【論文摘要】本文介紹了目前國內采用的各種改造方案并進行比較，指出各種改造方案的優缺點，對調節油油源、閥門管理功能及功能應用情況等幾個問題進行探討，供各電廠進行汽輪機調節系統改造時參考。

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，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。先進的數字式電液調節系統（DEH）可靈活組態各種控制策略，可滿足現代汽輪機控制系統的要求，在系統的安全性、可靠性方面也已經達到電廠的要求。因此我省已有清鎮電廠#7、#8機組、盤縣電廠#2機組由純液壓調節系統改造為高壓抗燃油數字式電液調節系統，并還有許多電廠將要進行改造。本文淺析目前國內采用的各種改造方案，指出各種改造方案的優缺點，對幾個問題進行探討，供各電廠在進行汽輪機調節系統改造時參考。

2．目前國內采用的改造方案簡介

目前國內采用的改造方案有以下幾種：
a：同步器控制
b：電液并存（包括聯合控制、切換控制兩種）
c：透平油純電調控制（包括保留凸輪配汽機構、去掉凸輪配汽機構兩種）
d：抗燃油純電調控制
下面一一進行簡介：
2．1 同步器控制改造方案
原液壓調節系統不變，只改造同步器、啟動閥。
DEH控制信號通過原同步器電動機與液壓調節系統接口，實現對機組的閉環控制。原同步器由一般的電動機驅動，控制特性差，與CCS自動接口有困難，且此類電動機一般都有轉速高、易惰走、不穩速、控制精度低、控制接點易拉弧、燒壞等缺陷。改造采用高性能的電動機或高級電動執行器，控制性能好，接口方便易實現CCS協調控制。
同步器的控制可以由CCS系統直接控制或者做一套獨立的PI調節器，與原液壓系統構成串級調節系統，實現升降轉速、負荷控制。
2．2 電液并存控制改造方案
原液壓系統全部保留，增加一套電調系統，二套系統并存、切換運行。
此改造方案包括以下兩種：
a：聯合控制改造方案
DEH控制信號通過電液轉換器和同步器電動機與液壓系統接口，實現對機組的閉環控制。其中，電液轉換器與二次脈動油路構成電液放大器，取代液壓放大器，接受DEH控制信號，完成對油動機的控制。在原液壓系統的脈動油路上并聯引出一個油路，連接到電液轉換器，使DEH通過電液轉換器控制脈動油的排油量（或進油量）來控制機組。
電液轉換器和同步器可采用轉移的方式完成聯合控制：電液轉換器擔任調節動態負荷的作用，同步器用于承擔緩變負荷。穩態時電液轉換器處于零位。在穩態時可無擾切除電液轉換器，變為同步器控制方式。
電調、液調按小選（或大選）方式控制：若將同步器置于最高位（或低位）將液調排除，使液壓放大器完全退出工作，由電液放大器完成全電調控制。若同步器減小（或增加）到一定的值后，仍可退為同步器控制。
b：切換控制改造方案
DEH控制信號通過電液轉換器和同步器電動機與液壓系統接口，實現對機組的閉環控制。同步器通過模擬脈動油路實現電液跟蹤，DEH可控制切換閥實現無擾切換。
在電調位置時，由DEH控制的電液轉換器的節流控制排油口，取代調速器滑閥控制的油口，從而實現機組的控制。
為了使電調、液調之間能夠相互跟蹤，實現無擾切換，增設了模擬脈動油路和跟蹤、切換閥控制回路。
2．3 透平油純電調控制改造方案
液壓調節器取消，采用數字調節器，執行機構、保護系統基本保留。
此改造方案包括以下兩種：
a：保留凸輪配汽機構控制改造方案
DEH控制信號通過電液轉換器與油動機構成的電液油動機接口，實現對機組的閉環控制。電液轉換器與油動機滑閥及油動機活塞緊密結合在一起，油動機脈動油直接由電液轉換器控制，構成了電液伺服油動機。DEH伺服單元與電液伺服油動機、油動機行程傳感器LVDT組成位置隨動系統。將原液壓調節系統中的轉速測量、同步器給定、調速器滑閥、中間滑閥、油動機反饋滑閥等全部排除在系統之外。#p#分頁標題#e#
本方案保留了凸輪配汽機構，實現固定模式閥門管理，管理模式為混合調節模式。
b：去掉凸輪配汽機構控制改造方案
將凸輪、凸輪軸、原油動機和所有液壓調節部件去掉，僅保留保安系統部套，油動機滑閥與電液轉換器組裝在一起，油缸（活塞）固定在凸輪軸座上，油缸為頂推式，代替凸輪推動杠桿來開啟調節閥門，油缸上只有一根脈動油管，一根排油管，很好密封，可以嚴防漏油，能避免因而可能引起的火災，高壓調節閥為一閥一缸方式，中壓調節閥仍為一缸拖四閥方式，可實現可變閥門管理功能，本方案的控制功能與高壓抗燃油純電調的完全一樣。但卻免去了另設一套油源的投資、維護和運行費用。
2．4 抗燃油純電調控制改造方案
除了閥門以外，調節系統基本上全部進行改造。
本方案既可采用高壓抗燃油作為工作介質，也可采用中壓抗燃油作為工作介質。目前國內采用較多的是高壓抗燃油方案。
本方案要求另外設置一套抗燃油的獨立油源，將原液壓調節系統中的所有調節部套去掉，更換調節閥操縱座，在調節閥的操縱座上放置抗燃油油動機，直接拖動調節閥閥桿。

3．各種改造方案的比較

已改造機組
遼寧阜新電廠100MW 安徽蕪湖電廠125MW 等 安徽銅陵電廠125MW 三水電廠50MW 等 吉林長山熱電廠200MW 云南陽宗海電廠200MW 等 云南小龍潭電廠100MW 江蘇常熟電廠300MW 等 暫無資料 貴州清鎮電廠200MW 貴州盤縣電廠200MW 等
上述各種形式的DEH裝置，其控制功能的絕大部分是任何一種形式的DEH都能實現的，特別是DEH改造最主要達到的功能：自動大范圍升速閉環控制、功率閉環控制、CCS控制及AGC控制。
如上所述，同步器控制改造方案的優點主要體現在其改造工作量小，改造費用低，也可實現CCS控制及AGC控制，但因其液壓調節系統均未改造，液壓調節系統的缺點無法消除，適用于原液壓調節系統工作狀況良好的中小機組。
電液并存控制改造方案的優點主要體現在系統用油統一，便于管理；具有液調跟蹤后備，可以適當降低電子設備的冗余要求，甚至可以單CPU、單I/O配置，從而減少系統投資，對于那些配備液調并且已經投入運行的機組，尤其是帶基本負荷的機組，是一個較為理想的控制方案。在獲得相應優點的同時，不可避免地在另外方面帶來局限，液調后備的存在使得機械液壓環節相應增多，系統遲緩率等性能受到一定影響；統一用油存在一定的油質干擾風險。系統調整也比較麻煩。在系統跟蹤上，液調對電調的跟蹤是通過同步器進行的，因此，跟蹤死區設置過小、同步器電動機頻繁啟動會導致電動機很快損壞，跟蹤死區設置過大又會導致切換時誤差大，輸出波動大。此方案適用于原系統放大部分工作良好的中小機組。
透平油純電調控制改造方案由于工作壓力較低，提升力受到限制，對大容量的機組會使得油動機及管路過大，據計算，同樣推力的油動機，工作油壓由12.8MPa降到4MPa時，其油動機直徑需增到原直徑的1.79倍。取消了液壓調節器而采用數字調節器，去掉凸輪配汽機構的改造方案可以實現可變閥門管理功能，在控制功能可以與高壓抗燃油系統相同。調節用油可以采用獨立油源而避免統一用油存在一定的油質干擾風險。隨著國家環保意識的增強和環保政策的完善，抗燃油的微毒特性來的環保問題越來越突出，透平油純電調控制改造方案就越來越受到人們的重視。此方案性能價格比較優，適用于大中型機組。
抗燃油純電調系統由于其工作壓力大大提高，提升力得到有效保證，對目前各種容量機組可以實現可變閥門管理，這一方面可以最大限度減少液壓環節，提高動態調節品質。另一方面可以在機組啟動運行的不同階段進行全周進汽和部分進汽選擇，使機組以更為經濟的方式運行（母管制機組除外）。此外，控制用油的獨立型和抗燃油的使用最大限度消除了油質影響和火災隱患。但抗燃油供油及再生裝置的使用使系統更加復雜，系統價格、調試維作量、備品備件量以及相應費用都顯著提高，中小容量機組難以承受，且抗燃油的微毒特性來的環保問題越來越受到人們的重視。此方案適用于資金充足的大型機組。#p#分頁標題#e#

4．幾個相關問題的探討

4．1 關于調節油油源的選擇
在DEH控制系統的調節油油源有兩種選擇：一種是抗燃油；一種是透平油。

采用高壓抗燃油的由來是：隨著汽輪機組容量的增大，蒸汽參數的提高汽輪機轉子時間常數變小，為了使甩負荷的轉速超調量控制在不超標的范圍內，要求減小油動機關閉時間；另一方面，機組容量大，參數高，作用在調節閥上的力就大，要求增加油動機的提升力。要滿足提升力及關閉時間的要求，油動機的尺寸又不至過大，就要求提高動力油壓力。油壓力提高，易引起泄漏，噴到高溫部件上可能引起火災，因而采用高壓抗燃油。
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，這些問題是液壓系統運行中的主要故障；因油動機體積小，部套體積和動靜間隙較小，對抗燃油油質要求高；由于油壓高，易造成壓力油管路焊接處、管壁、蓄能器內膽破裂。
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。從目前國內機組改造的情況看，采用透平油為調節油油源的機組，已經能使機組甩負荷的轉速超調量控制在合格范圍內。此外現代汽輪機的結構設計和套裝油管等技術己大大緩解了油系統的火災危險。近年進口的大容量汽輪機所配純電調系統中有30％左右就是使用透平油作為液壓系統工作介質的。如ABB公司，但附有明確具體的配套設計要求。最近在已運行的機組進行調節系統改造時，也有部分電調系統采用透平油作為液壓介質。
采用透平油作液壓介質時，由于工作壓力低，部件的尺寸較大，間隙也較大，因此對于油的固體顆粒污染度的控制要求也可以適當降低。采用高壓抗燃油時，顆粒污染度的要求一般為14／11（根據ETSI資料）。采用透平油時，顆粒污染度的要求為16／13，極限值為17／14（根據ABB資料）。但是由于透平油在運行過程中會混人水分，因此在采用透平油作液壓介質時，必需加強油的除水并對汽輪機的汽封系統進行必要的改進并加強維護管理以減少進入油中的水量。
綜上所述，采用抗燃油及透平油作為調節油油源均各有利弊，但從長遠、環保的目光看，中小容量機組采用透平油是比較合適的。不管是采用何種油源，都要保證油質的清潔，因為由于油質的問題引起電液伺服閥或電液轉換器的卡澀，都會直接影響機組的正常運行。
　
4．2 關于閥門管理功能的探討
閥門管理功能包括可變閥門管理及固定閥門管理兩種。一般所說的閥門管理指可變閥門管理。
汽輪機的進汽量，隨著電負荷的變化而需要調節。有兩種調節方式：節流調節（全周進汽）和噴嘴調節（部分進汽）。前者，調節閥同時一起升降，可以均勻加熱汽輪機，使機組啟動升溫時沿圓周溫度較均勻，熱應力較小，但節流損失較大，不經濟；后者，可分多個調節閥，部分進汽，這些閥順序開啟，前一個閥開足后，再開下一個閥，用這種方式控制機組啟動升溫加熱不均勻，容易形成較大熱應力，但在部分負荷運行時節流損失少經濟性較好。所以一般理想的控制方式為用節流調節方式控制啟機，機組升溫完成后，用噴嘴調節方式控制負荷變化。如安順電廠300MW機組，機組啟動時采用單閥控制（節流調節），負荷升至30%ECR時切換為順閥控制（噴嘴調節）。
一般國產大中型機組有4個高壓調節閥，#1、#2閥分別控制高壓缸對稱位置的進汽，進汽量大約占70％，同時升、降為節流調節。#1、#2閥開足后#3閥開啟，它控制30％左右的流量。#4閥為超載閥，因機組運行參數達不到設計值而要帶額定負荷或超過額定負荷時由#4閥控制。這種開啟程序由機械的凸輪配汽機構固定下來，它不是完全的節流調節，也不是完全的噴嘴調節，而是一種兼顧了兩方面的混合方式，可稱作“固定閥門管理”。#p#分頁標題#e#
“可變閥門管理”是美國West House公司推出的一種控制功能，通常是指高壓進汽節流調節和噴嘴調節兩種方式的無擾切換，可實現調門的順序閥控制及單閥控制。
現將“可變閥門管理”和“固定閥門管理”兩種配汽方式從機組的幾個運行工況比較如下：
a：啟動階段：
升速時：“可變閥門管理”4閥全周進汽，“固定閥門管理”2閥對稱進汽。全周進汽的均熱效果略優于對稱進汽，而對稱進汽節流損失低于全周進汽。
升負荷時：多采用滑壓升負荷，“可變閥門管理”方式是4閥全開，“固定閥門管理”方式也是4閥全開，對轉子加熱的溫度均勻性完全相同。
b：全負荷工況：“可變閥門管理”方式開#1、#2、#3閥，“固定閥門管理”方式也開#1、#2、#3閥，完全相同。
c：變負荷工況：由于要保證鍋爐的穩定燃燒，大多數情況下，機組負荷不能小于70％，因此變負荷控制只有#3閥參與調節，“可變閥門管理”與“固定閥門管理”方式一樣。
事實上，DEH系統閥門管理程序中的順序閥曲線，就是按“固定閥門管理”方式的凸輪配汽機構程序翻譯成計算機軟件的。
從上面幾種運行工況的比較可以看出， “可變閥門管理” 除在機組啟動初期優于“固定閥門管理”外，其他運行工況是差不多的。
目前國內許多人有一種認識：“可變閥門管理”可以將各閥門的重疊度調至0，能提高機組的效率。這種認識存在一定的誤區，原因如下：
a：配汽機構（或閥門管理規律）的首要任務，是通過合理安排各調節閥升程以得到合理的流量特性，該特性應保證蒸汽流量隨總閥位信號成比例變化，變化過程應是連續穩定的。適當的重疊度是獲得上述特性所必須。
b：由于閥門流量特性的非線性，其重疊度應是根據流量特性確定的壓力重疊度，而不是行程重疊度。
c：在重疊度范圍內節流損失為兩閥節流損失的疊加。但在重疊度范圍內，接近關閉的調節閥節流損失很小，而剛開的調節閥流量很小，其節流損失也很小。兩者疊加結果，其損失僅是比無限多閥理想噴咀調節增大，但仍比每閥的最大節流損失為小。每閥最大節流損失發生在該閥中間流量處。所以，0重疊只能節省重疊度范圍內的節流損失，且此節流損失很小，對提高機組效率作用不大。
d：在每閥的中間流量位置，節流損失應是與0重疊度的情況相同。
因此可以認為，汽輪機制造廠原設計的凸輪配汽機構基本合理，不需作大的改動。至于具體機組，若重疊度沒有調好，可細調滾輪間隙加以改善。
綜上所述，固定閥門管理（凸輪配汽機構）是一種很好的管理方式，能適應中小機組的啟動運行要求，至于現用凸輪配汽機構存在的一些缺陷，例如調門剛開時的開啟速度過大，某些局部有自鎖現象等等，可以通過局部修改凸輪型線的辦法來解決。
當然，可變閥門管理也有著它的優越性。如我省安順電廠300MW機組，因投入順序閥控制時#1軸振較大，通過調整DEH系統組態軟件改為單閥控制節流調節后振動有所好轉，后來將#3、#4閥開啟順序改變后振動明顯下降。如是固定閥門管理就必須停機更改凸輪型線方能實現，在時間、資金上均花費較大。可變閥門管理還可以實現3閥全開滑壓運行方式，使機組在較低負荷運行時蒸汽參數不至于降得太低、比4閥全開滑壓運行方式高，以降低機組熱耗率，提高機組熱效率。
　
4．3 關于DEH功能應用的探討
DEH由于其電氣回路的靈活性可以很容易的適應汽輪機各種運行要求，特別是在應用了計算機技術后，采用靈活的組態軟件使得電氣回路的適應性更強。由此可見DEH系統可以實現的功能遠比液壓調節系統多。但是實際上這些功能在現場中應用的情況如何呢？
應用效果不好的功能中有兩種情況：第一情況是該功能是能夠完成的，但是實際使用得不多，對于這種情況，主要是人們的觀念與功能之間的不適應所造成的。例如閥門試驗功能。在機組運行過程中定期將閥門關閉后再重新開啟以確定閥門的工作情況，對于保證汽機保護系統的正常工作是非常必要的。閥門關閉再重開會給汽機運行工況帶來擾動，還會短時影響機組的負荷。汽輪機制造廠要求在70一80％額定負荷以下進行閥門試驗，且保證試驗時對負荷的影響不會超過5％。在上述條件下每周試驗一次是不難實現的，但人們普遍擔心閥門失靈，而不愿進行試驗。電調系統設計閥門試驗功能的目的就是要早期了解閥門的失靈情況，如在閥門試驗過程中發現閥門失靈正好表明定期進行閥門試驗的必要性，即使發現個別閥門失靈，機組也有足夠的時間安全退出運行，何況有時閥門失靈的故障是可以在運行過程中處理的。總之閥門失靈并不是閥門試驗功能造成的，而是通過這一功能發現的。類似的情況在負荷限制功能中也存在。#p#分頁標題#e#
另一種情況則是DEH系統中原設計的功能與實際汽輪機本體的特性或運行要求不符造成的。例如汽輪機的自啟動功能（ATC），在溫熱態啟動時，常規啟動方式是快速沖轉、升速、并網，將負荷帶至高壓缸內壁溫度對應的初始負荷后再按一定的升負荷率帶負荷暖機，而DEH系統ATC程序則是通過應力計算要求機組必須按照一定的溫升率升速暖機，造成機組啟動時間過長、機組受交變應力過大等后果。其它功能如熱應力限制功能、壽命管理功能等也因類似原因電廠不使用。從此看出：當DEH的功能與實際運行要求不完全符合時是無法獲得真正應用的。控制功能僅僅能夠實現是不夠的，只有真正為汽輪機運行帶來真實效益的功能才能得到真正的應用。

5．結論

綜上所述，汽輪機調節系統改造方案有同步器控制、電液并存（包括聯合控制、切換控制兩種）、透平油純電調控制（包括保留凸輪配汽機構、去掉凸輪配汽機構兩種）、高壓抗燃油純電調控制等幾種，調節油油源有高壓抗燃油及透平油兩種，各種改造方案各有利弊，機組改造時應根據機組的現狀，考慮機組原來的控制方式、機組容量、現場的情況是否滿足新增加設備的布置要求，根據機組的實際情況確定改造后DEH所具備的功能，同時也要考慮改造資金情況、投入產出比、改造工期等等問題，以確定用何種方案進行改造。