低压透平油纯电调系统在国产300MW机组改造中的应用

一、前言
DEH作为汽轮机的控制系统，在整个机组的控制系统中，有着举足轻重的地位。良好的汽轮机控制特性是机组协调控制系统和AGC稳定运行的必要条件。随着我国电力形势的不断发展，电网对并网运行的大机组提出了越来越高的要求,上汽改进型300MW汽轮机原设计的传统液压调节保安系统，尽管经过不断的改进和完善，与引进型300MW汽轮机的控制性能和自动化水平相比仍有很大的差距。常熟发电有限公司从98年开始结合DCS改造对原有的液压调节系统进行升级改造。作为一种探索，在#1机组的改造中采用了电液转换器与原有的液压放大器切换并存的控制方式，而在#2机组的改造中，则成功的采用了以低压透平油伺服系统为基础的纯电调系统，以低成本获得了纯电调的高性能，为国内300MW老机组的DEH改造开辟了新的途径。
常熟发电有限公司的#2机组是上海汽轮机厂1993年生产出厂的改进型国产300MW四缸四排汽再热凝汽式汽轮机，布置有二个高压主汽门，八个高压调门，四个中压主汽门和四个中压调门，分别控制高、中压进汽。除四个中压主汽门由四个两位式操纵座控制外，其余十四个汽门各由一个油动机连续控制阀门开度。原设计调节系统为纯液压系统，调节用油由同轴主油泵提供，供油压力为2.0Mpa。
从调节性能上看，原有的液压系统存在的主要问题是迟缓较大。一般情况下，经过检修清洗后的油动机迟缓率都在4-5mm左右，运行一段时间后的油动机迟缓可能达到10mm以上。从驱动同步器的马达开始，存在着较多的机械传动环节，不仅回差大，而且极易发生磨损，摩擦式联轴器调整困难，难以兼顾手动和自动。主放大器输出的信号油压要经过低压油选择器、流量放大器等环节，流量放大器的特性也不理想，这些因素综合起来使调节系统的整体迟缓更大，影响了系统的控制精度。
在可靠性方面，主要问题有流量放大器波纹管易破裂、低压油选择器易卡涩、同步器传动机构失灵、电磁脱扣器时有卡涩，另外有时系统产生漏油导致火警，这些问题都已经影响到了机组的安全稳定运行。
为此，根据#1机上已实施的电液并存系统的运行经验，确定在#2机的DEH改造中完全放弃原有的液压调节功能，采用纯电调系统，实现对各调门的一对一控制，彻底改善系统的迟缓率，提高控制精度。
二、低压透平油纯电调方案的论证
在国产300MW汽轮机上实施DEH纯电调改造，在国内还属首次。制造厂提出了两种初步方案：
第一种方案是应用引进型300MW汽轮机的高压抗燃油纯电调技术进行改造。改造方案将完全取消原有的液压调节系统，增设DEH控制系统，增设高压抗燃油系统，所有控制主汽门、调门的油动机包括中压主汽门操纵座都改为高压抗燃油油动机，仅保留前轴承座内部的危急遮断器、危急遮断油门及少量部套，保留原有的润滑油供油系统。改造后的控制系统能实现DEH基本控制功能，接近引进型300MW汽轮机的控制水平。此方案的优点是：技术成熟、性能可靠、防火性能好，缺点是投资大、改造工作量大、工期长、备件复杂、维护要求高。
第二种方案是保留原液压系统的供油系统，保留各汽门油动机和操纵座。对高压主汽门油动机和高中压调门油动机进行少量的改造，在每个油动机上设计安装由DEH直接控制的电液转换器，实现对油动机的一对一控制，设计相应的OPC控制和安全油部套及油路，实现超速控制和安全遮断控制功能。此方案的优点是投资少、工作量小、工期短、备件简单、维护要求低，缺点是低压透平油纯电调改造在国内是一项开创性工作，没有经验，技术上不成熟，可实现的控制精度相对稍低，存在一定的经济、技术风险。
为了作出正确的选择，公司的技术人员进行了认真的讨论，最后经领导决策，确定选择实施第二套方案，并请上海汽轮机厂立即着手部套设计和制造，发电公司给以密切配合。归纳起来，选择低压纯电调方案的理由主要有以下几个方面：
1．在国际上，高压抗燃油纯电调和低压透平油纯电调是纯电调技术的两个流派，低压透平油方案在国外公司的设计中也较多见，据了解，ABB和西门子就设计生产低压透平油纯电调系统，因此并不存在高压抗燃油是纯电调的唯一选择的说法。
2．电网对机组调节系统的控制精度的要求是有限的，并不是精度越高越好，过高的控制精度，要有相应的经济投入。上汽厂提供的第一方案的转速控制精度为±1 rpm，第二方案的转速控制精度为±2 rpm，但后者要比前者至少节省投资150万元。
3.从技术上讲，现有系统中的油动机，除了迟缓较大以外，其快关性能和运行的可靠性都很高，如果通过电液转换器实现单独控制以降低其迟缓后，应当完全能满足DEH控制精度和运行的安全可靠性。另外，分散控制本身就意味着高可靠性，每只电液转换器的电路、油路都能隔离，任何一只电液转换器出现故障都不会导致系统失效，而且能得到及时的修复。
4．在#1机DEH改造中，对上汽厂的力矩马达电液转换器的转换精度和可靠性都有了相当的把握。其电—液转换的线性和回差都能胜任DEH伺服的要求。
5．透平油的可燃性是透平油方案的一大缺点，但通过改进系统管路尤其是高压油管路的连接工艺，有信心充分提高整个系统的防火安全性。我公司在98年3月份已被命名为无渗漏电厂，在控制油系统渗漏方面应该说有相当的经验。
6．对基建项目来讲，高压抗燃油方案应该是一个合理的选择，但在旧机改造工程中，与其相比，低压透平油方案更具有明显的优势，除了投资少以外，系统改动工作量小、改造工期短、备品配件简单、维护要求低等都是非常有竞争力的优点。
综合上述考虑，低压透平油方案仍是一种既开拓创新又稳妥可行的选择，从这个方面做深入的工作，对本公司其他三台机组乃至全国同类型机组的改造都有积极意义。
三、实施方案的介绍
实施的透平油DEH方案设计了作为纯电调应具备的基本功能，包括转速控制、负荷控制、一次调频控制、阀门管理、阀门试验、遥控接口、自动同期接口、ATC功能、OPC超速控制等。其控制部分的硬件与DCS系统一致，采用上海FoxBoRo公司I/A硬件，并与DAS、CCS、FSSS、SCS、BBPS、TBPS共享数据，控制软件由上海汽轮机有限公司在I/A系统上进行开发。在控制策略上与引进型300MW汽轮机的抗燃油DEH的策略基本一致，因此本文主要介绍其液压伺服系统。
液压系统的改造方案见附图一,保留原液压系统的供油系统,保留原系统中的各汽门油动机及操纵座。四只中压主汽门的两位式操纵座及其控制油路保持不变，其他14只油动机（高调油动机8只、中调油动机4只、主汽门油动机2只）在改造中将作少量变动，主要是拆除阀门活动试验装置,在该位置上装上由DEH直接控制的电液转换器，当DEH的控制输出变化时，电液转换器的输出油压相应变化，从而改变继动器的位置,继而使油动机活寨杆跟随继动器移动而移动。电液转换器还接受0PC控制油压控制，0PC控制油压由原负荷限制器及流量放大器产生,并通过串接的电磁阀送到电液转换器底部的控制口,电磁阀由DEH的0PC回路控制,在汽机甩负荷或超速达103%时,0PC信号将使电磁阀激励,切断伺服阀的0PC控制油压油路,由于电液转换器的控制油压卸压,将使油动机快速关闭,从而抑制汽机转速飞升。0PC控制油压同时又受电磁阀内的危急继动器控制,当汽机遮断时,安全油失压,0PC 控制油压也会失去，使调门油动机迅速关闭。
改造方案还将去除下列液压部套,因而不再具备液压调节的功能：
转速变换器一个、主放大器一个、选择器二个、加速器一个、负荷限制器和启动阀。
调节座架上仅保留辅助油门控制器、遮断电磁阀、两个流量放大器及OPC电磁阀。为了提高电磁脱扣的可靠性，按照冗余原则，在原有的遮断电磁阀傍并联了一只同样的遮断电磁阀，并单独布置控制电源和电缆，提高了危急遮断的可靠性。
图二电液转换器原理图
图二为电液转换器的原理图。高压油通过节流孔进入由蝶阀控制的油腔，蝶阀的开度受力矩马达输出力矩的控制，从而实现了力矩马达输入电流-输出油压的转换。由于采用了节流孔-蝶阀结构，对供油油质的清洁度要求并不很高，但为了进一步提高电液转换器的转换精度和可靠性，在系统中增加了三组进口的双桶滤油器，一组供调节座架上的部套用油，另两组分别对汽轮机两侧油动机上的电液转换器供油。双桶滤油器的过滤精度是200目，每组内的两只滤桶能够无扰切换，保证了电液转换器的可靠供油。
图三为油动机控制原理图。SVP卡上带有比例调节器，通过继动器行程反馈，SVP卡对油动机形成闭环控制。实践证明，这对降低油动机的迟缓非常有效，开环时迟缓达15mm的油动机，闭环后也能稳定控制在3mm以内。2f（x）用于校正油动机固有的非线性，1f（x）则用以调整各调门的开启顺序，控制汽轮机进汽量的连续性。
四、加工制造和现场金加工工作主要包括对需利用的原有部套的改造和新增部套的加工两部分。需要改造的部套包括14只油动机和1只流量放大器。对油动机的改造内容主要有改：
1．继动器可调整拉弹簧为不可调压弹簧，加装LVDT
2．拆除阀门松动试验装置
3．油动机进油法兰及压力油进油管改造（消除漏油隐患）
4．配合电液转换器的控制油路改造
流量放大器的改造主要是拆除其波纹管，使流量放大器变成单一的稳压装置。
新增加的电液转换器是整个改造方案的关键。一开始时，上汽厂的设计人员设计了一种错油门滑阀式的伺服装置，但由于错油门滑阀对油液清洁度的要求很高，稳定性不太理想，最后改为较有经验的节流孔蝶阀式的电液转换器，经试验性能良好，在试验台上，被控制的油动机迟缓只有1-2mm，达到了设计要求。整个设计、制造、调试、改进过程历时4个月，发电公司的技术人员多次参与调试检验，经过多处改进设计，于10月份正式交货。
现场的安装比较简单，主要的工作是重新布置调节座架上的部套和管路，包括三组双桶滤油器的安装，以及将电液转换器的油路接通，另外就是控制电液转换器的电缆排放和接线等工作。
五、调试和运行系统的调试工作包括DEH功能测试和DEH静态特性整定两方面内容。
功能测试相对比较简单，主要是验证DEH中设计的各项功能如OPC、OPT、阀门试验等功能是否正确。
静态特性的整定试验要复杂些。主要的工作是测试和调整各油动机开启特性以及各油动机之间的开启顺序。由于此项工作未实现智能化，调整工作量较大。此次改造后的静态试验仍按照上汽厂的原设计标准进行整定。
调试结束后机组启动一次启动成功，DEH运行平稳，各项指标较为满意，CCS、AGC投运正常。根据开机时的记录，稳态时，汽机转速波动在±2 rpm以内，并网后主汽压力非常稳定，说明DEH的负荷控制精度较好。
六、在线测试情况2000年4月5日-10日，江苏省电力试验研究所组织对常熟发电有限公司#2机组的DCS、DEH系统进行了在线测试。DEH系统的主要测试结果如下：
* 各项功能测试均正常；
* 稳态时转速控制较好，但在给定目标转速和升速率升速时，转速超调量较大，约为70rpm，有关调节器参数还有待在实践中调整优化；
* 负荷控制品质优良。CCS工作在机跟炉方式下，稳定负荷或负荷扰动情况下，主汽压力波动仅为±0.05 Mpa，在AGC连续交变负荷下，主汽压力波动为±0.18Mpa。
七、总结经过细致的调整和4个多月的运行考验，目前的DEH系统已处于稳定运行状态，功能性能各方面都达到了改造的预期目的。我们认为：
1．从技术上讲，低压透平油DEH是一个完全可行的方案。低压透平油DEH能实现高压抗燃油DEH同样的控制和保护功能，其转速控制和负荷控制的精度与高压抗燃油DEH相差无几，而其资金投入要比抗燃油方案少得多。
2．由于低压透平油DEH改造方案对原系统的改动最少，现场工期很短，备品配件简单，油系统的维护要求相对较低，因此特别适合旧机组调节系统的改造，尤其是只改调节系统不改配汽机构及本体通流的改造项目，能够获得最佳的投入产出效益。
3．在初步成功的基础上，需对方案的设计和调试进一步进行改进和优化，尤其是调试工作完全可以实现计算机程序自动调试，可以减少大量的调试时间和人力，调试质量也能得到更好的保证。
4．常熟发电有限公司#2机DEH改造中实施的低压透平油DEH方案是一项成功的技术创新，在国产300MW汽轮机及其他同类型汽轮机的改造中有较大的推广价值。

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