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1、国家重点推广新产品科技部科技型中小企业创新基金项目汽轮机REXA执行器DEH系统1.0 概述汽轮机调节系统是电厂自动控制系统的重要组成部分，是机组自动化改造的基本内容之一。目前汽轮机DEH系统有：透平油DEH系统和抗燃油DEH系统。透平油DEH系统的结构相对简单，运行维护相对方便，对环境的污染小。电液转换装置是电液调节系统的关键部件，通常采用的电液转换装置易受油质污染，对油质的要求相对较高，已是DEH系统运行可靠性的薄弱环节。为此，针对汽轮机调节系统的结构特点，为提高机组自动化水平，提高系统的抗污染能力，进一步简化系统结构，采用以自容式执行器（REXA执行器）为转换装置、力驱动执行机构、无液压
2、控制工质的DEH系统，为汽轮机调节系统的改造提供了新的技术方案。该系统已通过原国家电力公司组织的技术鉴定，取得专利证书，获得国家科技部科技型中小企业创新基金，并纳入国家重点新产品推广计划。2.0 系统功能2.1 控制功能（1）机组转速控制：机组起动和升降转速控制；（2）机组功率控制：机组升降负荷和稳定负荷控制；（3）可调整抽汽、背压压力控制；（4）自动同期控制；（5）初始负荷控制；（6）一次调频功能；（7）电网自动发电控制（AGC）；（8）协调控制（CCS）；（9）自动快速减负荷功能（RB）；（10）远方操作自动挂闸、开启主汽门，调速汽门启动方式。2.2 限制功能（1）超速限制（OPC）；（2
3、）主蒸汽压力降低限制（TPL）；（3）汽轮机真空降低负荷限制；（4）功率限制。2.3 保护功能（1）机械超速保护：机组转速达到危急保安器设定值，关闭主汽门和调速汽门，实施停机；（2）电超速保护（OPT）：机组转速达到OPT设定值时，关闭主汽门和调速汽门，实施停机； (3) 接受汽轮机紧急跳闸系统（ ETS）指令，关闭主汽门和调速汽门，实施停机。2.4 试验功能 （1）超速保护试验；（2）超速限制（OPC）试验；（3）汽门活动试验： （4）汽门严密性试验；(5) 同期、并网试验；（6）仿真试验。2.5 接口功能（1）自动同期接口（ASS）；（2）遥控接口（AGC）；（3）机炉协调控制接口（CCS
4、）；（4）数据通讯接口：可与数据采集系统(DAS)或分散控制系统(DCS)共享资源。2.6 人机接口和数据处理功能（1）运行参数的显示、记录、打印、诊断、报警和追忆；（2）运行系统画面、运行参数的趋势图和运行指导。2.7 操作方式（1）自动方式：根据设定的机组起动曲线（冷态、半热态、热态），自动完成起动、升速、带负荷全过程。也可人工干预；（2）操作员自动方式：按照运行人员设定的目标值和变化率，实现机组转速、负荷的闭环控制；（3）手动远方操作方式：运行人员通过DEH操作键盘，对机组负荷实施开环控制；（4）后备控制方式：在DEH控制系统出现故障必须退出运行等非常工况下，运行人员可通过后备操作，直接
5、远方或就地控制REXA执行器，对机组负荷实施开环控制。3.0 性能指标转速调节范围：50 r/min 3500r/min；转速控制精度：0.1%；负荷控制范围：0110%额定负荷；负荷控制精度：0.5%；转速不等率： 3%6%可调；甩负荷转速最大超调量：8%。4.0 系统组成汽轮机REXA执行器DEH系统由电子控制系统、液压控制系统和保护系统组成。4.1 电子控制系统4.1.1 选用原则（1）采用与机组一致的分散控制系统组件的控制器；（2）也可采用独立、专用的DEH系统控制器；（3）按电力行业标准，根据机组的具体要求，进行系统硬件配置和控制逻辑组态。（4）已采用的分散控制系统控制器有：国电智深
6、EDPF；和利时MACS-、MACS-III、FOCS；新华XDPS-400/M；日立HIACS-3000、HIACS-5000/M；西屋OVATION；ABBINFI90；FOXBORO。 4.1.2基本结构及配置 控制机柜； 操作员站； 工程师站。4.2 液压系统透平油电液调节系统通常采用的电液转换装置，均需要外供控制油源，对油质要求相对较高，易受油质污染，是影响电液调节系统运行可靠性的薄弱环节。为此，为进一步简化系统结构和提高转换装置的抗污染能力，采用了无需外供控制油源、大力矩输出的REXA执行器作为转换装置、杠杆反馈、力驱动执行机构的无液压控制工质液压系统。4.2.1 REXA执行器4
7、.2.1.1 REXA执行器结构 REXA执行器是将电信号转换为力输出的转换装置，是无控制工质调节系统的关键设备，采用美国REXA公司生产的智能型机、电、液一体化执行器（简称REXA执行器），由控制器和动力模块两部分组成，图3为控制模块结构外形图，图4为动力模块结构外形图。由智能可控电机和独立的、封闭的、无阀液压控制系统组成。采用高度集成化、模块化、小型化设计，所有组件内部集成，一体化结构。智能可控电机接受控制模块的功能指令，控制动力模块，以线性位移大力矩输出驱动被控对象，同时通过自身位移反馈，完成调节过程，实现各种功能控制。4.2.1.2 REXA执行器特点（1）响应时间：0.04s/mm；
8、（2）输入信号：4mA-20mA模拟量信号或脉冲量信号；（3）大力矩输出，最大输出力约为1000kgf； （4）独立封闭液压系统，无需外供油源；（5）由微处理器实现智能控制，可灵活、简便、准确整定工作参数；（6）具有失电情况下的各种安全机制（全开、全关、保位）。4.2.2 力驱动执行机构 4.2.2.1 结构力驱动执行机构由REXA执行器、杠杆反馈机构、错油门和油动机组成。有两种基本结构形式，根据基本结构的组合和扩展，可适用于各种不同类型的汽轮机调节系统。（1）第一种基本结构如图5所示，杠杆一端通过铰链与REXA执行器联接，杠杆另一端通过滑动铰链与油动机活塞杆相连，在近于REXA执行器侧，杠杆
9、通过铰链与错油门滑阀控制连杆联接，并通过控制连杆作用在错油门滑阀上部。固定的高压油作用在错油门滑阀下部。采用具有快速动作功能的REXA执行器，OPC电磁阀与REXA执行器一体结构。适用于错油门滑阀与油动机活塞动作方向相反的调节系统。（2）第二种基本结构如图6所示，杠杆一端通过滑动铰链与油动机活塞杆联接，杠杆另一端与通过铰链与控制连杆联接，控制连杆作用在错油门滑阀上部，REXA执行器通过铰链作用在近于控制连杆侧的杠杆上。固定的压力油分别作用在错油门滑阀上、下。错油门滑阀下油压称OPC保护油，受控于独立的OPC电磁阀组。适用于错油门滑阀与油动机活塞动作方向相同的调节系统。（3）第三种基本结构形式如
10、图7所示。杠杆一端与REXA执行器联接，杠杆另一端通过滑动铰链与油动机活塞杆相连，在近于REXA执行器侧，杠杆通过铰链与错油门滑阀控制连杆联接，并通过控制连杆与错油门滑阀硬连接。该基本结构力驱动执行机构适用于单作用油缸、抗燃油系统。4.2.2.2 工作原理三种基本结构的力驱动执行机构，除实现OPC超速限制功能的介入方式有所不同外，其工作原理基本相同，以第二种基本结构形式的力驱动执行机构为例，介绍其工作过程。加负荷过程：REXA执行器接受DEH控制信号向上动作，杠杆以油动机活塞杆为支点，带动控制连杆向上移动，错油门滑阀在其下部高压油的作用下跟随上移偏离中间位置，使油动机在压力油的作用下向开启方向
11、位移，控制调速汽门，在油动机向上动作的过程中，杠杆以REXA执行器为支点，带动控制连杆下移，使错油门滑阀回中，完成加负荷过程。 减负荷过程：REXA执行器接受DEH控制信号向下动作，杠杆以油动机活塞杆为支点，带动控制连杆向下移动，使错油门滑阀偏离中间位置，油动机在压力油的作用下向关闭方向位移，控制调速汽门，在油动机向下动作的过程中，杠杆以REXA执行器为支点，带动控制连杆上移，错油门滑阀在其下部高压油的作用下跟随上移回中，完成减负荷过程。机组甩负荷或停机过程：机组甩负荷或紧急停机，迅速泻放错油门滑阀下部油压，错油门滑阀在其上、下油压差的作用下，以及在REXA执行器置零、向减负荷方向快速动作的过
12、程中，使其迅速偏离中间位置，关闭调速汽门，抑制机组转速的过渡飞升。4.2.2.3 特点（1）力驱动执行机构为机械力传递控制的力平衡系统，无传统液压放大机构脉动油传递控制信号，为无液压控制工质调节系统；（2）提高了错油门滑阀的跟踪力和抗油质污染的能力；（3）采用大力矩平衡系统，杠杆反馈，执行机构似为刚性结构，使其具有高的动态响应和抗干扰能力；（4）油动机的静态平衡仅受控于REXA执行器的输出力，系统油压的波动对滑阀的静态平衡无任何影响，因而具有较高的工作稳定性和抗油压干扰能力。 4.3 超速限制、保护和挂闸系统4.3.1 超速限制系统（1）第一种基本结构力驱动执行机构：OPC电磁阀与REXA执行
13、器一体化结构，OPC电磁阀接受机组甩负荷信号或安全油压力开关停机信号，使REXA执行器快速置零动作，错油门滑阀在其下部高压油的作用下偏离中间位置，迅速关闭调速汽门；（2）第二种基本结构力驱动执行机构：设置冗余电磁阀和插装阀组成OPC超速限制阀组（见图8）。OPC电磁阀动作，泻放OPC控制油，开启插装阀，泻放OPC保护油，快速关闭调速汽门；危急遮断滑阀动作，直接泻放OPC保护油快速关闭调速汽门。对于再热机组或多只油动机的机组，将油动机错油门滑阀下OPC保护油相连，同时受控于OPC超速限制阀组和危急遮断滑阀。 （3）第三种基本结构力驱动执行机构：由电磁阀和插装阀组成OPC超速限制阀组（见图7）。O
14、PC超速限制阀组受控于DEH输出的OPC控制信号和EH系统液压保护信号，构成冗余OPC系统。OPC电磁阀组接受控制信号或液压保护油压消失，开启插装阀，泻放油动机下油压，迅速关闭调速汽门，实施OPC超速限制功能。4.3.2 保护系统（1）在第一种基本结构力驱动执行机构系统中，设置冗余安全油压力开关，在实施停机的过程中，联动OPC电磁阀关闭调速汽门；（2）在第二种基本结构力驱动执行机构系统中，设置冗余OPT电磁阀，与手动和远方停机电磁阀并联工作，OPT电磁阀动作，关闭主汽门和调速汽门，实施停机。（3）第三种基本结构力驱动执行机构系统，其保护系统与常规抗燃油DEH系统基本相同。4.3.3 挂闸系统设
15、置机组挂闸、开启主汽门电磁阀组，用以实现机组远方挂闸和开启主汽门。图9为保护和挂闸系统典型原理图。5.0 系统特点（1）系统结构简单、改造工作量小，安装、维护、调试方便；（2）转换装置无需外供控制油源，无需油净化装置，简化了系统结构；（3）系统抗油质污染能力、抗油源干扰能力强，具有较高的稳定性；（4）提高了油动机错油门的跟踪力，利于防止滑阀卡涩，提高了工作可靠性；（5）保护系统结构简单，采用多重冗余设计，使机组具有较高的运行安全性；（6）采用4mA20mA标准控制信号，无需功率放大环节，易于接受任何控制系统的控制信号；（7）可实现REXA执行器的在线维修或更换；（8）当DEH控制器故障或控制系统失电时，具有自动保位功能，保持阀位和负荷不变，因而在控制系统故障工况下，仍能保证机组发供电。6.0 应用业绩采用REXA执行器作为转换装置的透平油无控制工质电液调节系统，已在新机组的设计和汽轮机调节系统的改造中被广泛应用。美国GE公司已经成功应用在400MW机组上。美国WH公司已广泛应用在燃气轮机上。应
