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1、调速系统的静态特性第1页，本讲稿共30页一、一、一、一、静态特性、特性曲线静态特性、特性曲线静态特性、特性曲线静态特性、特性曲线1、定定义义：调调速速系系统统作作用用时时，汽汽轮轮机机在在各各个个不不同同的的稳稳定定工工况况下下，转转速速与与负负荷荷之之间间的的对对应应关关系系，用曲线表示称静态特性曲线。用曲线表示称静态特性曲线。回顾四方图：回顾四方图：l第第二二象象限限表表示示转转速速感感受受机机构构特特性性，为为转转速速n与滑环位移与滑环位移 的关系，的关系，n增大，增大，增大。增大。l第第三三象象限限表表示示传传动动放放大大机机构构特特性性，为为滑滑环环位位移移与与油油动动机机活活塞塞行
2、行程程 之之间间的的关关系系，增增大，大，减小。减小。l第四象限表示配汽机构特性，为油动机活塞第四象限表示配汽机构特性，为油动机活塞行程行程 与功率与功率P的关系，的关系，减小，减小，P减小。减小。第2页，本讲稿共30页二、速度变动率二、速度变动率 1、定定义义：在在不不考考虑虑同同步步器器作作用用的的前前提提下下，当当外外界界负负荷荷发发生生变变化化，即即使使调速系统动作，稳定工况下的转速要发生微小变化。功率调速系统动作，稳定工况下的转速要发生微小变化。功率P则转速则转速n。l速度变动率定义速度变动率定义 第3页，本讲稿共30页电网中机组分类：电网中机组分类：l带尖峰负荷机组：承担电网负荷的
3、波动，积极参与一次调频，启停及负带尖峰负荷机组：承担电网负荷的波动，积极参与一次调频，启停及负荷适应性好。特点：设计工况效率不一定高，但效率曲线较平坦，负荷荷适应性好。特点：设计工况效率不一定高，但效率曲线较平坦，负荷变动时转速变化不大。速度变化率取小一点，一般为变动时转速变化不大。速度变化率取小一点，一般为34。l带基本负荷机组：稳定电网负荷频率。特点：功率大，在设计工况下效带基本负荷机组：稳定电网负荷频率。特点：功率大，在设计工况下效率高，在电网频率波动时，负荷变化不大，速度变动率应该大些，一般率高，在电网频率波动时，负荷变化不大，速度变动率应该大些，一般为为46。第4页，本讲稿共30页2
4、 2、对运行的影响对运行的影响（1）决定了并列运行机组间的负荷分配）决定了并列运行机组间的负荷分配 两台并列运行的汽轮发电机组两台并列运行的汽轮发电机组I、IIl额定转速运行时，二台机组转速额定转速运行时，二台机组转速n0，对应功率为，对应功率为P1,P2。总功率。总功率PP1P2。l当外界负荷增加当外界负荷增加P，调速系统动作以满足负荷变化，引起电网频率下降，调速系统动作以满足负荷变化，引起电网频率下降，汽轮机转速降低汽轮机转速降低n。机组功率增加机组功率增加P1，机组功率增加机组功率增加P2l调速系统自行动作，通过转速的微小变化来改变机组负荷，以适应外界需调速系统自行动作，通过转速的微小变
5、化来改变机组负荷，以适应外界需要，从而维持电网频率尽可能稳定的能力称一次调频。要，从而维持电网频率尽可能稳定的能力称一次调频。第5页，本讲稿共30页并行机组负荷自动变化的特点并行机组负荷自动变化的特点:图中图中：abc与与ABC相似相似 同理同理特点：特点：l每台机组承担的功率变化与机组额定功率成正比；每台机组承担的功率变化与机组额定功率成正比；l每台机组承担的功率变化与机组速度变动率每台机组承担的功率变化与机组速度变动率成反比；成反比；这些特点适用于并列运行电网中的所有机组。这些特点适用于并列运行电网中的所有机组。第6页，本讲稿共30页（2 2）决定了甩负荷时的动态超速；决定了甩负荷时的动态
6、超速；（3 3）决定了机组运行时工况的稳定性；决定了机组运行时工况的稳定性；l不不能能太太小小，否否则则转转速速波波动动会会产产生生很很大大的的负负荷荷波波动动，使使动动态态特特性性稳稳定定性性下降，一般下降，一般 3（下限）。（下限）。l也也不不能能太太大大，否否则则使使机机组组参参与与电电网网一一次次调调频频能能力力下下降降，另另一一方方面面使使调调节节系系统统甩甩负负荷荷后后的的稳稳定定转转速速过过高高，有有可可能能使使甩甩负负荷荷后后最最高高飞飞升升转转速速超超过过危危急急保保安安器器的的动动作作转转速速，不不利利于于机机组组安安全全和和甩甩负负荷荷后后重重新新并并网网带带负负荷，荷，
7、6（上限）。（上限）。第7页，本讲稿共30页局部速度变动率局部速度变动率 转速感受及中间放大传递特性存在着非线性，特别是配汽机构，调节转速感受及中间放大传递特性存在着非线性，特别是配汽机构，调节汽门的开度与流量有严重的非线性，所以静态特性曲线各处的速度变汽门的开度与流量有严重的非线性，所以静态特性曲线各处的速度变动率不相同。动率不相同。局部速度变动率局部速度变动率静态特性曲线的形状：静态特性曲线的形状：l空负荷附近，要求速度变化率大些。空负荷附近，要求速度变化率大些。l满负荷附近，速度变动率大些。满负荷附近，速度变动率大些。l总的分布是速度变动率两端大，中间小且无拐点平滑变化。总的分布是速度变
8、动率两端大，中间小且无拐点平滑变化。第8页，本讲稿共30页三、迟缓率三、迟缓率1、产生原因、产生原因 分为摩擦、间隙、滑阀重叠度三方面分为摩擦、间隙、滑阀重叠度三方面1)摩擦：摩擦：零零件件采采用用铰铰接接或或滑滑动动联联接接，运运动动时时存存在在摩摩擦擦力力。以以离离心心式式调调速速器器为为例例，转转速速变变化化时时，重重锤锤产产生生的的离离心心力力变变化化首首先先要要克克服服滑滑环环移移动动的的静静摩摩擦擦力力，只只有有克克服服摩摩擦擦后后，滑滑环环的的位位置置才才随随转转速速的的变变化而变化。化而变化。2)间隙间隙 凡凡是是有有铰铰接接的的地地方方，为为了了自自由由转转动动，都都有有间间
9、隙隙存存在在，只只有有杠杠杆杆的的转转动量大于间隙时，才能带动滑阀。动量大于间隙时，才能带动滑阀。3）滑阀重叠度：）滑阀重叠度：为了保证断流式滑阀的断流，滑阀的凸肩高度大于油口的高度。只有滑阀移动的距离超过重叠度后，为了保证断流式滑阀的断流，滑阀的凸肩高度大于油口的高度。只有滑阀移动的距离超过重叠度后，油动机才开始动作。油动机才开始动作。第9页，本讲稿共30页2 2、迟缓率定义：、迟缓率定义：l在同一功率下，转速偏差在同一功率下，转速偏差nn1n2与额定转速与额定转速n0之比之比 第10页，本讲稿共30页3 3、对运行的影响：对运行的影响：迟缓现象的存在，使静态特性曲线中转迟缓现象的存在，使静
10、态特性曲线中转速与功率无一一对应关系。速与功率无一一对应关系。l单机供电时，负荷由外界负载决定，假单机供电时，负荷由外界负载决定，假定定P不变，转速会发生波动不变，转速会发生波动 ，即频率，即频率发生波动而无法控制。发生波动而无法控制。l并列运行时，转速由电网频率决定，功并列运行时，转速由电网频率决定，功率发生波动率发生波动P，无法控制。，无法控制。l结论：结论：运行上，运行上，越小越好，但要求过高给结构和工艺带来困难，制造成本提高。越小越好，但要求过高给结构和工艺带来困难，制造成本提高。由于机械液压调节系统的机械传动和液压放大环节多，由于机械液压调节系统的机械传动和液压放大环节多，较大，一般
11、较大，一般0.30.30.6%0.6%，电液，电液调节系统调节系统0.20.2。第11页，本讲稿共30页ii ii）与与 关系关系 功率晃动的幅度功率晃动的幅度 l由于迟缓现象存在而造成的负荷波动与由于迟缓现象存在而造成的负荷波动与成正比，与成正比，与成反比；成反比；l为满足一定的为满足一定的P，越小，越小，也越小，由于也越小，由于难以避免，难以避免，不能太小不能太小。额定负荷 第12页，本讲稿共30页4 4、迟缓现象在四方图上的表示、迟缓现象在四方图上的表示（i）如无迟缓现象，nzmP有对应关系；（ii）开始汽轮发电机组稳定在1点运行，转速为n1，z1，m1，P1；（iii）如外界负荷降低，
12、转速升高，由于迟缓存在转速刚上升时，z0，m，P不变。当转速达到n2时，离心力克服迟缓后，滑块位移z随n的升高而升高，此时m2P2不变。第二象限内，静态特性线为两根，在这范围内，转速的变化不引起z变化，称调速器的不灵敏区；第13页，本讲稿共30页（iv）由由于于传传动动放放大大机机构构的的迟迟缓缓，当当转转速速升升到到n3，滑滑块块的的位位移移z3克克服服了了摩摩擦擦间间隙隙及及滑滑阀阀的的重重叠叠度度，随随着着z的的增增大大，油油动动机机开开始始关关小小，m。第第三象限区，同样存在传动放大机构的不灵敏区；三象限区，同样存在传动放大机构的不灵敏区；（v）当当转转速速从从3点点上上升升，z，m，
13、由由于于配配汽汽机机构构的的迟迟缓缓，阀阀门门开开度度不不变变，P不不变变。当当转转速速升升到到n4，克克服服配配汽汽机机构构的的迟迟缓缓后后，汽汽门门的的开开度度随随着油动机的关小而减小。第四象限区存在配汽机构的不灵敏区。着油动机的关小而减小。第四象限区存在配汽机构的不灵敏区。（vi）综综上上所所述述，当当转转速速变变化化后后，汽汽机机功功率率要要迟迟缓缓一一段段时时间间作作相相应应的的变变化。第一象限二根特性曲线之间称为整个调速系统的不灵敏区。化。第一象限二根特性曲线之间称为整个调速系统的不灵敏区。第14页，本讲稿共30页四、同步器四、同步器(P334)(P334)1、功能与作用、功能与作
14、用（1）功能：使调节系统的静态特性曲线，按照运行需要进行平移。）功能：使调节系统的静态特性曲线，按照运行需要进行平移。第15页，本讲稿共30页（2 2）具体作用讨论）具体作用讨论:（i i）汽汽轮轮机机单单机机运运行行时时，同同步步器器可可以以在在满满足足功功率率要要求求的的同同时时满满足足转转速速要要求求，即即保保证证机机组组在在任何稳态负荷下转速维持在额定值。任何稳态负荷下转速维持在额定值。（iiii）并并列列运运行行时时，通通过过同同步步器器可可改改变变各各台台机机组组的的功功率率使使电电网网总总功功率率符符合合外外界界需需要要，同同时时维维持持电电网网频频率率在在额额定定范范围围之之内
15、内，这这种种利利用用同同步步器器调调整整并并列列运运行行的的机机组组负负荷荷，以以维维持持电电网网频率稳定的方式称为二次调频。频率稳定的方式称为二次调频。（iiiiii）并网前机组功率为零，通过同步器移动特性线，相当于改变汽轮机组的转速，当）并网前机组功率为零，通过同步器移动特性线，相当于改变汽轮机组的转速，当转速与外界电网频率同步时，可以合闸并网，这是同步器名称的来历。转速与外界电网频率同步时，可以合闸并网，这是同步器名称的来历。第16页，本讲稿共30页2 2、同步器类型、同步器类型 静静态态特特性性曲曲线线的的平平移移一一般般通通过过移移动动调调速速器器的的特特性性线线（第第一一类类同同步
16、步器器）或或传传动动放放大大机机构构的的特特性性线线（第第二二类类同同步步器器）实实现现，以以第第二二类类为为主主。通通过过旋旋转转同同步步器器手手轮轮，使使弹弹簧簧紧紧力力改改变变，从从而而使使调调速速器器的的静静态态特特性性线平移。线平移。第17页，本讲稿共30页3 3、同步器工作范围、同步器工作范围1）额定初终参数、转速下能带满负荷，即）额定初终参数、转速下能带满负荷，即特性线能移到特性线能移到AA位置，同时能减负荷位置，同时能减负荷到零，即特性线能移到到零，即特性线能移到BB位置，这时位置，这时同步器的工作范围相当于速度变动率同步器的工作范围相当于速度变动率 。l特性线向上移实质是通过
17、同步器开大调速特性线向上移实质是通过同步器开大调速汽门，下移则关小调速汽门。但是蒸汽的汽门，下移则关小调速汽门。但是蒸汽的初终参数及汽轮机转速按照规程允许有一初终参数及汽轮机转速按照规程允许有一个合格的波动范围。为了使波动时仍能维个合格的波动范围。为了使波动时仍能维持汽轮机在零负荷与额定负荷间正常运行，持汽轮机在零负荷与额定负荷间正常运行，同步器的工作范围需继续扩大。同步器的工作范围需继续扩大。第18页，本讲稿共30页（2）同步器的下限：）同步器的下限：（i）当当电电网网频频率率下下降降到到允允许许的的下下限限（49.5Hz）时时，汽汽轮轮机机要要维维持持零零负负荷运行，特性线移至荷运行，特性
18、线移至CC。（ii）当当蒸蒸汽汽参参数数在在允允许许范范围围内内升升高高或或背背压压参参数数在在允允许许范范围围内内降降低低时时，汽轮机能维持空负荷运行。汽轮机能维持空负荷运行。由由于于蒸蒸汽汽初初参参数数上上升升，背背压压下下降降，每每公公斤斤蒸蒸汽汽在在汽汽轮轮机机中中的的焓焓降降上上升升，为为了了维维持持汽汽轮轮机机零零负负荷荷运运行行所所需需的的蒸蒸汽汽量量下下降降，因因此此调调速速汽汽门门要要通通过过同同步步器器进进一一步步关关小小，特特性性线线下下移移到到DD，一一般般下下限限行行程程设设为在额定转速下为在额定转速下35处。处。第19页，本讲稿共30页（3）同步器的上限：）同步器的
19、上限：（i）当当电电网网频频率率上上升升到到允允许许的的上上限限时时（50.5Hz），汽汽轮轮机机要要维维持持满满负负荷荷运行，特性曲线移到运行，特性曲线移到EE。（ii）当当蒸蒸汽汽参参数数在在允允许许范范围围内内降降低低或或当当蒸蒸汽汽背背压压在在允允许许范范围围内内升升高高时时，汽轮机仍能带满负荷运行。汽轮机仍能带满负荷运行。由由于于蒸蒸汽汽初初参参数数下下降降，背背压压升升高高，每每公公斤斤蒸蒸汽汽在在汽汽机机中中的的焓焓降降减减少少，为为了了能能发发出出额额定定功功率率，势势必必蒸蒸汽汽流流量量升升高高，即即通通过过调调速速汽汽门门进进一一步步开开大大，特特性性线线上上移移到到FF。
20、所所以以同同步步器器的的上上限限，一一般般（67），不不小小于于（12）。）。第20页，本讲稿共30页五、调节系统的动态特性五、调节系统的动态特性五、调节系统的动态特性五、调节系统的动态特性1、概念：、概念：静态特性：汽机在稳定状态下功率和转速的关系；静态特性：汽机在稳定状态下功率和转速的关系；动态特性：汽机如何从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，是动态过程。动态特性：汽机如何从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，是动态过程。第21页，本讲稿共30页（1 1）稳定过程和不稳定过程）稳定过程和不稳定过程 la、b、c为稳定过程。为稳定过程。la为非周期过程为非周期过程，b为微振的过渡过程，为微振的
21、过渡过程，c为振荡的过渡过程，为振荡的过渡过程，ld、e、f为不稳定过渡过程。为不稳定过渡过程。ld为等幅振荡，为等幅振荡，e为发散振荡，为发散振荡，f为幅值越来越大。为幅值越来越大。第22页，本讲稿共30页（2）研究内容l包包括括调调节节系系统统的的稳稳定定性性以以及及机机组组甩甩负负荷荷后后的的最最高高转转速速不不超超过过保保险险的的动动作转速。作转速。最高转速不超过额定转速的最高转速不超过额定转速的1112。l第一保护装置：转速调节系统，动作灵活，可靠性高第一保护装置：转速调节系统，动作灵活，可靠性高l超超速速保保险险系系统统，动动作作后后汽汽机机需需要要重重新新挂挂闸闸启启动动，增增加
22、加并并列列时时间间，容容易易引发事故。引发事故。（3)3)动态特性的影响因素动态特性的影响因素 系统设计，结构因素，动态参数（时间常数，速度变动率）系统设计，结构因素，动态参数（时间常数，速度变动率）加工制造及装配质量（影响迟缓率）加工制造及装配质量（影响迟缓率）运行上因素：油压波动，油质好坏运行上因素：油压波动，油质好坏第23页，本讲稿共30页2 2、对调节系统动态特性的要求、对调节系统动态特性的要求I I）稳定性）稳定性 用稳定裕度来判别。用稳定裕度来判别。IIII）动态超调量）动态超调量一般一般 取取7 79 9，取取40408080 。IIIIII）静态偏差值）静态偏差值IVIV）过渡
23、过程的调整时间）过渡过程的调整时间T Tl定义：外界扰动作用后，从调节过程开始到被调量满足下列不等式的定义：外界扰动作用后，从调节过程开始到被调量满足下列不等式的最短时间。最短时间。l一般一般取静态偏差的取静态偏差的5 5，5 5 。T T一般几一般几s s到几十到几十s s第24页，本讲稿共30页2 2、影响动态特性的主要因素分析、影响动态特性的主要因素分析l汽轮机甩负荷时的动态最大飞升转速汽轮机甩负荷时的动态最大飞升转速 l具体含义见具体含义见P339，式，式6.1.6 第25页，本讲稿共30页1 1）调节对象对动态特性的影响）调节对象对动态特性的影响I）转子飞升时间常数）转子飞升时间常数
24、Ta 影响因素：转子的转动惯量影响因素：转子的转动惯量J，额定转矩，额定转矩MT0l机组容量机组容量，MT0，Tal高压机组容量高压机组容量Ta 710s，中压，中压 114s，中间再热，中间再热 58s。l功率大，超速的可能性大，动态超速的控制难。功率大，超速的可能性大，动态超速的控制难。II）蒸汽容积常数）蒸汽容积常数Tv 应应尽尽量量减减小小Tv，因因为为甩甩负负荷荷时时，调调节节汽汽门门关关闭闭到到空空负负荷荷位位置置，但但各各中间容积的蒸汽继续膨胀做功，使转速的额外飞升增大。中间容积的蒸汽继续膨胀做功，使转速的额外飞升增大。第26页，本讲稿共30页2 2）调节系统对动态特性的影响）调
25、节系统对动态特性的影响I）速度变动率）速度变动率 大大动动态态过过程程的的最最高高转转速速及及稳稳定定转转速速高高，动态超调量小；动态超调量小；l 小小转转速速飞飞升升的的绝绝对对值值小小，但但动动态态超超调调量大，振荡次数增加，动态稳定性差。量大，振荡次数增加，动态稳定性差。II）油动机时间常数）油动机时间常数Tm 0.1s0.3s Tm大大则则汽汽门门关关闭闭时时间间长长，动动态态过过程程中中的的最最大大转转速速高高，过过渡渡时时间间长长；另另一一方方面面减减小油压波动对调节系统摆动影响。小油压波动对调节系统摆动影响。IIIIII）迟缓率）迟缓率 延长汽门关闭时间，超调量增大。延长汽门关闭
26、时间，超调量增大。第27页，本讲稿共30页六、汽轮机保护装置六、汽轮机保护装置l作用：机组遇到事故或出现异常时能及时动作，避免造成设备损坏作用：机组遇到事故或出现异常时能及时动作，避免造成设备损坏或事故扩大，确保机组安全运行。或事故扩大，确保机组安全运行。1、超速保护装置、超速保护装置 汽汽机机转转速速超超过过额额定定转转速速的的1020时时，超超速速保保险险动动作作，并并迅迅速速切切断向汽轮机供汽，迫使汽轮机停止运转，并将汽机从电网中解列。断向汽轮机供汽，迫使汽轮机停止运转，并将汽机从电网中解列。l按结构特点分飞锤式、飞环式。按结构特点分飞锤式、飞环式。第28页，本讲稿共30页2 2、轴向位
27、移保护装置、轴向位移保护装置 转转子子轴轴向向位位移移达达到到一一定定数数值值时时发发出出警警报报，当当增增大大到到某某一一危危险险值值时时保护装置动作，自动停机。保护装置动作，自动停机。l 电气式或液压式电气式或液压式3、低油压保护装置、低油压保护装置4、安全防火保护、安全防火保护5、低汽压保护、低汽压保护6、低真空保护、低真空保护第29页，本讲稿共30页本节重点：本节重点：l静态特性曲线定义、四象限图静态特性曲线定义、四象限图l速度变动率定义及对运行的影响，速度变动率的上下限及原因分析速度变动率定义及对运行的影响，速度变动率的上下限及原因分析l一次调频和二次调频的含义一次调频和二次调频的含义l迟缓率产生的原因、定义及对运行的影响迟缓率产生的原因、定义及对运行的影响l同步器的功能、工作范围同步器的功能、工作范围l了解调节系统的动态特性和影响主要因素了解调节系统的动态特性和影响主要因素l了解调速保护系统的作用了解调速保护系统的作用第30页，本讲稿共30页