一种基于DCS智能定位的液压旁路系统的控制方法

技术领域

本发明属于火力发电机组热工自动控制技术领域，尤其涉及一种基于DCS智能定位的液压旁路系统的控制方法，具体地说是汽轮机旁路系统的压力调节阀和减温水调节阀采用高参数的液压动力、调节阀的位置定位器在DCS软件中优化设计，取消就地硬件定位装置。

背景技术

对于大容量火力发电机组，汽轮机旁路系统是十分重要的辅助系统，它能够排放汽轮机特定工况下不能接纳的蒸汽。机组启动期间作为溢流排汽阀配合锅炉升温升压，在机组快速甩负荷时作为迅速动作减压阀维持停机不停炉状态。所以旁路系统阀组具备可靠地精确定位性能和快速自动调节功能，对于机组的安全稳定运行具有重要意义。

阀门定位器是一种与阀门或执行机构机械相联，自动调整输出到执行机构的压力，以确保阀位反馈与输入指令信号具有精度规定关系的装置。对于要求实现停机不停炉的发电机组，汽轮机旁路系统的通流容量大，并且必须具备快速打开关闭功能和精准定位性能，阀门的驱动动力几乎都采用液压高压抗燃油，定位控制采用电液伺服阀和伺服卡相结合的电气硬件方案。而电液伺服阀对液压油的清洁度要求特别高，对关键零部件的制造加工和装配精度要求十分严苛，导致电液伺服系统的造价特别昂贵，发电企业不易接受。而比例阀结合了通断式液压元件和伺服元件的电液控制技术，输入的是电流信号、输出的是液压信号，只要改变输入电流的大小，就能实现连续比例地改变输出的流量和压力，其控制原理与伺服控制阀相同，但比例阀对液压油的清洁度要求不太高、造价远远低于伺服阀的液压控制系统。因此，研制一种成本低、可靠性高、控制精度和自动调节性能均能满足发电生产需求的电液比例阀组旁路系统及其控制方法显得十分必要。

国内众多学者研究了液压比例阀的定位方法，但都应用于压力加工设备、线材生产旋转平台、机械手的液压油缸和钢铁行业上卷小车的定位控制。尚无科技论文和专利技术指出电液比例阀应用于火力发电厂旁路系统阀组的DCS软件智能定位控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理、成本低、液压抗燃油清洁度要求等级不高、自动调节阀组利用DCS软件编程进行智能定位的旁路系统及其控制方法。

汽轮机旁路系统包括液压油站(两台一用一备的液压油泵)、高压旁路压力调节阀、高压旁路喷水减温调节阀、高压旁路喷水减温截止阀、低压旁路压力调节阀、低压旁路喷水减温调节阀、低压旁路喷水减温截止阀和机组分散控制系统DCS。其中两个截止阀采用通断式液压元件进行全开或者全关的开关量控制，四个调节阀采用配置液压比例阀、阀位位置反馈和保位电磁阀液压元件的模拟量控制，调节阀定位系统在DCS软件编程实现，就地无硬件定位装置，调节阀的控制输出在DCS控制逻辑实现，等同实现传统液控伺服卡的功能，在DCS阀门调节指令与位置反馈比较后智能控制输出4～20mA的AO电流信号到电液比例阀，电流信号4～12mA进行打开调节阀、4mA开门速率最快，电流信号12～20mA进行关闭调节阀、20mA关门速率最快，12mA趋近于不动作保位。为了定位和保位的安全可靠，每个调节阀系统均配置保位电磁阀，若该保位电磁阀失电则相应调节阀保位不动；只有保位电磁阀带电后，且电液比例阀接收到电流信号偏离12mA，调节阀才按照指令值进行相应速率的开大或者关小调节动作。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于DCS智能定位的液压旁路系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤(对高压旁路阀组进行说明，低压旁路阀组同理)：

第一步：优化设计两台互相备用液压油泵的停止允许条件，防止误操作，确保液压系统可靠工作；

第二步：组态高压旁路压力调节阀的PID调节器逻辑、PID调节器的输出指令值与压力调节阀的位置反馈值做差值比较，然后经过变参数折线函数F1(X)进行智能调节定位，组态高压旁路喷水减温调节阀的PID调节器逻辑、PID调节器的输出指令值与喷水减温调节阀的位置反馈值做差值比较，然后经过变参数折线函数F2(X)进行智能调节定位；

第三步：优化设计高压旁路压力调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑、高压旁路喷水减温调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑；

第四步：优化设计高压旁路喷水减温截止阀的联锁自动打开/关闭控制逻辑；

第五步：DCS组态后，旁路系统投入实际运行，结合旁路系统蒸汽压力和喷水减温调节特性，在线优化整定调节参数。

第一步中，当锅炉停运MFT或BT(循环流化床锅炉)且主蒸汽压力低于定值、或者另一台液压油泵运行且油压正常，则备用运行的液压油泵允许停止，防止误操作，确保液压系统可靠工作，在机组启动阶段或者停机不停炉工况时均能正常投运旁路系统。

第二步中，调节阀的PID调节器输出指令值与调节阀的位置反馈值做差值运算后经过变参数折线函数F(X)进行智能调节定位，在指令与反馈偏差越大时输出的AO指令越偏离12mA，指令与反馈偏差越小时输出的AO指令越接近12mA，可以确保调节阀更好的调节响应速率和定位精度。

第三步中，电液比例阀与保位电磁阀配合对调节阀进行模拟量控制：保位电磁阀带电后，液控单向阀打开，液压油通过比例阀进入调节阀油缸，调节阀到达要求指令位置后保位电磁阀失电，闭锁住油路，调节阀保持当前位置，DCS输出到比例阀的电流为12mA，实现调节阀的双重定位和保位，提高调节阀定位的可靠性和调节精度。

第四步中，采用高压旁路喷水减温调节阀的指令高于定值时脉冲作用联锁自动打开高压旁路喷水减温截止阀，高压旁路喷水减温调节阀的指令低于定值时脉冲作用联锁自动关闭高压旁路喷水减温截止阀，使用调节阀指令值而不引用位置反馈值，能够避免位置反馈信号波动影响而确保截止阀更加可靠工作。

第五步中，对于调节阀不同的工作区间，需要对电液比例阀设定不同的调节参数，当调节阀指令与位置反馈偏差较大时，需要给定一个偏离12mA较大的AO输出驱动电流，即F1(X)和F2(X)输入值越大则输出值越偏离数值50，确保调节阀全行程工况快速和准确地定位控制；喷水减温截止阀的联锁打开和关闭的脉冲时间宜只设置1～2个控制器运算周期，即0.5秒左右，脉冲时间参数过大则影响喷水减温截止阀的正确打开和关闭动作时序。

本发明调节阀定位系统在DCS软件编程实现，不需要成本费用高的液控伺服卡件，就地无硬件定位装置，在DCS系统阀门调节指令与位置反馈比较后智能控制输出4～20mA的电流信号到电液比例阀，电流信号4～12mA进行打开调节阀、4mA开门速率最快，电流信号12～20mA进行关闭调节阀、20mA关门速率最快，12mA趋近于不动作保位。为了定位和保位的安全可靠，每个调节阀系统均配置保位电磁阀，若该保位电磁阀失电则相应调节阀保位不动，只有保位电磁阀带电且比例阀接收到电流信号偏离12mA才能按照指令值进行相应速率的开大或者关小调节阀，确保调节阀有更好的调节响应速率和定位精度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、降低了旁路系统液压油工作清洁度的要求，且调节阀不需就地硬件定位装置。

2、使用机组DCS系统软件编程替代成本费用高的伺服卡件，大幅降低了投资成本。

3、优化DCS智能定位控制方法和增设保位电磁阀，提高了定位精度和调节响应速率。

附图说明

图1是本发明实施例中基于DCS智能定位的调节阀控制原理结构图。

图2是本发明实施例中旁路系统两台液压油泵停止允许条件逻辑图。

图3是本发明实施例中高压旁路压力调节阀PID调节器和定位控制逻辑图。

图4是本发明实施例中高压旁路喷水减温调节阀PID调节器和定位控制逻辑图。

图5是本发明实施例中高压旁路压力和喷水减温调节阀的保位电磁阀控制逻辑图。

图6是本发明实施例中高压旁路喷水减温截止阀联锁控制逻辑图。

图2中：

21-逻辑“或”；22-逻辑“与”；23-定值(低限判断)；24-定值(高限判断)；

图3中：

31-设定值操作器；32-PID调节器；33-手操器(调节阀指令人机接口操作器)；34-减法运算器；35-折线函数运算器；

图4中：

41-PID调节器；42-手操器；43-折线函数运算器；

图5中：

51-绝对值；52-坏质量判断功能块(AI输入坏质量时，输出为逻辑“1”)；53-调节定值(高限判断)；54-调节死区(低限判断)；55-RS触发器；

图6中：

61-定值(高限判断)；62-定值(低限判断)；63-脉冲器(上升沿触发脉冲)；64-脉冲器(上升沿触发脉冲)。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例

本实施例中公开了一种基于DCS智能定位的液压旁路系统的控制方法，调节阀定位控制策略在发电机组的DCS分散控制系统软件编程实现，就地无调节阀定位装置，系统不需要成本费用高的液压伺服卡件。

具体的，控制方法依次包括如下步骤：

第一步：优化设计两台互相备用液压油泵的停止允许条件；

当锅炉停运MFT或BT(循环流化床锅炉)且主蒸汽压力低于定值23、或者另一台液压油泵运行且油压高于定值24工作正常，则备用运行的液压油泵允许停止。

第二步：组态高压旁路压力调节阀的PID调节器32逻辑、过程值为主蒸汽压力，PID调节器32的输出指令值经过人机接口的手操器33与压力调节阀的位置反馈值通过减法运算器34做差值运算，然后经过折线函数运算器35变参数折线函数进行智能调节定位，组态高压旁路喷水减温调节阀的PID调节器41逻辑、过程值为喷水减温调节阀后蒸汽温度，PID调节器41的输出指令值经过人机接口的手操器42与喷水减温调节阀的位置反馈值做差值运算，然后经过折线函数运算器43变参数折线函数进行智能调节定位；

调节阀的PID调节器输出指令值与调节阀的位置反馈值做差值运算后经过变参数折线函数F(X)进行智能调节定位，在指令与反馈偏差越大时输出的AO驱动电流越偏离12mA，指令与反馈偏差越小时输出的AO驱动电流越接近12mA、即折线函数运算器35和折线函数运算器43的输入值越大则输出值越偏离数值50(DCS的AO卡件0％～100％指令输入，对应输出电流4mA～12mA)，确保调节阀全行程工况快速和准确地定位控制。

第三步：优化设计高压旁路压力调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑、高压旁路喷水减温调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑；

当调节阀指令与位置反馈偏差的绝对值51大于调节定值53，则保位电磁阀带电，液控单向阀打开，液压油通过比例阀进入调节阀油缸，调节阀可以正常跟随PID调节器输出或者运行人员手动输入操作器的指令值进行开大或者关小模拟量连续调节；当调节阀指令与位置反馈偏差的绝对值51小于调节死区54、或位置反馈信号坏质量、或者高压旁路保护快关条件触发时均复位RS触发器、即保位电磁阀失电，闭锁住油路，调节阀保持当前位置，DCS输出到比例阀的电流为12mA，实现调节阀的双重控制策略定位和保位，提高调节阀定位的可靠性和调节精度。

第四步：优化设计高压旁路喷水减温截止阀的联锁自动打开/关闭控制逻辑；若高压旁路喷水减温调节阀的指令高于定值61，则脉冲器63脉冲作用联锁自动打开高压旁路喷水减温截止阀；若高压旁路喷水减温调节阀的指令低于定值62，则脉冲器64脉冲作用联锁自动关闭高压旁路喷水减温截止阀，使用调节阀指令值而不引用位置反馈值，能够避免位置反馈信号波动影响而确保截止阀更加可靠工作。

第五步：DCS组态后，旁路系统投入实际运行，结合旁路系统蒸汽压力和喷水减温调节特性，在线优化整定调节参数。

对于调节阀不同的工作区间，需要对电液比例阀设定不同的调节参数，当调节阀指令与位置反馈偏差较大时需要给定一个偏离12mA较大的AO输出驱动电流、即折线函数运算器35和折线函数运算器43的输入值越大则输出值越偏离数值50，关小阀门时，调节阀指令与位置反馈偏差在-100％～0％区间，折线函数运算器35和折线函数运算器43的输出在100～50，对应输出液压比例阀AO电流指令为20mA～12mA，开大阀门时，调节阀指令与位置反馈偏差在0％～100％区间，折线函数运算器35和折线函数运算器43的输出在50～0，对应输出液压比例阀AO电流指令为12mA～4mA，确保调节阀全行程工况快速和准确地定位控制；喷水减温截止阀的联锁打开和关闭的脉冲作用63和脉冲作用64时间宜只设置1～2个控制器运算周期、即0.5秒左右，脉冲时间参数过大则影响喷水减温截止阀的正确打开和关闭动作时序。

下面以华电天津南港发电厂超临界双抽高背压发电机组“基于DCS智能定位的液压旁路系统的控制方法”为例，介绍该控制方法的实施步骤与参数整定结果。该热电联产机组配置东方锅炉股份有限公司生产的350MW超临界循环流化床直流炉、东方汽轮机有限公司生产的170MW超临界单轴双缸两级工业抽汽背压式汽轮机、东方电气股份有限公司生产的170MW型号为QF-170-2-15.75发电机、国电南自维美德控制公司生产的MAX-DNA型号DCS系统，旁路系统DCS控制器运算周期设置为200ms，机组为天津市规划发展的最大化工园区内的中沙石化、澄星化工、渤海石化等提供化工生产所需的蒸汽。当机组发生汽轮机跳闸或者发电机解列时，要求锅炉继续运行通过旁路系统和紧急联络供汽阀组保持对外提供两级供热蒸汽，实现停机不停炉旁路供汽的有效控制，这就要求汽轮机旁路系统能够可靠和安全稳定工作。该电厂高压旁路容量为100％BMCR、具有快开快关功能，低压旁路容量满足机组冷态、温态、热态和极热态启动要求、具有快开快关功能。高低压旁路系统共用一套高压力参数液压油系统、配置两台一用一备液压油泵，系统共配备六台液动执行机构，其中四台液动调节阀配置了位置反馈和电液比例阀控制回路，AO驱动电流指令在DCS内实现，替代了传统液控调节阀的伺服板卡硬件定位功能，四台调节阀各自分别设置了一个油路闭锁保位电磁阀，液压旁路系统阀组控制策略参照图2、图3、图4、图5、和图6，调节阀定位系统控制在DCS中优化设计与组态，就地无定位装置，不需要费用昂贵的伺服卡件，具体实施步骤如下(以高压旁路阀组为例，低压旁路阀组同原理，参照步骤2～步骤4)：

第一步：组态两台互相备用液压油泵的停止允许条件，具体逻辑见图2；

第二步：组态高压旁路压力调节阀的PID调节器逻辑、过程值为主蒸汽压力，PID调节器的输出指令值经过人机接口的手操器与压力调节阀的位置反馈值做差值运算，然后经过变参数折线函数进行智能调节定位，组态高压旁路喷水减温调节阀的PID调节器逻辑、过程值为喷水减温调节阀后蒸汽温度，PID调节器的输出指令值经过人机接口的手操器与喷水减温调节阀的位置反馈值做差值运算，然后经过变参数折线函数进行智能调节定位，具体逻辑见图3和图4；

第三步：组态高压旁路压力调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑、高压旁路喷水减温调节阀的保位电磁阀带电/失电控制逻辑，具体逻辑见图5；

第四步：组态高压旁路喷水减温截止阀的联锁自动打开和联锁自动关闭控制逻辑，具体逻辑见图6；

第五步：DCS组态后，旁路系统投入实际运行，结合旁路系统蒸汽压力和喷水减温调节特性，在线优化整定调节参数。

经过多种工况调整试验，得出最佳的调节参数，参数数值见下表：

表1定值常数

表2定值常数

表3折线函数运算器35参数值

表4折线函数运算器43参数值

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。