化方向的研究工作。
[1] 李寶玉，汽輪機調節系統疑難問題解析，化學工業出版社。
[2] 林平，基于DCS的汽輪機DEH系統的改造與研究， 微計算機信息。
（敬請持續關注：科遠股份002380，NT6000分散控制系統DCS、SY系列智能一體化電動執行機構、SyncPlant管控一體化信息系統等，詳情請登錄 www.sciyon.com，或致電：4008818758咨詢，歡迎關注新浪微博@科遠股份002380）
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