汽轮机原理 第九章 汽轮机控制系统

第九章汽轮机控制系统第一节汽轮机控制系统的任务和系统组成一、汽轮机控制系统的任务：1、汽轮机为什么必需具备控制系统？电能不能大量储存，火电厂发出的电力必须随时满足用户要求，即在数量、质量要求同时满足用户要求。（1）数量要求：用户对发电量的要求。这就是要求电力负荷根据用户要求来调整发电大小，以满足用户要求。（2）供电质量要求：供电质量就是指频率和电压。其中，电压可以通过变压器解决。电网频率则直接取决于汽轮机的转速。转速高则频率高，转速低则频率低。/link?url=WKiZova8d3sC6-0WtjFTdHyGJVnbVDemqx0-QkWVOFlVJ50jhILbgAPivr7IYsmhh5PpWzNe_f6Wq2oTwa1yOj0VEDSvv80Va1PSGfUyPRa2、汽轮发电机组转子运动方程式：机组在工作时，作用在转子上的力矩有三个：蒸汽主力矩、发电机反力矩、摩擦力矩。在稳定状态下，三者的代数和为零：

通常，摩擦力矩很小，这样一来，稳定运行时上式可写成：

机组运行时，只要蒸汽主力矩和发电机反力矩不平衡，就会产生角加速度。

因此汽轮机必须具备调速系统，以保证汽轮发电机组根据用户要求，供给所需电力，并保证电网频率稳定在一定范围之内。另外，火电厂自身安全的需要：汽轮发电机组工作时，转子、叶轮、叶片等承受很大的离心力，而且离心力与转速的平方成正比。转速增加，离心力将迅速增加。当转速超过一定限度时就会使部件破坏，出大事故。3、调速系统的任务（？）：

（1）满足用户足够的电力（数量、质量）；（2）保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行。**除了调速系统之外，汽轮机组还必须具有保护系统（超速保护、轴向位移保护等）。4、调速系统的功能：蒸汽主力矩和发电机反力矩随转速的变化如图9---2所示：当转速n增加时，蒸汽主力矩减小，发电机反力矩增加（为什么？）；当转速n减小时，蒸汽主力矩增加，发电机反力矩减小。A点是两力矩平衡状态点：曲线1、2之交点。(1)当外界负荷增加时，反力矩由曲线1变到曲线1’，而主力矩曲线2不变。其工作点由A移到C（什么叫汽轮机的自平衡能力?）。

(2)当调速系统动作，减小进汽量，主力矩曲线由2变为2’，与反力矩曲线1’交于B点，机组转速变为接近）。二、运行对调速系统的要求

1、调速系统应能保证：当蒸汽参数和电网频率在允许范围内变化时，机组能从满负荷到空负荷范围内稳定运行，并保证机组能顺利地并网和解列；

2、当负荷变化时，调速系统应能保证机组从一稳定工况安全地过渡到另一稳定工况，而不发生较大的长期的负荷摆动；

3、为了保证机组稳定运行，各种因素引起的负荷摆动应在允许范围内；

4、当机组突然甩全负荷时，调速系统应能保证机组转速最大升高值小于超速保护装置动作转速。汽轮机调节保护系统的结构8二、汽轮机控制系统的基本原理（一）简单的汽轮机自动调速系统（图9---5）

1、主要部件：调速器，滑阀（错油门），油动机，调节阀。

2、油路：Po------高压油，Pn-------排油。93、工作原理：当外界负荷P减少，机组转速n升高，调速器飞锤向外扩张，滑环A上移，杠杆ABC以C点为支点带动滑阀B点上移，高压油Po通过滑阀油口进入油动机上油室，油动机下油室与排油Pn相通，活塞下移，关小调节阀5，减小进汽量，机组功率减小。

同时，杠杆以A点为支点带动滑阀B点下移，滑阀回中，切断窗口，高压油停止流动。调速系统达到新的平衡状态。*当外界负荷P增加时，机组转速n下降，调速系统各部套调节过程相同，而动作方向相反。10三、汽轮机调节系统的组成和种类根据转速感受及中间放大器的结构不同,分为

1、机械液压调节系统

2、电液调节系统电液调节系统工作原理：

13第三节汽轮机控制系统的工作特性一、控制系统的静态特性汽轮机调节系统的静态特性曲线是由转速感受机构、中间放大机构和执行机构的静态特性曲线所组成，如图9---5、图9---31所示。其中，将调速器、中间放大机构和执行机构的静态特性曲线分别画在直角坐标系的第二、三、四象限，将调节系统的静态特性曲线画在直角坐标系的第一象限，组成四象限图。图9--51.速度变动率（不等率）定义：在稳定工况下，汽轮机的功率由满负荷减到零负荷时，其转速的改变量

n与额定转速no（或者最高与最低转速的平均值）之比的百分数称为速度变动率（图7---38

），用

表示：（9----15）

*单机运行的机组，由一台机组向用户供电，机组负荷等于用户消耗量，这样，当功率变化时，转速也要变化。*并列运行的机组，网内所有机组同时向电网送电，再由电网向用户供电。一次调频：并列运行的机组，网内频率相同，所有机组转速一样，机组总功率正好等于用户总耗电量。当外界负荷变动而引起电网频率变化时，网内各机组调速系统同时动作，自动增减负荷，以适应外界负荷变动的要求。这种由调速系统随电网周波变化，自动控制机组负荷增减，以保证电网频率稳定的方式，称为一次调频。2.迟缓率迟缓现象：当外界负荷下降而转速上升时，机组功率并不马上降低。而是当转速上升到一定程度时，功率才开始下降。同样，当外界负荷上升机组转速下降时，机组功率并不马上增加，而是当转速降低到一定时，功率才开始上升。这就是说，机组在同一功率下有不同的转速，或者说在同一转速下有不同的功率，这就是调速系统的迟缓现象。

产生迟缓的原因：调速系统的各部件存在着摩擦、铰练间隙、滑阀重叠度。这样，各部件的静态特性曲线就不是一条线，而是一个带状区域。因此，当电网频率变化时，机组功率并不马上变动而是有一段迟缓。通常用迟缓率

（不灵敏度）来表示这种迟缓程度的大小。迟缓率

：同负荷条件下的最大转速变动（-）与额定转速之比，即（9---19）机组最大负荷摆动

P

从图9----35中的三角形相似就可以看出：由于迟缓的存在，机组可能发生的最大负荷摆动为

P。19迟缓率

的大小：调速系统的迟缓率为各部件迟缓率的累积。为了减小负荷摆动，一般要求

不大于0.6%，最好

不大于0.2%。要减小迟缓率，则应在各元件的设计、制造、安装和运行个方面予以减小。同步器静态特性线平移1.同步器的作用单机运行的机组，当功率由上升到时，转速（频率）将由降为，这样，就不能满足供电质量的要求。而同步器则可以平移调速系统的静态特性曲线（即用同步器改变机组的进汽量），使机组的转速不变（），

并列运行的机组，可以用同步器调整网内各机组的负荷，使之按给定负荷运行，调整电网频率，以维持电网稳定在额定范围之内。这种用同步器调频的方式称为“二次调频”。如图有两台并列运行的机组，功率分别为、。可以用同步器增加

P给1号机，而使二号机减少

P，而使总的功率不变，转速（频率）不变。

机组启动时，可以用同步器改变进汽量以增加转速，使之从0转速上升到额定转速-------同步。242.同步器的工作范围：

为了满足在额定参数、额定转速下机组能从满负荷到0负荷稳定运行，同步器的工作范围至少是等于大于调速系统所控制的转速范围。

a、上限位置：应能保证在电网频率升高、初参数偏低而背压升高时，能使机组带满负荷；

b、下限位置：应能保证在电网频率下降、初参数上升而背压下降时，能使机组减负荷到零。如图9----40所示。作业：1、解释专业名词：调速系统的静态特性、速度变动率、迟缓率、一次调频、二次调频。2、叙说同步器的作用。3、画出调速系统四象限图，并说明各部分的意义。4、带不同负荷的机组对速度变动率有何要求？5、画出合理的调速系统静态特性曲线，并说明为什么。第五节汽轮机数字电液调节系统

（

DigitalElectro-HydraulicControlSystem,

DEH）

如上述所讲，根据功能的不同，汽轮机有不同的型式，其调节系统也有不同的型式。汽轮机的液压调节系统是最基本的调节系统。

汽轮机的调节系统有一个从低级到高级的发展过程。根据发展过程来分，可分为液压（机械液压）调节系统、功率—-频率电液调节系统、数字电液调节系统。国产100MW及以下机组都是采用液压调节系统。国产200MW机配备有液压调节系统和功率—-频率电液调节系统，二者可互相切换。国产300MW、600MW大型汽轮机都普遍采用数字电液调节系统。

汽轮机的调节系统的发展过程28DEH--汽轮机数字电液控制系统，由计算机控制部分和EH液压执行机构部分组成。是汽轮发电机的专用控制系统，是控制汽轮机启动、停机及转速控制、功率控制的唯一手段，是电厂实现机组协调控制、远方自动调度等功能必不可少的控制设备。DEH在电厂的热工自动化系统中有着十分重要的地位。DEH的安全可靠直接影响到整个电厂的可靠运行

DEH的

功能主要有：

1.转速控制

2.负荷-频率控制

3.阀门管理

4.超速保护及试验

5.汽轮机自启动ATC

机组跳闸保安系统

1.安全油系统

2.调节油系统

数字电液调节系统

汽轮机数字电液调节系统DEH（DigitalElectro-HydraulicControlSystem）是当前汽轮机调节技术的新发展，集中了两大新成果：计算机技术和高压抗燃油技术（传统的液压控制系统）。它采用计算机以数字的方式对一次信号进行采集和处理，根据预先设定的控制策略输出控制指令，驱动执行机构实施控制。使得汽轮机调节系统有关部套尺寸小、结构紧凑、调节质量大大提高。（一）DEH调节系统的组成

国产引进型300MW汽轮机组的DEH调节系统，是根据美国西屋公司DEH-3型的功能原理研制开发而成。300MW汽轮机组的DEH调节系统图，主要由五大部分组成：1．电子控制器：主要包括：计算机、混合数模插件、接口和电源设备等。集中布置在6个控制柜内。其作用是用于给定、接受反馈信号、逻辑运算和发出控制指令等。2．操作系统：主要设置有：操作台盘、图象站的显示器和打印机等。其作用是为运行人员提供运行信息、监督、人机对话和操作等服务。3．油系统：汽轮机调节用油与润滑油分开。高压油（EH油系统）采用三芳基磷酸脂抗燃油，为调节系统提供控制与动力用油。EH油系统作用：

EH油系统接受调节器和或操作盘来的指令，对机组进行控制。润滑油系统作用：是为轴承润滑油系统提供汽轮机油。4．执行机构（油动机）：主要由伺服放大器、电液转换器和具有快关、隔离和逆止装置的单侧油动机组成。其作用是带动高压主汽阀、高压调节阀和带动中压主汽阀、中压调节阀。5．保护系统：设有6个电磁阀。其作用是其中两个用于机组超速（103%）时关闭高、中压调节阀。其余用于机组严重超速（110%）、轴承油压低、EH油压低、推力轴承磨损过大、凝汽器真空度低等情况下进行危急遮断和手动停机之用。此外，还有些测量元件，如传感器：用于测量机组转速、调节汽室压力、发电机功率、主汽压力等；汽轮机自动程序控制（ATC）所须的测量值。（二）DEH调节系统的功能

总体来说，DEH调节系统有四大功能，其功能形式为：1．汽轮机自动程序控制（ATC）功能

DEH调节系统的汽轮机自动程序控制（ATC），是通过状态监测、计算转子应力，并在机组应力许可范围内，优化启动程序，用最大的速率、最短的时间来实现机组启动过程的全部自动化。

ATC允许机组有冷态启动和热态启动两种方式。冷态启动包括盘车、升速、并网和带负荷。其各种启动操作、阀门切换等全过程均由计算机自动控制完成。在机组正常运行过程中，还可以实现ATC监督。

2．汽轮机的负荷自动调节功能汽轮机的负荷自动调节有两种情况：冷态启动时，机组并网带初负荷（5%额定负荷）后，负荷由高压调节阀控制；热态启动时，机组负荷未达到35%额定负荷以前，负荷由高、中压调节阀控制，以后，中调阀全开，负荷只由高压调节阀控制。当机组处于负荷控制阶段，DEH调节系统具有下述功能：

(1)具有操作员自动、远方控制和电厂计算器控制方式，以及它们分别与ATC组成的联合控制方式；

(2)具有自动控制（A和B机双机容错）、一级手动和二级手动冗余控制方式；

(3)可采用串级或单级PI控制方式。当负荷大于10%以后，可由运行人员选择是否采用调节级汽室压力和发电机功率反馈回路，这也就是决定采用何种PI控制方式；

(4)可采用定压运行或滑压运行。当采用定压运行时，系统有阀门管理功能，以保证汽轮机能获得最大的效率；

(5)根据电网的要求，可采用调频运行方式或基本负荷运行方式；设置负荷上下限和其速率等。此外，还有主汽压控制（TPC）和外部负荷返回（RUNBACK）等保护主要设备和辅助设备的控制方式，运行控制十分灵活。3．汽轮机自动保护功能为了避免机组因超速或其它原因遭受破坏，DEH的保护系统有以下三种保护功能：（1）超速保护（OPC）：当机组转速达到103%时，快关中压调节阀；当机组转速在(103%~110%)范围内时，超速控制系统通过OPC电磁阀快关高、中压调节阀，实现对机组的保护。（2）危机遮断控制（ETS）：当ETS系统检测到机组超速达到110%或其它安全指标达到安全界限后，通过AST电磁阀关闭所有的主汽门和调节汽门，实现紧急停机。（3）机械超速保护和手动脱扣：机械超速保护为超速的多重保护，即当转速高于110%时，实现紧急停机；手动脱扣是当保护系统不起作用时进行手动停机，以保证人身和设备的安全。4．机组和DEH系统的监控功能：监控功能在启动和运行过程中对机组和DEH装置两部分运行状况进行监督。其内容包括：操作状态按钮指示、状态指示和CRT画面，其中对DEH监控的内容包括重要通道、电源和内部程序的运行情况等。CRT画面包括机组和系统的重要参数、运行曲线、潮流趋势和故障显示等。（三）DEH系统的运行方式

为了确保DEH系统控制的可靠性，DEH系统设有四种运行方式，机组可以在其中任何一种方式下运行，其顺序为：

二级手动

一级手动

操作员自动

汽轮机自动（ATC），相邻两种运行方式互相跟踪，并且可以无扰切换。此外，在二级手动以下还有一种硬手操，它作为二级手动的备用，但二者不能跟踪和切换。1．二级手动运行方式是跟踪系统中最低级的运行方式，仅作为备用运行方式。它全部由成熟的常规模拟元件组成，以便在数字系统出现故障时，自动转入模拟系统控制，确保机组安全可靠。2．一级手动是一种开环运行方式，运行人员在操作盘上按键就可以控制各阀门的开度，各按键之间逻辑互锁，同时具有操作超速保护控制器（OPC）、主汽阀压力控制器（TPC）、外部触点返回（RUNBACK）和脱扣等保护功能。此运行方式作为汽轮机自动（ATC）方式的备用。3．操作员自动方式是DEH调节系统的最基本的运行方式，用这种方式可实现汽轮机转速和负荷的闭环控制，并且具有各种保护功能。该方式设有完全相同的A和B双机系统，双机容错，具有跟踪和自动切换功能，也可以实现强迫切换。在这种方式下，目标转速和目标负荷及其速率，均由操作员给定。4．汽轮机自动（ATC）是最高一级运行方式。此时包括转速和负荷及其速率，都不是来自操作员，而是由计算机程序或外部设备进行控制。因此它是最高一级运行方式。（四）DEH调节系统的控制模式

DEH的控制器，是DEH调节系统的核心。它有两种控制模式：1．主汽阀（TV）控制模式：主汽阀控制又有两种控制方式：（1）主汽阀自动（AUTO）方式，此亦称为数字系统控制方式。当计算机发出指令进行控制时，称为汽轮机主汽阀自动控制（ATC）方式；当由操作员在操作盘通过计算机进行控制时，称为汽轮机主汽阀操作员自动控制。

(2）主汽阀手动方式,此时，数字系统不参与，而是通过模拟系统对机组进行控制。主汽阀控制系统用于启动升速和机组跳闸时进行紧急停机。在冷态启动开始阶段，是由主汽阀控制汽轮机的转速，调节阀处于全开状态；当转速达到96%时，转速控制由主汽阀切换到调节阀，然后主汽阀全开，直到并网带负荷运行，在此期间只要不出现机组跳闸，机组始终由调节阀进行控制。2．调节阀（GV）控制模式

（1）调节阀自动（AUTO）方式：调节阀自动（AUTO）方式即计算机参与的控制方式，是数字系统运行。在负荷控制阶段，GV有以下五种运行方式:操作员自动控制方式（OA）、遥控方式（REMOTE）、电厂计算机控制方式（PLANT

COMP）、自动汽轮机控制方式（ATC）、（５）电厂限制控制方式。（２）调节阀手动方式在调节阀手动控制方式下，计算机不参与控制，而是由运行人员发出指令，通过模拟系统输出的信号进行控制。因此，不管是主汽门（TV）控制还是调节汽门（GV）控制，都有数字控制和模拟控制两种方式。它们之间应设有数/模（D/A）转换和跟踪系统，便于在系统或运行方式变化时，实现无扰切换。401DEH系统与液调系统的比较

1.1系统的结构组成液调系统比较常见的有径向离心泵液压调速系统、旋转阻尼液压调速系统和高速弹性调速器调速系统等几种，它们的调节原理基本相同，都是通过连在汽轮机主轴上的一个机械部件来感应主轴转速的变化情况，并将这种变化转换为一次油压，一次油压再通过机械的放大机构被转换放大为二次油压，最终通过错油门来控制调节阀油动机的开度，油动机再通过杠杆或凸轮传动机构启闭相应的调门。在油动机动作的同时，其开度反馈机构（杠杆弹簧机械反馈系统或油口反馈系统）将油动机的开度反馈至放大机构，从而形成对转速或负荷的闭环控制。而机组转速或负荷的设定则是通过操作同步器实现的。

数字电液控制系统的控制原理与传统调节系统相似，但它完全取消了传统调节系统中的机械式转速感应装置、放大机构和阀位反馈机构，取而代之的是转速探头、微控制器、LVDT等电子元件或系统。转速探头将检测到的汽轮机转速以交流电压信号的形式输入转速测量卡，并在转速测量卡内通过A／D转换器转换为数字量信号，同样LVDT测得的阀门开度信号也被转换为数字量信号，这两个信号被同时输入数字式计算机进行运算处理，得到调门开度指令，该指令经过D／A转换器转换为模拟量后被送至电液转换器去控制油动机的开度，每个阀门均由各自独立的电液转换器控制。机组转速或负荷的设定通过系统接口计算机或备用硬操盘进行，除了能完成转速和负荷的手动控制，还能实现转速和负荷的完全自动控制。1.2系统的动、静态特性稳定性、超调量、过渡时间、速度变动率、迟缓率、静态特性曲线（四方图）等参数或曲线系列是衡量汽轮机调节系统动、静态特性的主要指标，由于其结构上的局限性，液调系统响应速度较低，机械间隙引起的迟缓率大，静态特性固定，无法根据需要而任意变动。而数字电液控制系统，由于其系统结构和控制方式与传统的调节系统有很大的不同，系统部分动、静态特性与液调系统有一定的差别，特别是其静态特性基本上是由系统软件的内部设定值决定的，甚至还可以方便地进行改动，几乎可完全满足用户的需要，系统的动态特性则由于系统中间环节的计算机化而比液调系统有了很大程度的改善。2DEH系统的主要功能数字电液调节系统由于引入了计算机作为控制核心，其功能有了巨大的扩展，很多液调系统难于实现，甚至根本无法实现的功能均能在DEH系统中方便地实现。计算机系统的开放性和优异的可扩充性则使DEH系统可以满足控制技术进一步发展的需要。数字电液调节系统的主要功能包括：（1）转速控制这是DEH最基本，也是最重要的功能。通过改变设定值（手动或自动）可使机组启动、升速，或维持在某一固定转速，目前的DEH系统一般都能达到0．1％的转速控制精度，明显优于液调系统。此外，通过DEH的人机界面还可方便地对机组的升速率进行设置，而在机组过临界时则能按预先设好的升速率自动高速冲过临界转速。而且，由于系统控制精度较高，目前的DEH系统在最大升速率下机组转速控制的超调量一般都小于0．15％。与液调系统相比，这将大大减轻汽机操作人员的劳动强度，提高机组运行的稳定性。（2）自动同期当机组升速至额定转速时，汽轮机控制系统具有与自动同期装置的接口功能。能根据自动同期装置的指令完成汽轮发电机组的转速匹配以确保发电机自动并网，并使机组带上初负荷，而液调机组一般无法实现此项功能。（3）超速保护控制这也是DEH系统所特有的功能。超速保护控制（OPC）回路随时监测机组转速，当汽轮机转速达到程序设定值（如103％额定转速）时，OPC电磁阀动作，关闭高中压调节汽门，待转速恢复正常时重新开启这些阀门，维持额定转速，这可以有效抑制机组在甩负荷等暂态工况下的转速飞升。（4）负荷控制负荷控制是DEH系统的基本功能之一。在机组带负荷运行的情况下，系统能按给定的负荷指令和变负荷率自动改变负荷调节的给定值，从而改变机组负荷。（5）压力控制在定压运行方式，DEH通过压力控制器将主汽压力自动维持在设定值，而液调机组则无法实现此项功能。（6）阀门管理

DEH系统中各汽阀的控制是独立的，每个阀门都由各自独立的油动机和伺服系统驱动，阀门的特性曲线和控制策略则由软件决定，因此可以方便地实现汽机全周进汽／部分进汽方式间的无扰切换，而液调机组汽阀的线性化是通过机械凸轮实现的，存在着精度差、易卡涩、维护难等缺点，而且只支持单一的进汽方式。这也是需要对液调机组进行DEH改造的重要原因之一。（7）阀门在线试验在阀门管理功能的支持下，可方便地对各汽阀进行全行程在线活动试验，并保证机组负荷在试验过程中不发生大的波动，这也是液调机组无法实现的功能。（8）汽轮机自启动当控制系统置于汽轮机自启动运行方式时，运行人员只须按一个启动键，机组即可自动启动、升速至额定转速，甚至并网、带负荷，在此过程中，目标转速、升速率、过临界转速的升速率的给定、暖机过程控制以及阀切换等均由程序中预设的汽轮机自启动曲线给出。汽轮机自启动功能的实现相对于传统的液调系统而言，使汽轮机控制的自动化程度有了质的飞跃。（9）超速跳闸保护（OPT）当机组转速达到超速遮断保护动作值时，控制系统立即发出停机指令，迅速关闭主汽门和调节汽门，使机组跳闸。由于DEH的电超速保护回路通常都为三冗余配置，具有很高的可靠性，而且其结构简单、维护方便，较之传统的机械超速系统更具优越性，有些进口机组甚至已完全取消了机械超速装置。（10）与其它系统的接口现代化的大型发电厂已普遍采用分散控制系统（DCS）对整个电厂进行监控，在液调系统中DCS只能实现对机组运行参数的监视，而无法对机组进行控制，但当机组配备了DEH系统后，DCS即可通过DEH提供的接口对机组进行完全的控制，这也为机组实现远程AGC控制奠定了基础。（11）参数监视

DEH系统的CRT能显示机组运行状态等重要参数，并为运行人员提供操作指导。通常系统还具有定时打印和事故追忆功能。3液调系统进行DEH改造的必要性和可行性

3.1必要性汽轮发电机组的控制要求具有较高的精度和可靠性，传统的纯液调或电液控制系统，不但系统复杂，控制精度差，无法实现CCS协调控制和AGC远程调度，而且系统故障率也高，更不能满足机组控制高度自动化的要求。目前国内的大部分液调机组都是90年代以前生产的，限于当时的计算机技术发展水平，DEH控制系统尚处在研发阶段，技术尚不成熟，系统也不够稳定，因此当时的机组绝大部分都采用液调系统；而在80年代以前，DEH技术尚未被应用到汽轮机控制领域，几乎所有的机组均采用液调。这批机组一度曾是国内电力系统的主力机组，数量可观，如能对这些机组进行DEH改造，必将大幅提高我国电力系统的自动化水平，并能在很大程度上提高机组的可靠性、经济性，降低煤耗。随着数字电液控制技术的进一步完善，传统的液调控制系统必将逐渐被DEH控制系统所取代。3.2可行性近年来计算机技术迅速发展，微型计算机的性能，特别是稳定性和可靠性得到了很大的提高，