第一章汽轮机数字电液控制系统概述3

第一章DEH概述

第二节汽轮机控制系统内容

三、电液控制系统的热应力监控功能

四、保护系统

三、电液控制系统的热应力监控功能1．热应力监控概述

热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力。金属的热状态不同表现为其各个部分的温度不同，因此热应力和温度差值有关。假设一圆柱形金属物各部分的温度是一致的，则不产生热应力。若用高温工质对其加热，外表面温度将升高，内部仍保持原温度，圆柱表面金属要膨胀，内部金属保持原状，于是产生压应力；反之，若用工质冷却金属圆柱，其表面温度降低而产生收缩，金属内部温度不变而保持原状，于是在金属圆柱内产生拉应力。无论是加热还是冷却，当时间足够长后，金属内部达到热平衡，各处温度均相同，热应力也随之消失。各类金属材料都有一定的强度，因此工作中允许金属材料出现各类应力。只要应力值小于金属的许用应力，金属部件就可以长期可靠地工作。若应力值超出许用应力，其结果会产生金属部件损坏或者使用寿命缩短。汽轮机是在高温高压下工作的机械设备，转子处于连续高速旋转状态，因此存在一定的机械应力。当汽轮机运行工况改变时，热状态的变化使汽缸、转子产生热应力。为了保证汽轮机安全运行，必须对热应力进行连续监视。就汽轮机整体而言，其各部件在升速和负荷变化时所产生的热应力并不是一样的。汽轮机转子是高速旋转部件，因其本身已经承受了比较大的离心力，转子的热应力越大，危险性也越大，故运行中对转子热应力必须进行监视。高压缸调节级的焓降最大，做功最多，调节级汽室内的压力及温度随负荷变化也很大，所以高压缸调节级在启动和负荷变化过程中的热应力最大，是热应力监视的重点部位。对于中间再热机组，中压缸进汽部分在启动和负荷变化时汽温变化也很大，同样是监视的重点。由上述分析可知，高压缸调节级和中压缸第一级处转子和汽缸都是热应力较大的部位，其中转子热应力是最危险的。因此在汽轮机运行中，只要监视这几处的热应力不超过允许值，其余部位的热应力一般不会超过允许值。转子热应力值可采用两种方法获取：①用汽轮机转子传热数学模型计算求得；②用转子物理模型求得。⑴若圆柱体表面温度上升，内部仍保持原温度，圆柱体表面金属要膨胀，内部金属保持原状，于是圆柱体表面产生的是压应力还是拉应力。⑵何谓热应力？⑴压应力；⑵热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力。对转子应力裕度的监视可以指导机组在最佳状态下运行，可以保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。当电液调节系统具有应力限制功能时，可以自动控制转子的应力。应力裕度系数K在规定值以上时(通常为0.2)，不限制升速率和变负荷速率；当系数K值低于规定值而大于零时，限制回路自动降低升速率和变负荷速率；若K值降为零，则升速率和变负荷速率也降为零。一般，将应力裕度系数K限制在0～0.2之间为好。汽轮机冷态启动对汽缸、转子等零部件来说是个加热过程，随着进入汽缸的蒸汽温度不断升高和流量不断增加，蒸汽传给汽缸和转子的热量也不断增加，使温度升高。

⑴启动过程中，汽缸内壁产生____热应力；而外壁产生____热应力。⑵启动过程中，转子外表面产生____热应力，中心孔内表面则产生____热应力。⑶停机过程中，汽缸内壁产生____热应力；汽缸外壁产生____热应力。⑷停机过程中，转子外表面产生____热应力；转子中心产生____热应力。⑸汽轮机从冷态启动、稳定工况下运行至停机过程中，转子表面的热应力由____变为____；转子中心孔的热应力由____变为____。⑹从启动至停机，转子表面和中心孔的热应力大小和方向都随时间变化，刚好完成一个交变热应力____。对于____的热应力变化也是一样。⑴启动过程中，汽缸内壁产生____热应力；而外壁产生____热应力。压缩，拉伸⑵启动过程中，转子外表面产生____热应力，中心孔内表面则产生____热应力。压缩，拉伸⑶停机过程中，汽缸内壁产生____热应力；汽缸外壁产生____热应力。拉伸，压缩⑷停机过程中，转子外表面产生____热应力；转子中心产生____热应力。拉伸，压缩⑸汽轮机从冷态启动、稳定工况下运行至停机过程中，转子表面的热应力由____变为____；转子中心孔的热应力由____变为____。压缩，拉伸；拉伸，压缩⑹从启动至停机，转子表面和中心孔的热应力大小和方向都随时间变化，刚好完成一个交变热应力____。对于____的热应力变化也是一样。循环，汽缸内外壁⑴汽缸被加热时，汽缸内壁温度高于外壁，内壁的热膨胀由于受到外壁的制约，因而内壁受到压缩，产生压缩热应力；而外壁则由于受内壁膨胀的拉伸产生拉伸热应力。⑵当转子被加热时，转子外表面和中心孔内表面间存在温差，当两个表面膨胀不同时，温度高的外表面产生压缩热应力，中心孔内表面则产生拉伸热应力。⑶停机过程实际上是汽轮机零部件的冷却过程，随着进入汽缸的蒸汽温度不断降低和流量不断减少，汽缸内壁首先被冷却，而汽缸外壁冷却滞后些，致使汽缸内壁温度低于外壁。与启动相反，汽缸内壁产生拉伸热应力；汽缸外壁则产生压缩热应力。⑷停机过程实际上是汽轮机零部件的冷却过程，随着进入汽缸的蒸汽温度不断降低和流量不断减少，转子表面首先被冷却，转子中心孔冷却滞后些，致使转子表面温度低于中心孔。与启动相反，转子外表面产生拉伸热应力；转子中心则产生压缩热应力。⑸由以上分析可知，汽轮机从冷态启动、稳定工况下运行至停机过程中，转子表面的热应力由压缩变为拉伸；转子中心孔的热应力由拉伸变为压缩。⑹从启动至停机，转子表面和中心孔的热应力大小和方向都随时间变化，刚好完成一个交变热应力循环。对于汽缸内外壁的热应力变化也是一样。在交变热应力的反复作用下，金属表面就会出现疲劳裂纹，并逐渐扩展，以致断裂。汽轮机自启停（ATC）控制的核心是应力控制。汽轮机自启停（ATC）功能可实现机组从盘车状态到冲转、同期、并网、带负荷的全部操作，无需运行人员干预。在此控制方式下，ATC将承担选择设定点，选择加速率等任务，这是在无运行人员干预下进行的，所有的状态信息将显示在CRT上并由打印机打出。汽轮机启动过程的安全是首先考虑的问题，所以要连续实时地监测转子应力。在应力裕度允许的情况下，用最快速度升速，以缩短启动时间。增减负荷时，也要根据应力裕度是否在允许范围来决定变负荷速率，尽可能提高机组响应电网负荷要求的能力。大多数DEH中配置专门的ATC控制计算机，完成数据检测、应力计算、升速率、变负荷率控制等任务。2.转子热应力数学模型计算应快速实时计算转子热应力一般用汽轮机转子传热数学模型计算求得。3．应力限制应力限制回路工作原理见图1-7。检测元件测量汽轮机几个特定点的温度和其他有关参数，然后根据测量值实时计算转子内、外表面的热应力和机械应力，最后算出汽轮机高、中压转子的实际应力。将实际应力与允许应力比较，其差值经TAC转换器转换为转速或负荷目标值和升速率、变负荷速率，再通过DEH基本控制功能去控制汽轮机升速或变负荷，形成一个闭环控制过程。整个过程中要保证转子应力不超过允许应力值。

参数检测都检测那些参数？参数检测都检测那些参数？转子热应力数学模型计算

转子内表面热应力计算公式，即转子外表面热应力计算公式，即热应力的大小可以由温差来表征：温差大，热应力大；温差小，热应力小。为了限制热应力不超过允许限值，可通过限制温差不超过某一限值来实现。对于缸体、阀体，限值是通过中间（平均）温度Tm的函数来设置的。通过温度传感器测得与蒸汽接触的缸体表面温度T1和在缸体50%深度处的平均温度Tm,温差由这两个温度计算得到，即与升/降速度或升/降负荷相对应，形成允许上限温差dTpermu和允许上限温差dTperml两个限值。上限温度裕量ddTu=dTpermu–dT下限温度裕量ddTl=dT–dTperml转子的温度裕量用相似的方法计算。温差dT/℃150100500-50-100dTpermudTperml上限温度裕量ddTu下限温度裕量ddTl50%深度计算温差dT50%深度Tm/℃20100200300400500600上限温度裕量ddTu=dTpermu–dT下限温度裕量ddTl=dT–dTperml缸体、阀体温度裕量的计算机组启动时ddTu=0,实际应力（）许用应力。ddTu>0,实际应力（）许用应力。ddTu<0,实际应力（）许用应力。机组停机时ddTl=0,实际应力（）许用应力。ddTl>0,实际应力（）许用应力。ddTl<0,实际应力（）许用应力。机组启动时ddTu=0,实际应力（=）许用应力。ddTu>0,实际应力（<）许用应力。ddTu<0,实际应力（>）许用应力。机组停机时ddTl=0,实际应力（=）许用应力。ddTl>0,实际应力（<）许用应力。ddTl<0,实际应力（>）许用应力。⑴设Tm=240℃,求dTpermu和ddTu，实际应力与许用应力关系如何？⑵设Tm=240℃,dT=150℃，求dTpermu和ddTu，实际应力与许用应力关系如何？⑶设Tm=240℃,dT=-70℃，求dTperml和ddTl。⑷设Tm=240℃,dT=-100℃,求dTperml和ddTl。⑴设Tm=240℃,看图得知：dTpermu=110℃,dT=70℃，则ddTu=dTpermu-dT=110-70=40℃>0；实际应力（<）许用应力。⑵设Tm=240℃,dT=150℃，求dTpermu和ddTu，实际应力与许用应力关系如何？dTpermu=110℃,则ddTu=dTpermu-dT=110-150=-40℃<0，实际应力（>）许用应力。⑶设Tm=240℃,看图得知：dTperml=-70℃,dT=-70℃，则ddTl=dT-dTperml=-70-(-70)=0℃=0；实际应力（=）许用应力。⑷设Tm=240℃,dT=-100℃,dTperml=-70℃,则ddTl=dT-dTperml=-100-(-70)=-30℃<0实际应力（>）许用应力。⑴设dT=50℃，dTpermu=75℃,求ddTu，实际应力与许用应力关系如何？⑵设dT=100℃，dTpermu=75℃,求ddTu，实际应力与许用应力关系如何？⑶设dT=-50℃，dTperml=-75℃,求ddTl，实际应力与许用应力关系如何？⑷设dT=-100℃，dTperml=-75℃，实际应力与许用应力关系如何？⑴设dT=50℃,dTpermu=75℃,则ddTu=dTpermu-dT=75-50=25℃>0实际应力（<）许用应力。⑵设dT=100℃,dTpermu=75℃,则ddTu=dTpermu-dT=75-100=-25℃<0，实际应力（>）许用应力。⑶设dT=-50℃,dTperml=-75℃,则ddTl=dT-dTperml=-50-(-75)=25℃>0实际应力（<）许用应力⑷设dT=-100℃,dTperml=-75℃,则ddTl=dT-dTperml=-100-(-75)=-25℃<0实际应力（>）许用应力。上限温度裕量ddTu=dTpermu–dT下限温度裕量ddTl=dT–dTpermlT1-缸体表面温度Tm-缸体50%深度处的平均温度Ta-转子表面温度Tax-转子中间温度Tm-转子内表面温度+--++--+内、外表面热应力较大者定义为σTH。σM为机械应力，可根据转子额定转速和高、中压缸第一级叶轮处的蒸汽压力计算出机械压力σM。根据转子的材料和工作温度计算许用压力σL

1.K=1，表示实际应力为_____。2.K=0，表示实际应力_______许用应力。3.K<0，表示实际应力_______许用应力。4.0<K<0.2，______升速率和变负荷速率。5.K>0.2，______升速率和变负荷速率。1.0；2.=；3.>；4.限制；5.不限制。DEH应力限制回路的部件如图所示，试画出其工作原理方框图，并说明其工作原理。

见图1-7。四、保护系统汽轮机保护系统的功能为，当汽轮机运行中出现危险情况时，迅速关闭所有进汽阀门，防止发生重大事故，保护汽轮机设备安全。为了提高汽轮机保护系统工作的可靠性，保护系统还应具有在线试验功能。汽轮机保护系统由信号检测、跳闸逻辑、液压保护回路(含跳闸回路)等部分组成。1．汽轮机保护跳闸条件按照“故障-安全”的设计思想，汽轮机保护跳闸条件应比较完备。电网供小于求时，希望热工保护“宁可拒动,不可误动”（如果多次误动就把保护摘除）；电网供大于求时，希望热工保护“宁可误动,不可拒动”（误动不算事故）。常见的汽轮机保护跳闸条件有那些？汽轮机保护系统由哪些部分组成？汽轮机保护系统的功能是什么？常见的汽轮机保护跳闸条件有：(1)超速；(2)凝汽器真空低；(3)润滑油压力低；(4)润滑油箱油位低；(5)轴振动大；(6)推力轴承磨损；(7)轴向位移过大；(8)凝汽器水位过高；(9)凝结泵出口压力低；(10)主蒸汽压力过高；(11)主蒸汽温度过低；(12)高压缸排汽室金属温度高；(13)低压缸排汽室金属温度高；(14)再热蒸汽温度高；(15)转子应力过高；(16)排汽室温度过高；(17)控制油压力低；(18)高压缸故障；(19)发电机故障；(20)锅炉主燃料跳闸；(21)人工跳闸指令等。汽轮机保护系统由信号检测、跳闸逻辑、液压保护回路(含跳闸回路)等部分组成。汽轮机保护系统的功能为，当汽轮机运行中出现危险情况时，迅速关闭所有进汽阀门，防止发生重大事故，保护汽轮机设备安全。每一台机组并不是一定具备上述全部跳闸条件。对于重要的跳闸条件，为了提高保护的可靠性，可设置多路测量信号，通常进行“三取二”逻辑处理后，再判断是否故障和实施跳闸。2．跳闸回路为了提高保护回路动作的可靠性，跳闸回路和重要跳闸条件通常采用冗余设置，跳闸电路处于导通状态并可实行在线试验。跳闸回路受两个并列运行的保护通道控制，跳闸电磁阀SV1被Ⅰ通道控制，SV2被Ⅱ通道控制。两个跳闸电磁阀中的任何一个跳闸动作，都会引起安全油泄油，使各汽阀迅速关闭，保证汽轮机可靠跳闸。跳闸回路如图1-8所示。图1-8中两个跳闸回路的跳闸电磁阀SV1、SV2在汽轮机正常运行时处于励磁状态，上阀开，下阀关，试验电磁阀SV3、SV4在汽轮机正常运行时处于失磁状态，上阀关，下阀开，压力油p通过电磁阀SV1、SV2的上阀和电磁阀SV3、SV4的下阀进入安全油路ETS，排油口DSV1、SV2的下阀被截断，使蒸汽阀门开启。跳闸回路主要部件如图所示，试画出跳闸回路工作原理示意图。提示：两个跳闸电磁阀的符号为SV1

、SV2，两个试验电磁阀的符号为SV3

、SV4，两块压力表的符号为PS1、PS2，P、D、ETS分别表示压力油管路、泄油管路和安全油管路。跳闸回路主要部件如图所示，回答下列问题：⑴跳闸回路有几条保护通道？是并联还是串联？⑵解释图中各符号的含义；⑶若SV1、SV2带电，ETS与那个管路接通？汽阀开启吗？⑷若SV1、SV2失电，ETS与那个管路接通？汽阀关闭吗？⑸若SV3带电，可以对哪个电磁阀进行在线试验？⑹SV1失电后，其右侧管路与那个管路接通？⑺SV1失电后，若PS1不发出压力油压低信号，试说明SV1出现了什么问题？⑻若21项跳闸条件任一成立时，SV1故障，SV2动作，汽阀还能关闭吗？⑼SV2失电后，若PS2发出压力油压低信号，试说明SV2是否正常？⑴跳闸回路有2条保护通道，是并联；⑵P为压力油管路；D为回油管路；ETS为安全油管路；SV1、SV2为跳闸电磁阀；SV3、SV4为跳闸试验电磁阀；PS1、PS2为压力开关。⑶若SV1、SV2带电，上阀打开，下阀关闭，ETS与P管路接通，汽阀开启。⑷若SV1、SV2失电，上阀关闭，下阀打开，ETS与D管路接通，汽阀关闭。⑸若SV3带电，上阀开，下阀闭，可以对SV1电磁阀进行在线试验。⑹SV1失电后，上阀闭，下阀开，其右侧管路与D管路接通。⑺SV1失电后，上阀闭，下阀开，若PS1不发出压力油压低信号，试说明SV1卡涩或未关严。⑻若21项跳闸条件任一成立时，SV1故障，SV2动作，汽阀还能关闭。⑼SV2失电后，若PS2发出压力油压低信号，说明SV2正常。汽轮机保护系统主要部件如图所示，试画出保护双通道原理示意图，图示为汽轮机保护双通道原理意，试回答：（1）现场检测主要检测哪些信号？（2）试将图1-8和图1-9画成一张图。（3）若现场检测信号未超限，K1和K2是闭合还是打开？SV1和SV2是带电还是失电？相应的阀门是关闭还是打开？汽轮机是跳闸还是不跳闸？（4）若现场检测信号超限，K1和K2是闭合还是打开？SV1和SV2是带电还是失电？相应的阀门是关闭还是打开？汽轮机是跳闸还是不跳闸？若SV1或SV2其中一个故障，汽轮机是跳闸还是不跳闸？（5）若操作台试验指令未发出，SV3或SV4是带电还是失电？相应的阀门是关闭还是打开？汽轮机是跳闸还是不跳闸？（6）若操作台试验指令发出，SV3或SV4是带电还是失电？相应的阀门是关闭还是打开？汽轮机是跳闸还是不跳闸？⑴现场检测主要检测21项跳闸保护条件。⑵试将图1-8和图1-9画成一张图如图示。⑶若现场检测信号未超限，K1和K2是闭合，SV1和SV2是带电，相应的下阀门是关闭，汽轮机不跳闸。⑷若现场检测信号超限，K1和K2打开，SV1和SV2失电，相应的下阀打开，汽轮机跳闸，若SV1或SV2其中一个故障，汽轮机仍能跳闸。⑸若操作台试验指令未发出，SV3或SV4失电，相应的下阀是打开的，汽轮机不跳闸。⑹若操作台试验指令发出，SV3或SV4带电，相应的下阀关闭，汽轮机不跳闸。一、填空1.当金属内部达到热平衡，各处温度均相同，__________也随之消失。2.汽轮机在升速和负荷变化时，转子不但存在______应力，还存在_____应力。3.______________在启动和负荷变化过程中的热应力最大，是热应力监视的重点部位。4.______________在启动和负荷变化过程中的热应力也很大，同样是监视的重点。5._________热应力是最危险的。6.K=1，表示实际应力为_____。7.K=0，表示实际应力_______许用应力。8.K<0，表示实际应力_______许用应力。9.对________________的监视可以保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。10.一般将应力裕度系数K限制在___________之间为好。11.K>0.2时，____升速率和变负荷率。12.0<K≤0.2时，____升速率和变负荷率。二、选择题（将正确答案的字母填在空格内）1.当应力裕度系数系数K值______0.2时，限制回路不自动降低升速率或变负荷速率。A.大于；B.等于；C.小于2.上限温度裕量的符号是_____。A.ddTu；B.dTpermu；C.dTperml；D.ddTl3.若实际应力等于许用应力，则应力裕度系数系数K_______0。A.大于；B.等于；C.小于4.汽缸被加热时产生______。A.压缩热应力；B.拉伸热应力；C.机械应力5.______缸调节级在启动和负荷变化过程中的