DEH系統(tǒng)組成及被控對象的數(shù)學模型

張亞凱（大唐黃島發(fā)電有限公司，山東 青島 266000）

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DEH系統(tǒng)組成及被控對象的數(shù)學模型

張亞凱
（大唐黃島發(fā)電有限公司，山東 青島 266000）

摘 要：為了提高電廠工作人員對DEH系統(tǒng)的組成、運行機理及系統(tǒng)故障的認識水平，本文對DEH系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)功能進行了介紹，并推導出電液伺服閥、油動機、汽輪發(fā)電機組的數(shù)學模型，為相似的工程提供了借鑒。

關鍵詞：DEH系統(tǒng)；組成；功能；數(shù)學模型

0　引言

電廠DEH系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)控制器、操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、保護系統(tǒng)，主要功能包括汽輪機自動保護、機組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控、汽輪機自動控制、汽輪機自動程序控制，在此基礎上提出了DEH系統(tǒng)主要控制對象的數(shù)學模型。

1　 DEH系統(tǒng)的主要組成

DEH系統(tǒng)利用計算機控制將系統(tǒng)的邏輯判斷、控制運算、軟件組態(tài)等優(yōu)勢發(fā)揮出來，將系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與保護、運行監(jiān)測、順序控制等融為一體。采用高壓抗燃油EH液壓系統(tǒng)替代先前的液壓系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。根據(jù)DEH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可將系統(tǒng)分為控制器、操作系統(tǒng)、油系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和保護系統(tǒng)。（1）控制器。控制器主要包括控制柜內(nèi)的DPU、I/O卡件、電源、網(wǎng)絡等設備。主要用于給定接收系統(tǒng)控制信號，利用邏輯運行對系統(tǒng)進行控制，系統(tǒng)采用控制器、網(wǎng)絡、電源冗余控制，以以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)通訊，開關量和模擬量信號發(fā)出和接收通過I/O卡件通道，調(diào)節(jié)汽閥和主汽閥的閥門控制伺服調(diào)節(jié)回路由VCC卡實現(xiàn)。（2）操作系統(tǒng)。由工程師站和操作員站組成，為運行人員提供系統(tǒng)運行的信息監(jiān)測，系統(tǒng)操作，人機對話等功能，通過冗余的以太網(wǎng)絡實現(xiàn)操作員和DPU的系統(tǒng)通訊。（3）油系統(tǒng)。油系統(tǒng)由潤滑油系統(tǒng)和高壓控制油系統(tǒng)。潤滑油系統(tǒng)由主機拖動的潤滑油泵提供，高壓控制油系統(tǒng)為DEH控制系統(tǒng)提供控制與動力用油，接受調(diào)節(jié)器或操作盤的信號指令驅(qū)動控制油泵。（4）執(zhí)行機構(gòu)。DEH的執(zhí)行機構(gòu)主要由高壓調(diào)節(jié)電液伺服機構(gòu)、高壓主汽電液伺服機構(gòu)、中壓調(diào)節(jié)電液伺服機構(gòu)、中壓主汽電液伺服機構(gòu)組成。執(zhí)行機構(gòu)包括電液伺服閥、伺服閥放大器、快速卸載閥、線性位移變換器（LVDT）、油動機，負責驅(qū)動DEH系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。（5）保護系統(tǒng)。保護系統(tǒng)是指在汽輪機超速運行時，系統(tǒng)通過電磁閥關閉高、中壓調(diào)節(jié)汽閥，在汽輪機嚴重超速（110%）、EH油壓低、軸承油壓低等情況下危機遮斷和手動停機。

2　DEH系統(tǒng)主要功能

從根據(jù)機組的運行要求和DEH系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，DEH系統(tǒng)主要有汽輪機自動保護、機組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控、汽輪機自動控制、汽輪機自動程序控制功能（ATC）。（1）汽輪機自動保護功能。汽輪機的自動保護功能主要是避免機組因超速、振動、差脹等原因受到破壞。包括超速保護系統(tǒng)（OPC）、危急遮斷系統(tǒng)（ETS）、機械超速保護和手動脫扣。1）超速保護系統(tǒng)（OPC）。此項保護是在汽輪機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的103%～110%時，系統(tǒng)通過OPC電磁閥，快速關閉高、中壓調(diào)門，對機組進行超速保護。2）危急遮斷系統(tǒng)（ETS）。此項保護措施是在汽輪機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的110%時，系統(tǒng)通過高壓遮斷電磁閥泄去高壓油，將系統(tǒng)主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥關閉，從而實現(xiàn)機組安全停機，達到保護機組的目的。（2）機組和DEH系統(tǒng)的監(jiān)控功能。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括CRT畫面、操作狀態(tài)指示、狀態(tài)按鈕指示，對DEH系統(tǒng)的信號通道、程序運行情況和系統(tǒng)硬件等進行監(jiān)控，通過CRT畫面顯示機組運行的主要參數(shù)、報警數(shù)據(jù)、故障信息等等。（3）汽輪機自動控制功能。汽輪機自動控制包括機組并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速自動控制和機組并網(wǎng)后的負荷自動控制。在轉(zhuǎn)速控制時，系統(tǒng)的高壓調(diào)門、中壓調(diào)門和主汽門的控制回路反饋信號為汽輪機的轉(zhuǎn)速。在汽輪機處于負荷控制時，以汽輪機的轉(zhuǎn)速為電網(wǎng)負荷擾動的前饋信號，反饋信號則是發(fā)電機的功率和調(diào)節(jié)級壓力的折算功率，組成的串級控制回路實現(xiàn)汽輪機自動控制功能。（4）汽輪機自動程序控制功能（ATC）。此項控制功能可實現(xiàn)在機組允許的應力范圍內(nèi)，對機組啟動程序進行適當優(yōu)化，實現(xiàn)機組最短時間、最高效率的啟動。ATC控制可實現(xiàn)機組在啟動階段的升速速率的調(diào)整、自動升速和高速暖機控制，在機組并網(wǎng)后可限制機組的升負荷速率，對負荷實現(xiàn)保持功能。

3　DEH系統(tǒng)被控對象的數(shù)學模型

數(shù)學模型是利用數(shù)學公式的方式表現(xiàn)出系統(tǒng)的輸入輸出關系，將DEH系統(tǒng)這樣一個復雜的模型進行假設和簡化，通過專家經(jīng)驗公式和其他數(shù)學形式表現(xiàn)DEH系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)的關系。

（1）電液伺服閥數(shù)學模型。電液轉(zhuǎn)換器在工作時涉及到的信號轉(zhuǎn)換過程可以分為如下幾個子過程：電液伺服閥的工作時信號轉(zhuǎn)換過程可分為：通過控制器發(fā)出差動信號U（s），使線圈的電流變化，這樣使電磁力矩T 發(fā)生變化，這樣引起使閥門擋板位移Xf變化，從而實現(xiàn)滑閥位移置Xv變化。由此可已得到電液伺服閥的傳遞函數(shù)為：，對上述數(shù)學公式進行無量綱化處理，得到電液伺服閥的數(shù)學模型為：，其中T0為電液伺服閥的時間常數(shù)。

（2）油動機數(shù)學模型。為提升調(diào)節(jié)汽閥的可靠性，則油動機的最小提升力要大于調(diào)節(jié)汽閥開啟的所需力。當油動機到最小位置時，需要彈簧作用力將汽閥關閉至閥芯緊壓在閥座上。又因在滑閥移動時，進油流量公式為：，油動機的排油量公式為：，其中?p1為進油壓力和油動機活塞底部的壓力之差，則?p0為活塞底部的壓力與排油壓力之差。

忽略液體流動的慣性和閥門的提升力，則?p0等于0，經(jīng)推導得到油動機的傳遞函數(shù)為：，得到：，其中TM為油動機時間常數(shù)。

（3）汽輪機發(fā)電機組。汽輪機的動態(tài)過程的數(shù)學模型主要有蒸汽容積、中間再熱器、汽輪機轉(zhuǎn)子模型，經(jīng)過無量綱化處理后得到相應的數(shù)學模型為：

其中Tρ表示蒸汽容積時間常數(shù)，

4　結(jié)論

本文介紹了汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和功能，并在此基礎上采用機理分析的方法推導出DEH系統(tǒng)的主要控制對象電液伺服閥、油動機、汽輪機發(fā)電機組的數(shù)學模型。

參考文獻：

［1］肖林海.汽輪機DEH系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化及故障診斷研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2011.

［2］靳智平.電廠汽輪機原理及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2006.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.263

作者簡介：張亞凱（1986-），男，助理工程師，主要從事：電廠汽輪機側(cè)控制及設備檢修維護。