（机械电子工程专业论文）汽轮机高压旁路电液比例控制系统的研究.pdf

硕l j 学位论文 摘要 国外汽轮机的高压旁路系统已经相当成熟，而国内对高压旁路系统的研究起 步较晚，并且多数都是成套设备的引进，因此对于设备设计的深入研究还相对较 少。高压旁路阀是高压旁路系统中最重要的组成部分，如果它存在故障，将会严 重威胁机组的安全经济运行，导致机组停运甚至事故，故对高压旁路阀的控制显 得尤为重要。对于液动旁路系统旁路阀门的控制，电厂一般采用电液伺服系统。 作为电液转换元件的伺服阀，其稳定可靠性直接影响着机组的安全稳定运行。目 前，电厂d e h ( d i ；i t a le l e c t r i ch y d r a c l i cc o n t r o ls y s t e m ) 系统中的电液伺服阀 由于存在“卡、堵、内泄大 等问题，故其故障率较高。 针对此问题，本文以甘肃某电厂2 3 0 0 m w 技改工程机组汽轮机旁路系统 装置为研究对象，设计出了高压旁路液动控制系统，进而对高压旁路阀控制系统 中用比例阀取代伺服阀的优点和可行性进行了重点研究，提出了用电液比例位置 控制系统来控制高压旁路阀的思想，建立了整个控制系统的动态数学模型。 针对系统的不稳定，采用了两种校正方法串联滞后校正和p i d 校正。通 过m 棚a b 仿真，有针对性地引入模糊p i d 控制策略，设计了模糊自整定p i d 控制器，将模糊p i d 控制与电液比例控制技术结合起来，减小了液压系统固有的 非线性和参数多变性带来对控制性能的不利影响，提高控制性能和效率：并将其 与常规p i d 控制进行了比较分析。计算机仿真结果表明：与常规p i d 控制相比， 模糊自整定p i d 控制具有实时性好、响应快、超调小、阶跃响应平稳。最后得出， 本课题高旁阀控制采用比例控制系统，同样的满足了系统控制要求。 最后，文章总结了在旁路阀控制研究中取得的成果和不足，对今后研究工作 提出展望。文中得出的一些结论对采用比例阀的液动高压旁路阀控制理论研究有 一定的参考价值，对将来实际应用到工程实践中也有一定的指导作用。 关键词：旁路系统；高压旁路阀；比例位置控制；模糊自整定p i d 汽轮机高膳旁路l 乜液比例拧制系统的研究 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t u r b i n eh i g hp r c s s u r e ( h p ) b y p a s ss y s t e mo fa b m a di sf u l l y d e v e l o p e d b u tt h eb e g i n n i n go fs t u d i e sa b o u ti ti nc h i n ai sl a t e rt h a no t h e r sc o u n t r i e s a n dm o s to fe q u i p m e n t su s e di nd o m e s t i cp o w e rp l a n t sw e r ei m p o n e da n di n - d e p t h s t u d i e sa b o u tt h ed e s i g no fe q u i p m e n t si sr e l a t i v e l yl e s s h pb y p a s sv a l v ei st h em o s t i m p o n a n tp a ni nt h eh pb y p a s ss y s t e m t 1 l ef a i l u r e0 ft h ev a l v ew i l lt l l r e a t e nt h e s a f e e f n c i e n tp r o c e s s i n ga n ds o m e t i m e sc a u s et h es t o pa n da c c i d e n t so ft h ee g s s o t h ec o n t r o l so ft h eh i g l l p 聆s s u r eb y p a s sv a l v eb e c o m ec r i t i c a l f 0 rc o n t r o l l i n gt h e b y p a s sv a l v e ，t h ee l e c t r i c h y d r a u l i cs e o - s y s t e mw i ub eap o p u l a ro p t i o nb yt h e p o w e rp l a n t s a n dt h e s e o v a l v ew h i c hu s e dt 0t r a n s f e rt h e e l e c t r i c i t y t o h y d r a u m a t i cw i l l i n f l u e n c et h es a f e s t a b l e p r o c e s s i n g o fe g s a tp r e s e m ， e l e c t r i c - h y d r a u l i cv a l v eo ft h ed e hs y s t e mi nt h ep o w e rp i a n t sh a sah i g h e rf a i l u r e r a t eb e c a u s eo ft h ep r o b l e m ss u c ha sl o c k ，b l o c ka n dl a f g eq u a i l t i t yo fl e a k i n gi n s i 曲t f 0 fs o l v i n gt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h es u b j e c to ft h i sp a p e rb a s i n go nt h eb y p a s s s y s t e mo ft h et e c h n o - d e v e l o p i n ge g s o f2 3 0 0 m wi nag e n e r a t i n gs t a t i o ni ng a n s u i st od e s i 印t h eh pb y p a s sh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h e nt h ea d v a n t a g e s 觚dt h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h ep r o p o n i o n a lv a l v ei n s t e a do fs e ov a l v ea r es p e c i a l l ys t u d i e d a s e t0 fe l e c t r o - h y d m u l i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rh i g hp r e s s u r eb y p a s s v a l v e si sd e s i 印e da i l dt h em a t h e m a t i c sd y n a m i cm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d t h e r ea r e 铆ok i n d so fa d j u s t i n gw a y st om e e tt h ei n s t a b l es y s t e m ：c a s c a d el a g a d j u s t m e ma n dp i da d j u s t m e m a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v 卸t a g e so ft h e p i d a d j u s t m e n t ，t h ef i l z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e ri sd e s i 萨e db ym a t 乙蛆s i m u l a t i o n t oc o m b i n i n gw i t ht h ee l e c t i i c - h y d r a u l i cp r o p o n i o n a lc o n t m l t e c l l l l o l o g yf o rr e d u c i n g t h ed i s a d v a n t a g eo ft h en o n l i n e a rn a t u r eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m 锄dt h ep a r a m e t e r s m u l t i v a r i a t ec h a r a c t e rt 0 d e v e l o p t h ep e r f b m a n c ea n d e l j c i c i e n c y a n dt h e c o m p a r i s o n st ot h ec o m m o np i da r ep r o c e s s e d t h er e s u i t so ft h es i m u l a t i o ns h o w s t h a t ，c o m p a r i n gt ot h ec o m m o no n e ，t h ef u z z ys e l f - t u n i i 塔p i dh a sab e t t e rr e a i - t i m e q u a l i t y s h o n e rr e s p o n d i n gt i m e ，s m a l l e r0 v e r s h 0 0 t柚ds m o o t h e r p h a s es t e p r e s p o n d i n g i ti ss h o w st h a t ，弱t h ee l e c t r i c - h y d r a u l i c s e o s y s t e m ，u s i n gt h e p r o p o n i o n a lc o n t r o ls y s t e mi nt h eh i g hp r e s s u r eb y p a s sc o n t r o lc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs y s t e mc o n t r 0 1 f i n a l l y t h ea c h i e v e m e n t sa i l dd i s a d v a n t a g e so ft h eb y p a s sv a l v es t u d y i n gh a s b e 西v e na n dh a sa ne x p e c t a t i o nf o rt h ef u t u r eo ft h es u b j e c lt h ec o n c l u s i o nc a nb ea r e f e r e n c et 0s u c ht h e o r ys t u d y i n gu s i n gp r o p o n i o n a lv a l v et 0c o n t r o l t h eh pb y p a s s n 硕卜学付论文 v a l v ea n dc a ns o m e h o wg u i d et h ep r a c t i c i n gs u b j e c t s k e y w o r d s ：b y p a s ss y s t e m ；h pb y p a s sv a i v e s ；t h ee l e c t m _ h y d 豫u l i cp m p o r t i o 矾l p o s i t i o nc o n t m l ；缸忽ys e l f 二t i i n i n gp i d m 汽轮机高j 旁路f 乜液i 匕例拧制系统的研究 插图索引 图2 13 0 0 m w 火力发电机组典型启动模式曲线8 图2 2 二级串联旁路系统组成原理9 图2 3 高压旁路系统液动控制系统原理图1 2 图2 4d e h 系统中电液伺服系统示意图1 4 图2 5 伺服控制回路原理图1 4 图2 6 手动自动切换原理图1 5 图3 1 高压旁路阀比例控制系统结构框图1 6 图3 2 高压旁路阀阀位控制简图1 6 图3 3d h z o 线性电液比例换向阀流量调节曲线1 9 图3 4 比例放大器的典型构成2 0 图3 5 比例电磁铁传递函数方框图2 1 图3 6 旁路阀电液比例位置控制系统方框图2 6 图3 7 高压旁路阀液动控制系统的l t i 模型3 0 图3 8 高压旁路阀电液比例控制系统阶跃响应曲线3 0 图3 9 高压旁路阀电液比例控制系统的开环b o d e 图3 0 图4 1 常规p i d 控制系统原理图3 3 图4 2r c 滞后网络3 6 图4 3串联滞后校正系统系统3 7 图4 4 相位滞后校正后系统的开环b o d e 图3 8 图4 5 高压旁路阀控制系统根轨迹图3 9 图4 6z i e d e r - n i c h o l s 整定后的系统仿真模型图3 9 图4 7z i e 西e r n i c h o l s 整定后的系统阶跃响应4 0 图4 8 两种校正系统的阶跃响应比较图4 0 图5 1 模糊控制器4 5 图5 2 模糊控制原理图4 5 图5 3 模糊p i d 参数自整定控制器原理框图4 9 图5 4p 和的隶属函数一5 0 图5 5斌，的隶属函数5 0 图5 6 战，的隶属函数5 1 图5 7 似。的隶属函数5 1 图5 8 模糊自整定p l d 控制系统设计框图5 3 图5 9 模糊自整定p i d 与常规p i d 控制系统阶跃响应曲线对比图5 3 硕f j 学位论文 附表索引 表1 1 伺服、比例和丌关元件的性能对比”t 2 表3 1c w 0 0 9 1 6 0 7 0 1 6 0 液压缸参数1 7 表3 2 比例放大器参数表1 8 表3 3c k m 型磁致式位移传感器参数1 9 表5 1放。的模糊规则表5 1 表5 2 从，的模糊规则表5 2 表5 3战。的模糊规则表5 2 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：马会 日期：如令年6 月， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：砷年月日 日期：如咿年月日 茹卜 磅 潍中 硕f 。学位沦文 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 随着电力市场的建立，电网对机组的负荷适应性提出了严格的要求，要求机 组更加高效、安全运行；人类环保意识的提高，也需要控制安全门排放等引起的 噪音，所有这一切都要求机组配置性能良好的旁路系统【。旁路系统安全可靠地 投运对机组运行的经济性有明显效剁引。 国外的汽轮机旁路系统装置已经相当成熟。国内对汽轮机旁路系统的研究起 步较晚，而且多数都是成套设备的引进，对于旁路系统设备设计的深入研究还相 对较少。 一个好的旁路系统，可以缩短机组启动时问和减少蒸汽向空排放，节约能源， 减少汽轮机循环寿命损耗，实现机组的最佳气动，同时保护锅炉过热器，再热器和 汽轮机凝汽器，在机组正常运行时，旁路系统的自动调节可以有效地防止主蒸汽和 再热蒸汽超压1 3 j 。 高压旁路系统是整个旁路系统的关键设备，而高压旁路阀是高压旁路系统最 重要的环节之一，它存在故障将严重威胁机组的安全经济运行，导致机组停运甚至 事故，故必须引起足够重视i 引。 高压旁路阀存在故障其中一个原因是控制旁路阀启闭的电液伺服系统中的 伺服阀，其价格很高且容易损坏。伺服阀是一种对油质要求十分严格的电液转 换元件，油质的好坏直接关系到其工作的可靠性。一旦损坏，导致高压旁路阀发 生误动作，影响机组的安全、经济启动1 2 j 。 伺服阀的故障一般有三类： 第一类“卡 ，主要现象是伺服阀喷咀或阀心被垃圾堵死，阀心被偏在一侧， 有时偏在油动机全开位置，有时被偏在全关位置，无论信号正负变化，伺服阀总 是拒动。这就需要更换伺服阀。 第二类是“堵 ，由于油质很差，把伺服阀内部的滤网堵了，当堵的厉害时， 喷嘴、挡板放大器的放大系数下降，阀心移动减小直至不动，伺服阀灵敏度下降， 调节功能下降，油缸动作相对指令明显滞后。这时可以先清洗一下可拆式内部滤 网，如果不行的，则需更换伺服阀。 第三类是“内泄大 ，内泄变化主要是指阀芯阀套之间的内泄漏，目前我们 使用的伺服阀均为零开口阀，其零位密封是由阀芯台阶的尖角来保证，但由于长 期工作，阀套阀芯之间间隙增大，阀芯的凸肩被液流冲刷而变为圆角，此时内泄 就大了。当阀芯尖角被腐蚀掉0 1 m m 后，其内泄可达到2 0 【m i n ，无法实现对汽 轮机的精确控制，甚至无法开启油动机【5 j 。 汽轮机岛f f 旁路i u 液比例控制系统的研究 因此作为电液转换元件的电液伺服阀作用尤为重要，其稳定可靠性直接影响 机组安全稳定运行。目前，电厂d e h 系统中电液伺服阀的故障率较高。统计发 现，伺服阀卡涩故障占总故障次数的7 5 ，内泄漏量大占2 0 左右，由其它原 因引起的零偏不稳占5 左右【6 】。汉川电厂一期工程旁路系统自投运后，使用情 况一直不很理想，其中高压旁路阀发生过因误开而迫使机组解列的后果，其中就 有伺服阀的原因。洛阳首阳l u 电厂3 、4 号机组从1 9 9 5 年试运丌始，由于伺服 阀原因造成的停机：2 0 0 0 年分别为8 次、5 次，2 0 0 1 年分别为1 次、2 次截止到 2 0 0 2 年6 月仅3 号机组由于伺服阀原因造成的停机就达4 次i7 1 。浙江长兴电厂伺 服阀出现泄露悼j 。 运行中的电液伺服阀，要经常定期检验，定期维修1 6 j 。工作量很大，因此高 压旁路阀电液伺服控制系统中的伺服阀问题是较难解决的重要问题之一。对于旁 路系统能够安全可靠地投运，整个机组运行的经济性有很重要的意义。 1 2 比例阀与伺服阀性能对比 比例阀、伺服阀均为控制元件。根据系统要求来选择控制元件，对于开环系 统通常选择开关阀，而闭环系统选择伺服阀，比例阀即可用于开环系统，也可以 用于闭坏系统。比例阀、伺服阀都可以依据输入电信号来控制液流方向，并使流 量和压力比例地、连续地受到控制，可以认为其有无限种状态，可以分别对应于 被控对象的无限种运动状态。下表列出了伺服元件和比例元件性能对比【9 】【1 0 1 。 表1 1 伺服阀、比例阀的性能对比 类 电液电液早期 项别 伺服阀比例阀电液比例阀 可 介质过滤精度 3 l o2 52 5 u 阀内压降 70 5 2o 2 5 0 5 ( m p a ) 稳态滞环 1 31 34 7 重复精度 0 50 51 频宽 2 0 2 0 01 3 0l 5 ( h z 一3 d b ) 0 0 5 51 0 2 4 1 0 3 0 线圈功率( w ) 无有 有 中位死区 2 硕 j 。7 ：f 膏论文 j 价格因子i d i 1 i 1 i 由表1 1 可见，传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻， 其制造成本高，维护费用高，系统能耗也比较大，一般控制系统不宜采用。 比例阀则是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用可靠、低廉的模拟式电 一机械转换器和与之相应的阀内结构设计。从而获得对油质要求与一般工业阀相 同，低廉，阀内压力损失低，性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。与 电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性 方面还不如伺服阀外，其他方面的性能和控制水平与伺服阀的相当，其静、动态 性能足以满足大多数工业的要求。此外，比例控制阀还具有流量、压力与方向三 者之问的多重复合控制功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不但控 制性能得以提高，而且使系统更为简化。因此，比例阀更为广泛地获得应用1 1 1 1 【1 2 】。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 汽轮机旁路系统的国内外研究现状及发展趋势 汽轮机旁路系统最初用于欧洲的直流炉机组，7 0 年代几乎所有欧美国家实 用了高、低压二级串联旁路。我国7 0 年代开始引用美国西屋公司3 0 0 m w 汽轮 机制造技术，1 9 7 8 年首台机组投运1 1 3 j 。 国外的汽轮机旁路系统装置已经相当成熟。美国汉诺威( h a n o v e r ) 汽轮机 旁路系统被世界公认为是能快速启动及防止能量损失的最佳系统之一。它们延长 设备使用寿命，并且有更高的性能及可靠性。德国西门子( s i e m e n t r s ) 液动、 电动旁路系统遍布世界各地。欧洲的电厂多属于液压旁路。韩国电力公司，已经 设计了一组通用型5 0 0 m w 发电机组，作为发电厂标准设计的一部分，每个发电 厂都能实现日常开启和关闭，正在建造并且特定的操作运行能够满足韩国同常负 荷峰值电力需要，采用了h p 旁路系统【1 4 】。瑞士、美国、德国等国家的汽轮机旁 路系统装置的研究走在世界前列。 随着我国对国外大机组的引进，国外的一些先进技术也得到了广泛应用。例 如，我国2 0 0 m w 及以上机组中普遍采用了汽轮机旁路系统，我国引进技术自行 设计的旁路系统，在控制系统功能上与国外机组大同小异，包括高、低压旁路控 制阀门在内，基本上是引进国外产品。 2 0 0 5 年国内由哈尔滨电力设备总厂同上海唐电电力设备有限公司联合开发 的国产首台6 0 0 m w 机组汽轮机旁路系统装置试验成功，此设备即将安装山西武 乡电厂投入运行。这是继1 9 8 8 年国产首台2 0 0 m w 机组汽轮机旁路装置、1 9 9 5 年国产首台3 0 0 m w 机组汽轮机旁路装置的开发成功后，又一次突破，结束了 6 0 0 m w 以下机组汽轮机旁路系统装置完全依靠进口的历史i l 引。 3 汽轮机高f 暮旁路f 乜液比例拎制系统的研究 纵观国内外火电设备技术发展趋势，其最主要的特点和要求是：不断提高供 电效率和可靠性、降低能耗、减少环境污染，发电设备的技术结构从最初的小容 量中压机组，逐步发展到中等容量的高压机组和超高压机组，乃至近代水平的大 型容量亚临界机组，及现代超临界机组和多种联合循环机组，供电效率从初期水 平的2 5 提高到现代水平的4 0 以上。俄罗斯发电厂正在准备建造一个多种联 合循环机组，预期通过对旁路蒸汽阀参数采用不同的中央控制器( c c u ) 选项使操 作性能更强【1 酗。 大型超临界火电机组已成为世界发达国家电力设备的主导产品，机组容量指 6 0 0 m w 及以上，超临界压力指蒸汽压力从亚临界参数过渡到超临界参数，即主 蒸汽压力从1 7 m p a 提高到2 4 2 5 m p a ，主蒸汽温度从5 3 0 提高到5 4 0 ，由一 级中间再热改进为两级中间再热，使温度再提高到5 6 6 及以上，供电煤耗小于 3 0 0 克千瓦时，机组效率比同容量亚临界机组提高2 2 1 4 。以6 0 万千瓦机组 为例，超临界机组比亚临界机组，每年可节省约2 1 5 万吨标准煤。同本，俄罗斯 积极发展8 0 0 、1 0 0 0 、1 2 0 0 m w 容量级，日本的1 0 0 0 m w 已超过十台，参数采 用超级超临界( u s c ) 。欧洲、日本、美国已掌握u s c 技术，并已批量生产，投 运，并有良好的可靠性，安全性和灵敏性。 我国火电技术与当今世界火电技术的发展趋势是基本一致的。我国已引进并 掌握了亚临界3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组技术。我国进口的超临界机组已投运7 台， 其中石洞口二厂已有7 8 年运行经验，目前又引进1 0 0 0 m w 级的超临界机组， 表明我国现已完全具备与国外合作生产超临界机组的能力与条件，这也是开发 u s c 的基础。当前应抓紧落实超临界机组的依托工程项目，采取引进技术，技贸 结合等方式，攻克超临界机组的关键技术，加快超临界机组的研制【1 7 j 。 1 3 2 电液比例技术的国内外研究现状 液压工业已成为全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼 汾公司、德国的力士乐和博世公司等居世界领先地位，我国液压工业和国外还有 一定的差距。 电液比例控制技术，正是适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均 能满足工程技术实际需要的电液控制技术的要求，从6 0 年代末迅速发展起来 的。 德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、 可编程序控制器和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低， 迅速占领了欧美各种拖拉机的应用市场。 由比例方向节流阀和定差减压阀组成压力补偿型比例方向流量阀，被控制量 是输出流量，与输入控制电流成正比，可连续比例地控制液压缸，而与供油压力、 负载压力、回油压力变化无关，与压力阀组合在一起，就构成了可同时实现液流 4 硕卜学位论文 方向、流量多参数控制的比例复合阀。电液比例复合阀我国生产的品种少，而国 外很多，如德国力士乐( r e x r o t h ) 产品系列，由于该产品的控制特性、抗污染 性、可靠性和经济性，已成液控技术发展趋势，具有广阔的市场前景。其稳态性 能的滞环、重复精度、分辨率、非线性等与一般工业用电液伺服阀几乎相当，但 动态响应比伺服阀稍低，在较大的参数调节范围内运行。 西德b o s c h 公司提出高性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例 电磁铁和相应的放大器，并含位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死 区，滞环仅0 1 3 ，零区压力增益达3 额定控制电压，负载腔达8 0 供油压力， 工作频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1 3 。 加拿大的m i c r o h y d r a u l i c s 公司生产的高性能电液比例流量阀 c e t o p 5 可提供伺服阀特性而是比例阀的价格，工作频宽达4 0 h z 。 西德b o s c h 公司生产的n g l 0 伺服比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有 伺服阀的各种特性：零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的清洁度要求比伺服 阀低，具有更高的工作可靠性。 我国电液比例技术到七十年代中期丌始发展，现有几十种品种、规格的产品， 约形成有年产能力5 0 0 0 台。总的看，我国电液伺服比例技术与国际水平比有较 大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不 全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差， 以及存在二次配套件的问题等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快 提高【1 8 】。 1 4 本研究课题来源及主要研究内容 本论文将分析和研究甘肃某电厂2 3 0 0 m w 技改工程机组汽轮机旁路系统 装置，按照设计技术规范，设计符合技术要求和最佳的控制方式。本机组最显著 的启动特点是任何工况下均采用中压缸启动，因此对旁路系统控制的要求要比其 它机组更高。具体内容如下： ( 1 ) 查阅大量文献，综合国内电厂旁路系统存在的问题，借鉴电厂进行的 一系列改造措施，扬长避短，结合现场和设计技术规范，为甘肃某发电厂2 3 0 0 w m 技改工程机组旁路系统装置，设计了一套功能完善、性能良好的旁路系 统。 ( 2 ) 重点分析了高压旁路系统，针对旁路控制系统中，控制各旁路阀启 闭的伺服阀存在的问题，以本课题高压旁路阀为例，从理论和建模仿真两方面， 论证用比例阀代替伺服阀的可行性。 ( 3 ) 高压旁路阀的控制很重要，其开合与过流面积并非线性变化。具体高 压旁路阀，根据系统工作特点和性能要求，设计了电液比例位置控制系统，并选 5 汽轮f j 【i 葡j f 、开路l u 液比例栉制系统的硎究 择适当的控制元件。 ( 4 ) 通过合理的简化推导，建立了电液比例位置闭环控制系统的数学模型， 利用该模型对系统进行相关的动态和稳定性分析。 ( 5 ) 对模糊控制进行了要点分析，自主设计应用于液压位置比例系统的模 糊自整定p i d 控制器，通过仿真分析，与p i d 控制进行比较，对其控制性能给 予肯定。 国外的汽轮机旁路系统装置已经相当成熟。国内对汽轮机旁路系统的研究起 步较晚，而且多数都是成套设备的引进，对于旁路系统设备设计的深入研究还相 对较少。本课题的研究思想和研究方法为推进电液比例技术在汽轮机液动高压旁 路控制系统的研究具有一定的参考价值，对将来实际应用到工程实践中也有一定 的指导作用。 6 硕 j 学位论艾 第二章旁路系统设计概况 2 1 汽轮机旁路系统概述 汽轮机旁路系统是火力发电系统中的重要辅机，是中间再热单元机组热力系 统的重要组成系统之一，它可将高参数的蒸汽减温减压后直接排入再热器，从再热 器出来的蒸汽再次减温减压后进入凝汽器i l 引。 汽轮机旁路系统主要起源于与直流锅炉有关的欧洲电厂。早期的直流锅炉采 用湿态过热器启动，即过热器充满水。这种情况下，从湿态过热器到干态过热器 的过渡状态只能用自动控制阀处理，否则大幅度的容积流量变化将引起不允许的 偏差。6 0 年代中期，直流锅炉的设计及启动随着湿态过热器改成千态过热器而 发展，同时引入了再热器冷却问题，为此发展了汽轮机高压、低压旁路系统。所 谓旁路系统是指高参数蒸汽不通过汽轮机通流部分做功而经过与汽轮机并联的 减温减压器送入低一级参数蒸汽管道或凝汽器。 目前大容量中间再热汽轮机组基本上采用单元制配置。然而，汽轮机与锅炉 有着各自不同的运行特性；在启停过程中，机、炉有不同的升( 降) 温和升( 降) 压速 率限制。对于中间再热机组来说，锅炉再热器要求有一定的蒸汽流量，以冷却再 热器管道：其最小冷却流量约为额定值的1 5 左右。因此，采用锅炉出口对空排 汽的方法来协调机、炉之间的运行，不仅会造成工质浪费，产生严重的噪音， 而且不能解决再热器管道的冷却、保护锅炉的问题。故大多数中间再热机组设置 了旁路系统，以便解决低负荷时机炉特性不匹配的矛盾。 3 0 0m w 火力发电机组的典型启动模式示于图2 1 。机组从1 点开始停机过 程，此时锅炉出口蒸汽温度为t b s ，汽缸温度为风，机组停机时间为t s 。在此 期间，锅炉管路系统与绝热良好的汽缸相比，冷却较快。锅炉再次点火( 2 点，蒸 汽温度降为t b i ，) 后，产生的温度较低的蒸汽不能直接进入汽轮机，否则会在转子 中产生较大的热应力。因此，蒸汽首先经过汽轮机高、低压旁路系统旁路汽轮机， 直到其温度达到汽轮机可接受的程度( t b = t t 十t t b 为锅炉出口蒸汽温度，t t 为汽缸温度，t 为温差) ，这一过程为锅炉启动过程，所需时间为t b 。汽轮机 从3 点开始冲转，经历较短的时间t f ，汽轮机转速n 即可达到额定值。因此时蒸 汽直接冲击汽轮机内部，必须限制蒸汽温升速率，使其不超过汽缸或转子所规定 的安全温升速率，同步后，机组负荷从4 点开始逐渐增加，负荷升高速率由锅炉 压力与流量决定。机组在5 点达到额定负荷，锅炉出口蒸汽温度在6 点达到额定 温度。汽轮机启动至带额定负荷所需时间为t t ，最后汽缸温度达到额定工况下稳 定值。可看出，t f 与t s y 由汽轮机决定，而t b 、t i ，即机组启动过程主要由锅炉在 控制主蒸汽温度的同时，是否能较快建立适当的压力与流量决定。汽轮机旁路系 7 汽轮 ! f lr 留j 开路i 也液比例托琊1 系统的研究 统可使锅炉启动过程具有较高的燃烧率，在较短时间内产生较多蒸汽量，使锅炉 可精确地控制蒸汽温度。汽轮机开始冲转并带初始负荷时，锅炉产生的蒸汽不能 全部进入汽轮机，过量的部分通过高压、低压旁路系统直接进入凝汽器。这表明， 汽轮机旁路系统允许锅炉和汽轮机单独运行，缩短了机组启动时间。同时，由于 有效地控制了热应力，也延长了机组寿命。 汽轮机甩负荷时，调节阀会迅速关小，减少进入汽轮机的蒸汽量，而锅炉则 需较长的时间才能减少蒸汽产量。由此引起的蒸汽产量与用量不平衡，将造成主 蒸汽压力与再热蒸汽压力升高，若没有足够容量的旁路系统，将导致安全阀起跳。 在这种情况下，配备充分的汽轮机旁路系统实际具有很大的价值。旁路系统毫 无延迟地接受了过量蒸汽，用相结合的喷水降低蒸汽温度，且将蒸汽直接排入再 热器冷端管道，保证了再热器冷却。锅炉则独立于汽轮机继续运行以适应新负荷， 不会造成蒸汽或水排向大气的损失1 1 3 】。 t t ot f 。t 基y l23i l 点火冲转井再 图2 13 m w 火力发电机组典型启动模式曲线 2 2 本机组旁路系统描述及功能 一般汽轮机旁路系统有三种，主蒸汽经过减温减压绕过汽轮机高压缸进入再 热器冷段的系统为高压旁路或i 级旁路：再热后的蒸汽经减温减压绕过中、低压缸 直接引入凝汽器的旁路系统称为低压旁路或i i 级旁路；主蒸汽不经过汽轮机而经 减温减压后直接引入凝汽器的旁路系统称为大旁路或i 级旁路i 驯。 本工程机组启动方式为：中压缸启动。为了满足中压缸启动的需要和基本要 求，机组采用高压旁路( 主蒸汽) 和低压旁路( 再热蒸汽) 二级串联旁路系统装 置。该种型式旁路能适应较多运行工况，且系统不太复杂，在国内电厂得到普遍 应用。该产品是德国s i m e n s m 公司生产的，旁路容量分别为7 0 b m c r 和2 7 0 b m c r 。 高压旁路系统装置由高压旁路阀( 高旁阀) 、喷水调节阀、喷水隔离阀等组 成，低压旁路系统装置由低压旁路阀( 低旁阀) 、喷水调节阀、排汽装置入口减 8 硕l 学位论文 温减压器等组成。其工作原理如图2 2 所示： 二蘸氏 耐黧三# 一一l 罂j 一 l 列l l 墨8 置j教bf 幺8 ；l 再热嚣 i 鬻 凝绱容求 图2 2 二级串联旁路系统组成原理 该旁路系统装置有如下功能要求： ( 1 ) 改善机组的启动性能 机组在各种工况下( 冷态、温态、热态和极热态) 用中压缸启动，投入旁路 系统控制锅炉蒸汽温度使之与汽轮机金属温度较快地相匹配，从而缩短机组启动 时间和减少蒸汽向空排放，减少汽轮机循环寿命损耗，实现机组的最佳启动。 ( 2 ) 机组正常运行时，高压旁路装置具有超压安全保护的功能。 一旦主蒸汽压力超过高压旁路装置的设定值，高压旁路阀快速开启，并按照 机组主蒸汽压力进行自动调节，直到恢复正常值。 ( 3 ) 旁路应能适应机组定压运行和滑压运行两种方式，并配合机组控制实 现调节负荷的作用。当汽机负荷低于锅炉最低稳燃负荷时( 不投油稳燃负荷) ， 通过旁路装置的调节使机组允许稳定在低负荷状态下运行。 机组减负荷期间，用低压旁路装置调节各种负荷下中压缸入口相应的蒸汽压 力。旁路系统应在机组启动和接带负荷以及r b 、f c b 时投入使用，以缩短起动 时间和维持机组稳定和安全运行。 ( 4 ) 当电网或机组故障跳闸甩负荷时，旁路装置应快速动作，实现带厂用 电或空转或停机及维持锅炉最小负荷运行功能，使机组能随时重新并网恢复正常 运行。 ( 5 ) 在起动和甩负荷时，可保护布置在烟温较高区的再热器，以防烧坏。 ( 6 ) 回收工质，减少噪音。 2 3 高压旁路液压系统工作原理 由于旁路系统的高压旁路和低压旁路的控制系统组成及原理基本相同。只是 高压旁路系统装备带有安全功能，而低压旁路系统一般不具备安全功能，必须另 设再热器安全剐1 3 1 。故本文为求叙述简洁、清晰，以高压旁路为例对系统进行分 析，低压旁路系统分析类似，故不赘述。 9 q势掷努巾 乏涵l h 乱疋侄乏 k 汽轮机高联旁路l 乜液比例拧制系统的研究 2 3 1 旁路系统组成 整个旁路系统包括旁路阀门、执行机构以及控制系统三部分。旁路装置各阀 门的驱动执行器可以选用电动和液动执行器。对于使用部分容量如3 0 ，4 0 等， 此种情况下电动旁路的性能价格比最高，主要推荐使用电动旁路；在旁路系统为 1 0 0 及相近容量( 7 0 ) 时，推荐使用液动旁路，液动旁路适用于功能要求高 机组，如带机组保护或精确调节中缸启动机组。旁路液压驱动装置动作速度相对 于电动旁路快些，阀门动作时间不大于3 s ，本炉各阀门的驱动执行器选用液动 执行器。 在工作过程中，旁路系统工作装置的操纵控制系统由工作装置机构、检测系 统、液压系统和控制系统组成。 2 3 2 高压旁路阀门 高压旁路系统配有一个高压旁路阀、一个喷水调节阀和一个喷水调节阀前的 关断阀。这些阀门用途不同，其结构也有差异，下面分别介绍这三个阀门。 ( 1 ) 高压旁路阀 高压旁路阀b p 主要由阀体、阀盖、阀座、阀杆、笼罩、喷水法兰、节流孔 板、盛油盘等四十多种零件组成。具有减压减温功能( 将一次汽参数变为二次汽 进口参数1 ，其作用是对过热蒸汽减压，并控制旁路蒸汽流量，以调节机前蒸汽 压力，是汽机高压旁路主刚1 3 】。锅炉正常运行时，高压旁路调节阀处于关闭状态； 锅炉出口压力异常升高时，调节阀会打开而起溢流作用，降低蒸汽压力，当蒸汽 压力恢复正常时，调节阀又重新回到关闭状态。高压旁路阀的液压执行器系统由 以下元件组成：一个执行器、一个闭锁单元、一个伺服阀、一个安全控制系统、 两个蓄能器及变送器。高压旁路阀的液压执行器系统可实现高压旁路阀的正常调 节，也可在紧急情况下将高旁阀快速打开，使高压旁路阀具有启动、溢流和安全 三项功能。 本系统高压旁路阀及其执行机构选用德国s i e m e n s 刖t 公司产品，规格为 d u v 宰s 3 0 ，高压旁路阀进口水平布置，出口垂直向下布置，即角型阀。阀门立 式布置。 ( 2 ) 喷水减温阀 该阀的作用主要是向高压旁路阀提供减温水，调节减温水流量，以控制进入 再热器的蒸汽温度。喷水减温阀的液压执行器由以下元件组成：一个执行器、一 个伺服阀、一个闭锁单元及变送器。该系统可控制减温喷水阀的开度，使高旁出 口的汽温保持在3 3 9 9 。 ( 3 ) 减温水关断阀 该阀的主要作用是对减温水起关断作用，在喷水减温阀关闭时，确保减温水 1 0 坝i 掌位论艾 能可靠关闭，因为减温水来自给水，压力很高。关断阀的液压执行器系统主要有 以下元件构成：一个执行器、一个分级控制单元及变送器。当高压旁路阀开度大 于2 时，该阀自动打开，当高压旁路阀开度小于2 时，该阀自动关闭。 2 3 3 高压旁路控制系统 旁路系统的控制装置包括液压控制和电子控制系统，旁路系统液压控制系统 主要包括液压油供油装置、液压控制、执行机构以及蓄压器、滤网、管道、阀门 等部件。 供油装置主要功能是向旁路阀、减温水隔离阀以及温度调节阀的液压控制、 执行机构和安全控制系统提供高压抗燃油，用以驱动伺服执行机构。它配有两台 互为备用的1 0 0 容量的内置式齿轮油泵，油泵出口管道上各设有一个充压阀。 当蓄压器内的油压降到一定压力时，充压阀动作，此时油泵出口处的油流至充压 阀后，再次向蓄压器内充压。充压阀内设有止回阀，以防止充压阀动作后，抗燃 油从蓄压器内泄出。 执行机构响应从电子控制装置来的指令信号，调节各阀门开度；安全控制系 统是在故障时快速反应，以在短时间内完成打开或关闭阀门。 电子控制系统是以微处理器为核心的数字电液控制系统，包括阀门位置控 制、压力控制和温度控制回路，各种连锁保护逻辑回路，以及运行人员操作台和 指示仪表。主要有液压油系统的油泵启、停控制；高旁阀位控制；高旁喷水截止 阀和调节阀控制及低旁阀控制。 高压旁路控制系统有以下三个回路组成： ( 1 ) 主汽压力控制回路。其任务是在机组启动过程中，主汽压力控制回路 按主汽压力设定值自动调整高压旁路阀开度，使主汽压力随设定值变化而变化。 ( 2 ) 高压旁路后温度控制回路。其任务是高压旁路阀开启后，为保证高压 旁路出口蒸汽温度满足再热器的运行要求，自动调整喷水阀开度，控制喷水量使 高压旁路后温度控制在给定值。 ( 3 ) 超压保护回路。在主汽