REXA执行器与DDV阀在DEH系统中应用的比较

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)辽宁电力控制技术有限公司 作者:范志强

  汽轮机纯电液调节系统是电厂自动控制系统的重要组成部 分,是机组自动化的基本内容之一。目前汽轮机电液控制系统有,透平油DEH系统和高压抗燃油DEH系统。电液转换装置是DEH系统的关键部件,目前透平油DEH系统主要采用的电液转换装置有DDV阀和REXA执行器,DDV阀易受油质污染,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。为提高机组自动化水平、进一步简化系统结构,提高电液转换装置和系统的抗污染能力,根据各类汽轮机调节系统的结构特点,采用以自容式执行器(REXA执行器)为转换装置,组成无液压控制工质的汽轮机REXA执行器DEH系统。

1、概况

  DDV阀为MOOG公司生产的直接驱动式伺服阀,这种阀用集成电路实现阀芯位置的闭环控制。由于其结构相对简单,响应速度快,价格相对较低,在低压透平油DEH系统发展中曾得到较为广泛的应用。REXA执行器作为电液转换器的引进,在DEH系统发展中起到了革新的作用,REXA执行器无需外供控制油源,由于提高了油动机错油门的跟踪力,利于防止滑阀卡涩,提高了系统抗油质污染能力。因而对透平油供油系统的油质清洁度无特殊要求,与机组常规油质清洁度标准相同。REXA执行器大大简化了DEH系统的结构,提高了系统的可靠性和稳定性,得到用户的广泛认可,并得到广泛的应用。

2、两种液压系统的工作原理

  2.1、DDV阀电液放大机构的结构及原理

  DDV阀电液伺服放大机构由DDV阀、精密滤油器、可调节流阀等液压设备组成。如图1所示,压力油经过精密双筒滤油器进入DDV阀,双冗余的LVDT作为油动机行程反馈信号,与DEH阀位指令比较运算,经过伺服卡将信号放大,作用于DDV阀。DDV阀将电信号转变为液压信号,改变油动机脉动油压(P),从而改变错油门的位置使油动机动作,通过LVDT反馈形成闭环,实现阀门开度的控制。OPC电磁阀动作时,快速泄放脉动油,油动机实现快速关闭功能。同时,脉动油与危急遮断滑阀连接,机组跳闸时同时泄放脉动油,快速关闭调门,实现停机。

  2.2、REXA执行器力驱动机构系统结构及原理

DDV阀电液伺服放大机构原理图

图1 DDV阀电液伺服放大机构原理图

  2.2.1、REXA执行器

  REXA执行器是将电信号转换为力输出的转换装置,是该系统改造的关键设备,REXA执行器是美国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2为REXA执行器结构示意图。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。

  2.2.2、REXA执行器驱动机构的结构

REXA执行器示意图

图2 REXA执行器示意图

1-DEH控制信号;2-可编程键盘;3-控制箱;4-电源;5-反馈传感器;6-伺服电机;7-动力组件;8-油缸;9-输出端

  REXA执行器力驱动机构由REXA执行器、杠杆反馈机构、错油门和油动机组成。如图3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错油门滑阀控制连杆联接,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。固定的压力油作用在错油门滑阀下部。

  2.2.3、REXA执行器力驱动机构工作原理

REXA执行器力驱动机构原理图

图3 REXA执行器力驱动机构原理图

  机组加负荷时,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。减负荷过程相反。机组甩负荷或紧急停机时,通过OPC电磁阀及过渡阀迅速泄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。

3、 两种液压驱动系统的比较

  3.1、系统结构比较

  REXA执行器为自容式、闭式循环执行机构,无需外供控制油源,无需油净化装置等,通过杠杆形成刚性反馈结构,系统结构简单。REXA执行器接受4-20mA标准信号,不需要伺服放大板卡,与任何控制系统都能兼容。

  从系统结构原理图看,DDV阀液压系统明显要繁杂,系统附有滤油装置、冗余LVDT、可调节流阀、伺服卡等设备,系统结构相对复杂。

  3.2、抗油质污染能力比较

  REXA执行器无需外供控制油源,由于提高了油动机错油门的跟踪力,利于防止滑阀卡涩,提高了系统抗油质污染能力。因而对透平油供油系统的油质清洁度无特殊要求,与机组常规油质清洁度标准相同。

  采用DDV阀作为电液转换器的电液放大执行机构,需外供控制油源,由于DDV阀受内部结构的制约,对油质要求相对较高,易受油质污染,发生卡涩、拒动,并可致使执行机构摆动、突关、突开或拒动等故障,因而,系统抗油质污染能力相对较弱。

  3.3、抗油源波动干扰能力比较

  REXA执行器液压系统为机械力传递控制信号的力平衡系统,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。在错油门滑阀下部设置固定的高压油,作用在错油门滑阀下部的油压作用力,远大于作用在滑阀上部的油压作用力,滑阀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。因而具有较高的抗油压干扰能力和工作稳定性。

  DDV阀电液放大执行机构,采用脉动油传递控制信号,LVDT弹性反馈系统,要求系统具有稳定的工作油源,因而,抗油压干扰能力相对较差。

  3.4、定位精度与系统稳定性比较

  图4为DDV阀液压执行机构方框图,图5为REXA执行器力驱动执行机构方框图。

DDV阀液压放大执行机构方框图

图4 DDV阀液压放大执行机构方框图

REXA执行器力驱动执行机构方框图

图5 REXA执行器力驱动执行机构方框图

  如图所示,在DDV阀电液伺服阀液压放大执行机构中,其电液转换装置在油动机环节的环内,而REXA力驱动执行机构的电液转换装置在油动机环节的环外,REXA执行器的位置输出仅受控于DEH控制器,与油动机环节环内的工作状态无关,因而,对转换装置响应速度的要求相对较低,所以REXA执行器的响应速度远能够满足DEH的各种控制功能,并且在实际应用中已经验证,该系统完全可以满足机组一次调频和孤网运行等特殊工况的要求。由于力驱动执行机构采用杠杆反馈、大力矩平衡系统,力驱动执行机构似为刚性结构,定位精度不受机械摩擦、电源、油压及油温等条件的影响。另外,REXA执行器出现任何故障,油动机环节均不受影响,仍能稳定维持阀位。因而,REXA执行器力驱动执行机构具有高定位精度高、稳定性好、抗干扰能力强以及系统运行可靠性高等特点。

  DDV阀液压执行机构定位精度易受机械摩擦、电源、油压、油温等条件的影响,其必须具有高的响应速度,才能与油动机的速度相匹配,满足油动机的正常工作。DDV阀就响应速度而言,完全满足系统要求,这也是DDV阀的基本特点。

  从图4方框图可以看出,DDV阀一旦发生故障,会使油动机全关而甩负荷,特殊情况还会导致油动机全开而超负荷。对发生故障的DDV阀进行处理和调整时,会对油动机造成扰动,所以需要拆下来检修,而一旦拆除DDV阀,油动机就会全关,所以,必须要停机处理。

  3.5、系统调试、维护工作的比较

  REXA执行器DEH液压系统调试时间约0.5个工作日,日常免维护。而DDV阀液压系统在调试阶段需要反复调整和校正油压,所以,调试时间至少需要3个工作日,而且需要经常更换滤芯等繁杂的日常维护。

  REXA执行器可以实现在线维修或更换,DDV阀电液伺服液压放大执行机构尚不能实现DDV阀的在线维修或更换。

  3.6、自动保位功能

  当DEH控制器故障、控制系统失电或REXA执行器故障时,REXA执行器具有自动保位功能,保持阀位不变,并具有在就地通过旋转REXA执行器本体上的手轮,手动调整REXA执行器的阀位,进而调整调门的开度,满足运行工况的要求。因而,在控制系统故障工况下,仍能保证机组正常发供电。而且,在故障保位期间,当停机或甩负荷指令到达时,仍然可以正常执行调门快关保护。

  DDV阀电液伺服液压放大执行机构尚不具有保位功能和就地操作功能,任何故障均需要停机处理,增加发电厂非计划停机的概率。

4、实际应用比较

  采用REXA执行器作为电液转换装置的DEH系统,在新机组的设计和汽轮机调节系统的改造中已被广泛应用。目前,已经有上百套成功应用业绩。而且REXA执行器在高压抗燃油系统改造中也得到很好的应用,取得良好的效果。以下为电厂实际应用案例介绍:

  某热电厂5、6、7号机组为哈尔滨汽轮机厂生产的100MW凝汽式汽轮机,5、6号机组采用REXA执行器力驱动机构、FOXBORO分散控制系统组件控制器、透平油DEH系统,7号机组采用以DDV阀为电液转换装置、FOXBORO分散控制系统组件控制器、透平油DEH系统。该厂对两种类型的系统进行了对比,认为:5、6号机组DEH系统运行稳定、可靠性高;对油质无要求,维护工作量小;REXA执行器力驱动机构安装完毕即可投入运行,调整工作量小;7号机组调整、维护工作量大,在机炉协调运行方式下DEH系统摆动,限制了机炉协调运行方式的正常投入。通过比较分析,7号机组于2007年采用REXA执行器力驱动机构取代了DDV阀,对DDV阀DEH系统进行了改造。取得了预期的改造效果。

5、结论

  DDV阀DEH液压系统,在油质维护良好及系统油压平稳的情况下,可以保证机组的良好运行,实现DEH的各项功能。但是,一旦出现油质下降、油压波动以及电信号干扰的情况,系统就会不稳定,甚至导致事故发生,而且其系统复杂、维护量大、抗污染能力差以及无法实现保位及在线更换等,这些因素制约了它的进一步发展。

  相反,REXA执行器作为一种新型的电液转换器,有其独特的优点,在实践中不断得到验证,它的应用提高了DEH系统的各项品质,为DEH系统的发展注入了新的活力。

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