比例阀运用于核电汽轮机控制系统研究_张运德.pdf

Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.01.015比例阀运用于核电汽轮机控制系统研究比例阀运用于核电汽轮机控制系统研究第一作者简介：张运德（1969-）男，本科，高级工程师，毕业于上海机械学院透平专业，长期从事火电、核电汽轮机控制及液压工作。张运德，王尧，张亚平（东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000）摘要：电液转换阀作为汽轮机控制系统关键元件，对汽轮机控制系统性能至关重要。文章着重研究比例阀在核电控制系统中控制特点，分析比例阀与伺服阀在汽轮机液压系统的优缺点。由于高性能比例阀具有响应速度快、流量大等特点，可以实现阀门执行机构的快速响应和甩负荷不间断闭环控制，改善调节系统品质，抑制甩负荷转速飞升，大幅提高电力系统暂态稳定水平和调节系统的动态性能，具有较好的社会经济效益和推广效应。关键词：核电汽轮机，控制系统，高性能，比例阀，调节动态特性中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1674-9987（2023）01-0056-06Research on High Performance Proportional Valve Appliedto Turbine Control System of Nuclear PowerZHANG Yunde，WANG Yao，ZHANG Yapin（Dongfang Electric Automatic Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）Abstract：As a key component of steam turbine control system,electro-hydraulic transfer valve plays an important role in the per-formance of steam turbine control system.This paper focuses on the control characteristics of proportional valve in nuclear powercontrol system and analyzes the advantages and disadvantages of proportional valve and servo valve in steam turbine hydraulic sys-tem.Due to the high performance proportional valve has the characteristics of fast response speed,large flow,can realize the rapidresponse of the valve actuator and continuous closed-loop control load rejection,improving the quality of control system,the inhibi-tion of load shedding speed boost,a substantial increase in power system transient stability level and adjust the dynamic perfor-mance of system,has good social economic benefits and promotion effectKey words：nuclear power turbine,control system,high performance,proportional valve,regulate dynamic properties1引言电液转换元件是汽轮机控制系统最为关键的元件，要求其可靠性高、控制精准，响应速度快等特点。汽轮机控制系统常用的电液转换元件为伺服阀和比例阀，一般地，伺服阀常用于控制精度高的闭环控制系统，比例阀常用于控制精度要求不高的中低压开环系统或闭环系统。近年来，随着电液比例伺服技术的发展，出现了高性能比56No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期表1HDG5V*80N比例阀与MOOG72伺服阀参数对比名称比例阀（HDG5V*80N）伺服阀（MOOG 72-102）伺服阀（MOOG 72-103）阶跃响应时间0-100%/ms242540阶跃响应时间100%-0/ms23NANA流量（阀边压差为5 bar时）/（Lmin-1）8040.50（见备注）60.75（见备注）油质清洁度（NAS-1638）/级766迟滞1%4%4%注：根据MOOG样本，阀边压差为70 bar时，MOOG72-102流量为151.4 L/min，MOOG 72-103为227.124 L/min，根据流量公式，阀边压差为5 bar时，两阀对应流量分别为40.5 L/min，60.75 L/min。表1表明：HDG5V*80N型高性能比例阀的阶跃时间响应与MOOG72-102伺服阀相当，优于MOOG 72-103伺 服 阀；阀 边 压 差 在5 bar时，HDG5V*80N型比例阀的流量大于MOOG72伺服阀，而油质清洁度要求比例阀却比MOOG72伺服阀要求低。由于比例阀具有流量大、响应速度快、对油质清洁度要求低的特点，可以将比例阀用于新型油动机上，以提高调节系统品质和动态响应特性。3调节阀油动机3.1典型汽轮机调节阀油动机一般地，典型汽轮机调节阀油动机采用伺服阀作为油动机电液转换元件，接受DEH信号，将油动机控制到任意需要的位置，液压原理图如图2所示。压力油进入油动机后，一路接受伺服阀的控制进入油动机下腔室，另一路经过节流孔形成安全油，通过常失电的电磁阀到卸载阀上腔，最后汇集到系统接受高压遮断模块的控制。一旦安全油压建立，伺服阀接受DEH控制信号将油动机控制到任意所需位置。安全油压失去或电磁阀带电，卸载阀动作，油动机将快速关闭。油动机的快关由电磁阀控制。图2典型火电汽轮机调节阀油动机液压原理图3.2新型汽轮机调节阀油动机新型汽轮机机组调节阀油动机液压原理如图3所示。例阀，其动态响应速度、迟滞等主要性能指标已与伺服阀基本相当，由于比例阀具有驱动力大，流量大、对控制油系统清洁度要求低的特点，高性能比例阀用于汽轮机控制系统在提高控制系统的可靠性，优化控制系统调节特性，降低汽轮机组维护费用等方面具有较为明显的优势。2高性能比例阀结构及性能参数核电汽轮机高压主汽调节阀油动机采用某公司（HDG5V*80N型）高性能比例阀，该比例阀采用两级放大，带先导级和主级位置反馈。外形如图1所示。图1比例阀外形图HDG5V*80N型比例阀与MOOG 72伺服阀主要性能参数对比见表1。比例阀先导级电磁铁比例阀先导级阀芯位置传感器比例阀主级阀芯位置传感器电磁阀卸载阀安全油伺服阀位移传感器油缸下腔室无压回油压力油活塞上腔室回油油缸上腔室57Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期图3新型汽轮机调节阀油动机液压原理图压力油进入比例阀后，一路经节流孔007DI进入油动机下腔室和卸载阀下腔室，另一路经节流孔006DI到卸载阀002VH上腔室，控制油动机活塞下腔室排油，同时进入001VH卸载阀下腔室接受卸载阀001VH的控制。系统来的安全油压经电磁阀001EL到卸载阀001VH上腔室。一旦系统安全油压失去或实验电磁阀001EL带电，卸载阀001VH动作，卸载阀002VH上腔室油压失去，卸载阀002VH泄压油动机快关；同时卸载阀002VH上腔油压受比例阀的控制，比例阀关闭信号可实现油动机的快速关闭。机组在超速限制工况下，可以通过电磁阀001EL来实现油动机的快速关闭，或者通过比例阀来实现油动机快关。3.3新型与典型汽轮机调节阀油动机对比分析3.3.1相同点（1）均采用电液接口阀作为控制系统与液压执行机构电液转换元件控制油动机行程。（2）正常运行工况下油动机的开关通过电液接口阀进油或排油来实现。（3）油动机上配置的电磁阀可实现油动机的快速关闭。3.3.2不同点对于新型汽轮机调节阀油动机，电液接口阀可通过控制002VH卸载阀上腔室先导油实现油动机的快速关闭。（1）典型汽轮机调节阀油动机，在机组超速限制工况下，电磁阀带电动作快关油动机，油动机因电磁阀带电安全油压未建立，DEH指令到电液接口阀后，不能控制油动机开启或关闭，系统处于开环状态；电磁阀带电2 s后失电恢复，安全油压重新建立后，油动机接受DEH控制处于开环状态。在电磁阀带电的2 s内，伺服阀指令无法到达油动机，控制系统处于开环状态。（2）而新型汽轮机调节阀油动机，电液接口阀控制卸载阀002VH先导油，如果电液接口阀流量足够大，能及时卸掉002VH上腔先导油，使油动机快速关闭，在机组超速限制工况下，电磁阀不带电动作，利用电液接口阀接受DEH快关指令快关油动机。那么油动机始终处于闭环受控状态，将有利于调节系统调节品质的提高，提高系统暂态稳定水平，抑制机组转速飞升。4高性能比例阀运用于核电执行机构特性研究以某项目调节阀油动机为研究对象，以新型汽轮机调节阀油动机液压原理构建油动机模型，电液接口元件采用某公司HDG5V*80N型高性能比例阀。4.1理论计算4.1.1调节阀油动机数据（1）已知数据系统工作压力：12 MPa回油压力：0.2 MPa缸径：200 mm活塞杆直径：80 mm工作方式：拉缸油动机行程：220 mm执行机构弹簧：工作负荷103 434 N，预加负荷40 364 N，弹簧刚度315.35 N/mm（2）油动机主要性能指标快开时间：5 s自身关闭时间：0.3 s缓冲时间：0.1 s4.1.2设计计算（1）开启时间008YP58No.1Mar.2023DONGFANG TURBINE2023年3月第1期t=V/Q=AS/Q（1）式中，A为作用面积，=4（2002-802）10-6=0.026 4 m2；S为行程，=200 mm=0.2 m；Q为流量，比例阀的流量Q=80 L/min=1.3310-3m3/s（比例阀：HDG5V*80N）。因此，t=0.026 40.2/1.3310-33.97 s5 s，满足要求。（2）快关时间t=V/Q=AS/Q（2）式中，A为作用面积，=4（2002-802）10-6=0.026 4 m2；S=200 mm=0.2 m；Q为流量，Q=1 600L/min=2.6610-2m3/s（DN50插装阀额定流量）。因此，t=0.026 40.2/2.6610-20.198 s0.3 s4.2试验验证用MOOG72伺服阀及某公司HDG5V*80N比例阀分别在新型油动机上进行快关试验，结果如图4、图5所示。图4伺服阀快关试验曲线图5比例阀快关试验曲线采用MOOG 72伺服阀油动机快关时，曲线呈阶梯型，总关闭时间超过1 s，不满足快关要求；采用比例阀，其自身关闭时间约为0.23 s，总关闭时间（含缓冲时间）为0.378 s，满足要求。5甩负荷转速飞升动态仿真利用Matlab/Simulink仿真工具，建立汽轮机系统的仿真模型对某核电汽轮机发电机组进行仿真，研究各系统在甩负荷工况下运行参数的变化规律。（1）汽轮机DEH控制系统负荷控制方框图如图6所示。（2）汽轮机甩负荷模型，Simulink仿真环境下汽轮机控制系统方框图如图7所示。（3）Simulink仿真环境下的汽轮机模型如图8所示。计算得出汽轮发电机参数，见表2。时间/s行程/mm图6汽轮机DEH控制系统的负荷控制方框图+转速控制器汽机转子转速汽轮机功率测量功率扰动调节阀门功率控制器功率给定转速给定-+-+-59Mar.2023No.1DONGFANG TURBINE2023年3月第1期表2计算出得汽轮发电机参数在接入超加速保护（即在102%额定转速