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1、Ch6 汽轮机的调节1本章内容提要v汽轮机调节的任务与组成v汽轮机调节系统的静态特性、动态特性v汽轮机液压调节系统v中间再热机组的调节v汽轮机保护系统及主要装置v数字电液调节系统(DEH)简介26.1 汽轮机调节的任务与组成v供电品质的主要标准电压、频率v同步发电机的特性 端电压决定于无功功率，频率决定于有功功率v电压与频率调节无功功率决定于励磁，有功功率决定于原动机的功率。故发电机的电压调节归励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。36.1 汽轮机调节的任务与组成主动力矩：蒸汽驱动力矩阻力矩：电磁阻力矩机械摩擦阻力矩当外界电负荷增大时，发电机的电磁阻力矩增大，导致转子的转速下降；反之，转子
2、的转速上升。因此，汽轮机应根据转速偏差改变调节汽门的开度，即改变进汽量和焓降，使蒸汽的驱动力矩与电磁阻力矩及摩擦力矩相平衡。故汽轮机调节系统有时称为调速系统。机组力矩与转速关系46.1 汽轮机调节的任务与组成v 转子运动方程与汽轮机调速 机组的自调节特性v外界负荷改变时，可自动稳定到一个新工况有差调节v调节系统调节后，若nA和nB有差值v调节系统的基本工作原理及组成直接调节系统、间接调节系统闭环的汽轮机自调节系统组成v转速感受机构v传动放大机构v执行机构v调节对象56.1 汽轮机调节的任务与组成转速感受机构 转子转速转变为一次控制信号中间放大机构 中间功率放大油动机 执行机构配汽机构 油动机行
3、程与蒸汽流量非线性校正机构同步器 单机时改变机组转速和并网时改变机组功率启动装置 启动冲转、提升转速至同步器动作转速66.1 汽轮机调节的任务与组成v 调节系统的种类v 机械液压调节 系统由纯机械(如杠杆、曲柄、凸轮等)、液压(错油门、油缸等)部件组成。系统复杂，控制精度低，维修困难，可靠性较差。v 模拟电液调节 转速感受器将转速信号转变为模拟电信号，中间放大及配汽特性的非线性校正采用模拟电路，控制信号与油动机行程反馈信号差动后经功率伺服放大输入到电液转换器(或称电液伺服阀)，控制油动机的行程。系统得到简化，控制精度得到提高，但模拟电路存在温漂、时漂，复杂非线性校正和控制算法难以实现。v 数字
4、电液调节 转速感受器产生的转速脉冲，经计算机脉冲计数器计数后转速为数字式转速信号，功率等信号由A/D转换变为数字信号。中间放大及配汽非线性校正几各种复杂控制算法由软件来实现。系统简单，控制精度高，可靠性强，维修方便，自动控制水平很高。7旋转阻尼液压调速系统86.2 汽轮机调节系统的特性v 6.2.1 静态特性v 6.2.2 动态特性96.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 汽轮机调节系统静态特性的四方图完整描述调节系统转速感受特性、中间放大特性、配汽特性和功率转速静态特性的四象限图。四方图对机械液压、模拟电液、数字电液调节系统均适用，但表述方式有所不同。II象限 转速感受特性转速与一次控制信号
5、关系 III象限 中间放大特性一次控制信号与油动机 行程关系 IV象限 配汽特性油动机行程与机组功率关系 I象限 调节系统静态特性功率与转速关系v 速度变动率 速度变动率，又称速度不等率，用来描述四方图中I象限曲线的斜率。汽轮机空负荷时所对应的最大转速与额定负荷下所对应的最小转速差，与额定转速的比，称为速度变动率。106.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 频率的一次调整由汽轮机转速控制或调节器感受电网频率(周波)变化，改变有功功率输出，维持同步区域电网负荷平衡。特点机组调节，有差调节，机组功率改变量正比于频率偏差v 频率的二次调整 电网根据区域电网频率偏差和网际交换功率偏差，通过平移机组调节
6、静态特性线改变组的功率输出特点电网调节，消除频率偏差，维持电网频率在额定值附近0f一次调频二次调频1fPS1PS功频率率116.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 速度变动率描述了单位转速变化所引起的汽轮机出力的增减。机组并网运行时，各机组感受的电网频率变化是相同的，但因调节系统速度变动率的不同，所产生的功率相对改变是不同的。利用静态特性线斜率与速度变动率的关系求得v 很明显，在电网频率变化相同情况下，速度变动率大的机组功率相对变化就小。反之，速度变动率小的机组功率相对变化就大。v 因此，增强机组一次调频能力，速度变动率应取得小些。反之，对带基本负荷机组，速度变动率应取大些。一般速度变动率为5
7、%。过小的速度变动率不利于机组稳定运行，因为电网频率稍有变化就会使汽轮机产生较大的功率改变。故一般速度变动率不小于3.0%。v 对机械液压调节系统，速度变化率不宜过大，因为在机组甩负荷时，过大的速度变化率使调节系统的响应速度减慢，有可能引起超速。此外，甩负荷后稳定转速过高，也不利于机组的安全，故一般不大于6%。126.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 局部速度变动率 实际的调节系统，因转速感受和中间放大及配汽机构均存在非线性，这样，在整个调节范围内，速度变动率并不是常数。另一方面，从实际运行方面，也不希望速度变动率均匀分布。按速度变动率的定义推广得局部速度变动v 速度变动率的分布 低负荷(0
8、10%)处 机组并网带初负荷时，为避免负荷过大变化引起的热冲击，希望低负荷处速度变动率大些。这样，并网带初负荷时，即使电网频率有较大波动，也不会引起负荷大的波动。满负荷(90100%)处 由于机组的过负荷能力是有限的，一般不希望机组过大超负荷，故在此区域内速度变动率可取得大些，但不超过整体速率变动率的3倍。速度变动率的合理分布 两端大、中间小且连续平滑变化。136.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 迟缓率（滞缓率）由于动、静部件间存在摩擦，传动机械间存在旷动间隙，滑阀凸肩与油口间存在盖度。这些非线性因素的存在，使得调节系统上、下行程特性线不重合，将此现象称为滞缓。定义：调节系统上、下行程(即
9、增、减负荷)特性线上，相同功率处转速偏差与额定转速的比，称为调节系统的滞缓率。即滞缓率对机组调节品质和运行稳定性产生不良影响。滞缓是响应的死区，单机运行时产生转速漂移，并网运行时产生负荷波动，波动的大小不仅与滞缓率有关，而且反比于速度变动率。对机械液压调节系统，要求滞缓率小于0.6%；对电液调节系统，要求滞缓率小于0.2%。但不能完全没有滞缓，在数字电液控制系统中，设置一定大小的死区，避免控制系统过度频繁动作造成部件磨损。146.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 同步器与静态特性线平移同步器的作用 静态特性线表明，机组不同功率下所对应的转速是不等的。一次调频在满足外界负荷要求时，并不能满足频
10、率要求。在单机运行时既满足负荷需求，又能使频率达到额定值，必须平移特性线。机组并网运行时，机组的转速决定于电网的频率，在转速一定时，要改变机组出力，必须移动静态特性线。二次调频同步器为用于平移静态特性线的装置，单机运行时改变转速，并网运行时改变功率。v 同步器的调节范围上极限 机组达到电网同步转速后，由同步器操作由空负荷带至满负荷，静态特性线向上移动的范围至少为d；如果考虑机组低参数时仍能达到额定出力，即油动机及调门过开，向上的范围则地求更大；电网高周波运行时，同步器向上操作的范围加大。因此，对速度变动率为5%的调节系统，上极限一般为7。下极限 机组启动过程中在达到同步器动作转速后，由操作同步
11、器使机组达到额定转速。为便于并网操作，应留有足够的转速空间。此外，考虑机组高参数、电网低周波工况，要求同步器能并网操作，故对速度变动率为5的调节系统，下极限一般为5。156.2.1 汽轮机调节系统的静态特性v 同步器工作范围与速度变动率的关系 由前已知，同步器的工作范围与速度变动率紧密相关，上极限不得小于速度变动率，否则机组就不能发出额定功率。下极限不能过小，否则无法并网操作。nNmz166.2.2 汽轮机调节系统的动态特性v 动态特性与静态特性的差别 运动部件具有惯性，油流流动存在阻力，中间容积存在质量吞吐，并且还存在滞缓。这些因素的存在，在输入扰动作用后，系统并不是快速地按比例动作，而是克
12、服惯性迟后于输入动作，输出与静态特性发生偏离。在调节过渡过程中，在静态平衡点附近因惯性出现过调和产生振荡，有时经多次振荡逐渐衰减到平衡点，有的可能产生持续振荡。对实际系统，响应快往往会出现大的超调和长时间的振荡；不出现振荡往往响应很慢。通过合理的控制系统参数设置，既要响应快，又要超调小、振荡次数少。176.2.2 汽轮机调节系统的动态特性v 动态特性描述稳定性 系统受扰动后对很快稳定到新的平衡工作点，则系统是稳定的。由系统的传递函数求零、极点计算判别系统是否稳定。动态超调量 在调节动态过程中，动态最大超调量与稳定值的差，与稳定值的比。静态偏差值 甩负荷后的稳定值与额定转速的差。机组甩不同负荷时
13、，稳定转速是不同的。过渡过程调整时间 从响应扰动到基本达到稳定值所经历的时间为过渡过程调整时间。一般要求过渡过程时间尽可能短。v 影响甩负荷动态特性的因素转子动态方程在机组甩负荷阶跃扰动下，转速快速飞升，调节系统感受转速变化关闭调节汽门，切断汽轮机的蒸汽供给，蒸汽驱动力矩减小，转子飞升速率下降，在调节汽门关闭一定时间后，转子转速达到最大值，然后转速开始下降。最高飞升转速由下式估算：186.2.2 汽轮机调节系统的动态特性v影响甩负荷最高飞升转速的本体因素转子时间常数Ta 转子惯性越大，转速飞升所需的驱动力矩就越大，甩负荷后转速飞升就越低。大机组的转子惯性小于小型机组，因此，在甩相同百分率负荷时
14、，大机组的飞升转速高于小型机组。蒸汽中间容积 蒸汽中间容积越大，贮存的蒸汽就越多，甩负荷后剩余蒸汽力矩就越大，转速飞升就越高。大机组蒸汽导管的存在，中间容积大于小型机组，特别是中间再热器，因此，为抑制甩负荷工况下转速过度飞升，油动机的关闭速度的要求就越高。196.2.2 汽轮机调节系统的动态特性v 影响甩负荷最高飞升转速的调节系统因素速度变动率 速率变动率越大，甩负荷后稳定转速就越高，在超调量相同时，最高飞升转速就越大。另一方面，大的速度变动率可减小动态超调量和过渡过程的振荡次数，缩短过渡过程调整时间。油动机的时间常数Tm 油动机的时间常数越大，则关闭时间就越长，甩负荷后进入汽轮机的剩余蒸汽量
15、就越多，飞升转速就越高。因此，对大型机组，一般要求甩负荷工况下油动机全行程关闭时间小于0.2s。迟缓率 迟缓率越大，甩负荷后调节系统响应的时滞就越大，油动机关闭滞后，引起汽轮机剩余蒸汽量增多，转速飞升加大。因此，尽可能减小迟缓率。206.3 汽轮机液压调节系统v 静态特性四方图 转速感受机构将转速变换为一次油压，杠杆碟阀、继动器、错油门油动机为中间放大环节，将一次油压转变为油动机行程。要改变调节系统的静态特性只能改变转速感受机构和中间放大机构特性。v 转速感受机构特性 将速度信号转变为一次控制信号的元件，有机械、液压、电子式三种。典型设备：高速弹性调速器、径向钻孔脉冲泵、旋转阻尼器。旋转阻尼器
16、：一次油压正比于转速的平方(p1=kn2)，在汽轮机额定转速附近，级数展开后成线性关系。旋转阻尼管长度不同，比例系数而变，从而改变转速感受机构特性。但改变量不是很大，在发电厂现场很难改变转速感受机构特性。21226.3 汽轮机液压调节系统v 中间放大机构特性 对不同的转速感受机构配套不同的中间放大器。主要有压力控制式和流量控制式两种。对于旋转阻尼转速感受器：配套的是波形筒碟阀放大器。决定一次油压与油动机行程静态特性的因素有杠杆碟阀放大器、继动器静态反馈弹簧的放大特性。v 杠杆碟阀放大器 改变碟阀直径，可以改变一、二次油压的比例关系。当增大碟阀直径时，在相同一次油压改变量下，二次油压改变量增大，
17、即放大倍数增大，从而使油动机满行程对应的一次油压改变量减小，即调节系统速度变动率降低。反之，减小碟阀直径时，速度变动率增大。236.3 汽轮机液压调节系统v 继动器静态反馈弹簧 当增大静态反馈弹簧刚度时，油动机全行程所对应的二次油压改变量增大，亦即一次油压改变量增大，调节系统的速度变动率变大。改变继动器杠杆支点位置时，相当于改变静反馈弹簧的刚度，从而引起调节系统速度变动率的改变。当支点位置远离静反馈弹簧时，对应油动机全行程静反馈弹簧长度的改变量增大，相当于增大静反馈弹簧的刚度，速度变动率变大。v 影响速度变动率的其它因素 影响上汽机组调节系统静态特性的因素还有很多，如同步器主、辅弹簧刚度、杠杆
18、长度、波形筒底部直径、继动器活塞直径等，但这些因素在发电厂现场一般不易改变。24波形筒-碟阀放大器256.3 汽轮机液压调节系统v 油动机又称液压伺服马达作用：是汽轮机调节系统中驱动调节汽阀的执行机构。构成：错油门、油动机活塞及反馈机构等组成。特点：惯性小、驱动力大、动作快、能耗低等优点。性能评价指标：静态方面为提升力系数，动态方面为时间常数。提升力系数：用于描述油动机开启汽门的能力，定义为：油动机时间常数：表示在错油门滑阀油口开度最大时，油动机活塞在最大进油条件下走完整个工作行程所需的时间。表示为：266.3 汽轮机液压调节系统v 配汽机构将油动机活塞的行程转变为汽轮机的进汽量。作用：放大油
19、动机驱动力，校正行程-流量特性。组成：配汽传动机构（操纵机构）和调节汽阀。276.4 中间再热机组的调节v 蒸汽容积动态特性对调节品质和影响蒸汽室、蒸汽导管、再热器传热管及联箱等具有容积的空间，在机组运行时其间充满蒸汽，贮汽量决定于蒸汽的压力和温度。称这样的蒸汽容积为中间容积。中间容积与电路中的电容等价。当要求机组负荷增大时，开大调门增大通流部分的进汽量，增大的蒸汽量先充向中间容积，使之贮汽量增多来提高中间容积的压力，随后通流部分蒸汽量增多，机组出力增大。当中间容积的压力与达到新工况平衡点时，通流部分出力达到预定值。反之，在机组负荷下降时，关小调节汽门，机组功率并不立即减小，而是待中间容积释放
20、贮汽、压力下降后逐渐减小。再热器及冷、热再热管庞大的容积空间，蒸汽的吞吐量很大，对机组功率调节产生很大的时滞。不仅使机组一次调频能力下降，而且对机组运行安全产生威胁，在机组甩负荷时再热器中间容积释放出的蒸汽足使机组严重超速40。v 采用单元制的问题机炉动态响应时间的差异、机炉最低负荷的不一致、再热器的冷却问题。286.4 中间再热机组的调节v 中间再热机组调节的特点高压调门过开或过关 通过高压调门的过开或过关，用高压缸过增或过减出力补偿再热器中间容积产生的时滞，改善机组的一次调频性能。设置中压调节汽门 设置中压调节汽门，在机组甩负荷时快速切断中压缸的进汽。在低负荷时，改变中压缸的进汽量，控制再
21、热汽温。为减小高负荷时中压调门的节流损失，通常当机组负荷大于30后，中压调门保护全开。设置旁路系统 为在机组启、停时有效控制再热汽温和再热器的冷却，设置高压缸及中低压缸旁路系统。为在机组甩负荷时防止锅炉超压、回收工质，设置机组大旁路系统。296.4 中间再热机组的调节v 中间再热机组调节的特点机组采用协调控制 v主要的机组控制方式汽机跟随控制方式：负荷改变信号先送给锅炉，响应慢、延滞。锅炉跟随控制方式：汽轮机根据功率讯号改变流量、压力变化。机组协调控制方式：指令同时发给锅炉和汽机，同步调整。v中间再热机组为单元机组，一次调频主要利用锅炉金属材料的蓄热。但大型锅炉特别是直流锅炉，蓄热量较中小型来
22、得小。这样，在机组参与一次调频时，蒸汽参数波动较大，不利于机组的运行安全和使用寿命。v为此，在机组负荷改变时，不仅改变调门开度，还应改变锅炉的燃料量，在满足外界负荷需求时，尽可能减小蒸汽参数波动。现代控制技术可采用预测控制，根据历史和当时负荷波动趋势，预测未来负荷变化，通过提前改变燃料量作好负荷变化的准备，增强一次调频能力，并使蒸汽参数波动控制在最小范围内，提高机组运行的经济性和安全性。306.5 汽轮机保护系统及主要装置v 原则性组成机组运行中一旦从电网中解列、甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩可使转子快速飞升，为防止超速毁机事故发生，要求调节汽门在极短的时间内全行程关闭。主汽门必要性：在
23、事故工况下为有效切断汽轮机的蒸汽供给，还必须设置主汽门，即使调门关闭不快或关闭不严时，也能防止机组超速。此外，对低真空、低润滑油压、大胀差、高振动等危及机组安全的恶性故障，发生时必须快速停机。汽轮机除设置调节系统外，还设置保护系统。调节保护系统全称为控制系统。调节部分控制调节汽门，保护部分控制主汽门，但在主汽门关闭时，保护系统信号作用于调节系统，使调节汽门同时关闭。316.5 汽轮机保护系统及主要装置v汽轮机保护系统包括：超速保护、低油压保护、轴向位移及差胀保护、低真空保护、振动保护、轴承回油温度或瓦温保护、发电机故障保护、手动遮断保护、防火保护。特点：只有“合”与“断”两种调节双位调节自动主
24、汽门：包括主汽门和自动关闭器超速保护装置：分为机械式、液压式和电气式。32336.6 数字电液调节系统概述v DEH(Digital Electro-Hydraulic)出现的背景汽轮机数字电液控制系统是当今汽轮机特别是大型汽轮机必不可少的控制系统，是电厂自动化系统最重要的组成部分之一。随着电网峰谷差的增加，火电站中大机组的调峰任务艰巨，采用液压调节系统难以满足调峰要求，因此，DEH控制系统在国产机组的技术改造中得到了广泛的应用。v 现代DEH系统 采用计算机控制技术为核心的分散控制系统结构。346.6 数字电液调节系统概述v 调节系统的作用汽轮机是带动发电机旋转发电的原动机，由于外界负荷随时
25、都可能发生变化，而且不能大量存储，所以要求发电量与外界负荷随时保持平衡；同时要保证供电质量(频率和电压)。这些任务主要由汽轮机调节系统完成。v 调节系统的发展第一代汽轮机调节系统是机械离心式调速器，至今已有一百多年历史。第二代是液压式汽轮机调节系统，大约出现在二、三十年代。第二代调节系统中均采用了机械传动或感应环节。因此也可称为机械、液压式调节系统。它相对第一代调节系统而言，在响应速度、调节精度和减小迟缓方面有了很大的提高。356.6 数字电液调节系统概述v 调节系统的发展第三代汽轮机调节系统是模拟式电液调节系统，大约出现在四十年代。这种系统采用有运算功能的电气元件取代了第一、二代系统中的感应
26、、传递放大的机械、液压环节，而仍保留了液压执行器油动机。到50年代中期，才出现了不依靠机械液压式调节系统的纯电调系统。此后，随着数字计算技术的发展及其在过程自动控制领域的应用，尤其是计算机容量、速度和可靠性的飞速发展。出现了以数字计算机作为主要控制装置，以模拟式电气系统作为手操后备，采用液压执行机构的第四代汽轮机控制系统简称DEH系统。366.6 数字电液调节系统概述v 汽轮机调节系统应用现状随着电网峰谷差的增加及核电站和水电站的增多，小火电厂的相继关闭，火电站中大机组的调峰任务艰巨，采用液压调节系统难以满足调峰要求，因此，DEH控制系统在国产机组的技术改造中得到了广泛的应用。v DEH的组成
27、 控 制 运 算 部 分:是DEH系统的核心，由控制柜(包含分散控制单元DPU、通讯板、I用板)、端子柜、跳闸控制柜等构成，完成对现场采集信号的目标值、转速升速率，汽轮机逐步打开处理、网上传送、控制回路运算、逻辑功能运算等。执 行 机 构:包括主汽门、调节门、油动机、电液伺服闽及供油系统等。跳闸回路:完成机组危急遮断功能。376.6 数字电液调节系统概述v DEH功能新型的DEH系统，除了能够完成负荷控制、转速控制等常规控制功能外，一般还具有各种汽轮机功能试验、阀门试验和超速试验等许多附属功能。v 升速 自动方式 投操作员自动、挂闸，选择控制方式，操作员设定转速调节门，自动提升转速。在此过程中
28、，当目标值通过临界转速区时，系统自动设置升速率为最大值。此时设置其它转速目标值无效，保证汽轮机以最快的速度通过临界转速区。程控方式 汽轮机挂闸启动后，如选择程控启动方式、系统值、各阶段暖机的转速及时间，实现启动冲转过程的全程自动。另外，由于考虑了机组本身热力特性，对延长机组本体使用寿命，提高热效率也有很大帮助。386.6 数字电液调节系统概述v 摩擦检查 机组在操作员自动状态挂闸，操作员投入摩擦检查功能。自动设置某一转速目标值及升速率，转速升到后，目标值置零，调门关下，进行摩擦检查。再按摩擦检查按钮，退出摩擦检查方式。v 自动同期 机组升速到同期转速区，电气专业投入同期装置后，向DEH发出“同
29、期允许”信号，DEH系统接收此信号并投入“自动同期”功能，并将此“投入”信号返回电气控制系统。同期装置根据机组转速与网频的差距，向DEH发送“同期增减”信号以调整机组转速与网频同步，准备机组并网。此时DEH处于一种“遥控”状态。v 并网带负荷 机组并网成功后，DEH控制系统将功率目标值设定为额定功率的2%5,目标值和给定值为相应功率的阀位开度。投入功率回路后，操作员可设定负荷目标值及升降负荷率，机组功率值将以此速率向目标值变化。投入功率回路瞬间，给定值、目标值应该自动跟踪机组功率值，实现回路投切过程无扰动。396.6 数字电液调节系统概述v 参与一次调频 DEH系统均设计有一次调频回路，其工作
30、原理是：机组转速以3000 rmin为目标值，频差以一定的函数对应为负荷指令叠加到目标值上。为防止反复调节引起目荡，应设置一定的频差控制死区。v 参与协调控制 大型机组的协调控制是机组必备的功能之一。协调控制的实现，综合考虑了机组与炉膛不同被控对象的特性，在很大程度上改善了机组的负荷响应能力，也减少了运行人员由于负荷变动进行的运行操作，降低了劳动强度。v 单阀顺序阀切换 机组运行过程中可工作在“单阀”或“顺序阀”两种阀门控制方式。在“顺序阀”控制方式下，机组升降负荷时，应按阀门流量特性要求依次开启或关闭相应阀门，以减小截流损失，提高机组运行的稳定性。在“单阀”控制方式下，各阀门恢复开度一致。切换过程中，应尽量保持功率值无扰。406.6 数字电液调节系统概述v 主汽压控制(TPL)阀位控制、额定主汽压、满负荷工况时，可投入主汽压控制。具体方法是设定主汽压定值，按“主汽压控制”钮，当主汽压小于定值时，调门开度减小，保证主汽压不会出现过低的情况。v 汽轮机调压力(TCP)设定主汽压值，投入TCP，当主汽压高于设定时，调门开大；主汽压低于设定时，调门开小，以维持主汽压波动小于一定范围。v 超速保护和超速试验v 阀门在线试验41本章小结v汽轮机调节系统v汽轮机自动调节的任务v汽轮机调节系统的基本原理v配汽机构v汽轮机的保护 42