本实用新型属于汽轮发电机控制技术领域，具体涉及一种汽轮发电机数字电液调节系统，适合于小型火力发电厂特别是垃圾焚烧发电的汽轮发电机调速系统。
背景技术：
汽轮发电机是以一定温度和压力的水蒸气为工质，将热能转变为机械能的旋转式原动机。电站汽轮发电机用于拖动同步发电机，把机械能转变为电能。
汽轮发电机数字电液调节系统（DEH）主要完成汽轮发电机启动控制、停止控制、正常运行和事故工况下的调节控制功能。DEH控制器与液压执行(EH)系统组成一个完整的数字化电液调节（DEH）系统。
DEH系统的任务：保证供电质量，用户对电能有一定量和值的要求，由于电能不能大量储存，而电力用户对电能的需求是随时变化，因此汽轮发电机组的输出功率能够随用户的需求而变化；电能质的要求，所有的用电设备都是运行在一定额定电压和额定频率之下，所以电厂输送到电网的电能必须是满足接入点的额定电压和额定频率的要求，在我国电网的额定频率为50HZ。电厂中的绝大部分的同步发电机转子磁极都为一对，发电机的频率、转速及磁极对数的关系如下式：
其中，f为频率（HZ）；n为电机同步转速（r/min）；p为磁极对数。
所以在我国磁极为一对的发电机要求输出50HZ频率的电能，发电机同步转速必须为3000r/min。发电机输出的电能功率和发电机转子上的电磁力矩有关，按下式计算：
其中，P为发电机输出功率（Kw）；n为电机同步转速（r/min）；Me为发电机转子上的电磁力矩（KN·m）。
由于发电机的转子和汽轮发电机的转子同轴安装，在不考虑机械阻力矩的情况下Me等于汽轮发电机的蒸汽动力矩Mt，汽轮发电机的蒸汽动力矩Mt和汽轮发电机转速及内功率的关系如下式：
其中，n为汽轮发电机转速（r/min）；Pj为汽轮发电机内功率。
因此发电厂为满足电网要求要调节所发电能的三个参数，电压一般通过调节发电机的励磁电流进行调节，电能的频率和输出功率由汽轮发电机的转速进行调节，在汽轮发电机启动并网之前，DEH系统按照预定程序不断加速汽轮发电机，使发电机的频率等于电网频率。在汽轮发电机组并网后根据DEH系统根据负荷要求自动调节汽轮发电机进气量，以保证汽轮发电机的转速和输出功率满足要求。在汽轮发电机组和电网解列后，DEH系统按照预定程序不断减速汽轮发电机，以达到安全停机的目的。在汽轮发电机发生超速或者震动超标等情况下，DEH系统按照保安程序不断减速汽轮发电机，以达到安全停机的目的。
由于生活垃圾发电厂以焚烧垃圾为主要目的，发电是为了降低企业的运营成本，而且由于垃圾热值不高，装机容量很小，因此不参与电网的调峰。现有的DEH系统基本是按大型火力发电厂的技术要求进行设计和制造，控制装置采用分布式控制系统，造价昂贵。因此找到既满足小型火力发电厂技术要求又造价低廉的DEH系统是亟需解决的问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种汽轮发电机数字电液调节系统，该系统结构简单可靠，可满足小型发电厂调节技术要求的情况下降低设备投入。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种汽轮发电机数字电液调节系统，由冗余式PLC系统组成，包括PLC冗余电源模块、第一中央处理器模块、第二中央处理器模块、冗余光纤以太网通信模块、远程电源模块、I/O数据采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、高速计数模块和现场手操人机界面设备；
所述的PLC冗余电源模块分别与第一中央处理器模块、第二中央处理器模块、冗余光纤以太网通信模块相连，用于向第一中央处理器模块、第二中央处理器模块、冗余光纤以太网通信模块提供电能；
第一中央处理器模块和第二中央处理器模块通过光纤连接进行数据同步；
第一中央处理器模块、第二中央处理器模块分别与冗余光纤以太网通信模块相连，控制冗余光纤以太网通信模块的通信传输；
第一中央处理器模块、第二中央处理器模块分别与现场手操人机界面设备相连；现场手操人机界面设备用于汽轮发电机运行参数的现场显示以及在就地控制时现场操作人员就地控制第一中央处理器模块和第二中央处理器模块；
冗余光纤以太网通信模块还分别与电厂DCS系统、发电机自动准同期装置相连，用于将第一中央处理器模块或第二中央处理器模块传来的数据传输至电厂DCS系统、发电机自动准同期装置，还用于将电厂DCS系统、发电机自动准同期装置发来的控制信号传递至第一中央处理器模块和第二中央处理器模块；
第一中央处理器模块、第二中央处理器模块还分别与I/O数据采集模块相连，I/O数据采集模块还分别与开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和高速计数模块相连；
I/O数据采集模块用于信号的模数转换，将开关量输入模块、模拟量输入模块和高速计数模块传来的模拟信号转换成数字信号后，发送至第一中央处理器模块、第二中央处理器模块，还将第一中央处理器模块、第二中央处理器模块传来的数字信号转换成模拟信号发送至开关量输出模块、模拟量输出模块；
开关量输入模块用于采集汽轮发电机的各电磁阀和压力开关的开关量的数据信息；
开关量输出模块用于控制汽轮发电机的各电磁阀的开关量；
模拟量输入模块用于采集汽轮发电机的各种模拟量信号，包括调节阀阀位开度、主汽门开度、进气压力、蒸汽压力、蒸汽流量、汽轮发电机温度和汽轮发电机振动值；
模拟量输出模块用于控制调节阀阀位开度；
高速计数模块用于采集汽轮发电机的转速；
远程电源模块还分别与I/O数据采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和高速计数模块相连，用于为I/O数据采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和高速计数模块提供电能。
进一步，优选的是，还包括中央机架，PLC冗余电源模块、第一中央处理器模块、第二中央处理器模块和冗余光纤以太网通信模块均固定在中央机架上。
进一步，优选的是，还包括远程机架，远程电源模块、I/O数据采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和高速计数模块均固定在远程机架上。
进一步，优选的是，冗余光纤以太网通信模块与电厂DCS系统通过光纤相连；冗余光纤以太网通信模块与发电机自动准同期装置也通过光纤相连。
进一步，优选的是，第一中央处理器模块与I/O数据采集模块通过PROFIBUS电缆相连；第二中央处理器模块与I/O数据采集模块也通过PROFIBUS电缆相连。
进一步，优选的是，第一中央处理器模块（2）与现场手操人机界面设备（14）通过PROFIBUS电缆相连；第二中央处理器模块（3）与现场手操人机界面设备（14）也通过PROFIBUS电缆相连。
本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：
本实用新型系统结构简单可靠，实用性强，主要运用于小型的火力发电厂，特别适合用于垃圾焚烧发电的汽轮发电机调节系统。本系统采用可编程序控制器（PLC）代替昂贵的分布式控制系统（DCS）以降低设备费用，具有通用性好、稳定性高、工作时长满足要求的特点，可完成汽轮发电机发电机组的并网、汽轮发电机负荷控制和一次调频功能。
本实用新型系统与DCS系统组成的汽轮发电机调节系统相比，大约节约2/3的投资成本，而且调节性能和稳定性达到使用要求。
附图说明
图1为汽轮发电机数字电液调节系统的结构示意图；
其中，1、PLC冗余电源模块；2、第一中央处理器模块；3、第二中央处理器模块；4、冗余光纤以太网通信模块；5、远程电源模块；6、I/O数据采集模块；7、开关量输入模块；8、开关量输出模块；9、模拟量输入模块；10、模拟量输出模块；11、高速计数模块；12、电厂DCS系统；13、发电机自动准同期装置；14、现场手操人机界面设备；15、远程机架；16、中央机架。
其中，箭头方向为信号或数据走向。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或装置未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。
本技术领域技术人员可以理解的是，本实用新型中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，一种汽轮发电机数字电液调节系统，由冗余式PLC系统组成，包括PLC冗余电源模块1、第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3、冗余光纤以太网通信模块4、远程电源模块5、I/O数据采集模块6、开关量输入模块7、开关量输出模块8、模拟量输入模块9、模拟量输出模块10、高速计数模块11和现场手操人机界面设备14；
所述的PLC冗余电源模块1分别与第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3、冗余光纤以太网通信模块4相连，用于向第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3、冗余光纤以太网通信模块4提供电能；
第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3通过光纤连接进行数据同步；
第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3分别与冗余光纤以太网通信模块4相连，控制冗余光纤以太网通信模块4的通信传输；
第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3分别通过PROFIBUS电缆与现场手操人机界面设备14相连；现场手操人机界面设备14用于汽轮发电机运行参数的现场显示以及在就地控制时现场操作人员就地控制第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3，将控制信号直接发送至第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3，之后通过I/O数据采集模块6，将信号传输至开关量输出模块8、模拟量输出模块10，从而控制汽轮发电机的各电磁阀的开闭与调节阀阀位开度；
冗余光纤以太网通信模块4还分别通过光纤与电厂DCS系统12、发电机自动准同期装置13相连，用于将第一中央处理器模块2或第二中央处理器模块3传来的数据传输至电厂DCS系统12、发电机自动准同期装置13，还用于将电厂DCS系统12、发电机自动准同期装置13发来的控制信号传递至第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3；即电厂DCS系统12将控制信号通过冗余光纤以太网通信模块4发送至第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3，之后通过I/O数据采集模块6的转换，将信号传输至开关量输出模块8、模拟量输出模块10，从而控制汽轮发电机的各电磁阀的开闭与调节阀阀位开度；发电机自动准同期装置13也能将将控制信号通过冗余光纤以太网通信模块4发送至第一中央处理器模块2和第二中央处理器模块3，之后通过I/O数据采集模块6的转换，将信号传输至开关量输出模块8、模拟量输出模块10，从而控制汽轮发电机的各电磁阀的开闭与调节阀阀位开度；
第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3还分别通过PROFIBUS电缆与I/O数据采集模块6相连，I/O数据采集模块6还分别与开关量输入模块7、开关量输出模块8、模拟量输入模块9、模拟量输出模块10和高速计数模块11相连；
I/O数据采集模块6用于信号的模数转换，将开关量输入模块7、模拟量输入模块9和高速计数模块11传来的模拟信号转换成数字信号后，发送至第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3，还将第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3传来的数字信号转换成模拟信号发送至开关量输出模块8、模拟量输出模块10；
开关量输入模块7用于采集汽轮发电机的各电磁阀和压力开关的开关量的数据信息；
开关量输出模块8用于控制汽轮发电机的各电磁阀的开闭；
模拟量输入模块9用于采集汽轮发电机的各种模拟量信号，包括调节阀阀位开度、主汽门进气压力、蒸汽压力、蒸汽流量、汽轮发电机温度和汽轮发电机振动值；
模拟量输出模块10用于控制调节阀阀位开度；
高速计数模块11用于采集汽轮发电机的转速；
远程电源模块5还分别与I/O数据采集模块6、开关量输入模块7、开关量输出模块8、模拟量输入模块9、模拟量输出模块10和高速计数模块11相连，用于为I/O数据采集模块6、开关量输入模块7、开关量输出模块8、模拟量输入模块9、模拟量输出模块10和高速计数模块11提供电能。
还包括中央机架16，PLC冗余电源模块1、第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3和冗余光纤以太网通信模块4均固定在中央机架16上。
还包括远程机架15，远程电源模块5、I/O数据采集模块6、开关量输入模块7、开关量输出模块8、模拟量输入模块9、模拟量输出模块10和高速计数模块11均固定在远程机架15上。
电厂DCS系统12、发电机自动准同期装置13及现场手操人机界面设备14均能查看监视汽轮发电机的各种运行参数。
本实用新型汽轮发电机数字电液调节系统由冗余式PLC系统组成，PLC采用硬件冗余方式。即PLC冗余电源模块1内有两个电源模块，一个主用，一个备用；冗余光纤以太网通信模块4内也有两个通信模块，一个主用，一个备用；系统设置两个中央处理器模块：第一中央处理器模块2、第二中央处理器块3，目的也是一个主用，一个备用。
本实用新型系统通过开关量输入模块7、模拟量输入模块9和高速计数模块11采集各种运行参数（包括转速、发电功率、震动、温度、进气压力、阀位等），经过I/O数据采集模块6将采集到模拟信号转换成数字信号后，发送至第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3，之后第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3通过冗余光纤以太网通信模块4将采集到的各种运行参数电厂DCS系统12、发电机自动准同期装置13；电厂DCS系统12即可进行监视和控制。自动准同期装置通过检查发动机的频率、电压、相位角，向冗余PLC系统发送步进信号，控制汽轮发电机增、减速，式发动机的频率和相位角和电网同步。
本实用新型系统还通过现场手操人机界面设备14发来的控制信号经第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3范送至I/O数据采集模块6的转换，之后传递给开关量输出模块8和/或模拟量输出模块10，从而控制汽轮发电机的各运行参数，如调节阀阀位开度、转速等，以满足电网的要求。
本实用新型系统设置两个中央处理器模块：第一中央处理器模块2、第二中央处理器模块3，目的是一个主用，一个备用，便于生产。
当外部或内部故障发生危及到汽轮发电机的安全运行时，本实用新型系统通过改变参数进行中断，强行终止，实现快速减速或停机。
远程机架上的开关量输入模块通过硬接线方式输入汽轮发电机的各种开关量信号。远程机架上的模拟量输入模块通过硬接线方式输入汽轮发电机的各种模拟量信号，并通过I/O数据采集模块把模拟量信号转换为数字量信号。远程机架上的高速计数模块通过硬接线方式输入汽轮发电机的转速脉冲信号。远程机架上的开关量输出模块通过硬接线方式输出+24V电平控制汽轮发电机各种液压系统电磁阀的开闭。远程机架上的模拟量输出模块通过硬接线方式输出4~20mA信号控制汽轮发电机调节阀阀位开度。
本实用新型系统的控制功能，包括：
（1）汽轮发电机在启动\停机时采用频率自动控制。控制方法为单回路的闭环PID控制。控制系统的给定值为汽轮发电机的目标转速（r/min）和升速率（该给定值由现场手操人机界面设备或者电厂DCS系统给出，可通过现在转换开关进行选择，或采用其它方式选择，没有特殊限制）。本实用新型系统的反馈值为汽轮发电机的实际运行转速（r/min），反馈值是由开关量输入模块、模拟量输入模块和高速计数模块采集到的数据。本实用新型系统通过模拟量输出模块输出为4~20mA的标准模拟量信号，通过这路模拟量信号控制汽轮发电机调节阀阀位的开度，进而控制进入汽轮发电机的蒸汽量来改变汽轮发电机的转速。
（2）汽轮发电机启动当接近同步转速时，本实用新型系统自动切换为发电机自动准同期装置AS控制，控制方法为开环的步进阀门控制。系统的给定值为汽轮发电机的步进转速（r/min）（该给定值由自动准同期装置（AS）给出），系统通过模拟量输出模块输出为4~20mA的标准模拟量信号，通过这路模拟量信号控制汽轮发电机调节阀阀位的开度，进而控制进入汽轮发电机的蒸汽量来改变汽轮发电机的转速。同时调节发电机的输出电能的频率和相位角使之和电网同步。
（3）当发电机组并网成功后，本实用新型系统自动切换为负荷控制，控制方法为多回路的闭环串级PID控制。系统的给定值为汽轮发电机的目标功率（KW）和负荷变换率（该给定值由现场手操人机界面设备或者电厂DCS系统给出，通过现在转换开关进行选择，或采用其它方式选择，没有特殊限制）。系统的反馈值为汽轮发电机的实际运行转速（r/min）、汽轮发电机组的负荷反馈（KW）及新蒸汽压力（Mpa），反馈值是由开关量输入模块、模拟量输入模块和高速计数模块采集到的数据。系统通过模拟量输出模块输出为4~20mA的标准模拟量信号，通过这路模拟量信号控制汽轮发电机调节阀阀位的开度，进而控制进入汽轮发电机的蒸汽量来改变汽轮发电机的输出负荷；
（4）、开关量输出模块主要控制汽轮发电机油系统的各种电磁阀，使油系统在汽轮发电机运行时建立调节油压或者在故障时快速泄压，已保证汽轮发电机安全平稳运行。
综上，本实用新型系统可实现对汽轮发电机的转速控制、负荷控制、主蒸汽压力的调节控制等。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。