（电气工程专业论文）火力发电厂汽轮机数字电液调节系统的设计.pdf

火力发电厂汽轮机数字电液调节系统的设计 摘要 承德发电厂汽轮机组原有机械液压调节系统在可控性和控制功能方面已不 能满足机组协调控制和电网自动发电控制等要求，且还存在着调节系统部套易卡 涩、迟缓率大、调节品质差、不能实现阀门管理等缺点。本系统的设计采用先进 的数字式电液调节系统灵活组态各种控制策略，满足现代汽轮机控制系统的要 求，在系统的安全性、可靠性方面得到较大提高。 本文的主要工作及成果如下： 首先，调查研究了汽轮机调节系统的发展历史和应用现状，通过研究机械液 压式调节系统、模拟式电气液压调节系统、数字式电气液压调节系统的调节原理， 通过分析他们各自的优缺点，研究了汽轮机调节系统进行d e h 技术改造课题的必 要性和可行性。 其次，本文以承德发电厂的汽轮机数字电液调节系统升级改造工程为实例， 详细研究了汽轮机控制系统进行高压抗燃油纯电调改造系统的硬件的组成、功能， 硬件部分的设计，软件部分的设计，以及高压抗燃供油系统和液压司服系统的配 套的实现。该系统经实际应用取得非常好效果，为类似系统的升级改造提供了有 效范例。 关键词：汽轮机调节系统机械液压调节系统数字式电液调节系统 t h et h e r m a lp o w e rp l a n td i g i t a le l e c t r oh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mo f t u r b i nd e s i g n a b s t r a c t t h eo l dm e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fc h e n g d et h e r m a lp o w e rp l a n t ， o nt h ep a r to fc o n t r o l l a b l ea n dc o n t r o lf u n c t i o n ，t h eo r i g i n a la n dm e c h a n i c a lh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mo ft h eo l du n i ti nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t ，c a nn o ts a t i s f yt h er e q u e s to f t h ec o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o la n ym o r e a n d w h a t sm o r e ，i ta l s oh a sm a n yw e a k n e e si na d j u s t i n gs y s t e ml i k et h eh ig hr a t eo f h y s t e r e s i s ，t h ep o o rq u a l 蚵o fa d ju s t i n g ，t h ev a l v ec o n t r o l l i n gc a n tc o m et r u ea n d s o o n i nt h i sd e s i g n ，u s i n gt h ea d v a n c e dd i g i t a le l e c t r oh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mc a n m a n a g ea l lk i n d so fc o n t r o l l i n gs t r a t e g y i tc a ns a t i s f yt h er e q u s to ft h em o d e m t u r b i n ea d j u s t i n gs y s t e m a tt h ep a r to fs e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ，i ti m p r o v ei tv e r y m u c h 刀j em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so fd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s - f i r s t l y ，t h i st h e s i ss t u d yt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no f t h et u r b i n ea d j u s t i n gs y s t e mf i r s t l y b ys t u d y i n gt h et h e o r yo fm e c h a n i c a lh y d r a u l i c c o n t r o l ( m h c ) ，a n a l o ge l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o l ( a e h ) ，d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i c c o n t r o l ( d e h ) ，a n a l y z i n gt h ee x c e l l e n c e sa n dw e a n e e so ft h e m ，w ew o r ko u tt h e n e s s e s s i t ya n dp o s s i b i l i t yo ft h a tt h ed e h o ft u r b i n ea d j u s t i n gs y s t e mr e t r o f i t s e c o n d l y ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h et u r ee x a m p l eo fd i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e mo fc h e n g d et h e r m a lp o w e rp l a n t i ti n t r o d u c e dt h ed e s i g n 、f u n c t i o na n dt h e c o m p o s i t i o no f t h eh a r d w a r ei nt u r b i n ea d j u s t i n gs y s t e mw h i c hh a st a k et h ea d j u s t i n g s y s t e mu p d a t er e t r o f i t ，a l s oi n t r o d u e dt h es y s t e m sa s s e m b l yr e a l i z a t i o no ft h eh i g h p r e s s u r ef i r e - - r e s i s t a n to i ls y s t e ma n dt h eh y d r a u l i cs e r v i c e t h eo p e r a t i o n ，t h i s s y s t e mm a k e st h ev e r yg o o dp r o g r e s sa f t e rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i th a sp r o v i d e d t h ee f f e c t i v em o d e lf o r t h es i m i l a rs y s t e m sp r o m o t i o nt r a n s f o r m a t i o n 。 k e yw o r d s ：t u r b i n ，t h ea d j u s ts y s t e m ， m e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ， d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 。 表格清单 表1 - 1目前国内部分电调系统使用情况表5 表2 1 冷态高压缸启动( b y p a s so f f ) 各阶段阀门状态。1 7 插图清单 图2 1间接调节系统示意图9 图2 2 汽轮机调节系统框9 图2 - 3 调节系统的静态特性曲线1 0 图2 - 4 静态特性曲线上的不灵敏区式1 l 图2 - 5 单机运行时平移静态特性曲线的作用1 2 图2 - 6 并网运行时平移静态特性曲线的作用1 2 图2 7d e h 系统组成方块图1 4 图2 8 测量环节1 4 图2 9 伺服控制回路框图1 5 图2 - 1 0b y a s so f f 启动的控制逻辑1 7 图2 - 11d e h i i i 型调节系统的转速调节原理图1 7 图3 1d e h i i i a 控制原理1 9 图3 2d e i - t - i i i a 硬件体系结构2 0 图3 3d e h i i i a 硬件配置一2 2 图3 4 组成d p u 的卡件连接原理图2 5 图3 - 5a i 方框图2 7 图3 - 6d o 方框图3 0 图4 - 1 控制系统主菜单画面3 7 图4 - 2 自检程序主画面3 8 图4 - 3 汽轮机升速控制画面3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特莉勰e 讳辩翻镯瓤舶够匿方井，吲暾舛环包舍其弛人已经发表或撰写过的 研究成果，：也不包含为获得金月曼王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 槲魏扮字嘲砸倜佣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权越 王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：矽劫年f 7 月g 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：蟋年l 惆fo 日 电话： 邮编： 致谢 在论文写作及整个求学间，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能有机 会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际j 我首先要感访 我的指导老师刘春副教授，感谢她在我求学 期间以及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博的专业知识、严 谨的治学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益匪浅，我将永远 铭记在心。在三年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和帮助令我永生难 忘。本论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血和汗水，在此向 我的导师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在课题组工作期间，给予我很大帮助的同 事和朋友们，是您们无私的奉献和积极的工作才使我得以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜负 各位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 作者：谢冬梅 2 0 0 8 年1 0 月0 1 日 第一章绪论 1 1 国内汽轮机调节系统发展历程 汽轮机在高压蒸汽的作用下高速旋转，调节系统保证了电压和频率稳定，保 证了在电网出现故障或机组出现故障时机组自身的安全。 在没有解决控制手段之前，汽轮机是不能作为工业应用的，只有在配备了调 节系统之后，汽轮机才具有真正的实用价值。因此，汽轮机的调节系统是汽轮机 本体的重要组成部分。为了保证调节系统和汽轮机其他部件之间的协调工作，汽 轮机的调节系统都是由汽轮机制造厂负责设计和配套的。 从2 0 世纪初汽轮机开始用于发电，就配备了机械液压式调节系统，并一直 沿用至今。2 0 世纪5 0 年代初，我国汽轮机全部依靠进口，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。 1 9 5 6 年，我国从捷克引进技术生产第一台6 l v l w 汽轮机，调节系统由外国专 家指导及调试。 1 9 5 8 年，上海汽轮机厂按旧中国留下的美国西屋公司资料生产1 2 t v t w 汽轮机 及2 5 m w 汽轮机。当时的液压调节系统完全按西屋图纸生产，由于资料不全及没 有计算资料，机组投运后负荷大幅度摆动。与此同时，在原苏联援助下建立了哈 尔滨汽轮机厂，按苏联图纸生产2 5 m w 、5 0 m w 及i o o m w 汽轮机，当时该类机组调 节系统是在苏联专家指导下生产及调试的。 2 0 世纪6 0 年代初，中国人开始自行研究汽轮机调节系统。 1 9 6 3 年中国开始自行设计1 2 5 瑚v 及2 0 0 l d w 、3 0 0 m w 汽轮机。汽轮机容量的增 大、蒸汽参数的增高、蒸汽再热技术的采用，使汽轮机的结构与机组系统复杂， 机组对安全性和经济性的要求不断提高。电网容量增大，电网对自动化的要求越 来越高，传统的机械液压式调节系统已经难以适应，必须开发出性能更好，功能 更强的新型汽轮机调节系统。在这一形势下，电气液压式汽轮机调节系统于2 0 世纪中进入了火电厂。1 9 6 6 年初，我国第一套功一频电液调节系统在长春第一汽 车厂动力厂1 2 m w 汽轮机上投入运行，并进行了各种试验，这套功一频电调运行 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 6 0 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，也表 明2 0 世纪6 0 年代我国汽轮机调节的技术已接近国际先进水平。 在电气液压式调节系统的应用初期，电气元器件的可靠性还不能完全满足工 业应用的要求，致使调节系统的可靠性不够高。汽轮机在配备了电气液压式调节 系统的同时，还保留了原来的机械液压式调节系统作为后备手段。这种调节系统 就是通常说的电液并存式调节系统或电液切换式调节系统。 2 0 世纪7 0 年代初，我国准备自己设计生产6 0 0 m w 汽轮发电机组，6 0 0 m w 汽 轮机电调攻关课题组解决了采用高压抗燃油电液调节系统中一系列技术难题，在 全部自力更生，采用国产电子元器件的基础上，研制成功了我国第一套采用高压 抗燃油的电液调节系统( a e h ) 。1 9 7 6 年3 月在上海闵行电厂6 号机( 1 2 m w ) 投运成 功并运行了五年半。这套系统应用运算放大器作为电液调节系统电气部分的主要 器件，采用当时组装组件式结构，液压部分采用国产磷酸酯抗燃油，工作油压 1 4 m p a 。第一次应用电液伺服阀作为电液转换的伺服执行机构驱动汽轮机调节阀。 这是我国第一套高压抗燃油模拟式电液调节系统( a e h ) ，这套系统的投运成 功，不但积累了a e h 及e h 的设计经验和运行经验，攻克了调节系统容差技术、 大流量电液伺服阀、抗燃油、采用抗燃油高压液压件、高压密封技术等技术难关， 为我国3 0 0 m w 、6 0 0 m w 大功率汽轮机采用数字式电液调节系统提供了设计依据和 关键技术。这套系统也体现了我国2 0 世纪7 0 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1 9 6 6 年低压透平油的电液调节系统( 电液并存型) 到1 9 7 6 年高压抗燃油的 电液调节系统( 纯电调系统) 投入运行，在此期间我国的汽轮机调节技术在7 0 年 代比国际先进技术落后了。美国西屋公司的第一套a e h 系统于1 9 6 7 年投入运行， 并1 9 6 9 年己开始设计数字式电液控制系统d e 卜i 。 为了促进大型汽轮机调节系统国产化，根据西屋公司有关的d e h 资料、国内 1 9 6 3 年开始研制电液并存的a e h 电液调节系统及1 9 7 3 年开始研制的采用高压抗 燃油的a e h 系统投运鉴定的经验，1 9 8 3 年9 月，我国将研制3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮 机发电机组数字式电液调节系统课题列入国家科技攻关项目，1 9 8 5 年成立了由 中国电工设备总公司、中国机械设备进出口总公司、哈尔滨电站设备成套集团公 司、上海发电设备成套设计研究所、上海汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、东方汽轮 机厂、杭州汽轮机厂、上海闵行工业公司组成的新华控制技术联合开发中心( 以 下简称“中心”) 。 “中心”采用先进的微处理机技术，开发电站专用控制设备，研制生产电站 汽轮机数字式电液调节系统d e h 、电站给水泵汽轮机数字式调节系统m e h 及其他 电站自动控制设备。第一套引进技术国产化的全功能d e h - i i i 系统与上海汽轮机 厂引进技术生产的3 0 0 m w 机组配套，于1 9 9 0 年1 月在汉川电厂投入使用。 这套系统采用i n t e l 8 0 8 6 计算机冗余配置，比当时引进的石横、平圩考核机 组使用的西屋公司w 2 5 0 0 小型计算机单机配置的d e l l i i 前进了一大步，达到西 屋公司d e h i i i 的水平。 这套系统运行实践表明3 0 0 m w 机组d e h - i i i 国产化优化设计成功，完全可以代 替进口，并于1 9 9 0 年1 2 月原机械能源两部召开了技术评审会。专家们一致认为 d e h i i i 系统是采用微处理机和高压抗燃油的纯电液调节系统，在我国属首次使 用，研制是成功的，标志着我国汽轮机控制技术达到了新的水平。 1 2 汽轮机调节系统分类 目前我国火电厂中汽轮机配套的调节系统主要有：机械液压式调节系统 2 ( m e c h a n i c a lh y d r a u l i cc o n t r o l ，m h c ) ；电液并存式调节系统( e l e c t r i ch y d r a u l i c c o n t r o l ，e h c ) ；模拟电路构成的电液调节系统( a n a l o ge l e c t r i ch y d r a u l i cc o n t r o l ， a e h ) ：专用型数字式调节系统和通用型数字式调节系统d i g i t a le l e c t r i ch y d r a u l i c c o n t r o l ，d e h ) 1 2 1 。 1 2 1 机械液压式调节系统( 姗c ) 国内汽轮机厂生产的2 0 0 m w 以下容量( 含2 0 0 m w ) 及早期3 0 0 m w 的汽轮机绝大 多数配用机械液压式调节系统。液压工质为2 o m p a 的透平油，高灵敏度的高速 弹性调速器或调速泵作为转速敏感元件；启动阀、同步器用来危急遮断油门的挂 闸、机组冲转、升速、并网和加减负荷；调速器错油门组的分配错油门和中间错 油门作为放大机构，油动机作为最后放大机构和执行机构；额定转速1 1 0 - - - - 1 1 2 时，保安系统的危急遮断器工作，额定转速1 1 3 - - 1 1 4 时，附加保安工作，主 汽门和调节汽门关闭。 机械液压调节系统响应速度较慢，机械间隙引起的迟缓率较大，静态特性固 定，无法根据需要而任意变动。但是由于它的可靠性在相当长一段时间内比电子 元件高，其特性也能基本满足汽轮机运行的要求，所以普遍采用，主要有高速弹 性调速器调速系统、径向泵液动调速系统、旋转阻尼液动调速系统几种类型。 1 2 2 电液并存调节系统( e h c ) 电液并存控制系统是近几年针对机械液压系统存在的问题而采用的解决方 法。汽轮机电液并存控制系统，大多用于对原机械液压式调节系统进行改进。电 气部分采用的是晶体管式专用电路，电气控制信号通过电液转换器，变换成液压 控制信号，取代液压调节系统中的脉冲油压信号去控制油动机，原液压控制系统 可以作为备用，使电调和液调之间能相互无扰动切换，相互跟踪。 电调系统运行时，液压调节系统自动跟踪；液压调节系统运行时，电调系统 自动跟踪。两系统无扰切换，而且都可以独立完成汽轮机启动、升速、并网、带 负荷以及负荷调节全过程控制。 电调和液调都是通过电液切换去控制油动机的，电调与液调的分界点是电液 切换阀，切换阀的工作位置由直流电磁阀控制，一般其上限位是电调位，下限位 是液调位( 确保在电调故障时电液切换阀靠滑阀自身重力落下，切至液调位置， 保证机组安全运行) 。 1 2 3 模拟式电液调节系统( a e h ) 模拟电液控制系统是随着电子元件可靠性的提高而出现的，它由模拟电路组 成。模拟电调系统的调速器部分( 即运算部分) 由电子元件组成而执行部件仍采用 液压执行器，电调的电子部分很容易实现信号的综合处理，控制精度高，能适合 各种不同运行工况的要求，而且操作、调整和修改都比较方便；电调的液压部分 ( 液压执行器) 输出推动力大，响应速度快。 模拟电液控制系统一般由调节系统、监视系统、保护系统和液压伺服系统组 成。调节系统的功能主要包括全程转速和功率调节；监视汽轮机在运行过程中的 机械参数变化情况，包括转速、轴承振动、轴向位移、转子和汽轮机的热膨胀和 大轴晃度；在汽轮机组故障情况下停止汽轮机运行以避免故障扩大或设备损坏。 1 2 4 数字式电液调节系统( d e l l ) 随着计算机技术及网络技术的迅速发展，出现了以计算机为基础的数字式电 液调节系统( 简称数字电调) 。目前我国火力发电厂中的大多数3 0 0 m w 、6 0 0 m w 级 汽轮机采用数字电调，特别是近十年以来，几乎所有新建的大容量汽轮机组均采 用数字电调。 数字电调系统由以计算机为基础的数字调节系统、e t s 汽轮机紧急跳闸系统 和e h 液压控制系统等组成。d e h 系统包括转速和负荷控制、超速保护、负荷限 制、阀门控制和管理、热应力计算、汽门快关及c c s 协调控制等，d e h 控制系统 可以满足汽轮机安全运行和启停的所有要求。 1 3 我国汽轮机控制系统现状 国内大容量汽轮机的各种控制系统，从总体上来说都能满足汽轮机对调节和 保安系统的要求，但是无论机械液压式调节系统，还是电液并存调节系统、模拟 电调控制系统和数字电调控制系统都存在需要改进和完善之处。 从我国各火电厂调查的情况看，现有的各种汽轮机控制系统均能达到汽轮机 的调节和保安要求。机械液压式调节系统是传统成熟的设备，但由于存在其本身 无法克服的不足，如机械误差引起的迟缓率大，特性曲线线性差，以及无法满足 电厂的自动化和电网集中调度等问题，已经开始被电调控制系统所取代。 电液并存控制系统，是一种从机械液压式调节到电调控制系统的过渡产品， 主要用于对原火电厂汽轮机调节系统进行改造，而新建电厂很少采用此类系统。 在国内配置电液并存式控制系统的机组上，只有少部分试用过电调系统，部分系 统早己处于废弃状态，能较长时间投运电调系统的较为少见。造成这一状况的原 因，除了由于当时电子元器件性能较差而影响系统可靠外，很重要的一个原因还 是受传统习惯的影响。电厂中专业的细分，使汽轮机运行人员对于传统的机械液 调系统极为熟悉，而对电气方面则显得陌生，也尽量避免使用，而且即使使用， 一旦发现调节系统有不稳定情况出现，为减少风险，大都简单地切除电调而退至 液调控制。 在为机组配备电液并存式控制系统时，其指导思想是一方面承认电调系统的 控制功能和技术特性优于机械液压调节系统，而另一方面又怀疑其电气系统的可 靠性。因此，以液调作为电调的后备。这在当时电子元器件技术水平低，其组成 的电气系统可靠性尚不够高的情况下是可以理解的。但随着近十几年电子行业元 器件技术的飞速发展，纯电调控制系统已完全能适应汽轮机运行的要求。目前国 4 内部分电调系统使用情况见表l - i 心1 。 表i - i目前国内部分电调系统使用情况表 序 号 电调系统 使用厂家 1 m a r k i ia ( g e ) 模拟电液控制系统 南通发电厂3 5 0 m w ，上安发电厂3 5 0 m w 2 r e g 一7 0 ( 阿尔斯通) 模拟电液控制系统姚孟发电厂3 0 0 m w ，元宝山发电厂6 0 0 m w 3 e s a c o n ( 意大利a n s a l d o ) 模拟电液控制系统大港发电厂3 5 0 m w ，利港发电厂3 5 0 m w d e h i i ( w e s t i n gh o u s e ) 4 石横发电厂3 0 0 m w ，平圩发电厂6 0 0 m w 专用型数字式电调控制系统 m i c r o r e c ( 阿尔斯通) 江油发电厂3 3 0 m w ，珞璜发电厂3 6 0 m w 5 专用型数字式电调控制系统北仑发电厂6 0 0 f 1 i r n e t c o n 一5 0 0 0 ( w o o d w o r d ) 6 沈海发电厂2 0 0 姗 专用型数字式电调控制系统 m i c r o g o v e r n o r ( 英国g e c a l s t h o m ) 7 岳阳发电厂3 6 0 m w 专用型数字式电调控制系统 d e h 一i ( 新华) 汉川发电厂3 0 0 m w ，珠江发电厂3 0 0 m w 8 专用型数字式电调系统铁岭发电厂3 0 0 m w ，嘉兴发电厂3 0 0 m w 9m i d a s - 8 0 0 0 ( 三菱) 通用型数字式电调系统 福州发电厂3 5 0 m w ，大连发电厂3 5 0 m w 1 0p r o c o n t r o l - p ( a b b ) 通用型数字式电调系统 石洞口第二发电厂6 0 0 姗 a d v a n tc o n t r o l l e r 一1 6 0 ( a b b ) 1 1 长沙发电厂3 5 0 m w 通用型数字式电调系统 t e l e p e r m x p ( 西门子) 通用型数字式电调系 1 2 阳城发电厂3 5 0 m w 统 w d p f ( w e s t i n gh o u s e ) 沙角a 发电厂3 0 0 b l w ，外高桥发电厂 1 3 通用型数字式电调系统3 0 0 删，吴泾发电厂3 0 0 m w h i a c s 一3 0 0 0 ( 日立) 1 4 首阳山发电厂3 0 0 1 唧，锦州发电厂2 0 0 m w 通用型数字式电调系统 1 5h i a c s 一5 0 0 0 ( 日立) 通用型数字式电调系统 邹县发电厂6 0 0 m w 妈湾发电厂3 0 0 m 唧，安顺发电厂3 0 0 m w 1 6 i n f i 一9 0 ( 贝利) 通用型数字式电调系统 能港发电厂2 0 0 m w 1 7 y o s m a p ( 东芝) 通用型数字式电调系统北仑发电厂6 0 0 m w ，沙角b 发电厂3 5 0 m w 1 8m a x l 0 0 0 ( m c s ) 通用型数字式电调系统 彭城发电厂3 0 0 m w ，马鞍山发电厂3 0 0 m w 哈尔滨第三发电厂6 0 0 m w ，西柏坡发电厂 1 9 d e l l i l i a ( 上海新华) 通用型数字式电调系统 3 0 0 m w ，威海发电厂3 0 0 m w 常熟发电厂3 0 0 m w ，邹县发电厂3 0 0 m w 2 0i a ( 上海f o x b o r o ) 通用型数字式电调系统 谏壁发电厂3 0 0 m w h s 一2 0 0 0 ( 北京和利时) 2 1 清镇发电厂2 0 0 m w ，长山发电厂2 0 0 m w 通用型数字式电调系统 模拟式电调的使用情况较好，能够满足汽轮机安全运行和启停的要求。而做 到这一点主要原因是模拟式电调电路结构直观，使运行人员和维护人员对系统的 结构能深入了解，在查找问题和处理故障时，心中有数，能较快、较准地找到原 5 因，保证了系统良好的工作。但因技术不断发展，模拟电路组成的电调已不再生 产，而数字式电调控制系统已开始广泛使用。 数字式电调控制系统( d e h ) 分为两大类，即专用型电调控制系统和通用型电 调控制系统。现有的d e h 系统的工作可靠性已完全满足大容量汽轮机安全运行的 要求，所有的d e h 系统都能很好地满足火电机组的转速控制和负荷控制，但还有 许多d e h 系统的功能发挥得不够理想，例如：现有的d e h 系统的汽轮机自启停控 制( a t c ) 功能普遍不完善，没有在电厂真正使用；许多机组不能正常实现阀门管 理功能，即使投入运行也存在一些不足；几乎所有的d e h 控制系统的汽门快关功 能都不完善；而协调控制( c c s ) 只有一些简单的功能，无法进行有效的复杂协调 控制。造成这些问题的原因是多方面的，既有d e h 控制系统本身的原因，也有使 用单位人员素质的原因。 由于大型机组转子相对较轻，超速的可能性大，对调节品质和安全措施方面 要求很高，液压或模拟电调系统都已很难适应；随着计算机性能价格比的提高， 运行经验的积累，特别是自控部分在大型电厂中应受重视已为人们所共识，因此 现在国内外3 0 0 m w 以上的大型机组，都较普遍地采用了数字式电液调节系统。 目前在役的2 0 0 m w 以下容量( 含2 0 0 m w ) 及早期3 0 0 m w 的汽轮机，在建设时几 乎全部都是配备机械液压式调节系统的。近年来随着主机的技术改造工作，增配 纯电调系统或电液切换系统的汽轮机已超过投产机组总数的三分之一，随着老机 组改造工作的进展这个数字还在不断上升。 从配备电调系统的汽轮机运行情况可以看出：在已投运的纯电调系统中，运 行时间最长的已经达到1 5 年。运行情况一般均良好。纯电调系统除了已经克服 机械液压式调节系统存在的固有缺点，控制系统的功能有很大的扩展外，还提高 了调节系统的调节精度，并能接受机组协调控制系统的指挥，为投入自动发电控 制a g c ，满足电网调度自动化提供基础，其工作可靠性己经完全能够满足大容量 机组连续运行的要求。纯电调系统对于保证大机组的安全、经济运行发挥了应有 的作用。 1 4 汽轮机调节系统的发展 1 4 1 数字式电调系统的广泛采用 随着技术水平的发展，大容量汽轮机调节系统的发展方向应该是广泛采用数 字式电调。从总体看来，主要是采用通用型数字式电调系统。 专用型数字式电调由于专用化程度高，电厂运行人员和维护人员对系统了解 较差，使用情况不如通用型数字电调。目前专用型数字式电调的功能大多数未能 全面发挥，特别是美国西屋( w e s t i n gh o u s e ) 公司生产的d e h i i i 型专用数字电调 的应用仅限于转速控制、负荷控制和超速保护等基本功能哺1 。 许多专用型数字式电调系统生产厂家已改为通用型。通用型数字式电调控制 系统的软件透明直观，硬件通用性强，使工作人员可以深入了解系统，熟练地查 6 找问题，解决问题。 1 4 2 通用型d e h 系统的发展特点 通用型d e l l 系统采用分散型控制系统( d c s ) 组成，工程师站和控制员站采用 w i n d o w s 9 5 或w i n d o w sn t 作为平台，控制软件采用组态方式，通信方式由原来 普遍采用的串行通信改进为以太网络通信。这些均符合国际标准i e e e 8 0 2 3 协 议，通信速率也由几k b p s 上升到几m b p s 。 硬件采用通用的i n t e l 的8 0 x 8 6 或p tc p u ，过程控制板的通用性和互换性 很高。 通用型d e h 系统发展的主要特点是软件和硬件都广泛采用标准化产品。 1 4 3 控制思路的发展 最新资料表明，一些先进的设计思路己获使用。如美国m c s 公司所采用的 d e b ( d 1 - r e c te n e r g yb a l a n c e ) 协调控制是一种先进的设计思路：它随着负荷的 改变，自动调整控制器参数，使之适应对象动态特性随负荷变化，改变部分负荷 下单元机组的特性。在马鞍山第二发电厂使用情况很好，它有效地消除了由单元 机组对象动态特性随负荷变化的改变，提高了单元机组在不同负荷下的性能口1 。 1 5 本文的主要工作和章节安排 本论文的研究对象是火力发电厂汽轮机的调节系统，并通过承德发电厂 1 2 5 m w 汽轮机将机械液压式调节系统升级改造为高压抗燃油数字电液调节系统的 工程设计，全面地研究了目前最先进的汽轮机调节系统高压抗燃油数字电液 调节系统( d e h _ i i i a ) 的原理、构成、功能，及其应用发展前景。全文的章节安 排如下：第一章绪论，简要介绍汽轮机调节系统的发展历程、调节系统的分类、 应用现状，以及全文章节安排。第二章汽轮机调节系统，研究了汽轮机进行转速 调节的必要性，研究了汽轮机调节系统的基本原理，研究了数字式电液调节系统 ( d e h ) 的组成、功能和电液调节系统的工作原理。第三章汽轮机数字电液调节 系统的硬件设计，在前期充分的理论研究的基础上，对承德发电厂汽轮机数字电 液调节系统的硬件系统进行了设计。第四章汽轮机数字电液调节系统的软件设 计，对承德发电厂汽轮机数字电液调节系统的软件系统进行了设计。总结了数字 电液调节实现的功能和达到的技术指标。第五章结论与展望，对整个改造情况进 行了总结，对d e h i i i a 的应用前景进行了研究。 7 第二章汽轮机调节系统 2 1 汽轮机调节系统的基本原理 电力生产对发电用的汽轮机调节系统提出了两个基本要求，一是保证能够随 时满足用户对电能的需要；二是使机组能维持一定的转速，保证供电的频率和机 组本身的安全。 汽轮发电机组的电功率与汽轮机的进汽参数、排汽压力、进汽量有关。如果 汽轮机的进汽参数和排汽压力均保持不变，那么机组发出的电功率基本上与汽轮 机的进汽量成正比，当电力用户的用电量( t l p 夕l - 界电负荷) 增大时，汽轮机的进汽 量应增大，反之亦然。如果外界电负荷增加( 或减少) 时，汽轮机进汽量不做相应 增大( 或减小) ，那么汽轮机的转速将会减小( 或增大) 。为使汽轮发电机发出的电 功率与外界电负荷相适应，机组将在另一转速下运行，这就是汽轮机的自调节性 能。 若仅依靠自动调节性能，将会使汽轮机转速产生很大的变化。这是因为外界 电负荷的变化是很大的，仅依靠汽轮机的自动调节性能，不但不能保证电能质量 ( 电频率、电压) ，还会使发电机组并列困难。因此就必须在汽轮机上安装自动调 节系统，利用汽轮机转速变化的信号对汽轮机进行调节。汽轮机调节系统总体上 可划分为无差调节系统和有差调节系统两种h 1 。 2 1 1 无差调节系统 一台汽轮发电机组单独向用户供电时，即孤立运行机组，根据自动控制原理， 汽轮机调节系统可以采用无差调节系统。假设在某初始状态下，汽轮机的功率与 负荷相等，其转速为额定值。由于某种原因，例如用户的耗电量增加，则发电机 的反转矩加大，转子和转矩平衡遭到破坏，转速将要下降，这时汽轮机的调节系 统将会动作，开大调节汽阀，增大进汽量，以改变汽轮机的功率，建立起新的转 矩平衡关系，使转速基本保持不变。 采用无差调节系统的汽轮发电机组不利于并网运行，因此并网运行的汽轮发 电机组几乎都采用有差调节系统。无差调节常被应用于供热汽轮机的调压系统 中，使供热压力维持不变。 2 1 2 有差调节系统 对于发电用的汽轮发电机组，其转速调节系统一般为有差调节系统。 图2 一l 是最简单的一级放大间接调节系统。转速升高时，调速器l 的滑环a 向上移动，通过杠杆2 带动错油门5 向上移动，这时错油门滑阀套简上的油口m 和压力油管连通，而下部的油口n 则和排油口相通。压力油经过油口m 流入油动 机3 活塞的上腔，油动机活塞在上、下油压力之差的作用力推动下，向下移动， 关小调节汽阀4 。转速降低时，调速器滑环向下移动，带动错油门向下，这时油 8 动机活塞下腔通过油口n 和压力油路相通，而上腔则通过油口m 和排油口相通， 活塞上下的压力差推动活塞向上移动，开大调节汽阀n 1 。 图2 - i 间接调节系统示意图 1 一飞锤；2 一杠杆；3 一调节汽阀 4 一调节汽阀；5 一错油门 从以上分析可知，个闭环的汽轮机自动调节系统可分下列四个组成部分： ( 1 ) 转速感受机构。它是用来感受转速的变化，并将转速变化转变为其他物 理量变化的调节机构。图2 - i 系统中的离心飞锤调速器就是转速感受机构的一种 形式，它接受转速变化信号，输出滑环位移的变化。 ( 2 ) 传动放大机构。它是处于转速感受机构之后、配汽机构之前的，起着信 号传递和放大作用的调节机构。图2 - i 系统中的滑阀、油动机以及杠杆属于传动 放大机构，它感受调速器的信号( 滑环位移) ，并经滑阀和油动机放大，然后以油 动机的位移，传递给配汽机构。 图2 - 2 汽轮机调节系统框 z 一调速器滑环位移；s 一油动机滑阀位移；m 一油动机位移： l 一调节汽阀升程；n 一汽轮机转速 ( 3 ) 配汽机构。它是接受由转速感受机构通过传动放大机构传来的信号，并 能依此来改变汽轮机进汽量的机构。图2 1 系统中的调节汽阀以及与油动机活塞 连接的杠杆就属于配汽机构。 9 ( 4 ) 调节对象。对汽轮机调节来说，调节对象就是汽轮发电机组。当汽轮机 进汽量改变时，汽轮发电机组发出的功率也相应发生变化。 图2 - 2 是用框图表示的调节系统框图。从图2 2 中可以很明确的看出调节系 统各组成环节之间的关系。 2 1 3 汽轮机液压调节系统的静态特性 根据间接调节的工作原理，可以看到汽轮机负荷变化时，汽轮机的转速也会 相应发生变化。在稳定状态下，汽轮机的功率与转速之间的关系，称为调节系统 的静态特性。汽轮机功率p 和转速n 的关系曲线，即汽轮机调节系统的静态特性 曲线3 ，如图2 - 3 所示1 。 图2 3 调节系统的静态特性曲线 2 1 4 转速不等率和迟缓率 1 、转速不等率6 调节系统的静态特性曲线是一条连续倾斜的曲线，其倾斜程度可用调节系统 的转速不等率6 表示。根据图2 - 3 所示的静特性曲线，可找到从空负荷到满负荷 的转速变化值a n = n = , - n 山，则调节系统的转速不等率为 6 = n n ox1 0 0 = ( n 。一n 。i 。) n 。x1 0 0 ( 2 1 ) 式中n 。，、n 咖空负荷和满负荷时对应的转速，r m i n ； n o 额定转速，r m i n 。 6 是调节系统最重要的指标，从自动调节原理的角度讲，它相当于调节系统 的比例带，既反映了一次调频能力的强弱，又表明了稳定性的好坏。如果特性曲 线平坦，即6 较小，则一次调频能力较强。一次调频是指在电网负荷变化后，电 网频率的变化将使电网中各台机组的功率相应地增大或减小，从而达到新的功率 平衡，并且将电网频率的变化限制在一定的限度以内。从调频能力看，似乎6 越 小越好，但6 过小，易引起调节系统不稳定，甚至引起系统强烈振荡；相反，6 过大，虽可使调节系统稳定，但不能保证供电频率在规定的范围内。可见，6 的 大小对供电质量和调节系统的稳定性有十分重要的影响。 一般6 的范围为3 6 ，常用的为4 5 5 5 ，带基本负荷的汽轮机转速 不等率应比带尖峰负荷的取得大些，但是所谓基本负荷和尖峰负荷也是相对的， 它是随单机功率增大而变化的。因此，一般希望将转速不等率设计成连续可调， 1 0 即可按运行情况调整。 2 迟缓率 由于调节系统各部套间的连续部分存在着间隙、摩擦力以及错油门重叠度等 原因，使机组在加负荷过程和减负荷过程中，静态特性曲线是不重合的，中间存 在着带状宽度的不灵敏区，如图2 4 所示，不灵敏区的转速差和额定转速之比称 为调节系统的迟缓率，也称为调节系统的不灵敏度，其关系式为 = ( n 2 1 3 1 ) n o 1 0 0 ( 2 2 ) 式中 n ：减负荷时，功率为p 。所对应的转速； n 加负荷时，功率为p 。所对应的转速。 由于加负荷与减负荷过程中，两条静态特性曲线不一定互相平行，即不灵敏 区的宽度是不一样的。其中转速最大差值a n 。与额定转速n o 之比称为最大迟缓 率，其关系式为： = a n 。n 。1 0 0 ( 2 - 3 ) 调节系统迟缓率是一个重要的质量指标，一般要求越小越好。过大的迟缓率 会引起机组的速度或负荷摆动，甚至引起调节系统不稳定。 图2 4 静态特性曲线上的不灵敏区式 2 。1 5 静态特性曲线的平移和同步器 汽轮发电机组有两种基本运行方式：一种是单机运行，另一种是并网运行。 单机运行时，机组的负荷即等于用户的耗电量。根据调节系统的静态特性， 负荷变化时机组的转速将要变化，因为交流电的频率与发电机的转速成正比，所 以在负荷增加时，电网的频率将按照静态特性而略有降低；负荷减少时，频率将 略有上升，如图2 5 所示，当功率由p 。，增加到p ：，则转速( 频率) 将由n 。下降到 n ：。频率的变化显然是不希望的，为了补偿频率的变化，在调节系统中附加了一 种频率( 即转速) 调整设备，称为同步器。它的作用