上汽-西门子机组DEH系统优化研究

房小满

（浙江省能源集团有限公司，杭州 310007）

目前，各发电集团内已有越来越多的汽轮机组开始采用上汽-西门子技术，而汽轮机电液控制系统（DEH）作为汽轮机控制的核心系统[1]，其油管路设计和控制策略也基本采用西门子提供的技术路线。经过近几年的应用，上汽-西门子机组的DEH系统暴露出一些问题，影响了机组运行的安全性与经济性。本文在DEH油系统和控制原理分析的基础上，对实际运行中出现的一些问题提出了相应的解决方法，以提高机组运行的安全性与经济性。

1 逻辑优化

上汽-西门子机组的DEH逻辑一般采用制造厂提供的控制策略实施。由于DEH的逻辑设计与汽轮机的构造，特别是油系统的结构关系紧密，因而采用同一技术的汽轮机组的DEH逻辑大同小异，DEH的参数设置也基本一致。一般在基建期或大修完成调试之后，很少对DEH逻辑再做修改。但西门子在设计DEH时采用了“大DEH”的概念，DEH不是一个单纯从DCS侧接受流量指令完成阀位控制的阀位执行机构，而是集合了转速控制、应力控制、主汽压力控制、一次调频，以及负荷控制于一体的综合性控制系统。与其他类型机组的DEH相比，其最大的特点是在CCS控制方式下，DEH从DCS接受的是负荷指令而不是流量指令，机组出力的闭环控制实际是在DEH侧实现，DEH完成的是其他类型机组中DCS侧的汽机主控功能。因此，上汽-西门子类型机组的DEH参数不能保持一成不变，必须像其他类型机组中的汽机主控一样，根据锅炉特性和协调控制的要求进行参数的调整和优化，以获得最佳的控制性能。

图1 DEH功率设定值生成原理图Fig.1 DEH Power setpoint generation schematic

经过近期对几台机组的调整工作，发现部分上汽-西门子机组的DEH逻辑参数设置存在不足之处，在实际运行过程中影响了机组的负荷变动和调节功能，具体情况如下。

1.1 负荷变动速率门槛值

图1为上汽-西门子DEH系统的功率设定值生成逻辑。其原理是在每个扫描周期内，将CCS负荷设定值与DEH功率设定值进行比较，若存在偏差，则在该扫描周期内将DEH功率设定根据预设的升降速率叠加一个值，成为新的DEH功率设定值。在下一扫描周期内，重复该操作，直至CCS负荷设定值和DEH功率设定值相等。在负荷变动过程中，当CCS设定值和DEH设定值偏差大时，采用大的变负荷速率；当两者相接近时，则采用较小的变负荷速率，使DEH功率设定值平稳地接近CCS设定值。

该回路采用了变速率的方法，实现DEH功率设定值对CCS负荷设定值的跟踪。通过设置负荷偏差门槛值，实现在小偏差时采用较小的变负荷速率，防止DEH功率设定值过调造成的抖动。但偏差门槛值设置的合理与否，会对机组的负荷变动性能造成较大的影响。以某660MW机组为例，其DEH的变速率偏差门槛为3MW，即当CCS设定值与DEH设定值偏差在±3MW以内时，DEH侧设定值仅以1MW/min的速率进行跟踪，只有当偏差超过3MW时，才以较大的正常变负荷速率进行跟踪。在实际运行过程中，当机组以10MW/min的速率进行负荷变动时，由于变速率门槛值的存在，在CCS负荷变化3MW以内时，DEH侧的负荷指令设定值基本不变化。而在该状态下，DEH功率设定值变化迟滞时间约为20s。这将造成汽机主控对负荷变化的响应推迟约20s，机组的负荷响应也因此受到影响。

为此，对负荷变动速率门槛值进行调整，适当减小了变负荷的偏差门槛，在提高变负荷响应能力的同时，保证DEH功率设定值的稳定。门槛值的设定需考虑变化速率和设定值的稳定性问题。若门槛值设定过小，可能造成当DEH设定值接近CCS指令时的频繁波动，对功率的闭环控制不利；若门槛值设定过大，又会影响负荷跟踪的速率。综合考虑以上两方面的因素，将门槛值由3MW改为1MW，DEH指令的响应时间基本维持在6s左右，大大改善了汽机的响应速率。

1.2 汽机主控参数调整

上汽-西门子DEH采用“大DEH”设计方式，功率闭环控制功能在DEH侧实现。DEH的功率控制器与转速控制器合二为一，在并网前进行转速控制，并网后通过切换实现功率控制。在CCS工况下，功率控制器接受DCS送来的功率设定值对汽机进行控制。功率控制器的控制策略采用反馈+前馈的方式实现，前馈信号包含DEH功率设定值和一次调频信号，以加快负荷的响应。从目前已有的DEH逻辑中看，由于进入控制器的控制量均进行了标幺化处理，功率控制器的PID参数和前馈的参数相对较大，以发挥汽机快速调节负荷的特点，加快负荷的响应速度。机组实际的运行情况表明，部分DEH的功率控制器参数设置过强，在稳态工况时会造成汽压和负荷的波动。图2是某660MW机组在稳态时的运行情况。从图中可以看到，当主汽压力波动时，汽机调门为控制负荷，进行反向动作，反而使主汽压力的波动幅度更大，反而加剧了汽压的波动，使稳态的情况恶化。

出现该情况的原因是调门对负荷偏差的响应速度过快。当汽压出现波动时，负荷刚有偏离设定值的趋势，调门就开始动作，试图将负荷拉回至设定值。在这过程中，调门的动作方向是不利于汽压稳定的，这也使得压力的波动幅度进一步加剧，使得稳态过程的汽压波动加剧。对此，将DEH中的功率控制器PID参数适当放低，同时将功率指令至控制输出的前馈减小，令整个功率控制器的控制作用适当减弱，避免稳态时主要参数波动的发生。

1.3 顺序阀参数调整

图2 某660MW机组稳态工况运行情况Fig.2 Steady state operating conditions of a 660MW unit

图4 汽机调门死区Fig.4 Steam machine turnaround dead zone

图3 顺序阀逻辑Fig.3 Sequential valve logic

图3为西门子DEH的顺序阀逻辑。当汽机主控PID计算的流量指令（YRO），经过顺序阀函数进行线性变换后，生成阀门流量指令，送至阀门开度回路，控制汽机调门。其中，FD1OB参数设置的是阀门开度的偏置，在顺序阀控制中决定了阀门的重叠度。FD1OE参数设置的是阀门的开启速度。目前，国内的西门子机组一般采用全周进汽方式进行控制，故不存在顺序阀的运行方式。因此，FD1OB参数一般设置为0。同时，在设计时考虑高负荷段采用补气阀控制机组负荷，故FD1OE参数被设为0.8。这意味着当机组的流量指令超过80%时，汽机调门就将全开，采用补气阀方式进行控制。而在实际应用过程中，由于机组振动等方面的原因，几乎没有机组使用补气阀进行功率调节，补气阀的阀限也被设为-5%，即补气阀在收到指令后也不开启。但DEH侧的其他参数却未随机组运行方式的改变而进行调整，FD1OE参数依然保持0.8。这使得汽机调门在全开后出现控制死区，调门无法迅速关闭响应负荷需求，具体现象如图3所示。

图4为某660MW机组的负荷变动试验曲线。从图中可以看到，在负荷变动开始前，由于汽压偏低，调门为控制负荷处于全开状态。当负荷变动开始后，随着负荷指令的下降和煤量的减少，实际负荷虽然也随之下降，但下降速度慢于指令下降速度，实际负荷高于负荷指令。同时，随着煤量的减少，主汽压力迅速下降，且低于压力设定值。在该工况下，汽机的调门却始终保持全开，明显不符合机组的控制要求。造成该情况的原因就是调门顺序阀参数的不合理。

对此，建议在不使用补气阀时将FD1OE参数设置为1，或限制YRO流量指令上限于0.8，以消除调门全开后的调节死区情况。同时，对汽机主控的PID参数进行调整，保证调节过程中的调节的速率满足要求。

图5 上汽-西门子机组调门EH调节原理图[3]Fig.5 SAIC-Siemens Unit Tone EH adjustment schematic diagram[3]

2 EH油系统优化

上汽-西门子机组的EH调节系统的油管路设计如图5所示。每个阀门的调节系统主要由2个跳机电磁阀和1个伺服阀组成。当机组正常运行时，EH油分2路进入调节系统。1路EH油流向跳机电磁阀，此时跳机电磁阀处于常带电状态，建立正常EH油压。另1路EH油进入伺服阀，伺服阀根据DEH发出的指令对进入调门油缸的油路进行控制，通过对油缸进行充油和放油，实现对调门开度的控制。当跳机条件满足时，任意1个跳机电磁阀失电，将使得进油与回油管路接通，油路中的EH油通过跳机电磁阀和回油管路泄去，调门在弹簧力的作用下关闭，达到遮断汽轮机的目的[2]。

在近几年的运行过程中，采用西门子技术的机组曾多次发生在进行阀门松动试验（ATT）时，由于EH油压力低，导致机组跳闸的事故。ATT试验目的是在线检验各汽门能否正常关闭、阀门是否卡涩、跳闸电磁阀是否能够正常动作，以确保机组跳闸或停机工况下能够安全遮断。跳机事故一般发生在进行主汽门或调门松动试验时，由于跳机电磁阀卡涩，导致电磁阀在得电后进油与回油管路没有正常隔离，伺服阀在试图开启阀门时，EH油直接通至回油油路，引起EH油大量内泄，从而造成了EH油压力快速下降到机组跳闸值，引起机组跳闸。油通路如图5中红色虚线所示。

造成该情况的原因主要如下：

1）上汽-西门子机组在控制油路设计上与其他类型的机组不同。其他类型的机组是跳闸电磁阀控制安全油，通过安全油来控制阀门的压力油；而上汽西门子机组直接由每个门的跳闸电磁阀控制压力油泄、通，其没有安全油的说法。

2）目前异常都是发生在调门试验时。究其原因是调门的进油管内缩通径大，导致异常时的泄油量大。经与厂家确认调门的进油管内缩通径近乎是主门的8倍。

3）控制逻辑没有设计相应的故障判断和逻辑闭锁，导致异常情况下，回油路仍然接通压力油，直接导致EH油泄漏。

由以上分析可知，调门活动性试验中电磁阀的卡涩异常和油管路设计的不完善是造成机组在试验过程中跳闸的原因。对此，可从试验流程和逻辑设计两方面进行优化。

由于正常工况下调门处于不断调节过程中，调门的活动性可实时监控，调门活动性试验的目的主要是验证跳闸回路的可靠性。因此，建议调门的活动试验可在机组启、停过程完成。若需要在线对调门的电磁阀跳闸回路进行验证，应避免用顺控进行试验，而采用步进方式进行ATT试验，并且实验过程中加强现场侧的监控，以便在每步操作后对阀门和机组的状态进行确认，确认机组运行正常后才可进行下一步，以保证试验过程中机组的安全。

在逻辑中，建议增加ATT试验过程中，指令大于反馈时将伺服阀指令清0的保护逻辑，防止调门跳闸电磁阀卡涩、回路故障而调阀指令不为0，从而导致控制油压降低。具体逻辑如下：当ATT试验时，若①指令和反馈偏差大于6.8%，且阀位反馈小于5%；②两个跳闸电磁阀指令未动作；③EH油压小于13MPa。以上3个条件相与，即表征跳闸电磁阀可能发生卡涩故障，EH油发生大量内漏。此时，逻辑须将该阀门的伺服阀指令清为0，防止控制油压力的进一步下降。

3 结束语

随着近几年采用上汽-西门子技术机组数量的增加，其DEH系统也暴露出了一些问题，对机组运行的安全性和经济性造成了影响。本文在对DEH控制原理和问题成因分析的基础上，提出了一些具有针对性的改进意见。文中提到的部分问题在上汽-西门子技术的DEH中有一定的共性，通过改进这些不足能够在一定程度上提高机组运行的经济性和可靠性。

此外，有许多机组的DEH系统未采用西门子原厂的控制系统，而采用了第三方的系统或DCS一体化的技术，对控制逻辑进行转换，实现相应的功能。由于控制系统在结构、算法模块、运算方式和机理上的差异，部分功能的实现与原厂系统还存在差距，甚至可能造成不利于机组的安全运行的隐患。因此，还需要对DEH逻辑进行充分地分析和研究以消除这些隐患。