600MW汽轮机组控制系统仿真分析

PAGE重庆电力高等专科学校毕业设计说明书设计题目：600MW汽轮机组控制系统仿真分析专业：工业热工控制技术班级：热控1011学号：姓名：指导教师：重庆电力高等专科学校动力工程系二〇一三年六月目录7611毕业设计任务书 112623引言 329450一、绪论 4176341.课题背景及意义 494612.国内外研究现状 4296563.论文研究主要内容 510756二、600MW汽轮机控制系统数学模型的建立 736981.汽轮机组简介 7158802.600MW汽轮机数学模型的建立 9923三、600MW汽轮机数字电液控制系统仿真 22135821.数字电液调节系统（DEH）简介 22237082.汽轮机负荷控制系统仿真 2510993四、结论 3218155工作小结 337230致谢 349711参考文献 35PAGE7毕业设计任务书一、毕业设计（论文）任务的具体内容与要求（一）设计任务近年来，随着国家电力工业飞速发展，火力发电作为现代电力生产中的主要形式，其现场技术水平不断提高。随着大容量机组的出现、蒸汽参数的提高以及电网容量的增大，要求大机组承担电网的调峰和调频任务，机组负荷的频繁调整对机组的安全、经济性提出了考验。基于此，人们日益重视对汽轮机控制系统的分析和研究。本课题主要对目前广泛应用的600MW汽轮机组的内部结构和特性进行了分析、设计了600MW汽轮机控制系统的数学模型，对控制系统的进行了仿真研究。（二）设计成品1．设计说明书一份：（1）毕业设计说明书要条理清楚、文字通顺、整齐美观、格式规范；

（2）毕业设计说明书不少于15000字，并有必要的图表，图表不少于5张；（三）基本要求1．理解600MW汽轮机组的结构特点；2．设计600MW汽轮机组的数学模型；3．分析控制系统的性能。二、推荐的主要参考文献1．王爽心,葛晓霞.汽轮机数字电液控制系统.北京:中国电力出版社,2004,12-632．孙奎明,时海刚.热工自动化.北京:中国电力出版社,20063．文贤馗.火电厂汽轮机控制系统改造.北京:中国电力出版社,20044．飞思科技产品研发中心.MATLAB7辅助控制系统设计与仿真.北京：电子工业出版社,2005指导教师（签字）签发日期年月日600MW汽轮机组控制系统仿真分析摘要:论文以构建机组全工况仿真模型、研究机组的节能优化运行为研究背景，以某600MW超临界机组为研究对象，分析了汽轮机系统的特点，按照复杂系统层次化建模的思想，利用Matlab/Simulink仿真支撑系统构建了汽轮机系统仿真模型，重点建立了该对象中各环节（电／液转换器、油动机、蒸汽容积、中间再热器、转子等）的数学模型，并在MATLAB环境下对各个环节的动态特性进行了仿真研究，验证了各环节数学模型的正确性。关键词：汽轮机系统；数学模型；仿真研究Analysisofcontrolsystemsimulationof600MWsteamturbineAbstract：Thepaperworksfromthebackgroundoftheconstructionofallworkingconditionssimulationmodelandtheresearchonenergysavingoptimizationoperationofunit.Ittakes600MWsupercriticalunitasresearchobject,afteranalyzingcharacteristicsofsteamturbinesystem,thesteamturbinemathematicalmodelisprovidedusingthetoolofMatlab/Simulink,alongwithahierarchicalmodelingcomplexsystemapproach.Themathematicmodelsofthemaincomponentassembliessuchaselectrohydraulicservo，servomotor，inletsteamcubage，intermediatereheaterandrotorarebuiltbyusingtheapproachofmechanismanalysis，andtheirdynamiccharacteristicissimulatedinMATLABenvironmentandthemathematicmodelsofthemaincomponentareverifiedcorrectly.Keywords：steamturbinesystem；mathematicalmodel；simulationandresearch引言目前，我国火电机组平均供电煤耗与发达国家相比仍有较大差距。在煤炭资源日益消耗、电煤供应日益紧张、环境压力日益增大的严峻形势下，加强研究解决燃煤发电机组节能、减排问题已成为保障我国经济可持续发展的一个关键问题。优化运行是燃煤发电机组实现节能减排的有效途径之一。本文利用Matlab/Simulink仿真支撑系统构建了汽轮机系统仿真模型，通过仿真验证了各环节数学模型的正确性。为进一步构建全厂的仿真模型，研究机组的变工况能耗特征，实现机组的节能优化运行奠定了基础。一、绪论1.课题背景及意义我国是世界上主要的煤炭生产大国和消费大国之一，一次能源主要的是煤炭，而煤炭的主要用户是电力工业。随着国民经济的发展，我国对电力的需求也越来越大。600MW超临界机组正在成为我国电网的主力机组，但是我国的超临界机组在设计、运行等方面的水平较国外先进水平还有一定差距，因此，需要对600MW超临界机组热力系统进行系统的分析、研究和优化，找出其节能的潜力，为超临界机组的节能指明方向，使超临界机组发挥出其真正的优越性。电液控制的汽轮机于20世纪中进入火电厂，在60年代出现了把电子技术和液压技术相结合的模拟电子控制系统，到了70年代出现了数字式电液控制系统（DEH）80年代DEH发展到了较高的阶段，已普遍应用于大型汽轮发电机组上。早期的DEH系统多以小型计算机为核心构成，而随着计算机技术的飞速发展，电子元器件性能和可靠性的极大提高，近期的DEH系统均以微机为基础。论文旨在利用Matlab/Simulink仿真工具，按照复杂系统层次化建模的思想建立汽轮机系统的仿真模型，其中汽轮机本体模型使用本课题已经建好的模型。在此模型的基础上研究各系统的不同运行工况下的运行参数的变化规律，得出各系统变工况耦合运行特性和能耗控制方法，研究完善系统经济运行理论和系统设计方法，为大型燃煤发电机组的安全经济运行提供理论指导研究工作奠定基础，在此基础上发掘系统的节能潜力。2.国内外研究现状2.1国外汽轮机控制系统技术的发展国外所有汽轮机控制系统都是作为汽轮机本体的主要部件，由汽轮机厂设计和配套供货，汽轮机性能由汽轮机厂负责。部分汽轮机厂所属企业集团中具有自动化部门时，大多由该部门协作开发汽轮机控制系统，并由自动化部门生产电调系统的电气部分。由于汽轮机这一控制对象有别于一般对象，电调系统的电气部分并不一定与自动化部门生产的常规控制器通用。

现存的不同类别的DEH系统各具不同特点，从完善提高的角度看，它们可根据实际机组的运行要求和条件相互借鉴，这对用软件来实现控制功能的系统是极为方便的。就发展我国的DEH系统而言，掌握和合理运用这些特点，对系统的设计、分析、整定，提高DEH的水平都是十分必要的。2.2我国汽轮机控制系统技术的发展和应用我国汽轮机电调系统的技术开发工作基本和欧美各国同步，但由于国内生产的电子元气件性能和可靠性当时还较低，再加上电力系统内部传统观念的影响，阻碍了电调控制系统的发展。直到90年代初，在国外成套进口机组多数配备电调控制系统和引进300MW、600MW火电机组技术形势下，由原国务院重大技术装备办公室主持，原机械部、水电部配合，上海新华公司成功地开发出与引进型汽轮机配套的电调控制系统，此后，电调控制系统才在国内大容量机组上得到广泛的应用。

目前，我国汽轮机组配套的电调控制系统主要有：电液并存式控制系统、模拟电路构成的电调系统、专用型数字式控制系统和通用型数字式控制系统。2.3仿真支持系统仿真支撑系统是辅助建模、调试和运行支撑等系统的组合，通过将它们有机地结合，可以在整个仿真周期内为仿真系统开发者和最终用户提供一个开发和运行环境。目前我国用于电站仿真自动建模的成熟软件尚不多见，且大多是从国外引进或进行了二次开发的产品，主要有清华能源仿真开发的电站图形化仿真建模系统GNET（GraphicalNETworkmodelingsystem）和仿真支撑环境ISSE、华北电力大学仿真控制技术工程公司在美国ABB公司CETRAN基础上开发的STAR-90模块化建模环境，北京同方电子科技有限公司在ISSE的基础上开发了DCOSE，亚洲仿真控制系统工程有限公司（ASC）在原美国LINK公司S3基础上开发的ASCA系统等，深圳市本鲁克斯仿真控制有限公司开发的一体化仿真支撑软件PROSIMS。MATLAB自由美国MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展，现已成为国际公认的最优秀的科技应用软件。Simulink是MATLAB提供给用户的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它支持连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统、线性和非线性系等系统的建模，用户建模通过简单的调用模块就可完成。Simulink工具箱通过自带的模块库为用户提供多种多样的基本功能模块，用户可以随意调用这些模块。这样就可以让设计者把更多的精力放在更为重要的、更具有创造性的算法和模块结构设计上来。Simulink的每一个模块对于用户来说都相当于一个“黑匣子”，用户只需要知道模块的输入和输出及功能即可，把模块按照自己的模型结构连接起来，选择合适的算法，最后进行调试仿真。3.论文研究主要内容本文建立了600MW超临界机组汽轮机系统主要设备的仿真模型，对在不同边界条件下对仿真模型的性能进行了仿真研究，针对600MW汽轮机组的特点，分析系统各环节的动、静态特性，用模块化建模方法建立控制系统的整体仿真模型，为研究并改善控制系统的性能打下基础。利用Matlab/Simulink仿真支撑系统构建了汽轮机系统仿真模型，重点建立了该对象中各环节（电／液转换器、油动机、蒸汽容积、中间再热器、转子等）的数学模型，并在MATLAB环境下对各个环节的动态特性进行了仿真研究，通过仿真研究得到了不同扰动下（负荷扰动、汽压扰动、功率给定值扰动）控制系统的功率和转速输出曲线，并给出了控制器参数和参数的整定方法。二、600MW汽轮机控制系统数学模型的建立1.汽轮机组简介1.1汽轮机在我国的发展状况（1）中国汽轮机发展起步比较晚。1955年上海汽轮机厂制造出第一台6MW汽轮机。1964年哈尔滨汽轮机厂第一台100MW机组在高井电厂投入运行；1972年第一台200MW汽轮机在朝阳电厂投入运行；1974年第一台300MW机组在望亭电厂投入运行。70年代进口了10台200—320MW机组，分别安装在了陡河、元宝山、大港、清河电厂。70年代末国产机组占到总容量70%。（2）1987年采用引进技术生产的300MW机组在石横电厂投入运行；1989年采用引进技术生产的600MW机组在平圩电厂投入运行；2000年从俄罗斯引进两台超临界800MW机组在绥中电厂投入运行。（3）上海汽轮机厂是中国第一家汽轮机厂，在1995年开始与美国西屋电气公司合作成立了现在的STC，1999年德国西门子公司收购了西屋电气公司发电部，STC相应股份转移给西门子。哈尔滨汽轮机厂1956年建厂，先后设计制造了中国第一台25MW、50MW、100MW和200MW汽轮机，80年代从美国西屋公司引进了300MW和600MW亚临界汽轮机的全套设计和制造技术，于1986年制造成功了中国第一台600MW汽轮机，目前自主研制的三缸超临界600MW汽轮机已经投入生产。东方汽轮机厂1965年开始兴建，1971年制造出第一台汽轮机，目前的主力机型为600MW汽轮机。北京北重汽轮电机有限责任公司做为后起之秀，以300MW机组为主导产品，它是由始建于1958年的北京重型电机厂通过资产转型在2000年10月份成立的又一大动力厂，目前2台600MW汽轮机也已经在今年投入生产。（4）目前中国四大动力厂以600MW和1000MW机组为主导产品。1.2汽轮机自动调节系统的发展汽轮机是电厂中的重要设备，在高温高压蒸汽的作用下高速旋转，完成热能到机械能的转换。汽轮机驱动发电机转动，将机械能转换为电能，电力网将电能输送给各个用户。为了维持电网频率，要求汽轮机的转速稳定在额定转速附近很小的一个范围内，通常规定此范围为±1.5~3.0r/min。为了达到此要求，汽轮机必须配备可靠的自动调节系统。汽轮机自动调节系统的发展经历了以下几个阶段：（1）机械液压式调节系统（MHC）早期的汽轮机调节系统是由离心飞锤、杠杆、凸轮等机械部件和错油门、油动机等液压部件构成的,称为机械液压式调节系统（mechanicalhydrauliccontrol,MHC）,简称液调。这种系统的控制器是由机械元件组成的,执行器是由液压元件组成的。由汽轮机原理知道，MHC仅具有窄范围的闭环转速调节功能和超速跳闸功能,其转速—功率静态特性是固定的,运行中不能加以调节。但是由于它的可靠性高,并且能满足机组运行的基本要求,所以至今仍在使用。（2）电气液压式调节系统（EHC）随着机组单机容量的增大和中间再热机组的出现,单元制运行方式的普遍采用以及电网自动化水平的提高,对汽轮机调节系统提出了更高的要求,仅依靠机械液压式调节系统已不能完成控制任务。这时产生了电气液压式调节系统（electrichydrauliccontrol,EHC）,简称电液调节。这种系统有两个控制器,一个控制器由电气元件组成,一个控制器由机械元件组成,执行部件仍保留原来液压部分。这种系统具有信号综合方便，运算精确度高，能适应多种运行工况的特点,而且操作、调整和修改都比较方便。由于早期电气元件的可靠性还比较低,组成电路的可靠性还不能满足汽轮机调节系统的要求,因此保留了由机械元件组成的控制器作为后备调节手段，正常控制由电调的电路完成，当电调的电路因故障退出工作,还有机械液压式调节系统接替工作,以保证机组的安全连续运行。（3）模拟式电气液压调节系统（AEH）随着电气元件可靠性的提高,出现了不依靠机械液压式调节系统作后备的纯电调系统。由于液压执行机构的特性优良，纯电调的电液控制系统仍保留了液压执行机构。为了改善电液控制系统的特性，满足安全防火的要求，现代的电液控制系统采用高油压、抗燃油，调速油压提高到12MPa。这样，汽轮机的控制油系统和润滑油系统就完全分成为两个独立的系统。开始采用的纯电调系统的控制器是由模拟电路组成的,称为模拟式电气液压调节系统（analogelectrichydrauliccontrol,AEH）,也称模拟电调。控制器和液压执行机构之间通过电液转换器相连接。（4）数字式电气液压调节系统（DEH）随着电子计算机技术的发展，20世纪80年代出现了以数字计算机为基础的数字式电气液压控制系统（digitalelectrichydrauliccontrol,DEH）,简称数字电调。其组成特点是控制器用数字计算机实现,执行部件保留原有的液压执行机构。早期的数字电调大多是以小型计算机为核心的,微机出现后,数字电调也采用了微机，并已在我国电厂得到广泛应用。近年来,在分散控制系统发展的影响下,汽轮机DEH系统逐步转向由分散控制系统组成。本章主要介绍国内广泛应用的上海新华电站控制工程有限公司生产的汽轮机数字式电液调节DEH-Ⅲ系统。2.600MW汽轮机数学模型的建立被控对象主要分为六个部分：电／液转换器、油动机、高压缸蒸汽容积、中间再热器、中压缸蒸汽容积和汽轮机转子。如图2-2所示。汽轮机转子中压缸蒸汽容积高压缸蒸汽容积电/液转换器高压油动机电/液转换器汽轮机转子中压缸蒸汽容积高压缸蒸汽容积电/液转换器高压油动机电/液转换器μ1nP1μμ1nP1μ1M1M1中间再热器中压油动机μ2中间再热器中压油动机μ2M2M2图2-2汽轮机被控对象方框图图5-1中，μ1为高压主汽门（高压调速汽门）开度指令；M1为高压油动机行程，μ2为中压主汽门（中压调速汽门）开度指令；M2为中压油动机行程，P1为高压缸容积蒸汽压力（调节级压力）；为中问再热器出口蒸汽压力；为高压缸功率；为中／低压缸功率；为汽轮机功率，N为汽轮机负荷（发电机有功功率）；n为汽轮机转子转速。2.1电／液转换器（1）概述电液转换器将电信号转换为液压信号的转换器。电液转换器常用于将电动调节仪表的输出信号转换为液压信号，驱动液动执行器动作。液动执行器具有功率大、机械刚性好、动态响应快等特点，因此它在精密控制系统、重型机床、汽车、船舶和航空航天中都有广泛的应用。在汽轮机电液控制系统中，电液转换器把电信号转换为相应的液压信号，再由液压缸控制汽轮机调节阀的开度。因此在汽轮机中，电液转换器起着举足轻重的作用，电液转换器性能的优劣决定着整个EHC性能的好坏，一旦电液转换器出现故障，整个EHC会丧失功能。”（2）分类动圈式电液转换器、动铁式电液转换器、碟阀型电液转换器。（3）作用电／液转换器是将DEHC发来的电信号控制指令转换、放大为液压信号，由液压执行机构去控制调节阀，实现自动调节。（4）动铁式电液转换器图2-3动铁式电液转换器双喷管型电液转换器由控制线圈、永久磁钢、可动衔铁、弹性管、挡板、喷管、断流滑阀、反馈杆、固定节流孔、滤油器、外壳等主要零部件构成如图2-3所示。压力油进入电液转换器后分成两股油路。一路经过滤油器与左右端的固定节流孔到断流滑阀两端的油室，然后从喷管与挡板间的控制间隙流出。一路压力油就作为移动油动机活塞用的动力油，由断流阀控制。（5）动铁式电液转换器的信号转换动铁式电／液转换器由控制线圈、永久磁铁、可动衔铁、弹簧管、挡板、喷嘴、断流滑阀、反馈杆、固定节流孔、滤油器、外壳等主要零部件组成。当EHC装置送来的电气信号输入控制线圈在永久磁铁磁场的作用下，产生偏转扭矩，弹簧管及挡板在可动衔铁带动下旋转，改变了喷嘴与挡板的间隙。间隙增大一侧的油路油压降低，间隙减小一侧的油路油压升高。通过油压差的作用，断流滑阀移动，油动机通高压油及回油的两个控制窗口被打开，油缸活塞移动，从而调整调节汽阀的开度。信号转换过程：1）差动电压信号U引起控制线圈中的电流I变化；2）I的变化引起电磁力矩T发生变化；3）T与反馈力矩的合力矩的变化引起衔铁转角秒发生变化；4）θ的变化引起挡板位移发生变化；5）变化引起滑阀位移发生变化。在此过程中还涉及到两个反馈：一个是挡板上的压力反馈，另一个是反馈杆变形引起的力反馈。因为作用在挡板上的压力反馈的影响比反馈杆变形引起的力反馈小得多，故忽略此反馈，于是反馈力矩L就等于由反馈杆变形所引起的力矩。上述信号转换过程对应的系统方框图如图2-4所示。（s）T（s）I（s）U（s）（s）T（s）I（s）U（s）θ（s）rθ（s）r -图2-4电／液转换器信号转换方框图由图5-5可得电／液转换器的传递函数为：（2.1）

式中，（2.2）（2.3）（2.4）由于足够大，式（2.1）可用一阶惯性环节来近似表示，即式（2.1）可写为：（2.5）对上式各物理变量进行无量纲化处理，得到的电／液转换器的传递函数如下式所示：（2.6）式中，电／液转换器的时间常数。根据上述数学模型建立的电／液转换器传递函数框图如图2-5所示。μxv图2-5电／液转换器传递函数框图μ控制信号输入；xv中间滑阀位移输出。2.2油动机（1）概述油动机是汽轮机调节保安系统的执行机构，它接受DEH控制系统发出的指令，操纵汽轮机阀门的开启和关闭，从而达到控制机组转速、负荷以及保护机组安全的目的。（2）油动机的构成和类型1）油动机由油缸和一个控制集成块相连而成，两者之间由“O”形密封圈实现静密封。按照其控制方式的不同，油动机分为连续型（主要用于调节阀油动机）和开关型（主要用于主汽阀油动机）两类。其原理如图2-6所示。（a）开关型油动机（b）连续型油动机图2-6油动机2）油缸油动机的油缸，其开启由抗燃油驱动，而关闭是靠弹簧紧力，属单侧进油的油缸，为保证油缸快速关闭时，蒸汽阀碟对阀座的冲击力在允许的范围内，在油缸的活塞的尾部采用了缓冲装置，它可在活塞到达行程末端时迅速减速。油缸为活塞式液压伺服缸，主要由由活塞、活塞杆、前端盖、后端盖、缸筒、缓冲装置、防尘导向环、活塞杆串联密封、活塞密封和相应的联结件构成，其结构见图2-7所示。图2-7油缸3）控制集成块控制集成块的作用是将所有的液压部件安装连接在一起。由于采用了油路块，大大减少了系统中元件之间相互连接的管子和管接头，消除了许多潜在泄露点。油动机的控制块上装有伺服阀（或电磁阀）、卸荷阀、遮断电磁阀、单向阀及测压接头等。（3）油动机的工作原理液压伺服系统有两个功能：一是控制阀门的开度，二是伺服机构、阀门系统的快速卸载，即阀门的快关功能。对于连续型油动机，其阀门的开度控制是一个典型的闭环位置控制系统。对于开关型油动机其阀门的开度控制则是一个开环控制系统。现以连续型（调节阀）油动机为例加以说明。当遮断电磁阀失电时，控制油通过遮断电磁阀进入卸载阀上腔，在卸载阀上腔建立起安全油压，卸载阀关闭。油动机工作准备就绪。计算机送来的阀位控制信号通过伺服放大器传到伺服阀，使其通向负载的阀口打开，高压油进入油缸下腔，使活塞上升并在活塞端面形成与弹簧相适应的负载力。由于位移传感器（LVDT2只，冗余配置）的拉杆与活塞连接，所以活塞的移动便由位移传感器产生位置信号，该信号通过解调器反馈到伺服放大器的输入端，直到与阀位指令相平衡时，伺服阀回到零位，遮断其进油口和排油口，活塞停止运动。此时蒸汽阀门已经开到了所需的开度完，成了电信号———液压力———机械位移的转换过程。随着阀位指令信号有规律的变化，油动机不断地调节蒸汽阀门的开度。（4）开关型油动机传递函数推导根据油动机的工作原理可知，当滑阀移动时，油动机的进油流量为：（2.7）油动机的排油流量为：（2.8）式中，进油压力；进入油动机活塞底部后油的压力；油动机活塞底部的油排出前的压力；出油压力；一油口的流量系数；滑阀的位移变化量；油口的宽度；压力油的密度。由于,忽略油流运动的惯性力和开启调节汽门的提升力，有：，则，（2.9）又因为油动机的进油量等于油动机活塞移动时单位时间内所扫过的体积，结合式（2.9），得：（2.10）式中,A一一进油侧活塞的有效面积；Z一一油动机活塞行程的变化量。对式（5.10）进行拉氏变换，得：（2.11）油动机的传递函数为：（2.12）式中，一一油动机的时间常数。油动机的时间常数一般为0．1～O．3s。显然油动机的时间常数愈大，油动机的关闭时间就愈长。为降低机组甩负荷工况下的最高飞升转速，必须要求油动机的时间常数尽量小些。根据上述数学模型建立的油动机传递函数框图如图2-8所示。图中，xv、m分别表示中间滑阀位移输入和调节阀开度输出。xv m图2-8油动机传递函数框图2.3蒸汽容积方程蒸汽容积如图2-9所示，蒸汽由阀门1流入体积为V的容器，然后从阀门2流出。阀门1阀门2图2-9蒸汽容积示意图设容器中气体的压力为P，阀门1前气体压力为p1，阀门2后气体压力为p2，当p1和p2均为常值时，流经阀门1和阀门2的流量将是容积中压力p和阀门开度s的函数，即：（2.13） （2.14）

式中，一一阀门1的蒸汽流量；一一阀门1的开度；一一阀门2的蒸汽流量；一一阀门2的开度。由气体流动的连续方程式，流入与流出容器的蒸汽量之差，应该等于该容器内气体密度ρ的变化与其体积ν之积，即，（2.15）将上式用泰勒级数展开，略去高阶项，并设则得：（2.16）假设气体的状态变化是按多变过程进行的，即=常数，则代入式（2.16），并简化得，（2.17）式（2.17）即为一般形式的气体容积方程式。对于调节阀与喷嘴之间的蒸汽容积，因为喷嘴组的出口面积是不变的，故即，于是式（2.17）简化为：（2.18）在稳定状态下当阀门1的位移从0 时，容积中的压力将从0代入式（5.18）后，得,则，式（2.18）可写成：（2.19）经拉氏变换，蒸汽容积的传递函数为：（2.20）式中，一一蒸汽容积时间常数。2.4中间再热器方程将中间再热器看成一个集中容积，即认为其内的压力是处处相等的，则它和喷嘴室容积是非常相似的，只是控制它的进汽量的是喷嘴室中的压力，而不是高压调节阀的开度，其连续方程式为：（2.21）参考式（2.19）的推导过程，可得中间再热容积的运动方程式：（2.22）上式经拉氏变换可得，以流进中间再热器的蒸汽流量相对变化量为输入信号，以压力的相对量为输出信号的中间再热器传递函数为：（2.23）式（2.23）中，一一再热器容积时间常数。对于中间再热式机组，汽轮机被再热器分为高压缸和中、低压缸两部分。高压缸的功率特性与中间再热器的功率特性相似，即高压缸蒸汽流量变化与高压缸功率变化成正比。对于中、低压缸,由于前面有一个容积相当大的中间再热器，其功率特性有所不同，其功率随着再热器内压力的变化随之变化。其中，表示高压缸功率占机组总功率的比例，约为1／3；表示中低压缸功率占机组总功率的比例，约为2／3；为中间再热器时间常数。根据上述数学模型，并参照600MW汽轮机的结构，建立的汽轮机蒸汽容积传递函数框图如图2-10所示。图中，为中压缸蒸汽容积，m、分别表示调节阀开度输入和汽轮机功率输出。图2-10中间再热式蒸汽容积传递函数框图2.5汽轮机转子方程决定汽轮机转子运动的因素有三个：（1）汽轮机的蒸汽转矩；（2）负载反转矩；（3）摩擦转矩，不平衡转矩使转子产生角加（减）速度。由于远远小于和，可以将其忽略，所以转子的力平衡方程是：（2.24）式中，J一一转子的转动惯量；ω一一转子角速度。汽轮机的蒸汽转矩与转子的角速度ω和蒸汽流量，即喷嘴室内的蒸汽压力P有关。在功率不变时，角速度愈大，蒸汽转矩愈小，蒸汽流量愈多，喷嘴室中的压力愈高，则汽轮机的蒸汽转矩愈大。它们之间的关系可以表示为：（2.25）发电机的反转矩的大小，首先决定于用户的用电量，它随时间t而变化；其次与负载的性质有关。一般的，角速度愈大，反转矩愈大，其关系为：（2.26）将和代入式（5.24）可得：（2.27）将上式按泰勒级数展开，略去高阶项，并设，则得：（2.28）上式还可写成：（2.29）式中，表示汽轮机空载至额定负荷时，喷嘴室中蒸汽压力的变化值。因所以令并设则得，（2.30）式中，一一汽轮机转子的时间常数；一一机组自平衡系数。对式（2.30）进行拉氏变换，则得到汽轮机转子的传递函数为（=0时）：（2.31）一般取6～15秒，且随着机组功率的增大，有减小的趋势。此外，单机运行时，忽略转子的自平衡能力，汽轮机转子为积分环节，传递函数可表示为：（2.32）并网运行时，转子与电网频率同步，其特性近似为惯性环节，传递函数可表示为：（2.33）式中B为考虑电网频率变化时负荷的自平衡能力和电网中各并列机组调节系统对电网频率影响的系数。.根据上述数学模型，考虑汽轮机并网运行下建立的汽轮机转子传递函数框图如图2-11所示。图中，和n分别表示汽轮机功率、汽轮机负荷（发电机有功功率）和汽轮机转子转速。 n图-11汽轮机转子传递函数框图2.6其它环节的数学模型（1）测速反馈环节其传递函数可表示为：（2.34）因为测速装置时间常数很小，所以可将该惯性环节近似为：（2.35）（2）测功反馈环节分析时假设测量得到的发电机功率已完全校正为汽轮机的实发功率，该环节也可近似为：（2.36）三、600MW汽轮机数字电液控制系统仿真1.数字电液调节系统（DEH）简介1.1DEH系统概述将模拟电信号转换为数字电信号、实现综合与放大，再将电信号转换为液压信号，以控制汽轮机运行的调节、保安系统。早期的DEH多以小型机为核心组成，以微机为基础的分散控制系统出现后，汽轮机DEH系统逐步转向由分散控制系统组成。1.2DEH系统的组成DEH-Ⅲ调节系统，在系统配置方面,尽可能吸收了分散控制系统可靠性高的优点；在硬件设备方面,主要部件都采用了微处理机,从而简化了硬件电路,提高了系统的可靠性。主要由五大部分组成。1）电子控制器。主要包括数字计算机、混合数模插件、接口和电源设备等,均集中布置在6个控制柜内。主要用于给定、接受反馈信号、逻辑运算和发出指令进行控制等。2）操作系统。主要设置有操作盘、图像站的显示器和打印机等,为运行人员提供运行信息、监督、人机对话和操作等服务。2）油系统。本系统的高压控制油与润滑油分开。高压油（EH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,系统设有油泵2台，1台工作,1台备用,供油油压为12.42～14.47Mpa，它接受调节器或操作盘来的指令进行控制。润滑油泵由主机拖动,为润滑系统提供1.44～1.69Mpa的透平油。2）执行机构。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,负责带动高压主汽阀、高压调节汽阀和中压主汽阀、中压调节汽阀。2）保护系统。设有6个电磁阀,其中2个用于超速时关闭高、中压调节汽阀,其余用于严重超速（110%no）、轴承油压低、EH油压低、推力轴承磨损过大、凝汽器真空过低等情况下危急遮断和手动停机之用。此外,为控制和监督用的测量元件是必不可少的,例如,机组转速、调节级汽室压力、发电机功率、主汽压力传感器以及汽轮机自动程序控制（ATC）所需要的测量值等。1.3DEH的主要功能从整体看，DEH调节系统有四大功能。（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，是通过状态监测，计算转子的应力，并在机组应力允许的范围内，优化启动程序，用最大的速率与最短的时间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。冷态启动过程包括从盘车、升速、并网到带负荷,其间各种启动的操作、阀门的切换等全过程均由计算机自动进行控制。在非启停过程中,还可以实现ATC监督。（2）汽轮机自动调节功能（供热抽汽压力）汽轮机自动调节功能一般包括：转速调节和功率调节、压力调节、汽封压力调节、供热压力调节、润滑油温调节等。闭环自动调节功能是汽轮机DEH系统的主要功能，调节品质的优劣将直接影响机组的供电参数和质量，并且对机组的安全运行也有直接影响。（3）汽轮机的自动保护功能为了避免机组因超速或其他原因遭受破坏，DEH的保护系统有如下三种保护功能:1）OPC超速保护（定值一般为103%额定转速）该保护只涉及到调节汽阀，当汽轮机的转速达到103%额定转速时，发出OPC信号动作OPC电磁阀，迅速关闭高中压调门。当转速恢复正常时，复位电磁阀，高中压调门根据转速调节开启。为了避免汽轮机超速，还设计有当汽轮机突然甩30%以上负荷时，也动作OPC电磁阀，关闭所有调门，做到提前动作预防超速。2）危急遮断控制（ETS）该保护是在ETS系统检测到机组超速达到110%no或其他安全指标达到安全界限后,通过AST电磁阀关闭所有的主汽阀和调节汽阀,实行紧急停机。保护内容一般有：电气超速保护（定值为110%额定转速）、轴向位移保护、真空低保护、EH油压低保护、润滑油压低保护、MFT保护、发电机解列保护、发变组故障保护、振动大保护、差胀大保护、DEH失电和DEH手动打闸等3）机械超速保护和手动脱扣机械超速保护和就地手动打闸。该保护是汽轮机的后备保护手段，机械超速的定值一般为110%~111%额定转速，通过飞锤或手动拉杆泄掉汽轮机的安全油压，通过隔膜阀泄掉AST油压，关闭所有主汽门和调门，实行紧急停机，以保证设备和人身的安全。4）机组和DEH系统的监控功能该监控系统在启停和运行过程中,对机组和DEH装置两部分运行状况进行监督,其中对DEH监控的内容包括重要通道、控制器CPU、电源、输入输出卡件、VCC卡以及内部程序的运行情况等；对机组监控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。对一些重要参数和状态进行监视、记录和报警，以实现趋势预测、事故追忆、效率计算等数据处理功能。重要参数一般包括：汽轮机转速、发电机功率、主蒸汽压力和温度、再热蒸汽压力和温度、凝汽器真空、调节级压力、各级抽汽压力和温度、润滑油压和油温、控制油压、油动机行程、主汽门的开关状态、转子的轴向位移和偏心、高压缸和低压缸差胀、缸胀、汽轮机各轴瓦和轴的振动、推力瓦温、EH油泵的运行状态、汽缸与转子的热应力、上下汽缸温差等。1.4DEH-ⅢA运行方式（1）手动操作（NANUAL）人工手动操作盘上的增减按钮可以直接控制汽轮机各阀门的开度，度此时各种保护处于自动，这是DEH-ⅢA的一种备用方式。（2）操作员自动方式（OA）这是DEH-ⅢA最基本的运行方式。在此方式下可进行转速、负荷、压力等闭环控制，同时具备所有保护和试验功能。此时，目标转速升速率、目标负荷升负荷率均由操作员设置。但ATC仍提供的应力裕度系数K及对应的升速率和负荷变化率，供操作人员参考。（3）自启动方式（ATC）ATC控制方式是一种联合控制方式，其实际组合形式有：OA-ATC、CCS-ATC、DCS-ATC、ADS-ATC和REMOTE-ATC等几种。此时，由前者给定目标负荷和速率，ATC负责监控，并从前述六种负荷变化率中的最小变化率作为当前执行的负荷变化率。（4）遥控方式（REMOTE）4.4.1当处于操作员自动（OA）或ATC方式时，DEH-ⅢA可以通过接口接受自动调度系统（ADS），数字控制系统（DCS）或协调控制系统（CCS）的指令就会进行转速或功率控制或实现同期的自动完成。4.4.2协调控制方式——汽机跟踪、锅炉跟踪、机炉协调控制。2.汽轮机负荷控制系统仿真2.1汽轮机负荷控制原理汽轮机DEH控制系统采用的负荷控制方框图如图3-1所示。图3-1轮机DEH控制系统的负荷控制方框图系统由三个回路串级组成：内回路调节级压力回路、中间回路功率回路、外回路转速一次调频回路。调节级压力与机组的功率有一定的对应关系，因此与功率回路一样，反馈的是机组的功率，它们与一次调频回路一起共同组成了机组的功率一频率调节系统。当汽轮机组尚未并网时，系统为单回路反馈控制，只存在转速控制。转速控制器为PI控制器。汽轮机的目标转速与实际转速的偏差信号进入PI控制器，经过运算处理后，得到调节阀门的开度信号，此信号经过电／液转换器的转换放大后操纵油动机，由油动机的提升力来控制调节阀门的开度，从而控制汽轮机的进汽量，实现对汽轮机转速的控制。开关Kl和K2的状态可由程序内部的逻辑判断或手动操作切换，通过K1和K2的不同指向决定调节级压力回路、功率回路是否投入，从而提供不同的调节运行方式。当系统处于并网后的负荷控制时，控制方案为串级PID控制。系统中的外扰是负荷扰动（发电机功率），它是一个前馈信号，内扰是蒸汽压力信号，它是一个反馈信号，此外还有转速反馈信号用于保证转速输出等于给定值。转速控制器为P控制器，功率控制器和调节级压力控制器均为PI控制器。功率给定用于增减功率，系统稳定后，机组实际增加的功率与给定的目标功率存在一个比例关系，比例系数为转速控制器的比例增益。负荷变化时，功率控制器接收负荷扰动的前馈信号，直接发出调节机组功率的信号，对机组实发功率进行调整，以保证电网的供电与用电的平衡。2.2仿真框图及参数设置在MATLAB下将各个仿真模块连接起来，得到的汽轮机并网后的负荷控制系统仿真方框图如图3-2所示。图中，分别有高压缸电／液转换器模块，高压油动机模块，高压缸蒸汽容积模块，中压缸蒸汽容积模块，中间再热器模块，汽轮机转子模块，Saturation为限幅器模块。图3-2汽轮机并网后的负荷控制系统仿真方框图图6-2中，高压电／液转换器时间常数=0.01，高压油动机时间常数=0.2，高压缸蒸汽容积时间常数=0.2，中压缸蒸汽容积时间常数=0.2，中间再热器时间常数=8，汽轮机转子时间常=8。2.3控制器参数的整定（1）PID参数整定方法PID控制器参数的整定方法很多，主要分为两大类：一是理论计算法，它是根据系统的数学模型，经过经验公式进行理论计算从而确定控制器的参数；二是工程整定法，它主要依赖现场实际经验，通过对控制系统的反复试验获得具体的参数，该方法操作简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数整定的工程整定方法，主要有响应曲线法、临界比例带法、衰减曲线法、经验法等。（2）PID参数整定具体步骤由图3-2可知，调节级压力控制器为内调节器，功率控制器为外调节器，在对它们进行参数整定时遵循“先内后外’’的原则，在单个调节器参数整定上即采用试凑法，具体步骤如下：1）将PID控制器中的积分I和微分D均设为0，系统闭环，将比例控制参数P，由小变大，观察系统输出响应曲线的变化，直至得到反应速度最快，超调量最小的响应曲线。2）若在比例作用下，系统的稳态误差不能满足要求，则需要加入积分作用。此时，将（1）中的比例系数稍作减小，将积分时间设置为一个较大的值，观察响应曲线，若没有达到要求则减小积分时间，并相应调整比例系数P，如此反复试凑，直至得到令人满意的响应曲线。3）若经过上述步骤后，控制系统的响应曲线仍不能满足要求，则加入微分控制D。保持上两步得到的比例系数和积分时间不变，先将微分时间设置为0，然后从小到大逐步增加微分时间，同时相应的对比例系数P和积分时间I进行微调，反