大型超超临界二次再热汽轮机组超高压调节阀操纵机构动态特性分析

李庆，刘炯，刘宏兵，邵毅，陈林（东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000）



大型超超临界二次再热汽轮机组超高压调节阀操纵机构动态特性分析

李庆，刘炯，刘宏兵，邵毅，陈林
（东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000）

摘要：超高压调节阀操纵机构是二次再热汽轮机组调节系统中最重要的设备之一，其动态性能的好坏直接影响汽轮机转速和负荷的控制，一次调频，OPC超速控制等工况的控制效果，进而影响整个汽轮机组的性能和安全性。文章通过相关仿真软件对超高压调节阀操纵机构动态性能进行分析，可看出该超高压调节阀操纵机构具有较高的动态性能，可满足大型超超临界二次再热汽轮机组调节系统的技术要求。并对以后类似机组调节系统的研发和设计提供理论参考。

关键词：二次再热，汽轮机组，超高压调节阀操纵机构，动态特性

0 引言

随着国家电力行业产业结构的调整以及国家发展改革委对能源、污染排放等措施的出台，一些常规高能耗的火电厂将逐步被关停，同时将新建一批高效、大容量、低排放或者零排放的燃煤电厂。因此，高效大型超超临界火电机组的研发是当今发电设备制造企业的重点，也是每一个企业可持续发展的方向。在此背景下东方电气成功开发出了大型超超临界、二次中间再热、四缸四排汽、凝汽式汽轮机组，并成功应用于华能安源电厂。

该汽轮机组与常规一次再热汽轮机组的区别是增加了一个超高压缸，在整个汽轮机的调速系统中起决定作用的阀门为超高压调节阀，所以超高压调节阀操纵机构性能的好坏直接影响和决定了该机组的整体性能。

1 超高压调节阀操纵机构简介

1.1 超高压调节阀操纵机构组成

该机组的超高压调节阀操纵机构主要由超高压调节阀操纵座和超高压调节阀油动机组成。超高压调节阀操纵座主要作用是固定预压缩的组合弹簧，该操纵座中组合弹簧的预压缩力在超高压阀门的各个行程位均大于蒸汽关闭力；超高压调节阀油动机主要由液压缸、压力控制阀、卸荷阀、电液伺服阀、电磁阀和位移传感器（LVDT）等组成，该油动机是单作用推缸油动机，其无杆腔为工作腔。

1.2 超高压调节阀操纵机构工作原理

超高压调节阀操纵机构原理如图1所示。通过原理图可知，该超高压调节阀操纵机构是一个电液伺服控制系统通过伺服阀接受阀位指令信号来控制油动机运动并和位移传感器（LVDT）检测到的位置信号做反馈；来控制超高压调节阀阀位开度进而控制汽轮机发电机的转速、负荷和执行一次调频指令。

超高压调节阀操纵机构的工作原理如下：在电磁阀处于失电状态下，压力油经过一个节流孔后形成超速限制（OPC）油，使处于油动机底部的盘式卸荷阀关闭，此时超高压调节阀操纵机构工作准备就绪；当DEH系统发出超高压调节阀阀门开启指令时，控制信号作用在伺服阀上将汽轮机抗燃油调节系统压力油引入超高压调节阀油动机工作腔，超高压调节阀油动机活塞在该压力油的作用下克服弹簧力和蒸汽力使超高压调节阀阀门开启，位移传感器（LVDT）将其实时行程信号反馈给控制系统；当DEH系统发出超高压调节阀阀门关小指令时，控制信号作用在伺服阀上将超高压调节阀油动机工作腔接通排油，超高压调节阀操纵机构在弹簧力和蒸汽力作用下使阀门关小，并实时通过位移传感器将其行程信号反馈给控制系统。当超高压调节阀操纵机构开启或关小到DEH系统指令给定位置时，控制系统指令信号与位移传感器（LVDT）反馈信号偏差为零，此时伺服阀处于中位，超高压调节阀操纵机构则停留在DEH系统指令给定位置上。

在汽轮机某些工况下，如当机组转速超过额定转速103%即OPC超速时，则需要快速关闭包括超高压调节阀在内的所有调节阀门阻止蒸汽进入以达到快速降低转速的目的，如通过控制伺服阀进行排油根本无法满足快速关闭阀门要求，此时超高压调节阀操纵机构油动机的工作腔通过卸荷阀接通排油，OPC超速信号使超调节阀油动机上的电磁阀线圈带电，使超高压调节阀油动机内部的超速限制油接通排油，此时超高压调节阀油动机底部的盘式卸荷阀开启，油动机工作腔中的油液在弹簧力和蒸汽力作用下通过油动机底部的盘式卸荷阀快速排出，进而使超高压调节阀快速关闭，总关闭时间小于0.3 s设计值。同时通过该超高压调节阀操纵机构具有相对独立性。即超高压调节阀油动机上的电磁阀线圈带电可完成单个阀门的快速关闭试验，且不会对汽轮机组上的其他阀门操纵机构造成任何影响。

图1　超高压调节阀操纵机构原理图

2 超高压调节阀操纵机构仿真模型建立

2.1 电液伺服阀工作原理

超高压调节阀操纵机构采用的是流量控制电液伺服阀（如图2所示），主要由一级电力矩马达和两级液压放大及机械反馈机构组成。绕有冗余线圈的电力矩马达受力旋转，带动与之相连的挡板转动，挡板的位移使其两侧的喷嘴泄油面积发生变化，引起与喷嘴相通的滑阀两端受力不平衡产生位移将油动机活塞油口接通供油口或泄油口，从而开大或关小阀门；同时滑阀由于移动与其相连的挡板向反方向运动进行机械反馈。另外，用于测量阀门行程的LVDT将阀门位置信号反馈给HSS去平衡阀位指令，平衡时，电力矩马达电流接近零，挡板重新回到中间位置。

图2　电液伺服阀简图

2.2 超高压调节阀操纵机构分析

超高压调节阀操纵机构主要由超高压调节阀油动机和超高压调节阀操纵座组成。超高压调节阀油动机可简化成一个由四通零遮盖伺服阀控制的单作用液压缸，超高压调节阀操纵座是一个典型的弹性负载机构，所以超高压调节阀操纵机构的受力简图见图3。

图3　超高压调节阀操纵机构受力简图

利用某种基于物理模型建模仿真软件建立超高压调节阀操纵机构数学模型。在模型中仅对伺服阀、油动机和操纵座进行建模，如图4所示。

图4　超高压调节阀操纵机构简化仿真模型

2.3 超高压调节阀操纵机构主要参数

超高压调节阀操纵机构主要参数如表1所示。

表1　超高压调节阀操纵机构主要参数

3 超高压调节阀操纵机构仿真分析

将基于物理模型建立的超高压调节阀操纵机构数学模型做为一个子系统进行封装后导入另一种基于数字计算的仿真软件中进行联合仿真分析。超高压调节阀操纵机构是一个带弹性负载的位置控制系统，现对其进行开环频域分析，通过绘制bode图（如图5所示）可以看出，该超高压调节阀操纵机构幅值裕度为133 dB，相位裕度为91.5°，由此可知该超高压调节阀操纵机构本身是一个稳定的系统。

图5　超高压调节阀操纵机构bode图

现利用某仿真软件对超高压调节阀操纵机构进行闭环仿真，其仿真模型如图6所示。

图6　超高压调节阀操纵机构仿真模型

超高压调节阀操纵机构在100%阀位指令下的阶跃响应仿真结果如图7所示，从图中可以看出系统的响应速度为1.8 s，同时出现小的超调量，最终达到精度很高的稳定输出。

图7　超高压调节阀操纵机构仿真结果曲线图

在实际工程应用中，所有带伺服控制的阀门操纵机构都在其控制器中设置PID参数来达到精确控制阀门开度的目的，本工程使用的伺服模件仅配PI参数。现在仿真软件中仅使用PI参数对超高压调节阀操纵机构进行校正。其仿真模型如图8所示。

图8　基于PI校正超高压调节阀操纵机构仿真模型

通过对PI参数的调整，从图9中的仿真结果曲线可以看出，超高压调节阀操纵机构在100%阀位指令下的阶跃响应，从图中可以看出加入PI校正后的超高压调节阀操纵机构的响应速度为2.3 s，几乎没出现超调量，且能达到精度很高的稳定输出。

图9　基于PI校正超高压调节阀操纵机构仿真结果曲线图

4 结论

通过对大型超超临界、二次再热汽轮机的超高压调节阀操纵机构进行仿真分析，可得出超高压调节阀操纵机构的动态特性曲线，通过仿真分析结果可看出，超高压调节阀操纵机构可满足大型超超临界、二次再热汽轮机调节系统的技术要求，其性能完全符合国家标准。同时为以后更高参数的汽轮机调节系统设计提供了理论参考。

参考文献

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[2]陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

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[4]吴振顺.液压控制系统[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]DL/T996-2006.火力发电厂汽轮机电液控制系统技术条件[S].北京:中国电力出版社,2006.

Dynamic Characteristics Analysis of VHPCV Actuator for Large Ultra-supercritical Double-reheat Turbo Set

Li Qing，Liu Jiong，Liu Hongbing，Shao Yi，Chen Lin
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:VHPCV actuator is the important set in turbo set governing system,dynamic characteristics of VHPCV actuators directly in⁃fluence rotational speed,load,primary frequency modulation and OPC over speed control of turbo set,and then influence the perfor⁃mance and safety of the unit.This article analyses dynamic characteristics of VHPCV actuator for large ultra-supercritical double-re⁃heat turbo set by retated simulation software,we can see that high dynamic characteristics of VHPCV actuator can meet the require⁃ments of turbo set governing system.And the article supplies theory reference to research and design of similar turbo set governing sys⁃tem in the future.

Key words:double-reheat，turbo set，VHPCV actuator，dynamic characteristics

作者简介：李庆（1983-），男，工程师，工学硕士，长期从事汽轮机控制系统研究和设计工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.012

中图分类号：TH122

文献标识码：B

文章编号：1674-9987（2016）01-0063-04