燃机调控原理(中海油培训)091116

1、l1-1 概述l 调节这个概念是十分广泛的，在日常生活中经常遇到，例如：我们人体就具有十分精确的温度调节系统，可根据外界条件变化自动调节体温基本保持为常数。l 另一个例子是日常用到的水箱，不论放水节门开度大小，通过浮子控制进水节门，将水位控制在一定的范围以内。l 在工业生产中常常需要对某些参数进行不断的测量和控制，要求它们能恒定在某一范围内，或是按某些规律变化。l 人工调节和自动调节： 凡人工来保持某些参数（一般是物理量）达到规定值或按某一特定规律的操作，称为人工调节。 而采用仪表、自动装置在没有人直接参与情况下，实现这些参数达到规定值或按某种规律变化的操作，则称为自动调节。 实现自动控制功能

2、的装置，包括被调节对象在内总称为自动调节系统，简称自调系统。机电工业中常用的原材料矽钢片热处理： 在矽钢片的热处理过程中需要10个小时6805连续恒温，通常使用感应调压器对退火炉供电。 人工调节的任务是克服外来的种种干扰（电压的波动、环境温度的变化等）满足保温阶段的要求。调节过程如下： 1）观察由测温元检测出的炉温； 2）与要求的温度值进行比较，得出偏差情况，根据偏差再进行控制，通过调整感应调压器输出电压，控制电炉温度。 分析上述人工调节过程，温度调节系统的组成包括如下要素: 1）必须有一个测量元件（如测温的热电偶元件）。 2）一个执行元件（如调压器）。 3）把实际的炉温与要求的炉温进行比较，

3、根据偏差信号的大小和正负，判断如何操作调压器，增加或减少加热电流。 人在调节过程中起到了测量、比较、判断、操作的作用。人工调节过程实质就是“检测偏差，纠正偏差”的过程。电炉炉温自动调节系统电阻丝热电偶给定毫伏信号电压放大功率放大可逆电机减速箱220V 通过上述的分析可以看出，不论是人工调节还是自动调节都是基于“检测偏差，纠正偏差”这样一个原理，没有偏差就没有调节过程。 根据这个原理实现自动调节的系统称为有偏差的自调系统。通常所称的自调系统就是指这一类。l1、被调量（或称输出量）：l 指被自调系统调节的物理量，一般就是自调系统的输出量。l 若一个自调系统只调节一个物理量，则此自调系统称为单变量自

4、调系统。调节两个以上物理量的称为多变量自调系统。2、被调对象： 指被调节的物理量相应的那个过程，或者进行生产过程的设备、装置。3、给定值： 根据控制要求，被调节的物理量需达到的数值。4、扰动： 指引起被调对象中被调量变化的各种外界因素。5、输入量： 泛指输入到自调系统中的信号，包括给定值和扰动。6、反馈： 将输出量的一部分或全部返回到输入端称为反馈。 反馈的结果若是有利于加强输入信号则称为正反馈；其作用减弱则称为负反馈。在自调系统中主要应用的是负反馈。7、开环与闭环： 系统输出的被调量和输入端之间存在反馈回路的系统称为闭环系统。 被调量并未以任何形式反馈到输入端的则称为开环系统。自 动 调 节

5、 系 统 构 成 原 理 图给 定 元 件调 节 元 件执 行 元 件对 象测 量 元 件反馈信号给 定 值 偏 差 信 号控 制 信 号被 调 量扰 动开环控制系统给定元件调节元件执行元件对象控制信号给定值被调量对象调节元件给定元件给定值开环控制系统执行元件控制信号被调量燃气轮机调节的目的 使燃气轮机机组在运行过程中保持某一参数基本不变（如转速、压力、燃气温度等），或是按某个预先给定的规律变化，满足工艺要求。 燃气轮机调节的主要方法是改变进入燃烧室的燃料流量，对于不同的机组及不同的负荷特性（交流发电机、空气压缩机、螺旋桨）就有不同的燃料控制规律。 转速调节的目的： 对于发电用途的燃气轮机发电

6、机组来说要求在发电机负荷经常变化的情况下保持机组的转速为一定值。 由于燃机负荷的变化或外界的干扰，而此时进入燃烧室的燃料量没有改变，原有的功率平衡被破坏了，必然引起转速的变化，转速偏离额定值。燃气轮机转速随负荷大幅变化的情况是不允许的。必须有一套装置调节进入燃烧室的燃料量，使机组转速保持基本不变这就是转速调节的目的。 由于要保持不变的参数是转速，根据转速的变化进行调节。 转速低于额定值时-增加燃料流量； 转速高于额定值时-减小燃料流量。l（1）当负荷变化后，在调节过程结束时保持机组转速基本不变。l（2）能根据操作者的意图在一定范围内改变机组的转速，在并网运行时能改变机组的功率。l（3）在电负荷

7、突然甩去时，机组不熄火，也不会超速很多，并能很快的稳定下来。 天然气增压站系统，燃机的负荷是压缩机，运行基本要求： 对于不同的供气量Qg和不同的进气压力P1 ，保持出口压力P2基本不变 , 根据P2的变化去改变进入燃烧室的燃料流量，从而改变机组的转速和功率。 图1-2天然气增压站系统图 从上述转速调节和压力调节的例子可以看出，不同用途的燃气轮机对调节的要求是不同的，除了特殊要求以外，对燃气轮机调节系统的一般要求：l（1）在不同大气参数下都能保证透平前燃气温度不超过给定的最大值。l（2）在加载或减载过程中保证机组不超温，不喘振，不熄火，热应力小。l(3) 保证机组良好的起动过程，点火可靠，不超温

8、，不喘振，热应力小。按程序完成点火，暖机，控制相应的燃料流量，压气机可转导叶，放气阀控制。 l (4) 具有一套可靠的保护和报警系统。机组超速、超温、振动过大、熄火、滑油压力过低、滑油温度过高等项保护。（1）重点分析转速调节系统，弄清自动调节的一些基本概念； （2）分析调节系统的主要组成部分的特性，引入一些简单的计算；（3）介绍调节系统的静态特性和影响静态特性的几个因素；（4）介绍调节系统动态特性的基本概念和可能影响动态特性的一些主要因素。l 燃气轮机调节系统看似复杂，可按功能将其分成几大部分，如信号采集、控制、监测、通讯等，了解每个部分的功能和它们之间的关系，就可以发现它们的工作原理是非常简

9、单的，均是由一些简单功能电路按照系统要求组合构成调节系统。 l 调节系统一般由敏感元件（传感器和信号器），放大器，执行机构，功能电路等按系统功能要求性能要求组合起来的。 l 现代燃气轮机中应用的调节系统比较复杂，不仅有机械式，全液压式，还有电液调节系统，直到计算机控制系统，但都是按同样的基本原理组成的。 图1-4 直接转速调节系统1.离心调速器2.燃气轮机3.发电机4.燃油箱5.燃油泵6.燃油阀门 图1-4 直接转速调节系统l1离心调速器 2燃气轮机 3发电机 4燃油箱 5燃油泵 6燃油阀门一、直接转速调节直接转速调节系统工作原理： 燃气轮机转子通过一对齿轮带动机械式离心调速器1。设此机组原在

10、某负荷下平衡运行，后由于负荷减少，机组转速升高，离心调速器重锤的离心力增大，克服弹簧力向外张开，带动滑环向上移动X。 转速变化量大，则X也大。设转速增大时X的位移方向为正。滑环上升，通过杠杆带动燃油阀门6，使燃油阀门打开，回油增加，到燃烧室去的喷油量减少，使新的喷油量适应新的负荷，从而使机组转速基本不变。 图1-5 直接转速调节系统方块图 l 从空载到额定负荷Ne0，转速有一个差值，随着负荷的增加转速略有降低，我们称这种调节系统为有差调节系统。l 这种有差系统的特点是燃油阀门位移Z与转速或调速器滑环位移有一一对应关系，这是自动调节系统中的一个很重要的概念。这个转速差值和额定转速的比值称之为转速

11、调节系统的不均匀度或不等率，即l =nman/no l 通常=46。并网运行的发电用燃气轮机必须采用有差的转速调节系统。 图1-6 图1-7 从空载到满载的转速变化 直接调节系统和杠杆关系示意图 l 在直接转速调节系统中燃油阀门是由调速器直接带动的，在实际的燃气轮机调速系统中使用的调速器只给出转速变化的信号，燃油阀门的驱动使用专用的执行器。 l 间接调节就是在敏感元件和燃油阀门之间加放大器。放大器有电动、液压和气动等多种形式，目前应用很广泛的是液压放大。近年来随着技术的发展，在燃气轮机中应用电液调节系统，使用电磁式的转速敏感元件，输出电的转速信号，加以放大，最后由液压的执行机构来拖动燃油阀门。

12、 图1-8 间接转速调节系统1.调速器 2.油动机 3.燃油阀门4.滑阀 在间接转速调节系统中，调速器滑环带动滑阀使油动机动作，而油动机本身反回来又带动滑阀，这种反回的作用称为反馈。 这个作用的方向是使由调速器滑环位移X所引起的滑阀位移y减少，抵消前者的作用，使油动机停止运动。这个作用在方块图1-9上用环绕油动机和杠杆往回返的线示出，图中“-1”这个符号表示负反馈的意思。 反馈是控制系统中一个重要的概念，可以提高控制控系统的性能，是使调节系统稳定的一个必要措施，在燃气轮机和蒸汽轮机的调节系统中这种负反馈是常用的。 l 在自动调节系统中，信号要起作用必须经过多个环节的传递放大。一个环节把自己的输

13、出传给下一个环节，下一个环节以这个信号为输入再输出信号给再下一个环节。每一个环节完成自己的任务要有一个过程，后一环节的动作总要落后于前一环节，这种滞后对控制系统是不利的，会产生调节过量，造成控制系统不稳定。l 为了使每个环节的动作更准确、动作适当，最好能及时地把后面环节的动作通知前面的环节，使前面的环节相应地按照后面的情况调整自己的动作。反馈是使调节系统稳定的一个重要和必要的措施。 图1-10 无油动机反馈的调节系统 有差调节系统的燃气轮机机组的转速与负荷的关系是，随着负荷的增加转速略有下降。特点是燃油阀门位移Z与被调量一转速或是调速器滑环位移X有一一对应关系。在直接转速调节系统和杠杆关系示意

14、图中，这个关系通过以B点的支点的杠杆来体现，即l式中 Zmax从空负荷到满载燃油阀门的位移；l Xmax从空载到满载相应的滑环位移；ABBCXZABBCXZmaxmax直接转速调节系统和杠杆关系示意图 改变杠杆支点B的位置，或是改变杠杆BC/AB的比值，就可以改变Z与X的对应关系。 同样的Zmax对应的X值越大，系统的不均匀度增加；反之，系统的不均匀度减小。 增加杠杆BC/AB的比值实际上就是使C点对B点的作用减弱，也就是使反馈信号减弱，其结果是不均匀度减小。反之，系统的不均匀度增大。 结论：增强反馈信号，不均匀度增加减弱反馈信号，不均匀度减少图1-12 不同不均匀度的静特性l 前面介绍了直接

15、调节和间接调节系统，无论整个系统如何复杂、包含几个分系统，每个系统总是由以下几个部分组成： l 1 敏感元件（传感器、信号器）l 2 信号运算与放大l 3 电液转换器l 4 执行机构l 5 燃油系统l 6 保护系统l 7 逻辑系统l 8 显示设备（显示表、信号灯、CRT屏）l1. 转速敏感元件l 磁电式传感器、光电式、旋转编码器、测速发电机等多种类型。l 磁电式传感器由线圈和永久磁铁组成。由于齿与齿间空隙的磁阻不同，当齿轮转动时，齿和齿间空隙交替经过传感器，其间的磁通便周期性改变，传感器输出端便感应出脉冲电压信号。脉冲的频率，正比于齿轮的转速与齿数，即f=1/60 nz1/秒。如齿数Z=60，

16、则脉冲频率就是每分钟的转数，即 f=n。 图1-13 图1-14 数字脉冲式测速信号的转换过程 恒流源示意图l1、液柱压力计，利用液柱高度产生的压力来平衡未知压力从而测出未知压力。如U型管压力计、单管压力计及倾斜管压力计。l2、活塞式压力计，用液体传递压力，把一个已知压力传给被校准的仪表，校准其他仪表。l3、弹性力平衡式压力计，利用各种弹性元件受到压力作用后产生弹性变形的原理来测量压力。这类仪表品种多，应用广泛。主要有膜片式压力计、波纹管式压力计、弹簧管式压力计l 4、电测变形式压力计 l 电测变形式压力计工作原理是把弹性元件的变形转换成相应的电阻、电感或电动势的变化，再通过测量电阻、电感或电

17、动势达到测量压力的目的。l 其种类有霍尔式压力计、应变式压力计、电容式压力计、压电式压力计等。l5、压力传感器l 外形小巧、量程范围宽、便于安装，一般使用扩散硅工艺。现使用OEM离子束溅射压力传感器解决了扩散硅工艺压力传感器有漂移和不稳定等问题。l l1、膨胀式温度计和压力式温度计l2、热电偶温度计l3、电阻温度计l4、光辐射温度计l原理：利用物体受热后膨胀的原理，膨胀式温度计式敏感元件在受热后尺寸和体积发生变化，采取一些简便的方法直接测量出它的尺寸和体积的变化。l 压力式温度计则是利用气体和液体介质受热后，由于体积膨胀而引起封闭系统中的压力变化，通过测量压力的大小测量出温度。 膨胀式温度计分

18、为液体和固体膨胀式两种温度计： 常见的液体膨胀式温度计是玻璃管式温度计，它主要由液体存储器、毛细管、标尺几部分组成。水银温度计测温范围-30750。如体温计精度为0.1度。 固体膨胀式温度计如双金属温度计，它是由两种膨胀系数不同的金属结合在一起，构成一个双金属片，做成螺管形。一端固定，另一端为自由端与指针相连。双金属温度计测温范围-80600；精度0.51.0级。压力式温度计： 压力式温度计是利用在密封容器中的物质，随温度升高而压力升高这一原理制成的。在这里测量温度是靠测量压力实现的，当温度转化为压力后，一般采用压力表（弹簧管式或膜盒式）来测量和显示。l热电效应：两种不同的导体组成一个封闭回路

19、，如果两端结点温度不同则回路中就会产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料性质以及结点温度有关。l 两种不同材料的导体A和B，两端连接在一起，一端温度为T0，另一端为T，就是在这个回路中产生一个与温度有关的电动势EAB(T，T0)。在测量技术中，把由两种不同材料构成的热电转换元件称为热电偶。 在应用热电偶时一定要考虑到冷端补偿问题冷端，可以用水、冰使之保持在，也可以是某种能保持恒温的装置。从测点到冷端所用的导线必须用和热电偶丝相同的材料，不然会有附加电动势，使测量产生误差。 常用热电偶的分度号有K、J、E 等，热电偶毫伏值与温度值对应关系的数据可再分度表中查到。 燃气温度是调节系统测量和控

20、制的一个重要参数，由于排气管中的燃气温度场是不均匀的，为了测量燃气温度的平均值，一般采用多点测量的方法，然后加以平均。 采用热电偶串接的方式，多只热电偶串接，热电偶毫伏输出除以串接热电偶数量，得到温度平均值。 采用热电偶并联方式，每只热电偶串接一个较大的电阻然后并联，输出为所有的平均值。 采用单只热电偶测量方式，热电偶输出单测量，控制系统进行计算得到平均值。l 电阻温度计的作用原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化这一性质。大多数金属在温度升高1 时电阻值将增加0.40.6%；半导体电阻在温度升高1 时电阻值将减少26%，半导体电阻在复现性、高温稳定性方面还不够理想，应用受到一定限制。l 电阻

21、温度计广泛应用于中、低温-200 600范围温度测量，目前也出现了用于1000 1300高温测量的电阻温度计。电阻温度计的主要优点：1、测量精度高，温度特性稳定，复现性好。2、有较大的测量范围，尤其在低温方面。3、便于远距离测量，易于使用在自动测量中。常用电阻温度计：1、铂电阻温度计，分度号PT100，PT1000。测量范围-200 850(IEC标准）。2、铜电阻温度计，测量范围-50 180。3、镍和铁电阻温度计，测量范围-60 180。l 电子液压调节系统中，由敏感元件来的信号以及运算放大后的控制信号都是电量，而燃料系统一般由液压系统驱动，因此调节系统中必须有一个电液转换器，它的功能是：

22、把电信号准确，迅速地转换成伺服液压机构的位移。l 常用的电液转换器有射流管式和喷嘴-挡板式两种。 图1-24 射流管式电液转换器 图1-25 喷咀挡板式电液转换器1 线圈 2 中心杆 3 弹性管 4 挡板 5 喷咀 6 反馈弹簧 7 断流滑阀 8 油滤 9 节流孔 10 油动机 11 芯杆 12 定节流孔 13 喷咀 l 液体燃料调节机构一般由燃油泵和一些可调阀门组成，对燃料调节机构特性起主要作用的是泵和阀门的特性，和喷油嘴的特性。由于燃气轮机要求燃油泵有较高的出口压力(大于40公斤/CM2)，故一般采用容积式泵，如齿轮泵，柱塞泵，螺杆泵。燃油泵可以由主机自己通过齿轮带动，也可以用单独的电动机

23、带动，它的转速可以是等转速的，也可以是变速的。 图1-26 几种燃料调节方案 1、具有齿轮泵的液体燃料调节机构 PgafQf2 另一种消除泵转速变化对燃油量B影响的办法是在泵出口处加一个定压差阀，定压差阀的活塞两边感受节流孔前后的压力，并通过活塞改变回油面积以保持节流孔前后的压力差为一常数，这个压力差P的大小可以通过弹簧来调整。燃油流量公式如上：式中 f节流孔截面积； a节流孔流量系数 2、具有柱塞泵的燃料调节机构 图1-28 具有可调斜面柱塞泵的燃料调节系统1.弹簧 2.柱塞 3.可调斜面 4.油动机 5.转子 6.定子7.高压腔（柱塞压油）8.低压腔（柱塞吸油） l 除了连续调节（如对燃料

24、流量等）以外，燃气轮机在运行时还必须对各种情况进行逻辑分析，判断和控制。所谓逻辑，仅考虑是（真）或非（假）两种可能性。 l 这些分析、判断、采取的措施通常由事先安排好的逻辑来完成。l1、起动过程控制 连锁条件、程控起动l2、振动保护 报警、停机l3、超温保护l4、超速保护l5、熄火保护l6、滑油压力低保护a) 表达式为b) 表达式为c) 表达式为 d) 表达式为 e) 表达式为 BACBACEDBACBACBACl 当扰动或给定值发生变化时，被调量将偏离原来的稳定值，系统的调节作用又使被调量回到原来的稳定值或跟随给定值稳定下来。被调量的变化总是先偏离原稳定值经过一段变化过程，然后趋近原稳定值或

25、给定值，也就是说系统在任一输入作用下引起过渡过程，过渡过程结束后，系统恢复到稳定状态。l整个调节过程可以分为两个阶段：l 第一阶段是被调量处于变化状态的过渡过程，它代表系统的动特性。l 后一阶段是被调量处于某一稳定状态的静态过程，它代表系统的静特性。l 因此研究被调量变化过程的问题，就成为研究系统动态特性和静态特性的问题了。 1-4 转速调节系统的静态特性 转速调节系统的静态特性是指在工况稳定以后转速随负荷的变化曲线。除了一些有特殊要求的单机运行的机组外，发电用燃气轮机，为了能并网运行，都采用有差的转速调节系统。随着功率的增加转速有一定程度的降低功率由空载至值额值，转速变化的差值为nmax。

26、这个差值nmax。与额定转速no的比值称为转速调节系统的不均匀度： = nmax/ no 有差调节系统静态特性 图1-31 调速器特性1-32 放大机构特性 (调速器滑环位置X以相应于n=n0的滑环位置为零点， 满负荷时的调节阀位置 Z=ZM 。)一、系统特性的形成：静态特性是调节系统各组成部分的综合表现，反映了敏感元件、放大机构、燃料调节机构等的特性。燃料调节系统的特性 燃料调节系统特性是燃料阀门位移Z和喷油量B的关系曲线，喷油量B与燃料阀门位移Z成正比，随着燃料阀门位移Z增大而增大。 燃气轮机功率Ne和燃料量B之间的关系可以通过变工况计算或试验的方法得到，以图甲中空载时的喷油量BKX为零点

27、，形成图乙中的燃气轮机功率Ne和燃料量B的特性曲线。调节系统静特性四象限分析法使用四象限法分析调节系统静特性较为直观，第一象限为n-Ne；第二象限为n-X；第三象限为X-Z；第四象限为Z-Ne。l 前面提到的调节系统的静态特性曲线是理想的。实际上在敏感元件、放大机构、执行机构等组成部分中都存在着不灵敏区，所以静态特性不是二条线而是一条带状不灵敏区，不灵敏区的宽度取决于调节系统各组成部分的不灵敏区的大小。 l一、调节的动态特性l 实际运行中，稳定是相对的，而工况的变动是绝对的。如一台单机运行的燃气轮机发电机组，由于外界用电量的变化，它的负荷总是处于不断变动之中，这样调节系统的所有环节，包括燃油阀等都处于不断的运动之中。机组总是处于变动之中，总是不断地从一个工况过渡到另一个工况，除了研究机组平衡工况的静特性外，我们对机组的动态特性有所了解也是十分必要的。 图1-39 机组的甩负荷过渡过程 从t0时间起负荷突然由满负荷到零，开始那一瞬间转速还没有来得及变化，进入燃烧室的喷油量仍然是相应于满负荷时的喷油量，燃气轮机仍发出很大