毕业设计（论文）-国产200MW机组汽轮机调节系统的改造.doc

摘 要 国产200 MW机组的汽轮机调速系统基本上采用的都是机械液压调节系统。200 MW机组从70, 80年代投运以来，在电力工业中发挥了主力机组的作用，根据国家的产业政策，仍将起着主力机组的作用。为了适应现代化大电网的需求，满足电网运行的各种方式要求，必须对200 MW机组的汽轮机控制系统进行现代化改造。本论文以国产200MW机组汽轮机调节系统的改造为研究课题，从目前液压调节系统普遍存在的问题入手，结合现代化控制系统的要求及电网发展的需求等方面，简单地阐述了液调改为电调的必要性。 本文论述了汽轮机DEH控制系统改造的可行性、可靠性，并对各种改造方案做了比较。另外，基于Matlib simulink系统仿真对结果进行了分析以及采取了相应的对策。关键词: 调节系统，机械液压调速, DEH系统, 改造Abstract 200MW units made in China all adopt mechanical hydraulic speed control systems. 200MW units has been playing main role from 1970s, 1980s when they were put into effect in power industry. According to the motional industrial policy, they will play main role in the future. In order to adapt to the desire of modern great network and satisfy with all kinds of needs of network running, the speed control systems on turbines of 200MW units must be transferred.The subject of this paper is to research the retrofit of the governing system of the national 200MWturbine generator, beginning with common problems existing in hydraulic governing system, combining with the depend of modern control system and the development of the electric power grid, discusses skimpily the necessity of modifying the hydraulic governing system into the digital electronic hydraulic system. This paper discussed the feasibility and reliability of transformation on DEH control system, and compares on all kinds of transformation schemes. In addition, In addition, based on Matlib simulink system for the analysis and simulation results to take corresponding countermeasures.KEY WORDS: speed control systems DEH retrofit mechanical hydraulic 目 录第一章 概 论.11.1 汽轮机调节系统的基本组成.11.2 国产200MW机组汽轮机调节系统发展历史及现状.11.3 汽轮机控制系统改造的必要性和可行性分析.51.4 本课题研究的意义以及内容.6第二章 调节系统改造的方案及比较分析72.1 同步器控制改造方案.72.2 电液并存控制改造方案.72.3 透平油纯电调控制改造方案.82.4 抗燃油纯电调控制改造方案.82.5 各种改造方案的比较.82.6 结论.9第三章 调节系统的静态和动态简单分析113.1 汽轮机调节系统的静态特性.113.2 汽轮机调节系统的动态特性 .13第四章 机械液压调节系统.164.1 转速感受机构 .164.2 中间放大器.204.3 油动机.204.4 配汽机构.21第五章 数字电液调节系统(DEH) .225.1 概述.225.2 功频电液调节的工作原理.225.3 数字式电液调节系统的组成.235.4 数字式电液调节系统的功能.245.5 数字电液调节系统的运行方式.255.6 DEH系统技术性能指标.265.7 EH油系统.26第六章 DEH系统仿真及结果分析.326.1 DEH系统建模与仿真的思想方法.326.2 调节系统非线性数学模型的线性化及标幺值方程的建立.326.3 各主要环节的运动方程式及传递函数.336.4 仿真结果与分析.356.5 本章小结.38第七章 几个相关问题.397.1 关于DEH功能应用的探讨.397.2 几个相关问题的探讨.39谢 辞.44参考文献：.4544第一章 概 论1.1 汽轮机调节系统的基本组成 汽轮机调节系统的原理性构成如图1-1所示。转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。 图1-1汽轮机调节保护系统原理性框图 由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。1.2 国产200MW机组汽轮机调节系统发展历史及现状1.2.1 中国汽轮机调节发展50年 (1)、五十年代初，我国汽轮机全部进口，由外国专家调试相应的调节系统，中国工程师、技术员无权改动外国专家整定的调节参数。(2)、1963年中国开始自行设计125MW及200MW、300MW汽轮机。当时先进国家已从液压调节系统发展到电液调节系统。1966年初我国第一套功频电液调节系统在长春第一汽车厂动力厂12MW汽机上投入运行，并进行了各种试验。由于众所周知的历史原因，1966年下半年所有研究工作全部停止。在动力厂关心下，这套功频电调运行了三年半，此间，我国工程师积累了汽轮机调节系统设计的宝贵经验。这表明了六十年代我国已掌握了汽轮机电液调节系统的设计技术，这套系统的投运，也代表了六十年代汽轮机调节的技术水平已接近国际先进水平。1966年日本刚刚起步研究电液调节系统。(3)、七十年代汽轮机调节系统AEH国内研制生产的第一套汽轮机采用高压抗燃油的纯电调系统。这套系统也体现了我国七十年代汽轮机调节的技术水平。表明了我国已完全能自己设计生产大功率汽轮机的调节系统。从1966年低压透平油的电液调节系统（电液并存型）到1976年高压抗燃油的电液调节系统（纯电调系统）投入运行，中间经历了众所周知的十年，致使我国的汽轮机调节技术在七十年代比国际先进技术落后了。(4)、八十年代引进汽轮机调节系统DEH技术，并成功进行国产化优化设计，从此，性能优良的中国品牌DEH系统走向市场。八十年代汽轮机调节系统DEHIII标志着引进技术生产的300MW、600MW汽轮机数字式电液控制系统DEH国产化工作胜利完成。(5)、九十年代汽轮机的调节系统DEHIIIA。第一套数字式电液控制系统DEHIII自汉川电厂投运成功后，DEHIII系统以卓越的性能价格比替代进口产品，大量用于电站建设。200MW机组DEHIIIA系统被列为1999年国家重点新产品。配置相应的应用软件及配置适用不同机组的EH系统，DEHIIIA系统能适用于中间再热机组、抽汽机组，锅炉给水泵汽轮机控制及旁路阀门控制系统。(6)、 新华DEH系统作出适合国情的重大改进。新华公司从美国西屋公司引进DEH系统设计技术基础上经过开发优化后专业生产DEHIII及DEHIIIA型300MW及600MW等级汽轮机控制系统。DEHIIIA在可靠性、可维护性等方面优于进口DEH，在硬件方面采用标准工控机，便以采购及升级，软件方面采用组态方式，人机界面优于进口DEH。(7)、新华公司目前世界上最大的DEH生产厂。1988年中外合资新华电站控制工程有限公司成立，公司从事控制系统设计、应用软件开发、专用硬件制造及控制系统总成套，标志着电站自动化设备专业生产基地的建成。我国的汽轮机调节系统与我们的祖国一起成长，从解放初依赖外国专家，到50年后的今天，已成为生产DEH的巨人，标志着我国汽轮机调节技术与世界先进技术同步。汽轮机调节依赖洋人的时代一去不复返。我们呼吁，大力使用并推广中国品牌的优质可靠的DEH系统。1.2.2 液压调节系存在的问题以及对其进行改造的必要性国产200MW汽轮发电机组在80年代至90年代期间曾经是我国电力生产的主力机组，由于受到当时电力工业发展水平的制约，在90年代中期以前投产发电的200MW机组，大多受当时自动化控制技术、控制设备、技术人员的观念等因素的限制，汽轮机的控制系统一直采用传统的液压调节系统，从液压调节系统的组成结构来说，存在许多影响机组安全、稳定运行的不利因素，主要表现在以下几个方面:(1) 同步器容易打滑，使空行程拉大，而且同步器与调速器滑阀组件的机械连接较多，如果安装或调整不当会加大系统的迟缓率，容易引起负荷的摆动;(2) 由于调速器与汽轮机转子同轴，当推力瓦磨损造成推力间隙过大时，转子串动会引起调速系统摆动，齿形联轴器的磨损也会使主油泵转子与汽轮机转子一起串动，引起负荷摆动;(3) 微分器主滑阀和延迟滑阀之间的过封较小时，机组变工况运行中会引起大幅度甩负荷;但过封较大，机组甩负荷时会引起转速超调量过大，甚至超过危急动作转速而跳机:(4) 反馈滑阀存在十分有害的液压卡紧力，阻碍其对油动机的跟踪，加上不易对中及伴随卡涩等，使其极容易出故障。在液压调节系统的静态调整中，反馈滑阀的调整是保证调节系统满足静态特性要求的重要手段，它不仅要满足系统的静态特性，也要满足与油动机行程的反馈比例，以保证系统的动态稳定性，因而也是一个比较难调的环节。如果调整不好，可能使油动机关闭时间长，也可能会使机组空载不稳定，特别是中压反馈滑阀;(5) 凸轮配汽机构的调整决定着各调速汽门开启规律的变化，即开度大小和阀门重叠度。当高压油动机两侧不同步时，会影响其开启规律的变化。另外，当凸轮转角增大到lQ5至110度之间时，油动机非常吃力。如此随着运行时间的增加，灰尘的积累，会使凸轮配汽机构动静之间的磨擦阻力增加，严重时，会出现卡涩并引起负荷摆动，因此必须定期清扫和涂抹润滑剂;(6) 油质不干净，会引起调速器滑阀组的能、#3滑阀、中间滑阀、微分器中的三个滑阀、油动机滑阀、反馈滑阀以及电液并存系统中的电液转换器等出现卡涩故障，并导致负荷摆动、中压调门拒开、拒关.其中以反馈滑阀和中间滑阀卡涩故障为最多。当有的部套出现卡涩故障，运行中又无法消除时，汽轮机只好靠锅炉调节参数滑压运行，使机组运行的安全性和经济性降低:(7) 液压调节系统的静态调整涉及系统所有部套的诸多因素，包括设计加工的公差、安装的定位公差、以及结构的微小改变和细长工件的弹性或塑性变形等，不利于现场的调整，且负荷处于开环控制，系统调节的精确性差、灵敏度低，机组迟缓率大、负荷适应能力差、系统控制周期长。另外，静态调整也将对机组的动态特性产生极大地影响，如油动机的关闭时间及甩负荷后转速的超调量等，这些都影响着机组运行的安全性:控制油与润滑油公用，使油质难以保证;(8) 由于采用凸轮配汽机构，所以只有部分进汽控制方式，无法实现全周进汽，因而加热、不均匀热应力大，启动慢。 因此针对目前国产200MW汽轮发电机组液压调节系统的控制精度低、控制水平不高川，而且运行及检修人员的工作量很大，严重影响机组的安全性、经济性和稳定性。90年代中期以后投产发电的200MW机组热工控制系统均采用了先进的以计算机为核心的DCS (Distributed Control System)分散控制系统，汽机的控制系统也采用了先进的、功能日趋完善的功频电液调节系统，调节系统更加简洁、可靠，调节精度更高，大大减轻了运行人员的劳动强度，提高了机组运行的经济性、安全性和稳定性，而且可实现电网对机组的自动发电控制功能。目前对国产200MW机组汽轮机液压调节系统进行改造，由以下几个方面决定:(1)系统本身的结构特性所决定 从上面列举的液调系统存在的问题可以看出，机械液压系统具有固有的缺陷，如迟缓率大、动态调节品质差、控制精度低以及操作繁琐、运行、维护十分不便等，解决这些问题均要求采用一种全新、先进调节系统来取代原有的机械液压式调节系统。(2)机组自动化控制水平不断提高的需要 随着老机组热控系统改造工作的全面开展，国产200MW老机组的热控系统大多由以计算机为核心的分散控制系统所取代，使机组的自动化控制水平明显提高，液调系统无法与计算机控制系统接口，无法适应计算机控制系统。尤其是机炉协调控制系统和AGC (Automatic Generation Control)功能是现代化机组自动化控制水平的主要标志之一，只有在电调控制的机组上方可实现。(3)电网发展的需要 随着电网容量的不断增加，负荷的峰谷差加大，要求机组的深度调峰能力达到一定的水平;(4)新管理体制的需要 随着电力工业的飞速发展，火力发电厂的热力设备及控制系统逐渐向着先进、安全和一可靠的方向发展。对运行人员的管理上也采用了全能值班员的新体制，以次来达到减人增效、降低成本的目的。电调控制系统以其友好的操作界面、简洁而完善的画面显示和简单、可靠的操作使运行人员可以很快掌握;另外，由于该系统是以计算机为核心的控制系统，自动化水平高，大大减轻了运行人员的工作量和人员数量，实现了一岗多能、减人增效的目的。鉴于以上原因目前对国产200MW机组汽轮机液压调节系统进行改造己经成为一种趋势，而且正在全国范围内全面展开。1.3 汽轮机控制系统改造的必要性和可行性分析200 MW机组从70. 80年代投运以来，在电力工业中发挥了主力机组的作用，根据国家的产业政策，仍将起着主力机组的作用。为了适应现代化大电网的需求，满足电网运行的各种方式要求，必须对200MW机组的汽轮机控制系统进行现代化改造。（1）、安全性原有的汽轮机控制系统大都采用纯液调控制系统，均运行了十几年，早己超过有效使期，维护量大，不管是液调还是电液并存方式，易卡涩的弊病根本无法有效消除，即使是在电调方式下，也是通过唯一的电液转换器经中间滑阀去控制全部阀门，因而危险集中。解决液调和电液并存方式存在问题的唯一途径是对原控制系统进行彻底改造，改造成DEH(纯电调控制系统)，才能有效地保证机组安全稳定运行。（2）、有效性 如何提高机组的等效可用系数，保证机组安全、稳定、经济运行，是电力企业现代化管理所追求的一项重要指标。汽轮机控制系统往往用可靠性(Reliability)来评价，而汽轮发电机组的等效可用系数A，可用下式来描述: A=(MTBF) /(MTBF + MTTR) 式中MTBF平均无故障时间; MTTR平均可修复时间。 从式中可看出，要提高机组的等效可用系数，首先要提高控制系统的MTBF，降低MTTR。提高等效可用系数的方法是利用先进的科学技术去改造原有的老式汽轮机控制系统。现在，DEH已是比较成熟的定型产品。该装置具有完善的控制、保护功能和诊断功能，采用了冗余技术，可有效地提高平均无故障时间、降低故障可修复时间，因此，对原汽轮机控制系统的改造己成必然。（3）、经济性 由于原汽轮机控制系统存在着诸多不足之处，汽轮机不能在最佳状态下运行。虽然对控制系统改造需投入大量资金，但改造后可给机组带来可观的经济效益。 (一)改造后可提高可靠性，在线维修方便，大大减少非计划停机次数。 (二)提高机组的整体自动化水平和控制精度，满足大电网调峰、调频方式的要求，适应负荷的快速变化，满足电网暂态稳定性和动态响应。 (三)启动时实现单阀控制、全周进汽，有效地提高汽机整体和转子的使用寿命。 (四)增加了参数检测与趋势显示和分析，操作直观，减轻运行人员的劳动强度，达到减人增效的目的。 (五)汽机热耗明显降低。 (六)彻底改善油质、防止油质劣化、提高安全性。(七)能够方便地与CCS接口、实现AGC控制。4、电网的需求性从电网一电厂整体调度控制技术来讲，电网调度自动化的重要内容之一是把电网和电厂作为一个整体来考虑，实现信息采集，安全监控，直接调度电厂每台机组的负荷，可根据各台机组的经济性能指标，实现微增经济调度，给出各台机组的最佳、最经济的负荷分配指令，这些指令通过CCS系统去控制汽轮机控制系统和锅炉控制系统，实现机、炉、电协调控制，既能保证机炉在最佳状态下运行，又能满足电网对负荷变化的需求，实现AGC控制。1.4 本课题研究的意义以及内容1、本课题研究的意义不同的方案有其不同的适用范围。对液压调节系统进行改造，采取什么样的改造方案将是至关重要的一环，直接影响到改造后机组运行的经济性、安全性和稳定性。本论文将对各种方案进行分析、论证 。2、本论文主要研究的内容(1)液压调节系统改为功频电液调节系统的方案论证 针对本研究课题的具体改造方案，本论文考虑了三种，分别为低压透平油系统电调方案、电液并存的电调方案和高压抗燃油系统的纯电调方案。这三种方案对于电调系统要求的基本功能都可以实现，即转速控制、负荷控制、协调控制及AGC控制。但由于结构和原理的不同，各方案具有不同的特点。本文将对这三种方案进行全方位的分析和比较。(2)功频电液调节系统的基本设计 本课题主要结合电厂机组大修期间将其液压调节系统改为功频电液调节系统的问题，在研究功频电液调节系统基本原理的基础上，设计了功频电液调节系统最基本的方案。(3)高压抗燃油电调系统的整体设计方案 本文论证了高压抗燃油电调系统的整体设计方案，重点介绍了液压系统部分的构成，及汽机自启停(ATC)系统的设计及机组寿命消耗管理功能的设计。(4)改造后的试验和结果分析本文对改造后的调节系统、EH油系统、阀门管理系统进行了分析，并且与改造前的系统和功能进行比较。另外，基于Matlib simulink系统仿真对结果进行了分析以及采取了相应的对策。第二章 调节系统改造的方案及比较分析目前国内采用的改造方案有以下几种：a：同步器控制b：电液并存（包括联合控制、切换控制两种）c：透平油纯电调控制（包括保留凸轮配汽机构、去掉凸轮配汽机构两种）d：抗燃油纯电调控制下面一一进行简介：2.1 同步器控制改造方案原液压调节系统不变，只改造同步器、启动阀。DEH控制信号通过原同步器电动机与液压调节系统接口，实现对机组的闭环控制。原同步器由一般的电动机驱动，控制特性差，与CCS自动接口有困难，且此类电动机一般都有转速高、易惰走、不稳速、控制精度低、控制接点易拉弧、烧坏等缺陷。改造采用高性能的电动机或高级电动执行器，控制性能好，接口方便易实现CCS协调控制。同步器的控制可以由CCS系统直接控制或者做一套独立的PI调节器，与原液压系统构成串级调节系统，实现升降转速、负荷控制。2.2 电液并存控制改造方案原液压系统全部保留，增加一套电调系统，二套系统并存、切换运行。此改造方案包括以下两种：a：联合控制改造方案DEH控制信号通过电液转换器和同步器电动机与液压系统接口，实现对机组的闭环控制。其中，电液转换器与二次脉动油路构成电液放大器，取代液压放大器，接受DEH控制信号，完成对油动机的控制。在原液压系统的脉动油路上并联引出一个油路，连接到电液转换器，使DEH通过电液转换器控制脉动油的排油量（或进油量）来控制机组。电液转换器和同步器可采用转移的方式完成联合控制：电液转换器担任调节动态负荷的作用，同步器用于承担缓变负荷。稳态时电液转换器处于零位。在稳态时可无扰切除电液转换器，变为同步器控制方式。电调、液调按小选（或大选）方式控制：若将同步器置于最高位（或低位）将液调排除，使液压放大器完全退出工作，由电液放大器完成全电调控制。若同步器减小（或增加）到一定的值后，仍可退为同步器控制。b：切换控制改造方案DEH控制信号通过电液转换器和同步器电动机与液压系统接口，实现对机组的闭环控制。同步器通过模拟脉动油路实现电液跟踪，DEH可控制切换阀实现无扰切换。在电调位置时，由DEH控制的电液转换器的节流控制排油口，取代调速器滑阀控制的油口，从而实现机组的控制。为了使电调、液调之间能够相互跟踪，实现无扰切换，增设了模拟脉动油路和跟踪、切换阀控制回路。2.3 透平油纯电调控制改造方案液压调节器取消，采用数字调节器，执行机构、保护系统基本保留。此改造方案包括以下两种：a：保留凸轮配汽机构控制改造方案DEH控制信号通过电液转换器与油动机构成的电液油动机接口，实现对机组的闭环控制。电液转换器与油动机滑阀及油动机活塞紧密结合在一起，油动机脉动油直接由电液转换器控制，构成了电液伺服油动机。DEH伺服单元与电液伺服油动机、油动机行程传感器LVDT组成位置随动系统。将原液压调节系统中的转速测量、同步器给定、调速器滑阀、中间滑阀、油动机反馈滑阀等全部排除在系统之外。本方案保留了凸轮配汽机构，实现固定模式阀门管理，管理模式为混合调节模式。b：去掉凸轮配汽机构控制改造方案将凸轮、凸轮轴、原油动机和所有液压调节部件去掉，仅保留保安系统部套，油动机滑阀与电液转换器组装在一起，油缸（活塞）固定在凸轮轴座上，油缸为顶推式，代替凸轮推动杠杆来开启调节阀门，油缸上只有一根脉动油管，一根排油管，很好密封，可以严防漏油，能避免因而可能引起的火灾，高压调节阀为一阀一缸方式，中压调节阀仍为一缸拖四阀方式，可实现可变阀门管理功能，本方案的控制功能与高压抗燃油纯电调的完全一样。但却免去了另设一套油源的投资、维护和运行费用。2.4 抗燃油纯电调控制改造方案除了阀门以外，调节系统基本上全部进行改造。本方案既可采用高压抗燃油作为工作介质，也可采用中压抗燃油作为工作介质。目前国内采用较多的是高压抗燃油方案。本方案要求另外设置一套抗燃油的独立油源，将原液压调节系统中的所有调节部套去掉，更换调节阀操纵座，在调节阀的操纵座上放置抗燃油油动机，直接拖动调节阀阀杆。2.5 各种改造方案的比较 已改造机组:秦皇岛发电有限责任公司200MW、吉林长山热电厂200MW、云南阳宗海电厂200MW、 贵州清镇电厂200MW、 贵州盘县电厂200MW 等 上述各种形式的DEH装置，其控制功能的绝大部分是任何一种形式的DEH都能实现的，特别是DEH改造最主要达到的功能：自动大范围升速闭环控制、功率闭环控制、CCS控制及AGC控制。如上所述，同步器控制改造方案的优点主要体现在其改造工作量小，改造费用低，也可实现CCS控制及AGC控制，但因其液压调节系统均未改造，液压调节系统的缺点无法消除，适用于原液压调节系统工作状况良好的中小机组。电液并存控制改造方案的优点主要体现在系统用油统一，便于管理；具有液调跟踪后备，可以适当降低电子设备的冗余要求，甚至可以单CPU、单I/O配置，从而减少系统投资，对于那些配备液调并且已经投入运行的机组，尤其是带基本负荷的机组，是一个较为理想的控制方案。在获得相应优点的同时，不可避免地在另外方面带来局限，液调后备的存在使得机械液压环节相应增多，系统迟缓率等性能受到一定影响；统一用油存在一定的油质干扰风险。系统调整也比较麻烦。在系统跟踪上，液调对电调的跟踪是通过同步器进行的，因此，跟踪死区设置过小、同步器电动机频繁启动会导致电动机很快损坏，跟踪死区设置过大又会导致切换时误差大，输出波动大。此方案适用于原系统放大部分工作良好的中小机组。透平油纯电调控制改造方案由于工作压力较低，提升力受到限制，对大容量的机组会使得油动机及管路过大，据计算，同样推力的油动机，工作油压由12.8MPa降到4MPa时，其油动机直径需增到原直径的1.79倍。取消了液压调节器而采用数字调节器，去掉凸轮配汽机构的改造方案可以实现可变阀门管理功能，在控制功能可以与高压抗燃油系统相同。调节用油可以采用独立油源而避免统一用油存在一定的油质干扰风险。随着国家环保意识的增强和环保政策的完善，抗燃油的微毒特性来的环保问题越来越突出，透平油纯电调控制改造方案就越来越受到人们的重视。此方案性能价格比较优，适用于大中型机组。抗燃油纯电调系统由于其工作压力大大提高，提升力得到有效保证，对目前各种容量机组可以实现可变阀门管理，这一方面可以最大限度减少液压环节，提高动态调节品质。另一方面可以在机组启动运行的不同阶段进行全周进汽和部分进汽选择，使机组以更为经济的方式运行（母管制机组除外）。此外，控制用油的独立型和抗燃油的使用最大限度消除了油质影响和火灾隐患。但抗燃油供油及再生装置的使用使系统更加复杂，系统价格、调试维作量、备品备件量以及相应费用都显著提高，中小容量机组难以承受，且抗燃油的微毒特性来的环保问题越来越受到人们的重视。此方案适用于资金充足的大型机组。2.6 结论综上所述，汽轮机调节系统改造方案有同步器控制、电液并存（包括联合控制、切换控制两种）、透平油纯电调控制（包括保留凸轮配汽机构、去掉凸轮配汽机构两种）、高压抗燃油纯电调控制等几种，调节油油源有高压抗燃油及透平油两种，各种改造方案各有利弊，机组改造时应根据机组的现状，考虑机组原来的控制方式、机组容量、现场的情况是否满足新增加设备的布置要求，根据机组的实际情况确定改造后DEH所具备的功能，同时也要考虑改造资金情况、投入产出比、改造工期等问题，以确定用何种方案进行改造。 第三章 调节系统的静态和动态简单分析3.1 汽轮机调节系统的静态特性 （1）速度不等率由汽轮机调节系统静态特性曲线可知，对应于汽轮机不同的功率，机组的转速是不同的，静态特性曲线的斜率表明了这种差异。我们定义：汽轮机空负荷时所对应的最大转速nmax与额定负荷时所对应的最小转速nmin之差，与额定转速n0的比，称为调节系统的速度变动率或速度不等率，通常用表示，即 (3.1) 速度变动率表示了单位转速变化所引起的汽轮机功率的增(减)量。在机组并网运行时，各机组感受电网频率的变化是相同的，但调节系统速度变动率的不同，使各机组功率的改变量不同。如果电网频率与偏离额定频率的偏离量为n，那么由调节系统静态特性曲线和速度变动率的定义可求得机组功率改变的相对量为 (3.2) 式中：P0为机组的额定功率。上式表明，速度变动率愈大，单位转速变化所引起的功率变化就愈小。因此，速度变动率的大小，对机组安全、稳定运行和参与电网一次调频有着重要影响。 速度变动率愈小，即静态特性曲线愈平坦，则转速变化很小就会引起汽轮机较大的功率变化，使汽轮机的进汽量和蒸汽参数变化较大，机组内各部件的受力、温度应力等都变化很大，将造成寿命损耗，甚至造成部件损坏。=0的极限情况下，只要电网频率稍有改变，机组的负荷就由额定负荷变为空负荷，或由空负荷变为额定负荷，机组负荷产生严重晃动而无法运行。因此，调节系统的速度变动率一般不得小于4.0。但是，速度变动率也不宜太大，因为过大的速度变动率，一方面使机组参与电网一次调频能力下降；另一方面使调节系统甩负荷后的稳定转速过高，稍有不慎，有可能使甩负荷后最高飞升转速超过危急保安器的动作转速，不利于机组安全和甩负荷后重新并网带负荷。所以，调节系统的速度变动率一般不要超过6.0。 综上所述，汽轮机调节系统的速度变动率，应根据机组在电网中所处的地位和安全性方面的要求来确定。对一次调频要求较高的带尖峰负荷机组，速度变动率应取小些，如=3.04.0；对带基本负荷的机组，速度变动率则应取大些，如=4.0-6.0。一般地，速度变动率通常设为=6.0。对调节系统动态特性稍差的机组，速度变动率应取小些。 （2）、迟缓率 在汽轮机调节系统中，相对运动部件间不可避免地存在动、静摩擦，机械传动机构中存在着旷动间隙，滑阀存在一定的盖度，这些非线性因素的存在，使转速感受特性和传递特性发生畸变，最终表现在静态特性曲线上，使之偏离理想工况。调节系统中，在转速升高时为使调速器滑环移动，飞锤离心力增量的一部分必须首先克服滑环移动的静摩擦力，方能使杠杆转动。而杠杆的转动量必须大于旷动间隙和错油门滑阀的盖度，方能开启油动机活塞腔室的进、排油口使活塞运动，关小调节汽门、减小机组功率。这种机组增负荷和减负荷特性曲线不重合的现象称为迟缓。 我们定义：在调节系统增、减负荷特性曲线上，相同功率处转速偏差n=n1-n2与额定转速n0的比为调节系统的迟缓率，通常用表示，即 (3.3)迟缓率对调节系统的控制精度和机组的稳定运行产生不良影响。在汽轮机单机运行时，机组的功率决定于外界的电负荷。在某一稳定负荷下，迟缓率的存在将会使机组的转速在n=n0范围内漂移，引起机组转速波动，如图3-1(a)所示。如果迟缓率为=0.5，则对应的转速波动的幅度为n=15r/min，相当于供电频率有0.25Hz的波动。 在多台机组并列运行时，机组的转速决定于电网的频率，当电网的频率一定时，迟缓率存在将会引起机组功率晃动，如图3-1(b)所示。由速度变动率和迟缓率的定义可知，功率晃动的幅度为,P=/P0。迟缓率愈大、速度变动率愈小，功率晃动的幅度就愈大。所以，为提高调节系统的控制精度和运行稳定性，要求迟缓率尽可能小。由于迟缓率难以避免，故希望速度变动率不宜过小。由于机械液压调节系统的机械传动和液压放大环节较多，故迟缓率相对较大，但通常要求机械液压调节系统的迟缓率小于0.6。电液调节系统，特别是采用高压抗燃油的数字电液调节系统，液压控制回路很为简单；减少了产生迟缓的中间环节，故迟缓率较小，一般要求电液调节系统的迟缓率小于0.2。图3-1调节系统迟缓对汽轮机运行的影响 3.2 汽轮机调节系统的动态特性 3.2.1、动态特性基本概念 图3-2甩负荷后转速过渡过程 汽轮机调节系统是由多个环节组成的复杂闭环系统，部件运动惯性、油流流动阻力和蒸汽中间容积等的存在，使得调节系统由一个稳定工况到另一稳定工况时经历着复杂的过渡过程。图3-2是汽轮机调节系统甩负荷工况下较为典型的转速动态响应的过渡过程曲线。其中，a为无振荡的过渡过程，b为小幅振荡快速衰减的过渡过程，c为大幅振荡慢衰减过渡过程。在调节系统各环节的参数选取不当，也有可能产生持续振荡而无法正常工作。为使机组满足优良供电品质、参与电网一次调频的要求，调节系统应灵敏、快速地响应各种扰动，并平稳地进行调节。为保障机组甩负荷工况下的安全，必须要求调节系统能快速地全行程动作。因此，对汽轮机调节系统的动态特性必须提出稳定性要好、过渡过程中超调量要小、振荡次数要少及过渡过程调整时间要短的要求。 图3-3汽轮机调节系统动态特性方框图 （1）、稳定性 汽轮机运行中，当受到扰动激励离开原来的稳定工况后，能很快地过渡到新的稳定工况，或扰动消失后能回复到原来的稳定工况，这样的调节系统是稳定的。调节系统稳定性的判别，可由系统的传递函数按自动控制理论中系统稳定性的判据来分析、计算。对于实际的调节系统，除满足稳定性基本要求外，还应留有一定的稳定性裕度。（2）、动态超调量 对于汽轮机调节系统，甩负荷过程中被调量转速的动态超调量可表示为 (3.4)式中：max为最大飞升转速的相对量，即max=(nmax-n0)/n0。为在机组甩负荷工况下，转子的转速飞升不致使超速保安器动作，甩负荷后的最高飞升转速应低于超速保安器整定的动作转速。 （3）、静态偏差值 汽轮机单机运行时，负荷改变将引起机组转速变化。在机组额定功率下从电网中解列、甩去全部负荷后，转速的静态偏差值就是甩负荷后的稳定转速与额定转速的差，即()=。由调节系统的静态特性可知，机组甩负荷的数量不同，静态偏差值是不等的。 （4）、过渡过程调整时间 扰动作用于调节系统后，从响应扰动开始到被调量达到基本稳定所经历的时间称为过渡过程调整时间。评定被调量是否达到稳定，通常用被调量与静态偏差值的误差，当|()-()|时，即认为被调量已达到稳定。 在汽轮机调节系统动态特性分析中，通常将允许偏差取为静态偏差值的5，即=5n0。很明显，我们要求调节系统的过渡过程调整时间尽可能短些，一般为数秒或数十秒，最长不应超过1min。第四章 机械液压调节系统机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如图4-1所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换。4.1 转速感受机构 转速感受机构是将速度信号转变为一次控制信号的元件。在汽轮机调节保护系统中，转速感受机构主要有离心式和电磁式两类。在离心式中有机械式和液压式两种，其中机械式有高速弹性调速器和飞锤或飞环式超速危急保安器；液压式中有径向钻孔脉冲泵和旋转阻尼器两种。 1）、高速弹性调速器 高速弹性调速器的结构如图4-2所示，它是由重锤、弹簧板、弹簧和调速块等组成。该调速器安装于汽轮机转子的前端，与汽轮机主轴一同旋转。重锤的离心力与弹簧拉力及弹簧板的张力相平衡。在机组转速改变时，重锤离心力的变化使弹簧伸长或缩短及弹簧板外张或内合，从而使弹簧板前端的调速块产生前、后轴向位移。由于重锤的回转半径远大图4-1原型性机械液压调节系统于弹簧的伸长量，故调速块的位移仅与转速有关。调速块的位移是调节系统的一次控制信号，它与转速之间的关系，即调速器的静态特性曲线如图4-3所示。在机组由静止升速至额定转速3000r/min时，调速块的水平轴向位移约为9mm。在额定转速附近，转速与调速块的位移近似于线性关系，其灵敏度为150r/rain时为1mm。该型调速器具有无动静接触部件、灵敏度高、迟缓小、稳定性好和全行程调节的优点，但现场维修与调试不甚方便。 图4-2高速弹性调速器图4-3高速弹性调速器特性曲线2）、径向钻孔脉冲泵 径向钻孔脉冲泵，或称径向脉冲泵，简称为径向泵或辐向泵。它是一种基于离心泵工作原理的转速感受器，由泵轮、稳流网和壳体等组成，其结构如图2-4所示。泵轮上均匀分布地钻有等直径的径向油孔，油流由泵轮中心进入，泵的出口油压为调节系统的一次控制信号。 这种转速感受器具有结构简单、制造维修方便、灵敏度高及迟缓小的优点，并且当泵的负载流量增大时，泵的压增特性基本不变。对于小型汽轮机，径向脉冲泵还可当作主油泵来使用。这种转速感受器的主要不足在于有时会出现油压低周波动，从而引起整个调节系统晃动，影响机组的稳定运行。因此，在泵轮外设置一个稳流网，其作用是抑制油泵出口的高频油压脉动。径向钻孔脉冲泵的灵敏度通常为150r/min时585kPa。 3）、旋转阻尼器旋转阻尼器也是一种基于离心泵工作原理的转速感受器，它主要由阻尼管、油封环(或稳流网)、壳体及针形阀等组成，其结构如图4-5所示。旋转阻尼器与径向泵的差别，主要在于旋转阻尼器的供油来自于主油泵的压力油，经针形阀节流降压进入A腔室，然后经阻尼管径向向内流动，最后排至回油系统。A腔室的油压即为调节系统的一次控制信号。阻尼管内油液的离心力起着阻止通过针形阀流量的作用。当机组转速升高时，阻尼管外端处的压力升高，通过针形阀的流量就会减小。图4-4径向钻孔脉冲泵旋转阻尼器有着与径向脉冲泵相似的特点，但因旋转阻尼器的供油来自于主油泵，主油泵出口油压的波动有时对一次控制油压产生显著影响。另外，油封环的磨损很容易引起一次控制油压波动，造成调节系统晃动。旋转阻尼器的灵敏度小于径向脉冲泵，一般为22kPa/150r/min。 4）、机械超速危急保安器 机械超速危急保安器是保护系统的转速感受器，有飞锤和飞环式两种，在汽轮机轴端径向安装的偏心体，飞锤或飞环，被弹簧的预紧力就位在塞头或套筒的端面上。 图4-5旋转阻尼器5）、电磁式转速感受器 电磁式转速传感器是电液调节系统的转速感受器，它将转速信号转变为电脉冲频率信号。在电液调节系统中主要采用无源的磁阻讯号发送器和有源的电涡流传感器，这里仅以磁阻式转速感受器为例作简要介绍。磁阻式转速感受器是由磁钢、线圈、铁芯等组成，其原理性结构如图4-7所示。当与汽轮机主轴一同旋转的测速齿轮的齿顶转至铁芯时，铁芯与测速齿轮所构成的磁路的磁阻减小，则通过线圈的磁通量增大；相反地，当齿顶转离铁芯时磁阻增大，通过线圈的磁通量减小。这样在齿顶交替转近和转离铁芯时，线圈内磁通量交替发生变化，从而产生感应电动势，其频率为齿数与转速的乘积。通常测速齿轮的齿数设为60，这样信号的频率恰为机组每分钟的转数。信号电压的大小决定于单位时间内磁通量的变化率。在转速升高时，信号的电压随之增大。这种转速感受器是一种无源元件，工作可靠性很高，其不足是低转速时输出信号太小，一般转速低于150r/min下时不能正常工作。 图4-7磁阻式转速感受器4.2 中间放大器 对不同的转速感受机构，与之配套的中间放大器的型式是不同的，主要有压力控制式和流量控制式两种。这里仅介绍液压调节系统中常用的随动滑阀、碟阀和压力变换器三种中间放大元件。 1.随动滑阀放大器 随动滑阀放大器是与高速弹性调速器配套的调节系统第一级放大器，将调速块的位移放大为分配滑阀的油口开度。它主要由随动滑阀、控制滑阀和分配滑阀、杠杆等组成，它的作用是将调速块的位移非接触地转变为分配滑阀的油口开度。同步器作用在控制滑阀上，使杠杆以随动滑阀为支点转动，通过改变分配滑阀油口的开度，起到平移传递特性曲线的作用。 2.波形筒一碟阀放大器 波形筒-碟阀放大器是与旋转阻尼转速感受器配套的调节系统第一级放大器，它是由波形筒、碟阀、杠杆等部件组成。同步器的弹簧力作用在杠杆上，起到改变碟阀间隙、平移传递特性曲线的作用。 3.压力变换器 压力变换器，又称调速器滑阀，是与径向脉冲泵转速感受器配套的调节系统第一级放大器。它主要由滑阀、主弹簧、副弹簧、滑阀套筒等组成。同步器通过改变滑阀上的弹簧预紧力起到平移传递特性曲线的作用。 4.3 油动机 图4-8油动机原理图1）、 油动机的基本原理 油动机，又称液压伺服马达，是汽轮机调节系统中驱动调节汽门的执行机构。它能自动、连续、精确地复现来自中间放大环节输入信号的变化规律，使调节汽门的开度达到并保持在预定的控制状态。油动机具有惯性小、驱动力大、动作快、能耗低的突出优点，这是目前电磁