专利名称：一种汽轮鼓风机数字电液调节系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种汽轮机拖动鼓风机的调节控制装置，尤其涉及一种以汽轮机
转速和鼓风机风量和风压为对象的数字电液控制装置。
背景技术：
在现代化大型高炉和石油化工企业中，鼓风机或压縮机是最重要的设备之一。拖
动鼓风机或压縮机的原动机有电动机或工业汽轮机。电动机拖动时是通过齿轮增速箱与鼓
风机适配，定转速控制，而由工业汽轮机拖动可以是直接联结，可变转速控制。
以往汽轮鼓风机的调节控制系统多为全液压控制，主要缺点是转速控制范围狭
窄、精度不高，油压受液压设备状况的影响大，调节特性非常差，液调迟缓率所引起的机组
不稳定，灵敏度不好，且液压设备容易磨损老化，其控制品质会逐渐下降，从而影响到机组
的正常运行。 而一些采用自动控制的汽轮鼓风机组，往往采用两套控制调节系统，一套是汽轮 机调速系统控制器，如WOODWARD公司的505型调速器，用于控制汽轮机转速；另一套是风机 控制器，如日本横河公司的YS80系列的可编程调节器，主要用于调节风机的可转导叶角度 来控制调整风机的出口风量或风压，以及控制逆流阀和放风阀，满足风机本身防喘振、防逆 流保护的要求。两套控制系统相互独立，孤岛运行。
发明内容本实用新型要解决的技术问题是给汽轮鼓风机机配置一套集成型电液执行器和 一体化的数字控制装置，使控制更精确、可靠，提供调节品质优良、控制系统结构更合理的 数字电液调节系统。 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种汽轮鼓风机数字电液调节 系统，由计算机控制部分和执行机构组成，所述的计算机控制部分包括人机接口部分、控制 单元、输入/输出模块、伺服控制模块和超速保护部件，汽轮鼓风机的状态信号及参数通过 各种信号送入输入模块、伺服控制模块和测速模块进行板级处理，然后送入控制单元进行 运算、处理，最后将处理后的数据送到人机接口部分显示，同时可通过操作人机接口部分将 指令发给控制单元，控制单元将处理后的输出信号通过输出模块、伺服控制模块和超速保 护部件控制执行机构动作；所述的执行机构包括油源系统、控制油路块、液压缸和位移反馈 装置，所述的油源系统为控制油路块和液压缸提供稳定的油压，所述的位移反馈装置检测 液压缸的行程反馈到伺服控制模块进行比较处理。 上述的控制油路块与所述液压缸和位移反馈装置集成在一起，组成集成式电液执 行器。 上述计算机控制部分中的控制单元接受操作员指令与现场信号进行逻辑处理及 运算，输出控制信号，通过伺服控制模块处理及放大后控制电液伺服阀驱动液压缸，带动阀 门运动，从而控制进入汽轮机的蒸汽量，进而控制汽轮机转速和保持鼓风机的风量和风压不变，同时输出控制信号给防逆流阀和放风阀，满足风机本身防喘震、防逆流保护的要求。[0009] 所述的人机接口部分包括一操作员站以及一后备手操盘；所述的控制单元是冗余的主、备计算机；所述的输入/输出模块包括模拟量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、热电阻输入模块、热电偶输入模块；所述的超速保护部件由三块测速模块及超速保护电路构成；所述的操作员站与控制单元通过冗余数据高速公路相连；输入/输出模块、测速模块及伺服控制模块通过总线与控制单元相连；后备手操盘通过预制电缆连接到伺服控制模块。所述的执行机构包括油源系统、控制油路块、液压缸和位移反馈装置，所述的控制油路块与所述液压缸和位移反馈装置集成在一起，组成集成式电液执行器。 由于本实用新型采用了以上技术方案，使本系统能实现汽轮机大范围的转速控制，增加调节系统的响应速度和调节品质，同时实现对风机系统各参数的监视和控制，通过调节汽轮机的进汽量阀门和转速，可实现对风机的风量和风压的闭环控制，可实现对风机放风阀的连续控制，满足风机本省防喘震等的保护要求。从而实现了汽轮机和鼓风机系统的一体化控制。
附图1现有技术液压调节控制汽轮机和鼓风机控制系统原理框图 附图2现有技术电液调速控制汽轮机和鼓风机控制系统原理框图 附图3本实用新型的汽轮鼓风机控制系统框图 附图4本实用新型一较佳实施例计算机控制部分的硬件配置结构示意图 附图5本实用新型一较佳实施例执行机构部分的结构示意图 附图6本实用新型控制汽轮鼓风机工作的一较佳实施例的方框图 附图7本实用新型上述实施例调节系统方框图 附图8风机运行保护特性曲线
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
附图1是现有技术液压调节控制汽轮机和鼓风机控制系统原理框图，图中虚框
11是汽轮机保安系统，虚框12是汽轮机液压调节系统，虚框13是风机控制系统。
附图2是现有技术电液调速控制汽轮机和鼓风机控制系统原理框图，图中虚框
21是汽轮机保安系统，虚框22是汽轮机电液调速系统，虚框23是风机控制系统。 附图3是本使用新型的框图，一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，由计算机控制
部分31和执行机构组成32。所述的计算机控制部分31如图4所示包括一人机接口部分
311、一对控制单元312、输入/输出模块313、超速保护部件314以及伺服控制模块315 ;所
述的执行机构32如图5所示包括一油源系统321、控制油路块322、液压缸323和位移反
馈装置324。计算机控制部分中的控制单元接受操作员指令与现场信号进行逻辑处理及运
算，输出控制信号，通过伺服控制模块处理及放大后控制电液伺服阀驱动液压缸，带动阀门
运动，从而控制进入汽轮机的蒸汽量，进而控制汽轮机转速和保持鼓风机的风量和风压不
变，同时输出控制信号给防逆流阀和放风阀，满足风机本身防喘震、防逆流保护的要求。 人机接口部分311由一台操作员站3111、一个后备手操盘3112组成。操作员站控制PC机，配2块以太网模块、一个操作员专用键盘、一台彩色打印机、一台22" LCD显示器等组成。也可根据需要配一台工程师站，工程师站硬件配置完全同操作员站，其软件也与操作员站相同。后备手操盘3112是一个硬接线的操作及显示盘，主要有操作阀门增减的操作按钮及显示阀门开度的LED指示表，还有用于手动/自动切换及超速试验的钥匙开关，手操盘在系统中作为一种备用操作功能，只有在系统发生故障时才会使用。 控制单元312是一对冗余的计算机(DPU)，如图4中的DPU01和DPU02，每个DPU有两个以太网口 SENT1、 SENT2实现与外部(服务器站/操作员站/工程师站)的数据交换，一个以太网接口 RNET用于主/从控制单元间的数据备份。DP主站接口采用数字信号处理技术(DSP)和高速通用异步收发器(UART)实现DP通讯，DSP与PC/104总线接口采用双口RAM。静态数据存储器(SRAM)实现掉电保护和重要数据备份功能。DPU01及DPU02的硬件及软件完全相同。冗余的DPU在工作时，一个处于控制，一个处于跟踪备用。2个DPU均从冗余以太网上得到系统的数据。仅有主控DPU指令传送到有关1/0模块输出执行。[0025] 操作员站3111与DPU312之间通过冗余以太网相互连接。冗余以太网通讯速率为腦bps。 1/0部分313由一些基本的1/0通道模块组成。根据系统配置要求，有4块模拟量输入模块(AI模块)、1块模拟量输出模块(A0模块)、5块开关量输入模块(DI模块)、3块开关量输出模块(D0模块)、4块热电阻输入模块(RTD模块)、1块热电偶输入模块(TC模块)。AI模块完成对模拟量信号的隔离、处理及模数转换。A0模块完成数模转换及模拟量信号的输出。DI模块完成对开关量信号的隔离、处理和采集。D0模块控制开关量输出。RTD模块完成对热电阻信号的处理和转换。TC模块完成对热电偶信号的处理和转换。可以根据需要，对1/0模块件进行扩展。 超速保护部件314由三块测速模块及超速保护电路构成，三块测速模块分别测量三路独立的转速信号，进行信号处理与转换， 一块测速模块判断一路转速是否超过保护设定值，然后将这个信号送到超速保护电路，当超速保护电路接到三块测速模块的信号后，进行三选二处理，即只有当2块以上测速模块的输出信号相同时，才能输出超速保护信号，这样大大提高了动作的可靠性。超速保护部件仅将他们的信息及状态传到DPU及人机接口 ，以指示超速保护的各状态，不受计算机指令控制。所以超速保护部件完全独立于DPU的硬件电路组成，这既保证了超速保护的快速响应，同时又保证了其可靠性。[0028] 伺服控制模块315主要由单片机、DP通信电路、D/A和A/D转换电路、2路位移传感器信号调制解调电路、2路位移传感器信号的高选电路、电压/电流转换电路、功率放大器、比例积分模拟电路和电压/电流反馈电路等组成。单片机负责对以上各数字部件进行控制，协调各部分工作，DP通信电路负责与I/O总线进行通讯，D/A转换电路将数字指令转换为模拟量指令，模拟量指令通过功率放大器进行放大，输出到伺服阀，驱动伺服阀。同时D/A转换电路配合有关电路及软件，实现A/D转换功能，完成对有关模拟量信号的采集。2路位移传感器的调制解调器将位移信号转换成直流电压信号。2路直流信号均代表油动机位置。正常情况下应相等，高选2路信号是为了提高可靠性和安全性。2路信号高选后，送
到功率放大器的反馈端，当反馈信号与模拟指令相等时，油动机停在要求的位置上。伺服控制模块本身有开关量输入，手动信号直接输入到伺服控制模块，从而可独立于控制单元，用手动来控制阀门。手动/自动的切换是由伺服控制模块来实现的，手动或自动切换时，伺服控制模块的指令输出均取同一数值，保证切换时阀门是无扰的。 附图5是本实用新型一较佳实施例执行机构部分的结构示意图，该执行机构用于汽轮机数字电液伺服系统中。包括一油源系统321、控制油路块322、液压缸323和位移反馈装置324。油源系统除油箱3211夕卜，其加压供油装置包括油泵3212、驱动油泵的电动机3213、单向阀3214、蓄能器3215、高限油压压力开关3216、低限油压压力开关3217和充油电磁阀3218。控制油路块包括DDV阀3221、快关电磁阀3222和卸荷阀3223。[0030] 油箱3211内盛有液压油，油泵3212的进油口接通到油箱3211的油层中，单向阀3214的流入口通过管路与油泵3212的油口连接。单向阀3214的流出油口通过管路连通到蓄能器3215的进油口 ，该进油口同时也充当蓄能器3215的出油口 ，并通过管路连接到DDV阀的压力油入口 P。充油电磁阀3218为二位二通阀，其一端与单向阀3214和油泵3212之间油管连通，另一端连通到油箱3211内部。高、低油压压力开关3216、3217均安装在蓄能器3215出油口和DDV阀压力油入口 P之间的管路上，其触点连接到充油电磁阀3218的控制回路中。在油压达到设定高限值时，高限油压压力开关3216动作，使充油电磁阀3218打开，油泵卸载。在油压达到设定的低限值时，低限油压压力开关3217动作，使充油电磁阀3218关闭，油泵加载。 DDV阀的T 口连通到油箱3211内部，用于排油，B 口与液压缸323控制口连通，A口封闭。快关电磁阀3222为二为三通阀，其P 口与蓄能器3215出口连通，A 口连通卸荷阀3223控制口， T 口连通油箱3211内部。卸荷阀3223的P 口通过管路与液压缸323控制口连通，其T 口连通油箱3211内部。液压缸323排油口连通到油箱内部。[0032] 油箱3211内充满液压油，油泵3212和电动机3213各有两台，正常运行期间，只有一台油泵处于工作状态，当其中的一台油泵或马达出现故障时，可立即启动另一台备用油泵，此时可以对故障油泵或故障马达进行维护或更换。在充压阶段，充油电磁阀3218关闭，油泵加载，将油箱中的油打入蓄能器3215，对能量进行存储。当充压到预定的高限油压后，高限油压压力开关3216动作，充油电磁阀3218开启，油泵卸载，可减少能耗，此时蓄能器3215的油压保持不变。 液压缸开启时，DDV阀3221的P 口和B 口连通，压力油从蓄能器3215流出，经DDV阀进入液压缸的控制口使之开启。开启到位时，DDV阀关闭，油液被封在液压缸内，使其保持位置。液压缸关闭时，DDV阀的B 口和T 口连通，液压缸内存油经过DDV阀排除到油箱内，使液压缸逐渐关闭。液压缸关闭到位时，DDV阀再次关闭，使液压缸重新回到封油状态，并保持位置。液压缸开、关方向的定位由位置反馈装置LVDT反馈决定，移动的距离可通过DDV阀控制流入液压缸控制口的油的流量来调节。 快关电磁阀和卸荷阀用于实现液压缸的快关。当液压缸需要快速关闭时，开启快关电磁阀，将压力油接通到卸荷阀的控制口使其开启，油液通过卸荷阀的P 口和T 口快速排出。 在液压缸的开启过程中，蓄能器内的油会流出使油压下降，当油压下降到预定的低油压后，低限油压压力开关3217动作，使充油电磁阀关闭，油泵加载，重新进入充压阶段。 附图6是本实用新型控制汽轮鼓风机工作的一较佳实施例的方框图，本使用新型是一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，它包括计算机控制部分和执行机构部分，计算机部分完成逻辑处理、数据运算、信号处理等，执行机构是控制系统的执行部件，根据控制部分的指令，驱动汽轮机的蒸汽阀门，两者配合，完成系统的控制功能。在实际使用中，计算机控制部分的操作员站安装在操作员控制室内，其他部分安装于计算机房内。执行机构安装在汽轮鼓风机现场。 人机接口是操作员与控制系统的界面，操作员通过人机接口输入操作，同时监视整个系统各部分的工作状态。控制单元(DPU)接受操作员指令，同时根据现场反馈的各种信号，经过逻辑运算后，决定控制方式，再通过各种复杂运算，得出油动机在调节过程中的位置指令，并将此指令传送到伺服控制模块，去控制伺服阀油动机，将其精确控制在计算机要求的位置上。油动机带动汽轮机的高压调节阀的开度，即可控制进入到汽轮机的蒸汽量，从而实现对汽轮机的转速和鼓风机的风量及风压控制。 汽轮鼓风机的状态信号及参数通过各种信号送入I/O通道板，然后送入DPU进行运算、处理。在DPU有故障时，操作员可以通过人机接口中的后备手操，直接操作伺服控制模块，操作油动机及阀门，保证故障情况下对汽轮鼓风机进行手动控制。人机接口除有LCD显示外，还可通过打印机将画面及信息打印出。 附图7是本实用新型上述实施例调节系统方框图，汽轮鼓风机组是系统的调节对象，而控制对象的执行机构是集成式电液执行器，为使转速调节或者流量调节具有无差特性，其调节器采用比例+积分+微分特性(即PID特性)。系统两个主要反馈信号是机组转速反馈和风机出口的流量与压力反馈。 当由环节71给定的风机出口风量Qs或压力ps，它与流量或压力反馈信号Qf或Pf进行比较，其差值AQ = Qs-Qf或Ap = ps-pf经过流量或压力调节器校正为汽轮鼓风机组的转速给定信号rv该信号再与机组的转速反馈信号nf进行比较，其差值An = ns-nf再经过转速调节器校正为控制汽轮机的阀位信号，从而控制了汽轮机的转速，以达到了控制风机的出口风量Q。或风压P。，满足高炉的需求。 汽轮鼓风机控制与保护系统原理如图3所示。汽轮鼓风机DEH所需要的模拟量输入是经AI引入，数字量输入是经DI引入经过控制单元(DPU)进行算术运算和逻辑运算后，模拟量和数字量分别由AO和DO通道输出，作为控制、保护或闭锁。 转速控制信号C1Q经集成式电液执行器去控制汽轮机的调速汽门，以便进行机组的启动和调整风机出口流量和风压。汽轮鼓风机DEH输出的C2。、 C3。是通过电动执行器控制风机的防逆流(防阻塞)阀K和控制放风阀V2，由于防逆流阀K和放风阀V2要求有快关或快开动作，因此设有快关电磁阀&和快开电磁阀S2。 附图8是本实用新型上述实施例的风机运行保护特性曲线。设计有紧急放风线81、调节放风线82、报警线83和阻塞边界线85。风机正常运行时，平衡工作点应在工作区84即非喘振区之内，一旦风机工作点达到这些限定线时，立即打开放风阀进行放风，使工作点回到工作区84稳定运行。 当风机的出口风压达到设定的调节放风线时，可调节放风阀V2进行放风，使工作区回到稳定区域内运行。 风机工作点达到所限定的报警线时，发出报警信号，提醒运行人员及时处理。[0046] 当风机出口风压达到设定的紧急放风线时，紧急放风阀电磁阀S2动作，快速打开两只放风阀V2进行紧急放风。 当风机入口风温超过某一限定值时，防逆流电磁阀S工动作，快速关闭防逆流阀V15 同时快速开启放风阀、。 —旦风机工作点达到所限定的防阻塞线时，立即报警，提醒运行人员及时处理，使 风机不在防阻塞线上长时间运行。 防逆流和防阻塞同用一只阀V"这样结构简单。防阻塞时，调节防阻塞阀的开度， 防止阻塞工况发生；防逆流时，通过保护系统快速关闭防逆流阀，起到防逆流作用。
权利要求一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，由计算机控制部分和执行机构组成，其特征在于所述的计算机控制部分包括人机接口部分、控制单元、输入/输出模块、伺服控制模块和超速保护部件，汽轮鼓风机的状态信号及参数通过各种信号送入输入模块、伺服控制模块和测速模块进行板级处理，然后送入控制单元进行运算、处理，最后将处理后的数据送到人机接口部分显示，同时可通过操作人机接口部分将指令发给控制单元，控制单元将处理后的输出信号通过输出模块、伺服控制模块和超速保护部件控制执行机构动作；所述的执行机构包括油源系统、控制油路块、液压缸和位移反馈装置，所述的油源系统为控制油路块和液压缸提供稳定的油压，所述的位移反馈装置检测液压缸的行程反馈到伺服控制模块进行比较处理。
2. 如权利要求1所述的一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，其特征在于 所述的计算机控制部分中的人机接口部分包括一操作员站以及一后备手操盘；所述的控制单元是冗余的主、备计算机；所述的输入/输出模块包括模拟量输入/输出模块、开 关量输入/输出模块、热电阻输入模块、热电偶输入模块；所述的超速保护部件由三块测速 模块及超速保护电路构成；所述的操作员站与控制单元通过冗余数据高速公路相连；输入 /输出模块、测速模块及伺服控制模块通过总线与控制单元相连；后备手操盘通过预制电 缆连接到伺服控制模块。
3. 如权利要求1所述的一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，其特征在于 所述的执行机构包括油源系统、控制油路块、液压缸和位移反馈装置，所述的控制油路块与所述液压缸和位移反馈装置集成在一起，组成集成式电液执行器。
专利摘要本实用新型公开了一种汽轮鼓风机数字电液调节系统，由计算机控制部分和执行机构组成，计算机控制部分包括人机接口部分、控制单元、输入/输出模块、伺服控制模块和超速保护部件；执行机构包括油源系统、控制油路块、液压缸和位移反馈装置，所述的控制油路块与所述液压缸和位移反馈装置集成在一起，组成集成式电液执行器；控制单元接受指令与现场信号进行逻辑处理及运算，输出控制信号，通过伺服控制模块控制电液伺服阀驱动液压缸，带动阀门运动，控制汽轮机转速保持鼓风机的风量和风压不变，同时输出控制信号给防逆流阀和放风阀，满足风机本身防喘振、防逆流保护的要求。
文档编号F01D17/26GK201436375SQ200820166649
公开日2010年4月7日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者纪云锋, 罗作桢 申请人:杭州和利时自动化有限公司