CN101307699B - 用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，它包括依次连接的工作站、控制处理机、超速保护装置、阀门驱动卡件、伺服阀、油动机及具中压调门的中压缸、具高压主汽门和高压调门的高压缸的汽轮机，其特征在于，所述控制处理机还包括一控制单元，该控制单元接收来自所述超速保护装置的信号经计算处理后，向所述超速保护装置输出信号控制所述中压调门和高压调门的开闭。本发明还公开了上述用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法。由于采用了上述的技术解决方案，完全解决了以往控制系统的不足，控制系统的安全可靠，机组的程序控制达到了更精确的转速与负荷控制，且TV/GV阀切换转速波动小，同时也提高了机组的快速响应的特性。

Description

用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统

技术领域

本发明涉及电站汽轮机组的自动控制系统，特别是针对600MW机组汽轮机组数字式电液控制系统(DEH)。

背景技术

汽轮机是高温、高压、高速旋转的大型动力设备。汽轮机数字式电液控制系统(DEH)是电站汽轮发电机组不可或缺的组成部分，是汽轮机启动、停止、正常运行和事故工况下的调节控制器。DEH系统与EH系统组成的电液控制系统，通过控制汽轮机主汽门和调门的开度，实现对汽轮发电机组的转速、负荷、压力等的控制。

目前的汽轮机控制系统主要由以下几种：第一种是200MW机组，它是电液控制系统，其操作站为PENTIUM工业控制PC，超速保护部分主要是由测速卡、超速卡及站控制卡组成，且配备有硬手操盘。该系统的主要缺点是PENTIUM工业控制器PC容易受病毒侵袭，专用性差，稳定性差；超速保护部分由于其快速性的特点，控制逻辑处理完全靠硬接线来完成，配置比较繁琐和复杂；其采用的硬手操盘，给相关人员的维护工作带来不便，增加了硬件的潜在故障源，越来越不能适应电厂自动化水平的发展。第二种是300MW机组和600MW亚临界机组的控制系统，该控制都是采用高压缸启动方式的控制策略设计完成的，即机组启动前，中压调门(IV)全开，由高压主汽门(TV)控制转速达TV/GV(高压主汽门/高压调门)阀切换转速，经TV/GV阀切换后，由高压调门GV控制汽轮机转速和负荷，采用该控制方式的主要缺点是：机组启动时间比较长，在机组TV/GV阀切换转速时，转速波动比较大，且机组甩负荷后的快速响应能力差，控制精度不够高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服上述控制系统缺点的控制系统，该控制系统安全可靠，机组的程序控制达到了更精确的转速与负荷控制，且TV/GV阀切换转速波动小，同时也提高了机组的快速响应的特性。

实现本发明目的技术方案是：一种用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，包括依次连接的工作站、控制处理机、超速保护装置、阀门驱动卡件、伺服阀、油动机及具中压调门的中压缸、具高压主汽门和高压调门的高压缸的汽轮机，其特征在于，上述控制处理机还包括一控制单元，该控制单元接收来自上述超速保护装置的信号经计算处理后，向上述超速保护装置输出信号控制上述中压调门的开闭。

上述控制单元包括PID、中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块、高压缸流量比例修正补偿模块、第一累积模块、高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块、并网后的流量比例修正模块、并网信号切换模块、第二累积模块，其中，

上述PID根据设定的转速和实测转速调节转速的信号，当转速达到设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速时，输出信号给中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块；

上述转速达到中压调门/高压主汽门和中压调门切换转速时，中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块将接收的信号进行记忆，并保持中压调门的第一开度，同时输出转速信号给上述第一累积模块；

上述高压缸流量比例修正补偿模块对上述中压调门的开度按一定的高压缸流量比和热再热压力的修正进行补偿后输出转速信号给上述第一累积模块；

上述第一累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号给高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块；

上述转速达到高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块将接收的信号进行记忆并保持中压调门的第二开度，且输出转速信号给上述第二累积模块；

上述并网后的流量比例修正模块，使中压缸流量等于已开启的高压缸流量的比例，若再接收到并网信号，则并网信号切换模块就输出值给上述第二累积模块；

上述第二累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号控制上述阀门驱动卡件进而控制中压调门全开。

上述中压调门的第一开度为8％-12％，中压调门的第二开度为100％以下。上述设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速为600rpm。高、中压调门均开启时，同时控制负荷，至负荷大于35％时，中压调门全开，负荷由高压调门控制。

上述超速保护装置包括分别对应连接的若干个转速继电器和输入/输出卡件，其中，上述转速继电器分别接收来自汽轮机的转速信号，然后经过转换处理后输出相应的信号分别给对应连接的输入/输出卡件，上述输入/输出卡件将接收的信号经过逻辑运算后将信号传递给上述阀门驱动卡件。

上述控制处理机有两对，同步接收和处理正常的信息，各自检测故障信息。上述工作站包括操作员站和工程师站，该操作员站和工程师站各自包括显示器、键盘、鼠标、打印机，操作员从操作员站的显示器上获得信息，并用键盘和鼠标发出命令，来控制汽轮机；工程师站完成对程序的修改、下装、备份的操作。

一种上述的用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法，包括如下步骤：

1)转速至600rpm时，仅由中压调门进行转速控制，记忆通过中压调门的稳定流量；

2)600rpm至高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速过程由高压主汽门内预启阀和中压调门共同控制转速，且通过中压调门的流量始终比通过高压主汽门的流量大；当转速达高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，记忆中压调门开度并锁定，然后中压调门的开度通过热再热压力的修正进行补偿，当完成以上内容后，由主汽门和中压调门控制切换为高压调门控制；

3)并网后由高、中压调门同时控制负荷，至负荷大于35％左右时，中调门全开，负荷由高压调门控制。

上述的用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法，发生甩负荷时，超速保护装置动作，快速关闭高、中压调门，为防止超速厉害，在延时7.5S后，同时要求转速达到3000rpm以下时，超速保护装置才能释放，停止动作，此时由高、中压调门同时控制，中调门在甩负荷后，打开至并网前的记忆开度，高调门则在冷再热压力低于0.84MPa后，维持3000rpm的转速。

由于采用了上述的技术解决方案，完全解决了以往控制系统的不足，控制系统的安全可靠，机组的程序控制达到了更精确的转速与负荷控制，且TV/GV阀切换转速波动小，同时也提高了机组的快速响应的特性。

附图说明

图1是本发明用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统控制部分硬件配制图；

图2是本发明用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统示意图；

图3是本发明控制汽轮机工作的方框图；

图4是本发明控制中调门的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

以下以600MW汽轮机组数字式电液控制系统为例。

参考图1是本发明的控制部分硬件配置图，主要包括操作员站/工程师站1(2)、控制处理机3和3’、输入/输出卡4和4’等组成。通过节点总线将系统中的各个工作站(操作员站/工程师站1(2))和控制处理机3和3’互相连接起来，通过现场总线连接控制处理机与输入/输出卡。

操作员站/工程师站1(2)是由显示器、键盘、鼠标、打印机等组成，操作员从操作员站的显示器上获得信息，并用键盘和鼠标发出命令，来控制汽轮机。工程师站能完成对程序的修改、下装、备份等操作。

两对控制处理机3和3’，每两个控制处理机组成一个容错对，该套600MW汽轮机组数字电液控制系统，包含两对控制处理器(CPU)，其中一对用于操作员自动(OA)站，另一对用于自动汽轮机控制(ATC)和热应力计算(RSM)站。每两个控制处理机组成一个容错对，正常工作时，两个组件同步接受和处理信息，故障由组件各自检测，当其中一个组件发生硬件故障时，这个容错对仍然能提供连续的操作。节点总线将系统中的各个站(控制处理机、工作站等)互相连接起来，形成过程管理和控制节点，该节点可作为一个单独整体存在或组态成更大可通信网络的一部分存在，节点总线与每个站中的节点总线接口电路一起工作，提供各站之间的高速、冗余、点到点的通讯，使其具有优异的性能和安全性。现场总线组件输入/输出卡件4和4’分配在机柜中，它们为现场传感器与冗余的现场总线之间提供了接口，这些组件对现场设备使用的输入/输出信号进行适当地转换，使得通过现场总线能与这些装置通讯。该输入/输出卡件4和4’对于特别重要的信号，采用三选二的处理，另外在操作员站的CRT上提供界面报警，保证了系统的正常工作。

参考图2-3，图2是本发明用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统示意图。一种用于600MW汽轮机组的数字式电液控制系统，主要由操作员站/工作站1(2)、包括有控制单元31的控制处理机3、转速继电器5、输入/输出卡件4、阀门驱动卡件6及EH供油系统9、高压调门油动机7、中压调门油动机8等组成。EH供油系统9、高压调门油动机7、中压调门油动机8组成液压执行机构。转速继电器5、输入/输出卡件4构成超速保护装置。

通过操作员的指令或协调控制(CCS)来的协调指令，二对控制处理机(CPU)经控制程序运算和阀门驱动卡，输出信号，控制油动机动作，进而控制与油动机相连的汽轮机阀门的动作，来控制进入汽轮机的蒸汽量，达到控制汽轮机转速和负荷的目的。其中的超速保护部分是由三个转速继电器和输入/输出卡件组成的，转速继电器分别接受三路转速信号，然后输出三个103％和三个110％信号给DEH相关的输入/输出卡件，经过三取二的逻辑运算，来达到可靠的超速保护的目的，同时为了保证该回路的快速响应性的目的，考虑该回路的执行周期在50ms以内。

参考图3是本发明控制汽轮机工作的方框图，主要是通过控制回路的运算，来完成系统的控制功能。工作站1(2)接收来自控制处理机3的信息并向该控制处理机3发出指令，控制处理机3接收来自工作站1(2)和输入卡件的信号经控制处理机3内的控制单元进行运算处理后，输出控制信号，同时输入/输出卡件还还接收来自CCS的信号或机组并网的油开关的信号，这些信号送到控制处理机CPU，进行相关运算，输出控制信号；另一方面所述超速保护信号也经过逻辑运算处理后输出控制信号，这些输出信号综合后，传送给阀门驱动卡件6，该阀门驱动卡件6将所接收的控制信号处理和放大后控制伺服阀10驱动油动机7和8动作，进而控制与油动机相连的相应的汽轮机11阀门的动作，以控制进入汽轮机的蒸汽量从而控制汽轮机转速和负荷。操作员站1是放置在运行控制室，工程师站2安放在工程师站室里，程序和画面的修改，都是通过工程师站进行，并授权给相关的工作人员，为防止未经授权人员对程序的修改，对操作设置一定的级别，并用密码保护。操作界面通过安装在运行控制室的操作员站，由操作员通过键盘操作进入已设计好的用户图形，这些用户图形提供给运行人员汽轮机各运行阶段的操作界面，例如：改变反馈回路的状态，选择目标转速或目标负荷，来实现对汽轮机的控制。液压执行机构是控制系统的执行部件，根据阀门驱动卡的指令控制伺服阀，进而控制汽轮机的蒸汽阀门。

参考图4是本发明控制中调门的原理框图。上述控制处理机3上的控制单元31包括PID311、中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块312、高压缸流量比例修正补偿模块313、第一累积模块314、高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块315、并网后的流量比例修正模块316、并网信号切换模块317、第二累积模块318，其中，

上述PID根据设定的转速和实测转速调节转速的信号，当转速达到设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速时，输出信号给中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块；

上述转速达到中压调门/高压主汽门和中压调门切换转速时，中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块将接收的信号进行记忆，并保持中压调门的第一开度，同时输出转速信号给上述第一累积模块；

上述高压缸流量比例修正补偿模块对上述中压调门的开度按一定的高压缸流量比和热再热压力的修正进行补偿后输出转速信号给上述第一累积模块；

上述第一累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号给高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块；

上述转速达到高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块将接收的信号进行记忆并保持中压调门的第二开度，且输出转速信号给上述第二累积模块；

上述并网后的流量比例修正模块，使中压缸流量等于已开启的高压缸流量的比例，若再接收到并网信号，则并网信号切换模块就输出值给上述第二累积模块；

上述第二累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号控制上述阀门驱动卡件进而控制中压调门全开。

上述中压调门的第一开度为8％-12％，中压调门的第二开度为100％以下。

上述设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速为600rpm。

上述高、中压调门均开启时，同时控制负荷，至负荷大于35％时，中压调门全开，负荷由高压调门控制。

一种上述的用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法，包括如下步骤：

1)转速至600rpm时，仅由中压调门进行转速控制，记忆通过中压调门的稳定流量；

2)600rpm至高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速过程由高压主汽门内预启阀和中压调门共同控制转速，且通过中压调门的流量始终比通过高压主汽门的流量大；当转速达高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，记忆中压调门开度并锁定，然后中压调门的开度通过热再热压力的修正进行补偿，当完成以上内容后，由主汽门和中压调门控制切换为高压调门控制；

3)并网后由高、中压调门同时控制负荷，至负荷大于35％左右时，中调门全开，负荷由高压调门控制。

当发生甩负荷时，超速保护装置动作，快速关闭高、中压调门，为防止超速厉害，在延时7.5S后，同时要求转速达到3000rpm以下时，超速保护装置才能释放，停止动作，此时由高、中压调门同时控制，中调门在甩负荷后，打开至并网前的记忆开度，高调门则在冷再热压力低于0.84MPa后，维持3000rpm的转速。

根据汽轮机运行的要求，采用高中压联合启动方式，这种启动方式主要考虑中压调节汽阀IV参与控制转速，采用先由中压缸进汽控制转速，后由高中压缸一起联合控制，直到负荷在35％左右，使中调门全开的方式.采用这种带旁路的启动方式能够有效的缩短启动时间，并使整个热力系统得到更为充分的利用，一定程度上提高机组的经济性。从启动方案设计的原则上来看，这种方式也是比较合理的。该启动方式对DEH控制提出新的要求，重点在冲转和带负荷的控制上。汽机冲转至并网的四个阶段1)由盘车转速至600rpm时，仅由中压调门IV进行转速控制，记忆通过IV的稳定流量。2)600rpm至TV/GV阀切换转速过程由TV内预启阀和IV共同控制转速，且通过IV的流量始终比通过TV的流量大。同时要求记忆IV开度并锁定，IV的开度能通过热再热压力的修正进行补偿。当完成以上内容后，由主汽门控制切换为高压调门控制。3)并网后由高、中压调门同时控制负荷，至负荷大于35％左右时，中调门全开，负荷由高压调门控制。4)如发生甩负荷，则汽机控制系统按照正常的甩负荷预测功能，OPC动作，快速关闭高中压调门，为防止超速厉害，在延时7.5S后，同时要求转速达到3000rpm以下时，OPC才能释放，停止动作，使DEH中的反馈回路控制逻辑进行工作，此时由高、中压调门同时控制，中调门在甩负荷后，打开至并网前的记忆开度，高调门则在冷再热压力低于0.84MPa后，通过转速反馈回路的PI控制来维持3000转的转速，这样有利机组的转速稳定，以防超速过大。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，包括依次连接的工作站、控制处理机、超速保护装置、阀门驱动卡件、伺服阀、油动机及具中压调门的中压缸、具高压主汽门和高压调门的高压缸的汽轮机，所述控制处理机还包括一控制单元，该控制单元接收来自所述超速保护装置的信号经计算处理后，向所述超速保护装置输出信号控制所述中压调门和高压调门的开闭，其特征在于，所述控制单元包括PID、中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块、高压缸流量比例修正补偿模块、第一累积模块、高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块、并网后的流量比例修正模块、并网信号切换模块、第二累积模块，其中，

所述PID根据设定的转速和实测转速调节转速的信号，当转速达到设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速时，输出信号给中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块；

所述转速达到中压调门/高压主汽门和中压调门切换转速时，中压调门/高压主汽门和中压调门切换模块将接收的信号进行记忆，并保持中压调门的第一开度，同时输出转速信号给所述第一累积模块；

所述高压缸流量比例修正补偿模块对所述中压调门的开度按一定的高压缸流量比和热再热压力的修正进行补偿后输出转速信号给所述第一累积模块；

所述第一累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号给高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块；

所述转速达到高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，高压主汽门和中压调门/高压调门切换模块将接收的信号进行记忆并保持中压调门的第二开度，且输出转速信号给所述第二累积模块；

所述并网后的流量比例修正模块，使中压缸流量等于已开启的高压缸流量的比例，若再接收到并网信号，则并网信号切换模块就输出值给所述第二累积模块；

所述第二累积模块对所接收的信号进行累加处理后输出信号控制所述阀门驱动卡件进而控制中压调门全开。 

2.根据权利要求1所述的用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，其特征在于，所述中压调门的第一开度为8％-12％，中压调门的第二开度为100％以下。

3.根据权利要求1所述的用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，其特征在于，所述设定的中压调门/高压主汽门和中压调门的切换转速为600rpm。

4.根据权利要求1所述的用于电站汽轮机组的数字式电液控制系统，其特征在于，高、中压调门均开启时，同时控制负荷，至负荷大于35％时，中压调门全开，负荷由高压调门控制。

5.一种如权利要求1所述的用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)转速至600rpm时，仅由中压调门进行转速控制，记忆通过中压调门的稳定流量；

2)600rpm至高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速过程由高压主汽门内预启阀和中压调门共同控制转速，且通过中压调门的流量始终比通过高压主汽门的流量大；当转速达高压主汽门和中压调门/高压调门切换转速时，记忆中压调门开度并锁定，然后中压调门的开度通过热再热压力的修正进行补偿，当完成以上内容后，由高压主汽门和中压调门控制切换为高压调门控制；

3)并网后由高、中压调门同时控制负荷，至负荷大于35％左右时，中压调门全开，负荷由高压调门控制。

6.根据权利要求5所述的用于电站汽轮机组数字式电液控制系统的中压调门的控制方法，其特征在于，发生甩负荷时，超速保护装置动作，快速关闭高、中压调门，为防止超速厉害，在延时7.5S后，同时要求转速达到3000rpm以下时，超速保护装置才能释放，停止动作，此时由高、中压调门同时控制，中压调门在甩负荷后，打开至并网前的记忆开度，高压调门则在冷再热压力低于0.84MPa后，维持3000rpm的转速。

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