CN101629496B

CN101629496B - 一种孤网运行汽轮机数字电液控制***

Info

Publication number: CN101629496B
Application number: CN 200910101061
Authority: CN
Inventors: 纪云锋; 刘康宁; 侯林鹏; 杜辉
Original assignee: Hangzhou Hollysys Automation Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Hollysys Automation Co Ltd
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: CN101629496A

Abstract

本发明公开了一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，其包括控制硬件部分和软件逻辑运算部分；所述的控制硬件部分包括测速保护部件、一次调频模块、伺服控制模块、人机接口部分、控制单元、输入/输出模块；所述的软件逻辑运算部分，包括基于频率偏差的一次调频运算和二次调频运算单元，一基于实际转速测量信号的超速限制单元，一基于实际功率测量信号的逻辑判断单元；控制***对频率偏差进行逻辑处理及运算，输出控制信号，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动油动机，带动阀门运动，进而控制汽轮机进汽量以维持汽轮发电机组出力和所接待负荷相平衡；同时测速保护部件以加速度信号作为超速限制的触发条件，可以有效限制机组因甩负荷而产生的转速超调量。

Description

一种孤网运行汽轮机数字电液控制***

技术领域

本发明涉及汽轮机数字电液控制***，尤其涉及汽轮发电机组在单机或小网运行时稳定***频率的方法及装置。

背景技术

随着电力***的多元化发展，大电网不并不能涵盖所有的供电需求。在下列情况下，仍会出现单机或小网运行。

我国电网是由小到大逐渐发展起来的，在特定的情况下，大网还可能解列，出现小网工况。在大网未能达到的地区，仍需采用小网供电。一些工厂的自备电站，由于种种原因，需要采用孤网运行。出口到不发达国家的机组，可能要适应孤网运行的要求。对于甩负荷带厂用电的机组，甩负荷后变为孤岛运行方式，相当于单机带轻负荷。目前广泛使用的汽轮机数字电液控制***——DEH，是在80年代初期从美国西屋公司(Westinghouse ElectricCompany)全套引进300MW汽轮机制造技术期间引入的。从DEH控制***多年来的使用情况看，特别是近年来DEH控制***在小电网中的大量使用，暴露出了一些问题。DEH控制为离散控制，其稳定性、快速性与连续调节有很大区别。在DEH实践中发现，DEH的转速调节***，稳定性远低于机械液压调速***，这是由于离散控制***存在采样失真和运算延迟，导致***稳定性下降。大部分传统DEH控制***除难于维持孤立小网频率稳定外，若大电网联络线路发生故障，也难于维持***出来的孤立小网频率的稳定。因此为了提高孤立小网供电频率稳定性，必须要提高DEH控制***的连续控制能力和快速响应能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种汽轮机数字电液调节***，可以使汽轮发电机组在单机或小网运行时***响应时间加快，控制频率稳定；在甩负荷带厂用电的情况下，可以有效限制机组因甩负荷而产生的转速超调量。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是设计一种汽轮机数字电液调节***，包括控制硬件部分和软件逻辑运算部分，所述的控制硬件部分包括测速保护部件、一次调频模块、伺服控制模块、人机接口部分、控制单元、输入/输出模块。所述的软件逻辑运算部分，包括基于频率偏差的一次调频运算和二次调频运算单元，一基于实际转速测量信号的超速限制单元，一基于实际功率测量信号的逻辑判断单元。控制***对频率偏差进行逻辑处理及运算，输出控制信号，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动油动机，带动阀门运动，进而控制汽轮机进汽量以维持汽轮发电机组出力和所接待负荷相平衡。同时测速保护部件以加速度信号作为超速限制的触发条件发出信号使超速保护OPC电磁阀立即动作，迅速关闭调节阀，此外，测速保护部件还输出加速度微分前馈信号给伺服控制模块，以使伺服控制***快速动作，有效地限制机组因甩负荷而产生的转速超调量。

由于本发明采用了以上技术方案，所获得的效果是大大提高了DEH***的连续控制能力和快速响应能力，可以有效限制机组因甩负荷而产生的转速超调量，保证了孤立小网***供电频率的稳定性。

附图说明

附图1现有技术典型的汽轮机数字电液控制***结构框图。

附图2本发明的汽轮机数字电液控制***结构框图。

附图3本发明实施例控制硬件部分的配置结构示意图。

附图4本发明实施例DEH控制***超速限制的逻辑图。

附图5本发明实施例加速度微分前馈的逻辑图。

附图6本发明实施例软件调频算法的逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1是现有技术典型的汽轮机数字电液控制***结构框图，图中：虚框11是电子控制硬件部分，虚框12是液压伺服执行机构部分，电子控制硬件部分11包括人机接口部分111、控制单元112、输入/输出模块113、超速保护部件114以及伺服控制模块115；液压伺服执行机构部分12包括电液伺服阀121、油动机122和OPC装置123。

图2本发明的汽轮机数字电液控制***结构框图，由电子控制硬件部分21和液压伺服执行机构部分22组成。

所述的计算机控制部分21如图3所示：包括一人机接口部分211、一对控制单元212、输入/输出模块213、超速保护部件214，伺服控制模块215以及一次调频模块216；液压伺服执行机构部分22包括电液伺服阀221、油动机222和OPC装置223。控制单元对频率偏差进行逻辑处理及运算，输出控制信号，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动油动机，带动阀门运动，进而控制汽轮机进汽量以维持汽轮发电机组出力和所接待负荷相平衡。同时测速保护部件以加速度信号作为超速限制的触发条件发出信号使超速保护OPC电磁阀立即动作，迅速关闭调节阀，此外，测速保护部件还输出加速度微分前馈信号给伺服控制模块，以使伺服控制***快速动作，有效地限制机组因甩负荷而产生的转速超调量。

人机接口部分211为一台操作员站，由一台P4工业控制PC机，配二块以太网模块、一个操作员专用键盘、一台彩色打印机、一台22″LCD显示器等组成。也可根据需要配一台工程师站，工程师站硬件配置完全同操作员站，其软件也与操作员站相同。

控制单元212是一对冗余的计算机(DPU)，如图3中的DPU01和DPU02，每个DPU有两个以太网口SENT1、SENT2实现与外部(服务器站/操作员站/工程师站)的数据交换，一个以太网接口RNET用于主/从控制单元间的数据备份。DP主站接口采用数字信号处理技术(DSP)和高速通用异步收发器(UART)实现DP通讯，DSP与PC/104总线接口采用双口RAM。静态数据存储器(SRAM)实现掉电保护和重要数据备份功能。DPU01及DPU02的硬件及软件完全相同。冗余的DPU在工作时，一个处于控制，一个处于跟踪备用。二个DPU均从冗余以太网上得到***的数据。仅有主控DPU指令传送到有关I/O模块输出执行。

操作员站与DPU212之间通过冗余以太网相互连接。冗余以太网通讯速率为10Mbps。

I/O部分213由一些基本的I/O通道模块组成。根据***配置要求，有二块模拟量输入模块(AI模块)、一块模拟量输出模块(AO模块)、二块开关量输入模块(DI模块)、一块开关量输出模块(DO模块)、一块热电偶输入模块(TC模块)。AI模块完成对模拟量信号的隔离、处理及模数转换。AO模块完成数模转换及模拟量信号的输出。DI模块完成对开关量信号的隔离、处理和采集。DO模块控制开关量输出。TC模块完成对热电偶信号的处理和转换。可以根据需要，对I/O模块件进行扩展。

超速保护部件214由三块测速模块及超速保护电路构成，三块测速模块分别测量三路独立的转速信号，进行信号处理与转换，一块测速模块判断一路转速是否超过保护设定值(如加速度预定值和110％额定转速值)，然后将这个信号送到超速保护电路，当超速保护电路接到三块测速模块的信号后，进行三选二处理，即只有当二块以上测速模块的输出信号相同时，才能输出超速保护信号，这样大大提高了动作的可靠性。超速保护部件仅将他们的信息及状态传到DPU及人机接口，以指示超速保护的各状态，不受计算机指令控制。所以超速保护部件完全独立于DPU的硬件电路组成，这既保证了超速保护的快速响应，同时又保证了其可靠性。

伺服控制模块215主要由单片机、DP通信电路、D/A和A/D转换电路、二路位移传感器信号调制解调电路、二路位移传感器信号的高选电路、电压/电流转换电路、功率放大器、比例积分模拟电路和电压/电流反馈电路等组成。单片机负责对以上各数字部件进行控制，协调各部分工作，DP通信电路负责与I/O总线进行通讯，D/A转换电路将数字指令转换为模拟量指令，模拟量指令通过功率放大器进行放大，输出到伺服阀，驱动伺服阀。同时D/A转换电路配合有关电路及软件，实现A/D转换功能，完成对有关模拟量信号的采集。二路位移传感器的调制解调器将位移信号转换成直流电压信号。二路直流信号均代表油动机位置。正常情况下应相等，高选二路信号是为了提高可靠性和安全性。二路信号高选后，送到功率放大器的反馈端，当反馈信号与模拟指令相等时，油动机停在要求的位置上。

一次调频模块216通过采集三块测速模块输出的加速度大小模拟量信号，经比较后将高选值进行微分，经过放大后再将动态补偿信号输出到伺服控制模块的直流电压输入端，实现加速度微分前馈快速回路。

本发明实施例孤网运行汽轮机数字电液控制***的控制硬件与传统DEH控制***的控制硬件比较，增加了加速度过大时的OPC和加速度微分输出功能，并保留了油开关跳闸OPC功能，而删除了超速103％和负荷不平衡OPC功能。该功能包括以下处理：

1)对实际转速测量信号进行微分运算，输出的加速度信号与相应的预设值如225r/min/s进行比较；同时将实际功率百分比信号与相应预设值如30％额定功率进行比较；当加速度信号和实际功率百分比信号均大于等于相应预设值时，输出有效的超速限制控制信号；

2)当油开关跳闸信号有效且实际功率百分比信号大于相应预设值时，输出有效的超速限制控制信号；

3)在输出有效的超速限制控制信号后，当实际功率百分比信号小于相应预设值一段时间后，或者，当加速度信号小于0r/min/s且油开关跳闸信号无效时，输出无效的超速限制控制信号；

4)将加速度信号转换成相应的模拟量信号，经过放大补偿后输出到伺服控制模块。

为了实现上述方法，本实施例DEH控制***的控制硬件装置包括逻辑判断部分和执行部分，其中逻辑判断部分包括三个(也可以为一个或其它数目)逻辑判断单元，每一逻辑判断单元如图4所示，包括第一微分器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第一延时复位定时器、第一RS触发器、第一与门、第二与门和第一或门。如图5所示，包括第四比较器、第二微分器和第一放大器。其中第三比较器和第一延时复位定时器可在DEH的主控单元中进行运算，其余运算功能模块在DEH专用测速模块和一次调频模块中。实际转速测量信号送入第一微分器进行微分运算，输出的加速度信号在第一比较器中与预设值如225r/min/s进行比较，并且同时在第二比较器中与预设值0r/min/s进行比较。当加速度大于等于225r/min/s时，第一比较器输出为“1”，使第一RS触发器置“1”。当加速度小于0r/min/s时，第二比较器输出为“1”，使第一RS触发器置“0”。

实际功率百分比信号(与机组额定功率相比)在第三比较器与预设值如30％进行比较。第三比较器的输出作为第一延时复位定时器的输入。当实际功率大于等于30％时，第三比较器输出为“1”，并且使第一延时复位定时器置“1”。当实际功率小于30％时，第三比较器输出为“0”，第一延时复位定时器在延时如2秒后复位为“0”。

在实际功率大于等于30％，使第一延时复位定时器输出为“1”的条件下，若加速度大于等于225r/min/s，使第一RS触发器输出为“1”，则第一与门输出为“1”，将使第一或门输出为“1”。

在实际功率大于等于30％，使第一延时复位定时器输出为“1”的条件下，若测速模块收到油开关跳闸信号，则第二与门输出为“1”，也将使第一或门输出为“1”。

实际转速测量信号送入第一微分器进行微分运算，输出的加速度信号通过D/A转换成相应的模拟量信号，在第四比较器进行比较，将比较的最大值通过第二微分器和第一放大器进行动态补偿放大输出微分前馈信号给伺服控制模块。

执行部分包括OPC开出继电器和OPC电磁阀、电液伺服阀和油动机，每一测速模块的超速限制控制信号控制一OPC开出继电器。当第一或门输出为“1”时，测速模块的OPC开出继电器接点闭合。若DEH的三个测速模块中有二个(即大部分)的OPC开出继电器接点闭合，则OPC电磁阀带电，将使汽轮机的所有进汽调节阀迅速关闭，从而到达限制转速超调量的目的。伺服控制模块比较控制指令、微分前馈信号和油动机行程LVDT信号，输出伺服控制信号给电液伺服阀，最终控制油动机到相应位置。

调节阀关闭后，机组的加速度和实际功率会减小。当加速度小于0r/min/s时，第一RS触发器输出回“0”。在实际功率小于30％，第一延时复位定时器输出回“0”。当第一RS触发器和第一延时复位定时器的输出均回“0”时，OPC电磁阀失电，调节阀交由伺服***控制。

本发明同样适用于其它需要超速限制功能的调节***，另外，在上述实施例的基础上还可以有其它的变换方式：

如上述各个预设值也可以根据需要设置为其它数值。如加速度信号的预设值可以取为220~230r/min/s，实际功率百分比信号相应的预设值可取为25~35％。又如，本发明的逻辑电路并不局限于图4中的形式，任何可以实现本发明超速限制方法的逻辑电路都可以采用。又如，实际功率百分比信号及相应预设值也可以用实际功率信号及相应预设值来代替。又如，上述对油开关跳闸信号的处理是可选的，反映到装置上可以取消图4中的第二与门和第一或门及相应的输入信号。这些变换方案均应属于本发明的保护范围。

本发明实施例孤网运行汽轮机数字电液控制***的控制软件逻辑与传统DEH控制***的控制软件逻辑比较，增加了一次调频和二次调频算法功能。

该功能包括以下处理：

1)对实际转速测量信号与设定转速进行加法运算得到频率偏差信号，将频率偏差信号进行线性变换以及比例放大后得到一次调频值。

2)对实际转速测量信号与设定转速进行加法运算得到频率偏差信号，将频率偏差信号进行积分的到二次调频值。

3)将一次调频值、二次调频值和DEH总阀位指令进行加法运算，最终输出阀位指令给伺服控制模块。

为了实现上述方法，本实施例DEH控制***的控制软件逻辑判断单元如图6所示，包括第一加法器、第二放大器、第一积分器、第二加法器、第三加法器。

设定转速(如3000r/min)与实际转速在第一加法器运算后，经线性变换，送到第二放大器处理，得到一次调频值，同时设定转速(如3000r/min)与实际转速在第一加法器运算后，送到第一积分器处理，经积分饱和限制得到二次调频值，一次调频值与二次调频值经第二加法器处理后得到调频阀位指令，调频阀位指令与DEH总阀位指令送到第三加法器处理后输出控制维持***频率稳定所需要的阀位开度。

Claims

1.一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，包括控制硬件部分和软件逻辑运算部分，其特征在于：

所述的控制硬件部分包括测速保护部件、一次调频模块、伺服控制模块、人机接口部分、控制单元、输入模块和输出模块；所述的软件逻辑运算部分，包括基于频率偏差的一次调频运算和二次调频运算单元，一基于实际转速测量信号的超速限制单元，一基于实际功率测量信号的逻辑判断单元；汽轮机的状态信号及参数通过各种信号送入输入模块、伺服控制模块和测速模块进行板级处理，然后送入控制单元进行运算、处理，最后将处理后的数据送到人机接口部分显示，同时可通过操作人机接口部分将指令发给控制单元，控制单元将处理后的输出信号通过输出模块、伺服控制模块和超速保护部件控制执行机构动作；控制***对频率偏差进行逻辑处理及运算，输出控制信号，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动油动机，带动阀门运动，进而控制汽轮机进汽量以维持汽轮发电机组出力和所接待负荷相平衡，同时以超速限制单元的加速度信号和实际功率测量信号的逻辑判断作为超速限制的触发条件，可以有效限制机组因甩负荷而产生的转速超调量，测速保护部件还输出加速度微分前馈信号，通过一次调频模块处理后，送给伺服控制模块，以使伺服控制***快速动作，进而使汽轮发电机组在单机或小网运行情况下维持***频率稳定，保证供电品质。

2.如权利要求1所述的一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，其特征在于：

所述的控制硬件部分中的测速保护部件由三块测速模块及测速保护电路构成；所述的人机接口部分为一操作员站；所述的控制单元是冗余的主、备计算机；所述的输入模块和输出模块包括：模拟量输入模块和模拟量输出模块、开关量输入模块和开关量输出模块、热电阻输入模块、热电偶输入模块；所述的操作员站与控制单元通过冗余数据高速公路相连；输入模块和输出模块、测速模块及伺服控制模块通过总线与控制单元相连。

3.如权利要求2所述的一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，其特征在于：

所述的测速模块对实际转速测量信号进行微分运算，输出的加速度微分信号，经一次调频模块处理后，将微分前馈信号送到伺服控制模块，构成模拟硬件快速回路。

4.如权利要求1所述的一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，其特征在于：

所述的软件逻辑运算部分一次调频运算和二次调频运算单元包括一比较器、放大器、积分器；所述的基于实际转速测量信号的超速限制单元，对实际转速测量信号进行微分运算，输出的加速度信号与相应的预设值进行比较，功率测量信号的逻辑判断单元将实际功率百分比信号与相应预设值进行比较，当加速度信号和实际功率百分比信号均大于等于相应预设值时，输出有效的超速限制控制信号。

5.如权利要求1所述的一种孤网运行的汽轮机数字电液控制***，其特征在于：

所述的测速保护部件，在执行超速限制功能时，使超速限制电磁阀带电，将汽轮机的进汽调节阀迅速关闭；在输出无效的超速限制控制信号时，使OPC电磁阀失电，将调节阀交由伺服***控制。