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案例頻道 作者簡介：尹靜 （1979-），女，河北保定人，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，主要從事自備電廠熱工自動化技術(shù)工作。
摘 要：本文以HOLLIAS-DEH為基礎(chǔ)介紹了DEH系統(tǒng)的組成、控制原理、控制功能以及在化工企業(yè)自備電廠機組中的應(yīng)用。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能滿足對自備電廠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(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH（Digital Electric-Hydraulic Control System）分為電子控制系統(tǒng)部分和液壓調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)部分。
1.1 DEH電子控制系統(tǒng)
硬件方面主要包括I/O控制柜、硬操盤、操作員站、工程師站等。控制柜中除配有常規(guī)DCS系統(tǒng)I/O模塊外，還配有DEH專用模塊。軟件方面則通過先進的控制方案和圖形化組態(tài)工具，可設(shè)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(diào)節(jié)保安系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)就是DEH的執(zhí)行機構(gòu)，主要包括供油裝置、油管路及附件、執(zhí)行機構(gòu)、危急遮斷系統(tǒng)等。以下是液壓系統(tǒng)主要部套，它們將電氣控制信號轉(zhuǎn)換為液壓機械控制信號，最終控制汽輪機進汽閥門的開度。
（1） 伺服閥（電液轉(zhuǎn)換器）：將電氣信號轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的液壓信號，與伺服控制單元、油動機等結(jié)合完成電壓位置隨動控制。
（2） 滑閥：將油壓、油口開度等信號進行綜合放大，并通過油管路將信號傳遞到各油動機。
（3） 油動機：它的活塞桿通過凸輪配汽機構(gòu)或直接驅(qū)動進汽閥門。它與操縱座、伺服閥、行程測量元件LVDT等設(shè)備組成完整的油動機，完成位置隨動，功率輸出功能。
（4） 調(diào)速泵：將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的液壓信號，再通過滑閥進行綜合放大。
（5） 危急遮斷器：當機組轉(zhuǎn)速超過預(yù)定值時，危機遮斷器立即動作，關(guān)閉主汽門、調(diào)門。
（6） 電磁閥： DEH通過它可使調(diào)節(jié)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(yīng)電壓后，即可計算出機組的轉(zhuǎn)速。
伺服系統(tǒng)工作原理：DEH控制系統(tǒng)的閥位控制信號在伺服單元與油動機的實際行程LVDT信號綜合，并經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，控制信號送到伺服閥（DDV閥）改變其油口開度，使油動機相應(yīng)地上或下運動。當油動機行程達到閥位控制信號指定的位置后，油動機活塞的油口被封住，因此油動機活塞被定位在指定位置，從而調(diào)節(jié)閥也被定位在相應(yīng)的位置。如圖1所示。
圖1 低壓透平油電液油動機
DDV閥與常規(guī)伺服閥比較，結(jié)構(gòu)簡化，可靠性高。
快關(guān)轉(zhuǎn)換閥為一彈簧復(fù)位式插裝閥，閥芯上部連接快關(guān)控制油，噴咀接通錯油門的脈動油。
LVDT為一線性可變差動變壓器，將油動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(tǒng)原理及功能
在汽輪發(fā)電機組并網(wǎng)前，DEH系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動升速控制。在機組同期并網(wǎng)時，使發(fā)電機帶上初負荷，并由轉(zhuǎn)速PI控制方式轉(zhuǎn)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擾切換。
在閥控方式下，操作員通過設(shè)置目標閥位或按閥位增減按鈕控制油動機的開度。在閥位不變時，發(fā)電機功率將隨蒸汽參數(shù)變化而變化。
在功控方式下，操作員通過設(shè)置負荷率、目標功率來改變功率給定值，經(jīng)過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定功率不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數(shù)變化而變化，以保持發(fā)電機功率不變。
在壓控方式下，操作員通過設(shè)置壓變率、目標壓力來改變壓力給定值，經(jīng)過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定壓力不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數(shù)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(shè)置了多種限制保護功能、試驗系統(tǒng)功能、輔助系統(tǒng)功能等。
2 公司自備電廠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，其規(guī)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，電廠主要向離子膜燒堿車間電解工段的整流變壓器供電，同時由汽輪機的抽汽向各車間提供生產(chǎn)用汽。
我廠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。
電壓和頻率波動過大或過快，就會引起電解槽跳閘，造成重大經(jīng)濟損失，不利于公司長期穩(wěn)定安全地生產(chǎn)；同時，膜一車間的蒸發(fā)工序和電解工序以及樹脂車間的汽提工序和干燥工序?qū)φ羝焚|(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。一個高壓主汽閥由自動關(guān)閉器拖動，自動關(guān)閉器的開啟為手動方式。五個高壓調(diào)節(jié)閥由一個高壓油動機通過杠桿和提板拉動。六個低壓抽汽調(diào)節(jié)閥由一個低壓油動機通過杠桿和提板拉動。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)過多方考察與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)汽輪機原液壓調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)存在一些不足之處：
（1） 調(diào)節(jié)閥為提板式拖動，其流量特性的非線性沒有辦法修正，在低轉(zhuǎn)速時，調(diào)節(jié)閥很難準確控制轉(zhuǎn)速。
（2） 轉(zhuǎn)速測量信號為脈沖油壓，低轉(zhuǎn)速時很難做到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
（3） 作用在油動機滑閥上的力，上端為彈簧力，下端為脈沖油壓，在壓力油壓變化時會產(chǎn)生寄生反饋，會使油動機不穩(wěn)定。
（4） 在運行中，電、熱負荷在被調(diào)整時會發(fā)生相互干擾，造成電熱負荷波動較大。
綜合我公司化工生產(chǎn)及機組本身的客觀情況，為了達到機組精確控制、快速響應(yīng)、保證正常生產(chǎn)，我公司決定將原有機械式液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造為低壓透平油純數(shù)字電液調(diào)節(jié)（DEH）系統(tǒng)。
3 HOLLIAS-DEH系統(tǒng)在自備電廠中的實現(xiàn)
3.1 DEH電子控制裝置系統(tǒng)
我公司DCS及DEH系統(tǒng)均采用了和利時公司的MACS-V系統(tǒng)。HOLLIAS-DEH系統(tǒng)共配置了2臺DEH過程控制站，2臺DEH操作員站，1臺工程師站（與DCS系統(tǒng)共用），及相應(yīng)的繼電器操作回路、硬接線操作盤等。如圖3、圖4所示。
圖2 氯堿分公司自備電廠DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(MNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于完成工程師站的數(shù)據(jù)下裝，操作員站的在線數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(SNET)由100M高速冗余以太網(wǎng)構(gòu)成，用于完成現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)下裝，服務(wù)器與現(xiàn)場控制站之間的實時數(shù)據(jù)通訊。控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)由PROFIBUS-DP總線構(gòu)成，用來實現(xiàn)過程I/O模塊與現(xiàn)場控制站主控單元的通信。
工程師站用于對應(yīng)用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)庫、控制邏輯算法、圖形和報表等功能組態(tài)，并將組態(tài)數(shù)據(jù)下裝到現(xiàn)場控制站和操作員站。
操作員站可以完成系統(tǒng)各工藝流程畫面及實時參數(shù)顯示，控制分組調(diào)節(jié)，過程參數(shù)趨勢曲線顯示，報警處理，記錄在線打印，運行狀態(tài)及故障顯示，控制參數(shù)設(shè)定及修改等。
現(xiàn)場控制站由主控單元、各種I/O模塊及現(xiàn)場電源模塊等組成，主要完成：轉(zhuǎn)速控制，閥門管理，伺服放大，閥位移測量的調(diào)制和解調(diào)，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專用模塊介紹：
（1） DEH專用測速模塊FM163E，系統(tǒng)配有3塊測速板組成三取二冗余結(jié)構(gòu)。
（2） DEH專用伺服模塊FM146是伺服控制板，它與液壓系統(tǒng)的伺服閥、油動機、LVDE組成電壓—位移隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)配有2塊伺服板，分別控制高壓調(diào)節(jié)閥和低壓調(diào)節(jié)閥。
（3） 繼電器操作回路完成現(xiàn)場電磁閥的驅(qū)動；電源失電及硬接線打閘邏輯；硬件甩負荷快關(guān)邏輯。
（4） 硬接線手操盤安裝在操作臺上，用預(yù)制電纜與現(xiàn)場控制站連接，盤面上有調(diào)門行程顯示，調(diào)門緊急手操按鈕，打閘按鈕（帶保護蓋）等。
3.2 DEH系統(tǒng)控制回路
DEH采用MACS-V系統(tǒng)進行系統(tǒng)組態(tài)。主要有以下回路：
（1） 轉(zhuǎn)速控制回路；
（2） 功率控制回路；
（3） 閥門開度控制回路：該回路構(gòu)成對高壓調(diào)節(jié)閥開度的控制，維持閥位為定值；
（4） 主汽壓力控制（TPC）回路：構(gòu)成對機前主汽壓力的控制，維持鍋爐出口壓力穩(wěn)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(tǒng)液壓伺服機構(gòu)的改造方案
以下改造說明均以一臺汽輪機配置為例。
（1） 調(diào)節(jié)系統(tǒng)
拆除部件：同步器、抽汽調(diào)壓器、節(jié)流孔、油路遮斷器。
保留部件：高壓錯油門、高壓油動機（各一個）、低壓錯油門、低壓油動機及活動試驗油門、油壓轉(zhuǎn)換器（各一個）。
新增部件：油動機控制集成塊（2個）、LVDT（2對）、測速傳感器等。
DEH控制系統(tǒng)使用的電液轉(zhuǎn)換器是MOOG公司的D634型直接驅(qū)動式伺服閥。如圖4所示。
圖4 DDV閥（D634）
（2） 保安系統(tǒng)
拆除部件：啟動閥、濕式電磁換向閥。
保留部件：危急遮斷器、危急遮斷油門、軸向位移遮斷器、電磁閥、主汽門。
新增部件：OPC快關(guān)集成塊、安全油壓力開關(guān)組件。
（3） 濾油器組件
為確保DDV電液伺服閥可靠工作，各DDV閥的進油需經(jīng)過濾油器過濾。濾油器組件由兩個濾芯（20μ）和一個差壓開關(guān)組成。
3.4 HOLLIAS-DEH控制系統(tǒng)的運行方式
DEH系統(tǒng)具有手動控制、操作員自動控制、遙控三種運行方式，各種運行方式間能無擾切換。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(tǒng)的控制功能
3.5.1 調(diào)節(jié)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)前為手動操作，主油泵工作后，由DEH系統(tǒng)自動完成3000r/min定速。
（2） 同期并網(wǎng)
可與自動準同期裝置配合，將機組轉(zhuǎn)速調(diào)整到電網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速，以便迅速完成并網(wǎng)操作。并網(wǎng)時，自動使發(fā)電機帶上初負荷。
（3） 閥控方式
司機通過CRT設(shè)置目標閥位或按增、減按鈕改變總閥位給定值（單位為%），來調(diào)整機組負荷。我公司自備電廠孤網(wǎng)運行，機組正常運行時只投閥控。
（4） 功控方式
根據(jù)司機設(shè)置的目標負荷，自動調(diào)整機組負荷。
（5） 壓控方式
根據(jù)司機設(shè)置的目標主汽壓力，自動調(diào)整主汽壓力。
（6） 一次調(diào)頻
不調(diào)頻死區(qū)在0~30r/min內(nèi)連續(xù)可調(diào)。不等率在3%~6%內(nèi)連續(xù)可調(diào)。功控、閥控均具有一次調(diào)頻能力。DEH系統(tǒng)能適應(yīng)孤網(wǎng)運行要求。當系統(tǒng)突然甩掉90％額定負荷，能通過一次調(diào)頻、OPC超速保護維持帶廠用電運行。
（7） 解耦計算
DEH對轉(zhuǎn)速、負荷、抽汽壓力進行控制，實現(xiàn)解耦計算，牽連調(diào)節(jié)。
（8） 緊急手動
系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到手動。操作員通過備用手操盤的增、減按鈕來控制閥門開度，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(shè)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(tǒng)只提供了接口，實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(tǒng)功能
超速保護試驗用于檢驗103%n0、110%n0、機械超速保護的動作轉(zhuǎn)速。
閥門嚴密性試驗可分別進行調(diào)門、主汽門嚴密性試驗，并記錄轉(zhuǎn)子惰走時間。
閥門活動試驗可分別對各個油動機進行試驗。
停機可以進行仿真試驗。
4 汽輪機組采用DEH后達到的主要技術(shù)指標
轉(zhuǎn)速控制范圍：40～3600r/min
轉(zhuǎn)速控制精度：≤±1r/min
轉(zhuǎn)速不等率：3%～6%范圍內(nèi)在線可調(diào)
甩負荷時轉(zhuǎn)速超調(diào)量：<7%，維持3000r/min
甩全負荷最大飛升轉(zhuǎn)速：<8%
5 DEH的可靠性
（1） 控制系統(tǒng)以電調(diào)控制為主，硬手操控制為備用。
（2） 主控單元冗余設(shè)計，互為熱備用。重要信號采用三選中冗余設(shè)計。油動機LVDT反饋為雙冗余高選。
（3） DEH系統(tǒng)失電或液壓系統(tǒng)工作油壓消失時機組能安全停機。
6 DEH與機械式液壓調(diào)節(jié)相比所具有的優(yōu)越性
從我公司自備電廠向化工車間供電的具體情況來看，DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)比汽輪機原有液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在很多優(yōu)越性。
（1） 采用DEH控制系統(tǒng)后，通過使用磁阻式測速探頭、DDV電液轉(zhuǎn)換器、LVDT、快關(guān)轉(zhuǎn)換閥等克服了原有機械式液壓調(diào)節(jié)的不足。通過組態(tài)能構(gòu)成各種不同的控制系統(tǒng)，不僅使被調(diào)參數(shù)準確地維持在給定值上，而且擴展了汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的功能。提高了機組控制精度及其平穩(wěn)性和可靠性，可延長汽輪發(fā)電機組的使用壽命。
（2） DEH可以與DCS實現(xiàn)一體化，既達到電廠內(nèi)部信息資源共享，又減少了運行人員，節(jié)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(tǒng)后，可及時將轉(zhuǎn)速維持在3000r/min，大大提高了電廠運行安全系統(tǒng)，從而避免由于汽輪機飛車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(jié)論
通過對近3年的機組運行情況總結(jié)，發(fā)現(xiàn)DEH系統(tǒng)充分體現(xiàn)了計算機控制的精確與便利及液壓控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)、安全、驅(qū)動力強的特點。使汽輪發(fā)電機組平穩(wěn)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(tǒng)是未來電廠自動化運行中的發(fā)展趨勢。
參考文獻
[1]張建華主編.熱工儀表及自動裝置.北京:中國電力出版社,2005.
[2]林文孚,胡燕編著.單元機組自動控制技術(shù).北京:中國電力出版社,2003.
[3]DEH操作畫面說明.北京和利時公司,2006
[4]DEH控制系統(tǒng)培訓(xùn)教材.北京和利時公司,2006
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號