（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）侯林鵬，羅作楨
                                    
    侯林鵬（1980-）男，河北秦皇島人，本科，工程師，現就職于杭州和利時裝備自動化工程部，主要研究方向為流體傳動與控制。

    摘要：低壓透平油電液控制系統，有電液油動機和電液放大器兩種方案，用于中小型汽輪機DEH改造的主導型控制系統，由和利時成功開發，已經廣泛應用，并為廣大用戶所認可。在此基礎上，和利時又成功開發了自容式電液執行器，分集成式和分體式兩種，其性能達到高壓抗燃油系統的水平，并具有節能、環保、簡單可靠等特點，可適用于大、中、小型機組的DEH改造和新機配套，已有幾十臺機組的應用業績。Xpac是美國REXA公司生產的電液執行器，屬集成型自容式，其小規格產品用于中小機組的DEH改造，有一定的業績，主要用作中間放大。本文對自容式電液執行器、低壓透平油電液控制系統和Xpac電液執行器的特點和適用范圍進行了對比。

    關鍵詞：汽輪機；DEH改造；低壓透平油電液控制系統；自容式電液執行器；Xpac

    Abstract: Low pressure turbine oil electro-hydraulic control system including two types: electro-hydraulic servomotor and electro-hydraulic amplifier, is the leading control system used for small and medium turbine DEH reconstruction,which is developed by HollySys and widely applied with the approval by users. Based on this,HollySys also developed self-contained electro-hydraulic actuator successfully which consists of integrated type and split type. It has high pressure fire resistant fluid system level performance, and has energy-saving,environmental protection, simply and reliable features. It can be used for DEH reconstruction and new build of large, medium and small unit, and has been used on several tens of units. The Xpac is the electro-hydraulic actuator produced by American REXA Company, which belongs to the integrated and self-contained type. Its small-size product is mainly used for DEH reconstruction of small and medium unit. The Xpac has been applied on some units and is mainly used for interstage amplifier. This paper mainly introduces the features and application scopes of self-contained electro-hydraulic actuator, low pressure turbine oil electro-hydraulic control system and Xpac electro-hydraulic actuator.

    Key words: Turbine; DEH reconstruction; Low pressure turbine oil electrohydraulic control system; Self-contained electro-hydraulic actuator; Xpac

    1 概述

    和利時研制開發的自容式電液執行器是一種優化的高壓電液執行器，分集成式和分體式兩種。集成式執行器，是將油源與電液執行器集成在一起，應用時，只需將它安裝在被控的閥門上，接通電源和信號線，不需要外供油源和復雜的油管路，便可執行控制任務。分體式則將油源站與電液執行器分塊集成，一個油源站可向多個電液執行器供油，只需很少的油管路。自容式設備具有系統簡單、性能優化、驅動力大、響應快、應用簡便、可靠性
高、節能、環保、耐污染等特點。

    美國REXA公司生產的Xpac執行器，是一種集成型自容式電液執行器，主要用途是用來替代電動執行器。可用于汽輪機的錯油門滑閥的中間放大控制。但是由于動態響應較慢，被控機組不能適應一次調頻的要求，只能適用于在大電網中帶基本負荷的機組。若選用大規格Xpac執行器，可以直接驅動汽輪機蒸汽閥門，但價格很高。沈陽東北電力調節技術研究所是美國REXA公司的中國總代理，負責Xpac電液執行器的銷售、推廣與技術支持，主要用作中間放大，驅動錯油門滑閥。曾與和利時公司合作，將小規格Xpac電液執行器用作中間放大環節。此種小規格的Xpac電液執行器驅動力最大為1噸，無法直接驅動蒸汽閥門，只能驅動油動機的錯油門滑閥，目前已應用在多項改造機組的DEH中。

    低壓透平油電液控制系統，由和利時推出、用于中小型機組DEH改造的主導性方案，包括電液油動機和電液放大器兩種方案，其主要特點是采用DDV閥實現電液轉換，將電控系統與機組原配的液壓放大、執行系統連系起來，實現DEH控制。這是一種十分成功的改造方案，能充分利用原機組液壓系統，簡單易行，已經得到廣泛應用。對于原液壓系統性能較好的機組，如哈汽、東汽、北重、上汽等廠的產品，改造效果很好，改造工作量也較小。但是由于保留了原調節系統中的油源、放大器、錯油門和油動機等液壓部套，必然將這些部套原來存在的問題帶到改造后的系統中。要適應不同廠家不同年代的產品，必須針對具體系統進行特殊設計。特別是那些已運行幾十年或停運很久的舊機組，油系統和調節系統都已破舊不堪，圖紙、資料缺失，嚴重影響設計的準確性和改造效果。使改造工作量相對較大。對于這類機組，最好采用自容式電液執行器進行徹底改造。

    和利時自容式電液執行器，采用了蓄能技術，能在瞬間釋放出動態過程所需的大流量，使動態響應遠比Xpac快；驅動力可達10噸以上，能夠直接驅動蒸汽閥門實現連續調節；并具有快關功能。各項控制性能指標達到高壓抗燃油系統的水平，但遠比高壓抗燃油系統簡單，并且不用抗燃油，沒有由抗燃油帶來的環保問題。系列化的設計能適應機組全功能控制的要求。

    2 工作原理及設計特點

    2.1 自容式電液執行器的構成和工作原理

    自容式電液執行器主要由高壓油缸、伺服閥、油路集成塊、蓄能器、電機油泵、油源塊等部件組成。對于集成式，所有部件完全集成在一起，沒有外部管路；對于分體式，油源和執行器分塊集成，只有很少的外部油管路。

    （1）油源的工作方式：正常運行時，油泵處于卸載狀態，只在蓄能器充油過程，油泵才加載。蓄能器額定壓力14MPa，當蓄能器壓力下降到12MPa時，充油電磁閥帶電，油泵向蓄能器充油；當蓄能器壓力上升到16MPa時，充油電磁閥失電，油泵卸載，電動機、油泵空載運轉，由蓄能器保持向油動機供油。這種開關調壓方式節省了調壓耗油，是一種節能的運行方式。

    （2）油動機工作原理：正常控制時，功率放大器通過伺服閥控制液壓缸，并由LVDT反饋定位。油動機設計成在12～16MPa壓力范圍內均能滿足各種工況下的控制要求，并且不會因油壓變化影響油動機的位置。伺服閥采用DDV閥，或其他類型的高精度比例閥型伺服閥，與傳統的噴咀擋板型伺服閥相比，除靜態精度和動態響應特性相當外，具有靜態耗油量極小和抗污染能力強的優點。油動機采用油壓復位式單側缸，或彈簧復位式單側缸，換向平穩。液壓缸采用無內漏缸，使DDV閥穩態時準確地工作在斷流位置，保持高壓力增益，確保油壓變化時不影響油缸位置。采用上述設計，油動機穩態耗油基本為0，只有動態耗油，即工作耗油，這也是一種節能設計。

    （3）快關設計：快控信號通過OPC快關電磁閥，動作卸荷閥，使液壓缸快速卸載，實現閥門快關；同時切斷伺服閥進油，防止快關過程油源短路。這種設計防止了快關過程意外耗油，也是節能設計。

    （4）采用抗磨液壓油作工質，徹底解決了抗燃油的環保問題。配有防火保護系統，萬一發生意外損壞，可迅速切斷油源，防止引發火災，達到抗燃油系統的防火效果。抗磨液壓油的液壓性能遠優于磷酸酯型抗燃油，這是一種環保設計。

    （5）由于采用了高壓設計，油動機驅動力大，定位精度高，穩定性好，動態響應快，可靠性高，各項性能指標達到高壓抗燃油系統的水平。抗污染能力高于目前通行的高壓抗燃油系統的水平。

    （6）配有電氣箱，正常控制、充油控制和馬達控制等回路，由電氣箱完成，并具有遠方操作功能。

    （7）自容式電液執行器液壓油用量很少，且密封在油系統中，不受外界污染影響，可以長期保持清潔，不會發生因油污染帶來的故障。系統安裝調試完畢，至少正常工作一個大修期（3～5年）。

    （8）定位精度小于全行程的0.1%；重復率小于全行程的0.1%，快關時間0.2秒，均達到高壓抗燃油系統的水平。結構上可與控制系統進行完美對接，擴展、維護極其簡單。

    2.2 自容式執行器設計特點（優勢）

    自容式電液執行器作為電站汽輪機電液執行器的新一代產品，具有集成性、節能性、環保性和控制性能優良等優點，適用于各型機組的DEH改造，特別適合于對現有的高壓抗燃油電液控制系統進行環保改造和性能優化，也適用于大、中、小型新機組配套。現將主要特點歸納如下：

    （1）集成性：將液壓缸、操縱座、控制系統和油源系統集成為少數幾個模塊，并經過優化，沒有或只有很少外部油管路。結構簡單，應用方便。

    （2）節能性：根據系統的穩態耗油少，動態耗油雖大但時間短，由蓄能器供油。按上述特點設計供油系統，可大量節省油系統內部循環能耗。

    （3）環保性：采用抗磨液壓油作為工作介質，避免磷酸酯抗燃油對環境的污染。

    （4）控制性能優良：驅動力大，響應快，定位精度高，動作平穩，達到高壓抗燃油系統的水平。

    （5）系統簡單、管路短少、不易發生液壓激振，可靠性高、應用簡便，適用于對大機組現有的高壓抗燃油DEH進行環保改造和優化，也可用于大機組新機配套。同時，也可用于中、小機組的DEH控制。尤其是那些陳舊的、調節系統損壞嚴重的機組，采用自容式電液執行器可以圓滿解決此類機組電調改造的問題。

    2.3 美國REXA執行器工作原理及特點
                  
                       
                                          圖1 力驅動執行機構原理圖
    下述為REXA公司關于Xpac電液執行器的說明。

    REXA Xpac是一種專用于調整服務的、微處理器控制的、成套式電液執行器和驅動器。以采用流量配對系統（Flow Match System）的電子式液壓動力組件為特色，不但實現了REXA執行器獨立于負荷變化的精確定位，及在無須運動時油缸的原位鎖定，而且是REXA執行器得以真正集電動操作的簡易性、液壓的動力、固態電子的可靠性和用戶配置操作的靈活性于一體，由智能可控電機和獨立的、封閉的、無閥液壓控制系統組成。采用高度集成化、模塊化、小型化設計，所有組件內部集成，一體化結構。智能可控電機接受控制模塊的功能指令，控制動力模塊，以線性位移大力矩輸出驅動被控對象，同時通過自身位移反饋，完成調節過程，實現各種功能控制。

    100%連續調節工作，高可靠性；

    定位精度小于全行程的0.15%；

    重復率小于全行程的0.1%；

    可接受4~20mA標準控制信號，并可選用脈沖和電壓模擬信號控制方式，具備數字通訊能力，能方便的與其它控制方式接口；

    智能化設計，可根據現場情況對執行器的輸出位移、行程速度、閥門預緊力等進行設定和調整。

    3 自容式電液執行器和Xpac的比較

    （1）兩種執行器都有一個共同的優點：自容式設計、節能、環保。

    （2）Xpac沒有蓄能機制，電機既是能源提供者又是電液轉換器，對于指令信號響應速度慢（全行程相應時間2秒）。如果Xpac要做到響應速度快，要求能夠短時間提供很大的功率，那么相應的電機功率將加大很多。但是，如果電機功率加大，相應的繞組電感增大，電感時間隨之增大，響應速度仍然快不起來。自容式電液執行器設計，使用了蓄能裝置，能在瞬間向液壓缸提供快速動作所需的大流量；DDV閥作為控制元件，響應時間僅為20毫秒；蓄能器、DDV閥和液壓缸的配合，使自容式電液執行器的快速響應特性得到了保證。

    （3）自容式執行器能夠以足夠的驅動力（10噸以上）直接驅動汽輪機蒸汽閥門。從而從根本上解決了汽輪機調節系統靜態精度和動態響應速度問題，當用作電調改造時，并且摒除了原液壓系統眾多的干擾因素。

    （4）自容式執行器能夠依據現場實際的安裝條件和機組特性作結構設計，方便現場安裝、調試。柔性制造的方案為廣大用戶提供了更廣闊的選擇空間。

    （5）Xpac電液執行器控制電路嬌貴，直接安裝到汽機旁邊環境惡劣，容易損壞，同時因為是國外廠商，維護保養價格昂貴，并且核心技術不被代理商掌握，調試過程中的技術故障難以完全解決。

    （6）自容式油動機直接驅動閥門，靈敏度極高，輸出剛度大，穩定性好，具備Xpac的所有優點；Xpac則需配套原低壓錯油門才能使用，未從根本上解決低壓透平油油動機的遲緩率和輸出剛度低、滑負荷等實際問題。

    （7）Xpac無自身反饋系統，與電子系統不能構成快速閉環回路，響應慢，速度慢，再通過錯油門、油缸作用到汽機閥門上，時間常數更長，不能滿足機組快速響應，迅速動作的要求。尤其是當低壓油動機不好用時，此種缺點尤為明顯。

    4 自容式油動機與低壓透平油電液控制系統的比較

    低壓透平油電液控制系統，用作電調改造時，需對原機組液壓系統結構做詳細了解，區別對待。

    對于哈汽型、東汽型、北重型機組，液壓系統性能較好，可保留錯油門和油動機，只需配DDV閥構成電液油動機，組成低壓透平油純電調，改造工作量較小，改造效果很好。

    對于上汽型機組，液壓系統性能也較好，可保留液壓放大器、錯油門和油動機，只需配DDV閥構成電液放大器，組成低壓透平油純電調，改造工作量小，改造效果較好。

    對于以小機型系統為基礎的機組，如青汽型、南汽型等，其特點是采用機械彈簧錯油門，液壓系統性能較差，需要更換原機械彈簧錯油門為液力彈簧錯油門，以提高錯油門滑閥的靈敏度，和消除油源壓力變化造成的寄生反饋。這種低壓透平油純電調，改造工作量較大，改造效果不易保證。若改用自容式，則可免去錯油門改造的麻煩，使改造工作量大為減少，并可達到較高的性能。

    對于一些運行年代久遠，十分陳舊的機組，或原設計存在問題的非標準機組，原機液壓系統已很難利用，最好改用自容式電液油動機。

    上述各種機型，都可采用自容式油動機進行徹底改造，消除原系統存在的各種缺陷。如遲緩率大、控制精度低、輸出剛度差，動態響應慢、動作不平穩、寄生振蕩等問題。使控制系統的綜合性能達到高壓抗燃油系統的水平，并可實現標準化和系列化設計。

    5 結論

    （1）對于原液壓系統性能較好的中小型機組，進行DEH改造時，宜采用低壓透平油電液控制系統。

    （2）對于在大電網并聯運行的上述機組，根據用戶要求，可采用Xpac電液執行器。

    （3）對于原液壓系統性能很差的機組，最好采用自容式電液執行器。

    （4）自容式電液執行器適用于大、中、小型機組DEH改造和新機配套。

    其他作者：羅作楨（1937-），男，廣東順德人，本科，研究員級高級工程師，現就職于杭州和利時裝備自動化工程部，主要研究方向為汽輪機DEH控制系統高壓、低壓系統的控制策略設計、系統方案設計及工程實施。

     摘自《自動化博覽》2010年第八期