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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(jī)組中的應(yīng)用。運(yùn)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(yùn)行的要求。
關(guān)鍵詞： DEH；汽輪機(jī)；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(jī)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(jìn)的控制方案和圖形化組態(tài)工具，可設(shè)計(jì)出完善的控制策略。它完成信號的采集、綜合計(jì)算、邏輯處理、人機(jī)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(jī)構(gòu)，主要包括供油裝置、油管路及附件、執(zhí)行機(jī)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(jī)械控制信號，最終控制汽輪機(jī)進(jìn)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(jī)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(jìn)行綜合放大，并通過油管路將信號傳遞到各油動機(jī)。
（3） 油動機(jī)：它的活塞桿通過凸輪配汽機(jī)構(gòu)或直接驅(qū)動進(jìn)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(jī)，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(jìn)行綜合放大。
（5） 危急遮斷器：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超過預(yù)定值時(shí)，危機(jī)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(jī)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(jì)算出機(jī)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(jī)的實(shí)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(jī)相應(yīng)地上或下運(yùn)動。當(dāng)油動機(jī)行程達(dá)到閥位控制信號指定的位置后，油動機(jī)活塞的油口被封住，因此油動機(jī)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(jī)
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(cuò)油門的脈動油。
LVDT為一線性可變差動變壓器，將油動機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)自動升速控制。在機(jī)組同期并網(wǎng)時(shí)，使發(fā)電機(jī)帶上初負(fù)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(biāo)閥位或按閥位增減按鈕控制油動機(jī)的開度。在閥位不變時(shí)，發(fā)電機(jī)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(fù)荷率、目標(biāo)功率來改變功率給定值，經(jīng)過控制回路運(yùn)算后控制油動機(jī)的開度。在給定功率不變時(shí)，油動機(jī)開度自動隨蒸汽參數(shù)變化而變化，以保持發(fā)電機(jī)功率不變。
在壓控方式下，操作員通過設(shè)置壓變率、目標(biāo)壓力來改變壓力給定值，經(jīng)過控制回路運(yùn)算后控制油動機(jī)的開度。在給定壓力不變時(shí)，油動機(jī)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(jī)組的安全，還設(shè)置了多種限制保護(hù)功能、試驗(yàn)系統(tǒng)功能、輔助系統(tǒng)功能等。
2 公司自備電廠12MW汽輪機(jī)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(jī)（C12-4.9/0.98型）、2*15MW空冷發(fā)電機(jī)，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(shí)由汽輪機(jī)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(jì)損失，不利于公司長期穩(wěn)定安全地生產(chǎn)；同時(shí)，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(jī)股份有限公司生產(chǎn)的C12-4.9/0.98型抽凝式汽輪機(jī)。一個(gè)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(gè)高壓調(diào)節(jié)閥由一個(gè)高壓油動機(jī)通過杠桿和提板拉動。六個(gè)低壓抽汽調(diào)節(jié)閥由一個(gè)低壓油動機(jī)通過杠桿和提板拉動。本機(jī)組與另一臺機(jī)組采用母管制方式供汽。在機(jī)組安裝前，公司經(jīng)過多方考察與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)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(shí)，調(diào)節(jié)閥很難準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速。
（2） 轉(zhuǎn)速測量信號為脈沖油壓，低轉(zhuǎn)速時(shí)很難做到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
（3） 作用在油動機(jī)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)會產(chǎn)生寄生反饋，會使油動機(jī)不穩(wěn)定。
（4） 在運(yùn)行中，電、熱負(fù)荷在被調(diào)整時(shí)會發(fā)生相互干擾，造成電熱負(fù)荷波動較大。
綜合我公司化工生產(chǎn)及機(jī)組本身的客觀情況，為了達(dá)到機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。控制網(wǎng)絡(luò)(CNET)由PROFIBUS-DP總線構(gòu)成，用來實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)庫、控制邏輯算法、圖形和報(bào)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(shí)時(shí)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(bào)警處理，記錄在線打印，運(yùn)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(yùn)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(jī)、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(fù)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(hù)蓋）等。
3.2 DEH系統(tǒng)控制回路
DEH采用MACS-V系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(hù)控制回路；
（7） 防超速保護(hù)控制回路（OPC）；
（8） 快速減負(fù)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(jī)構(gòu)的改造方案
以下改造說明均以一臺汽輪機(jī)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(cuò)油門、高壓油動機(jī)（各一個(gè)）、低壓錯(cuò)油門、低壓油動機(jī)及活動試驗(yàn)油門、油壓轉(zhuǎn)換器（各一個(gè)）。
新增部件：油動機(jī)控制集成塊（2個(gè)）、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(jìn)油需經(jīng)過濾油器過濾。濾油器組件由兩個(gè)濾芯（20μ）和一個(gè)差壓開關(guān)組成。
3.4 HOLLIAS-DEH控制系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行方式，各種運(yùn)行方式間能無擾切換。由于我公司為孤網(wǎng)運(yùn)行，遙控運(yùn)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(jī)本身的特性限制，所以汽輪發(fā)電機(jī)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(zhǔn)同期裝置配合，將機(jī)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(shí)，自動使發(fā)電機(jī)帶上初負(fù)荷。
（3） 閥控方式
司機(jī)通過CRT設(shè)置目標(biāo)閥位或按增、減按鈕改變總閥位給定值（單位為%），來調(diào)整機(jī)組負(fù)荷。我公司自備電廠孤網(wǎng)運(yùn)行，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)只投閥控。
（4） 功控方式
根據(jù)司機(jī)設(shè)置的目標(biāo)負(fù)荷，自動調(diào)整機(jī)組負(fù)荷。
（5） 壓控方式
根據(jù)司機(jī)設(shè)置的目標(biāo)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(yùn)行要求。當(dāng)系統(tǒng)突然甩掉90％額定負(fù)荷，能通過一次調(diào)頻、OPC超速保護(hù)維持帶廠用電運(yùn)行。
（7） 解耦計(jì)算
DEH對轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、抽汽壓力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)解耦計(jì)算，牽連調(diào)節(jié)。
（8） 緊急手動
系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(jī)組運(yùn)行。
3.5.2 限制保護(hù)功能
為了確保機(jī)組的安全，DEH設(shè)置了以下限制保護(hù)功能。
①超速限制
②閥位限制
③高負(fù)荷限制
④主汽壓力低限制
⑤快卸負(fù)荷
我公司DEH系統(tǒng)只提供了接口，實(shí)際運(yùn)行中并未用到此功能。
⑥低真空負(fù)荷限制
⑦超速保護(hù)
原有機(jī)械超速保護(hù)、原有電氣超速保護(hù)、DEH軟件組態(tài)超速保護(hù)、DEH測速板硬件超速保護(hù)。
3.5.3 試驗(yàn)系統(tǒng)功能
超速保護(hù)試驗(yàn)用于檢驗(yàn)103%n0、110%n0、機(jī)械超速保護(hù)的動作轉(zhuǎn)速。
閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)可分別進(jìn)行調(diào)門、主汽門嚴(yán)密性試驗(yàn)，并記錄轉(zhuǎn)子惰走時(shí)間。
閥門活動試驗(yàn)可分別對各個(gè)油動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。
停機(jī)可以進(jìn)行仿真試驗(yàn)。
4 汽輪機(jī)組采用DEH后達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)
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(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量：<7%，維持3000r/min
甩全負(fù)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(jì)，互為熱備用。重要信號采用三選中冗余設(shè)計(jì)。油動機(jī)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(shí)機(jī)組能安全停機(jī)。
6 DEH與機(jī)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(jī)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(jī)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(zhǔn)確地維持在給定值上，而且擴(kuò)展了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的功能。提高了機(jī)組控制精度及其平穩(wěn)性和可靠性，可延長汽輪發(fā)電機(jī)組的使用壽命。
（2） DEH可以與DCS實(shí)現(xiàn)一體化，既達(dá)到電廠內(nèi)部信息資源共享，又減少了運(yùn)行人員，節(jié)省了運(yùn)行成本，提高了運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。
（3） 由于我公司用電負(fù)荷主要是6臺電解槽的整流變壓器，而電解槽可能因?yàn)槠渌o機(jī)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(shí)將轉(zhuǎn)速維持在3000r/min，大大提高了電廠運(yùn)行安全系統(tǒng)，從而避免由于汽輪機(jī)飛車或汽輪機(jī)組本體及輔機(jī)損壞而造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。
7 結(jié)論
通過對近3年的機(jī)組運(yùn)行情況總結(jié)，發(fā)現(xiàn)DEH系統(tǒng)充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)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(qiáng)的特點(diǎn)。使汽輪發(fā)電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，降低了發(fā)生重大運(yùn)行事故的機(jī)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(jì)效益，所以DEH系統(tǒng)是未來電廠自動化運(yùn)行中的發(fā)展趨勢。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號