（电气工程专业论文）胜利发电厂汽轮机数字电液控制系统的设计.pdf

浙江大学工程硕士学位论文摘要 摘要 从2 0 年代初，我国自己生产的2 0 0 m w 机组投产以来，2 0 0 m w 机组在我国 电力系统中一直占有重要的地位，截止到2 0 0 4 年，全国已有数百台2 0 0 m w 机 组运行在各大电网中，对我国国民经济的持续健康发展和人民生活水平的提高起 到不可估量的作用。 由于2 0 0 m w 汽轮机组是仿前苏联技术制造，设备的设计、制造水平与发达 国家的设备有较大差距。控制系统采用传统的机械液压式调节系统，系统存在灵 敏度低、迟缓率大、负荷适应能力差、自动化水平低等问题，给机组安全经济运 行带来隐患。 本文在深入研究汽轮机控制系统原理、特性和运行方式的基础上，对数字电 液控制系统进行总体设计，其主要功能包括：转速控制、负荷控制、甩负荷控制 功能、超速保护控制、汽轮机自起动及负荷自动控制( a t c ) 功能、主汽压力控 制功能。 胜利发电厂2 0 0 m w 汽轮机组进行工业试验，数字电液系统的控制设备选用上 海新华控制有限公司的数字电液控制系统( d e h ) ，软件通过组态方式实现机组转 速、负荷、超速保护、协调控制及阀门管理和a t c 控制逻辑，各项试验数据表明， 控制系统设计先进、合理、功能齐全，使2 0 0 m w 机组的运行指标大幅提高，为老 机组的现代化改造走出一条新路。2 0 0 唧机组在我国电力系统中仍占据重要的地 位，由于机型较老，自动化水平不高，近年来，数字电液调节系统( d e h ) 的广 泛应用，大大提高了老机组的汽轮机控制水平。本文阐述了2 0 0 姗机组数字电 调系统的设计和应用情况，重点讨论了超速保护、阀门管理、a t c 及甩负荷试验 等功能。 关键词：2 0 0 m w 机组全电调控制升速 阀门管理a t c甩负 浙江大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h eb e g i n n i n go f19 7 0 sw h e nt h ef i r s td o m e s t i c - p r o d u c e d2 0 0 m ws t e a mt u r b i n ew a sp u ti n t o o p e r a t i o n ，2 0 0 m wu n i t s h a v ea l w a y sb e e np l a y i n gi m p o r t a n tr o l e si no u rn a t i o n a le l e c t r i c s y s t e m ，u n t i ly e a r2 0 0 0 ，s e v e r a lh u n d r e d so f2 0 0 m wu n i t sh a v eb e e ni no p e r a t i o ni nt h el a r g e e l e c t r i cn e t w o r k sa l lo v e rt h ec o u n t r y ，w h i c hc o n t r i b u t e sal o tt ot h ec o n t i n u o u sa nh e a l t h y d e v e l o p m e n to f o u rn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d a st h e2 0 0 m ws t e a mt u r b i n eg e n e r a t i n gu n i t sw e r em a d eb yw a y so fc o p y i n gt h et e c h n o l o g yo f p r e s o v i e tu n i o n ，t h e r ee x i s t sq u i t el a r g eg a pi n t h ed e s i g no fe q u i p m e n ta n dt h el e v e lo f m a n u f a c t u t i n gc o m p a r e dt ot h eg e n e r a t i n ge q u i p m e n to fd e v e l o p e dc o u n t r i e s t r a d i t i o n a lm e c h a n i c h y d r a u l i ct y p ea d j u s t m e n ts y s t e mw a sa d o p t e di nt h ec o n t r o ls y s t e mo f s t e a mt u r b i n e ，t h es y s t e mh a s m a n yp r o b l e m ss u c ha sl o ws e n s i b i l i t y ，h i g hr a t eo fs l u g g i s h ，p o o rl o a da d a p t a b i l i t ya n dl o w a u t o m a t i cl e v e l w h i c ha l ll e a dh i d d e nd a n g e rt ot h eo p e r a t i o ns a f e t yo f t h eu n i t s b a s e do nd e e ps t u d yo nt h ec o n t r o ls y s t e mt h e o r y ，c h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n - m o d eo ft h es t e a m t u r b i n e ，t h i st h e s i sh a sm a d ea no v e r a l ld e s i g no nt h ec o n t r o ls y s t e mo fd e h ，a n di t sm a i nf u n c t i o n s i n c l u d e ：r o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o l ，l o a dc o n t r o l ，o v e rs p e e dp r o t e c t i o n ，c o o r d i n a t i n gc o n t r o l ，e t c a n dt h e k e yt o p i c sa r ev a l v em a n a g e m e n ts t r a t e g y ，r o t o rh e 砒i n gs t r e s sc o n t r o ls t r a t e g y ，a t cc o n t r o ls t r a t e g y a n ds w i n g i n gl o a dc o n t r o l ，e t c i nt h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n to fg a st u r b i n eu n i t si ns h e n g l ip o w e rp l a n t ，x i n h u a sd e h s y s t e mw a s s e l e c t e da st h ec o n t r o le q u i p m e n to fd e h a d j u s t m e n ts y s t e m t h es o f t w a r ei nf o r m m o d ea c h i e v e s r o t a t i o n a ls p e e d ，l o a d ，o v e rs p e e d p r o t e c t i o n ，c o o r d i n a t i n gc o n t r o l ，v a l v em a n a g e m e n ta n da t cc o n t r o l l o g i c a l lk i n d so fe x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi so fa d c a n c e da n dr e a s o n a b l e d e s i g na n do fc o m p l e t ef u n c t i o n s ，i th a sm a d eg r e a ti m p r o v e m e n ti nt h eo p e r a t i n gi n d e xo f 2 0 0 m wu n i t s ，a n dh a se x p l o r e dan e ww a yf o rt h em o d e m i z a t i o no f o l du n i t s k e yw o r d s2 0 0 m w t u r b i n eu n i t s ，p u r ed e h ，s p e e d - u p ，l o a d - u p ，v a l v e sm a n a g e m e n t ，a t c e h s y s t e m ，l o a dl o s s ，t h ef i r s t 丹e q u e n c y ，a c t u a t o r , h pt r i pm a n i f o l d i i 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 本文所涉及的汽轮机是用于火力发电的蒸汽轮机，在火力发电厂中它与锅 炉、发电机及其它辅助设备配套，完成将煤中的化学能转化为蒸汽中的热能，将 蒸汽中的热能转化为旋转机械能，再将旋转机械能转换为电能，并通过电网将电 能输送到各种用电设备，为人们的生产、生活服务。 发电厂生产的电能是不能大量储存的，即各发电机送入电网的功率必须等于 当时用户所需要的功率。电力用户要求汽轮发电设备提供一定数量的电力和保证 供电的质量。电的频率是供电质量的主要标志之一，为了使电频率维持在一定的 精度范围之内，要求汽轮机具备高性能的转速自动调节系统。 我国电力工业法规规定：频率误差率1 ，电压误差6 。 发电厂的首要任务就是以较低的成本，连续生产出品质符合规定的电能。频 率和电压二者与汽轮机转速都有一定的关系。电频率直接与汽轮机转速相对应； 电压除与汽机转速有关外，还与发电机励磁电流有关。电压是通过发电机的励磁 控制系统来调节的，不在汽轮机控制系统之内。所以汽轮机控制系统的主要任务 就是调节汽轮机的转速和功率。 随着科学技术的不断发展，作为发电设备的汽轮机组，越来越向大容量、高 参数方向发展，以便获得尽量高的热效率，降低制造、安装和运行成本。这样汽 轮机组设备更加复杂了，特别是在变工况过程中，需要综合控制的因素更多了， 原纯液压调节系统已经很难满足要求。随着计算机技术的发展，其综合计算的能 力是显而易见的，在其可靠性得到显著提高后，现已广泛应用到了电厂各种设备 的监视和控制系统中。汽轮机控制系统也不例外，由纯液压调节系统发展为数字 电液调节系统，并已在国内外许多电厂得到了很好应用。 随着以微处理器为基础的分布式控制系统( d c s ) 技术的发展，运用分散控 制、集中管理的设计思想，不但控制的可靠性得到了更大的提高，而且可大量减 少操作维护人员的劳动强度。在引进和广泛吸收国外先进技术的基础上，国内几 家汽轮机制造厂相继研制开发了2 0 0 m w 等级高压抗燃油全电调型汽轮机数字电 液控制系统d e h 。 第二节2 0 0 m w 机组调节系统的状况 一、概述 为提高汽轮机的自动化水平，适应我国电站自动化发展的需要，将国产 2 0 0 m w 汽轮机液压调节系统改造成为高压抗燃油全电调数字d e h 系统，以提高 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 7 、与协调控制系统配合，完成机炉协调控制功能； 8 、与d c s 系统接口。 对d e h 控制系统进行仿真实验，在确保控制系统运行安全、稳定、可靠的基 础上，进行发电机组的实际工业性实验，完成各项性能指标的工业测试，完善系 统的各项功能，使机组数字电液调节系统稳定运行。 6 塑竖奎兰王堡婴主堂垡丝塞苎三童皇丝些鳖蕉丝型墼兰 第二章汽轮机转速控制装置 第一节主要部件 1 危急遮断器试验阔组 1 1 危急遮断器试验阀组的作用 1 1 1 移动危急遮断器杠杆 1 1 2 作喷油压出试验和提升转速试验 1 2 工作原理 危急遮断器试验阀组主要由喷油电磁阀( 件1 ) 、试验电磁阀( 件2 ) 、集成 块( 件4 ) 组成。其结构简图及外部接管图见图2 一l 。 图2 一l 危急遮断器试验阀组 其工作原理如下：使试验电磁阀( 件3 ) 的4 y v 带电，压力油经试验电磁阀 进入杠杆，使杠杆向机尾方向移动，脱开# 1 撞击子，然后到喷油电磁阀( 3 y v ) 前，此时使3 y v 带电，则压力油经3 7 y v 进入# 1 喷油管，将# 1 撞击予压出， 使3 7 y v 、“v 失电，则# 1 撞击子复位，杠杆也回到原位，# 1 撞击子喷油压出， 试验完成。使试验电磁阀( 件3 ) 的5 y v 带电，压力油经试验电磁阀进入危急遮 断器杠杆，使杠杆向机头方向移动，脱开# 2 撞击子，然后到喷油电磁阀( 3 y v ) 前，此时使3 y v 带电，则压力油经3 y v 进入# 2 喷油管，将# 2 撞击子压出，使3 y v 、 5 y v 失电，则# 2 撞击子复位，杠杆也回到原位，# 2 撞击子喷油压出，试验完成。 浙江太学工程硕士学位论文第二章汽轮机转速蝗型楚里 2 复位遮断阀组 图2 2 复位遮断阀组 2 1 复位遮断阀组的作用 2 1 1 在掉闸状态下，根据运行人员指令使复位电阀( 件4 ) 泄掉危急遮断器滑阀上腔室压力油，使危急遮断器滑阀挂闸。 2 1 2 在危急情况下。使遮断电磁阎( 件2 ) 2 y v 带电动作， 滑阀下腔室压力油，使危急遮断器滑阀掉闸。 2 2 结构及工作原理 l y v 带电动作 泄掉危急遮断器 复位遮断电磁阀组主要由复位电磁阀( 件4 ) 遮断电磁阀( 件2 ) 集成块( 件 3 ) 及压力开关( 件1 ) 等组成，其结构简图及外部接管图见图2 2 所示。 除有挂闸信号外，复位电磁阀( 件4 ) 处于失电状态，此时复位电磁阀( 件 4 ) 将1 9 6 m p a 压力油引入危急遮断器滑阀上腔室。当需要挂闸时，可使复位电 磁阀( 件4 ) 带电，则复位电磁阀将危急遮断器滑阀上腔室接通排油，使滑阀在 危急遮断器滑阀下腔室油压的作用下运动至上止点，此时再使复位电磁阀失电， 危急遮断器滑阀上腔室油压重新恢复到1 9 6 船a ，则挂闸工作完成。 除有遮断信号外，遮断电磁阀( 件2 ) 处于失电状态，此时遮断电磁阀将 1 9 6 m p a 压力油引入危急遮断器滑阀下腔室。当有遮断信号发生时，遮断电磁阀 带电，将危急遮断器滑阀下腔室接通排油，使滑阎在危急遮断器滑阀上腔室油压 的作用下运动至下止点，危急遮断器滑阀掉闸，泄掉低压保安油，迅速关闭各主 汽阀和调节阀。 3 油动机 浙江大学工程硕士学位论文第二章汽轮机转速控制装置 3 1 油动机的作用 系统的执行机构，受d e h 控制完成阀门的开启和关闭。 3 2 油动机的组成和工作原理 本机组设有四个高压调节阀油动机，二个高压主汽阀油动机、二个中压主汽 阀油动机、四个中压调节阀油动机，所有油动机均为单侧进油，以保证在失去动 力源的情况下油动机能够关闭。下面就各油动机予以分别说明： 3 2 1 高压调节阀油动机、中压调节阀油动机 高压调节阀油动机和中压调节阀油动机的组成和工作原理基本相同，现以高 压调节阀油动机为例加以说明。 油动机组成：油缸、l v d t 、伺服阀、卸载阎、电磁阀、单向阀、节流孔板及 集成块。 当遮断电磁阔失电时，控制油通过遮断电磁阀进入卸载阀上腔，在卸载阀上 腔建立安全油压，卸载阀关闭。油动机工作准备就绪。 3 2 1 1 伺服阀接受d e h 来的信号控制油缸活塞下的油量。 当需要开大阀门时，伺服阀将压力油引入活塞下部，则油压力克服弹簧力和 蒸汽力的作用使阀门开大，l v d t 将其行程信号反馈至d e h 。当需要关小阀门时， 伺服阀将活塞下部接通排油，在弹簧力及蒸汽力的作用下，使阀门关小，l v d t 将其行程信号反馈至d e h 。当阀位开大或关小到需要的位置时，d e h 将其指令和 l v d t 反馈信号综合计算后使伺服阀回到零位，遮断其进油口，使阀门停留在指 定位置上，伺服阀具有机械零位偏置，当伺服阀失去控制电源时，能保证油动机 关闭。 3 2 1 2 油动机各有卸载阀供遮断状况时，快速关闭油动机用。 当安全油压卸掉时，卸载阀打开，将油动机活塞下腔室接通油动机活塞上腔 室及排油管，在弹簧力及蒸汽力的作用下快速关闭油动机，同时伺服阀将与活塞 下腔室相连的排油口也打开接通排油，作为油动机快关的辅助手段。 3 2 1 3 集成块上设置遮断电磁阀，在下列情况下，该电磁阀带电动作，关闭调 节阀。 a 、在甩负荷情况下。 b 、转速达到1 0 3 额定转速时。 c 、遮断情况下。 3 2 2 高、中压主汽阀油动机均两位控制方式控制阀门的开关。由限位开关指示 阀门的全开、全关及试验位置。高、中压主汽阀油动机的组成和工作原理基本相 同，现以高压主汽阀油动机为例加以说明。 组成：油缸、卸荷阀、遮断电磁阀、试验电磁阀、单向阀、节流孔板及集成 块。 9 浙江大学工程硕士学位论文 第二章汽轮机转速拄制装置 汽轮机挂闸后，高压安全油建立，d e h 给出开主汽门指令后，试验电磁阀失 电，压力油经节流孔、试验电磁阀进入油缸活塞下腔室，油压力克服弹簧力和蒸 汽力将阀门以一定的速率打开。 遮断电磁阀在有遮断信号时带电动作，卸掉卸荷阀上部安全油，使卸荷阀打 开，油缸活塞下腔室接通排油，在弹簧力和蒸汽力的作用下，使主汽阀迅速关闭。 试验电磁阀供阀门活动试验用。d 阴给出该阀门活动试验指令后，试验电磁 阀带电动作，将油缸活塞下压力油经节流孔接通排油，使阀门以一定的速率关闭， 当关至1 5 行程时，试验限位开关动作，使阀门全开，活动试验完成。 4 高压蓄能器 高压蓄能器共有三组，一组安装在供油装置上，二组安装在压力油管路上。 高压蓄能器用来吸压力油压波动及油管路激振。 第二节液压保护系统 本机组的液压保护系统由低压保护系统、高压保护系统及高、低压保护系统 接口装置三部分组成，完成机组的挂闸及遮断等任务。 1 低压保护系统 低压保安系统由危急遮断器、危急遮断器杠杆、危急遮断器滑阀、手动遮断 阀、复位遮断阀和危急遮断器试验阀组等组成，见图2 3 所示。 1 9 6 m p a 透平油分成四路进入低压保安系统：第一路经遮断电磁阀( 2 y v ) 进 入危急遮断器滑阀下腔室，接受遮断电磁阀( 2 y v ) 和手动遮断阀的控制；第二 路经复位电磁阀( 1 y v ) 进入危急遮断器滑阀上腔室，受复位电磁阀( 1 y v ) 的控 制；第三路先接入危急遮断器滑阀中部以形成低保安油并接受危急遮断器滑阀的 控制，同时该油路通过中部腔室接出并作用于接口阀上部；第四路进入危急遮断 器试验阀组，并受其控制。系统主要完成如下功能： 浙江大学工程硕士学位论文第二章汽轮机转速控制装置 危 透平油l9 6 m p a ( a ) 喷油试验原理图 唇卞州 透平油19 6 复位遮断壮组 忙 危急遮断器滑阀 口口 ( b ) 复位遮断原理图 图2 3 低压保护原理图 手动遮断阀 薄膜接口阀 卜 1 1 挂闸 系统设置的复位遮断阀组中的复位电磁阀( 1 y v ) 供挂闸用。挂闸程序如下： 按下挂闸按钮( 设在d e h 操作盘上) ，复位遮断组中的复位电磁阀( 1 y v ) 带电动 浙江大学工程硕士学位论文 第二章汽轮机转速控制装置 作，泄掉危急遮断器滑阀上腔室压力油，危急遮断器滑阀在其底部油压力作用下 上升到上止点，将低压保安油的排油口封住，建立低压保安油，当压力开关4 p s 检测到低压保安油已建立后，向d e h 发出信号，使复位电磁阀( 1 y v ) 失电，危 急遮断器滑阀上腔压力恢复到1 9 6 m p a 。监视压力开关1 p s ( 设在复位遮断阀组 上) 检测到该信号后发出信号给d e h ，挂闸程序完成。 1 2 遮断 从可靠性角度考虑，低压保安系统设置有电气、机械及手动三种冗余的遮 断手段。 1 2 1 接受电信号停机 此功能由遮断电磁阀( 2 w ) ( 设在复位遮断阀组上) 完成。一旦接受到电气 停机信号，遮断电磁阀( 2 y v ) 带电动作，泄掉危急遮断器滑阀下腔室油压，使 其掉闸，进而泄掉接口阀上部低压保安油，使接口打开，泄掉高压保安油，快速 关闭各阀门，遮断机组进汽。电气停机信号同时也送至各油动机的遮断电磁阀， 直接泄掉各油动机的高压保安油，快速关闭各油动机。 1 2 2 机械超速保护 机械超速保护由双通道的危急遮断器、危急遮断器杠杆及危急遮断器滑阀 组成。动作转速为额定转速的l1 0 1 1 2 ( 3 3 0 0 3 3 6 0 r p m ) 。当转速达到危急遮 断器设定值时，危急遮断器的撞击子击出，打击危急遮断器杠杆，使危急遮断器 滑阀掉闸，泄掉低压保安油，使接口阀打开，泄掉高压保安油，快速关闭各进汽 阀，遮断机组进汽。 1 2 3 手动停机 系统在机头设有手动遮断阀供紧急停机用。手打手动遮断阀按钮，将使低 压保安油泄掉，接口阀打开，泄掉高压保安油，快速关闭各进汽阀，遮断机组进 汽。 1 2 4 系统设置了危急遮断器试验阀组，供危急遮断器作喷油试验和提升 转速试验用。 2 、高压保护系统 高压保护系统由高压遮断模块、各油动机上配置的遮断电磁阀组成。 油缸活塞下部驱动阀门油压的建立，首先要关闭各油动机卸荷阀控制的排油 口。而卸荷阀则接受高压保安油压的控制，汽轮机挂闸后建立高压保安油，卸荷 阀关闭。高压保安油接受高压遮断模块和接口阀的控制，压力油经各油动机集成 块节流孔、遮断电磁阀、单向阀形成高压保安油，到达高压遮断模块和接口阀， 当机组需要遮断时，高压遮断模块或接口阀动作，泄掉高压保安油，卸荷阀打开， 泄掉各油缸活塞下压力油，则在弹簧力和蒸汽力的作用下，主汽阀和调节阀迅速 关闭，遮断机组进汽。 1 2 浙江大学工程硕士学位论文 第二章汽轮机转速塑制j ! 曼 2 1 高压遮断模块 高压遮断模块主要由一只遮断电磁阀、一只试验电磁阀、二只卸荷阀、集 成块及压力开关组成。遮断电磁阀设计为失电保护，即机组正常运行时处于带 电状态，当有遮断信号时，遮断电磁阀失电，卸掉其控制的卸荷阀上部油压， 使该卸荷阀打开，卸掉高压保安油，迅速关闭各阀门，实验电磁阀用来做卸荷 的在线活动实验用。 2 2 各油动机遮断电磁阀均为带电保护，电磁阀带电可使其对应的单个油 动机关闭，当有遮断信号时，所有的油动机遮断电磁阀带电动作，迅速关闭各阀 门。 3 、高、低压保护系统接口装置 高、低压保护系统的接口装置为接口阀，其作用是将低压保护系统的挂闸及 遮断信号传递给高压保护系统。 接口阀接受低压保安油的控制，其下部阀门控制着高压保安油，当处于挂闸 状态时，低压保安油建立，接口阀关闭；在遮断状态时，低压保安油被卸掉，接 口阀打开，卸掉高压保安油，迅速关闭各阀门。 第三节高压抗燃油系统、液压伺服系统 高压抗燃油系统由液压伺服系统、高压抗燃油遮断系统和供油系统组成。 1 液压伺服系统 液压伺服系统由阀门操纵座及油动机两部分组成，完成以下功能： 1 1 控制阀门开度 系统设置有四个高压调节阀油动机，两个高压主汽阀油动机，两个中压主汽 阀油动机，四个中压调节阀油动机。其中高压、中压调节阀油动机由电液伺服阀 实现连续控制，高压、中压主汽阀油动机由电磁阀实现二位控制。 在机组挂闸后，低压保安油、高压保安油建立，d e h 来的阀位控制信号通过 伺服放大器传到调节阀油动机的电液伺服阀，使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( l v d t ) 的拉杆和 活塞连接，活塞移动便由位移传感器产生位置信号，该信号经解调器反馈到伺服 放大器的输入端，直到与阀位指令相平衡时活塞停止运动。此时蒸汽阀门已经开 到了所需要的开度，完成了电信号一液压力一机械位移的转换过程。随着阀位指 令信号变化，油动机不断地调节蒸汽阀门的开度。 1 2 实现阀门快关 系统设置有阀门操纵座，阀门的关闭由操纵座弹簧紧力来完成。 机组正常工作是各油动机集成块上安置的卸荷阀阀芯将负载压力、回油压力 浙江大学工程硕士学位论文第二章汽轮机转速控制装置 机组正常工作是各油动机集成块上安置的卸荷阀阀芯将负载压力、回油压力 和安全油压力分开，当需停机时，安全系统动作，安全油压被卸掉，卸荷阀在油 动机活塞下油压作用下打开，油动机活塞在阀门操纵座弹簧紧力作用下迅速关 闭。 2 供油系统 供油系统为调节保安系统各执行机构提供符合要求的高压工作油( 1 4 m p a ) 。 工作原理 由交流马达驱动高压柱塞泵，通过滤网由泵将油箱中的抗燃油吸入，从油泵 出口的油经过滤油器流入高压蓄能器和与该蓄能器联接的高压油母管，将高压抗 燃油送到各执行机构和高压遮断系统。 溢流阀在高压油母管压力达1 7 土0 2 m p a 时动作，起到过压保护作用。 各执行机构的回油通过压力西油管先经过滤油器然后通过拎轴器回至油箱。 高压油母管上的压力开关l o p s 能对油压偏离正常值时提供报警信号，压力 开关7 p s 、8 p s 、9 p s 能送出遮断停机信号( 三取二逻辑) ，1 1 p s 和2 4 y v 用于主 油泵连锁及试验油箱内装有温度控制器，油箱油温过高过低报警的测点及油位 报警和遮断的装置，油位指示器安放在油箱的侧面。 1 4 浙江大学工程硕士学位论文 第三章汽轮机转速控制系统 第三章汽轮机转速控制系统 第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统组成 一、汽轮机调节保护系统的任务 汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合 数量和供电品质( 电压与频率) 要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电 机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率( 或 称周波) 决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节 归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行 时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电 机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速 为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。 汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量 与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。 目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度 的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系 统的特性分担这部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而 速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制( a f c ) 装置来分配调频机组的负 荷，这一调节过程称为二次调频。 然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行 中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工 况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供 电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之 为”内扰”。为抵御机组”内扰”的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制 信号，在发生”内扰”时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调 节转速，又调节功率的调节系统称之为功( 率) 频( 率) 调节系统。 汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱 浙江大学工程硕士学位论文 第三帝汽轮机转速控制系统 动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的 驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机 的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。此外， 机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障。 因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外， 还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下，保护系统快 速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽轮机的蒸汽供给，使 机组快速停机。汽轮机调节保护系统的原理性结构如图3 1 所示。 图3 一l 汽轮机调节保护系统原理性框图 综合上述，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机 的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在 允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空 转或快速停机。 二、中间再热汽轮机调节保护系统的特点 再热器的蒸汽管、传热管及联箱等是个很大的蒸汽容积空间，其间贮存的蒸 汽量决定于再热器蒸汽的温度和压力在非设计工况下，中、低压缸的功率与再热 器的蒸汽压力呈一定的比例关系，这样对应于不同的机组功率，贮存于再热器中 的蒸汽量是不等的。在机组功率变化过程中，因再热器内蒸汽压力变化导致贮汽 1 6 浙江大学工程硕士学位论文 第三章汽轮机转速控制系统 量的改变，产生的蒸汽吸蓄或泄放效应，使中低压缸的功率变化滞后于高压缸。 如图3 2 所示，在机组功率增大时，增大高压缸的进汽量，高压缸的功率输出近 似于阶跃增大，并且因再热器的压力较低，高压缸的功率还有一定的过增量。同 时，高压缸的排汽进入再热器内时，部分增大的蒸汽量滞留在再热器中，以提升 再热器的蒸汽压力，使中低压缸的功率缓慢增大。只有当再热器的蒸汽压力达到 新工况稳定状态时，才能使高压缸的排汽量与中压缸的进汽量相等。相反，在机 组功率下降时，高压缸进汽量减少，使再熟器蒸汽压力下降，再热器泄放出部分 贮汽，使得中压缸的进汽量大于高压缸。 再热器的时滞效应降低了机组快速响应外界负荷变化的一次调频能力，因为 中、低压缸的功率约占整机功率的7 0 。图3 2 中阴影部分表示了负荷调节过 渡过程中机组功率不能满足外界要求的大小，在甩负荷危急工况下，再热器中贮 存的大量蒸汽，如在中低压缸中继续膨胀作功，可使机组的飞升转速达额定转速 的4 0 ，严重危及着机组的运行安全。 l p 2 p 】 图3 2 再热器的时滞效应与高压缸过调 中间再热机组为单元制机组，锅炉的蓄热相对减少，特别是直流锅炉。传统 的锅炉跟随汽轮机的运行方式，利用锅炉金属蓄热释放满足汽轮机的流量要求， 势必引起锅炉运行参数的较大波动，严重时造成参数超限，危及机、炉的安全。 1 7 浙江大学工程硕士学位论文第三章汽轮机转速控制系统 再热器通常布置于锅炉的高温烟道区，在机组启、停过程中必须有足够的蒸汽来 冷却再热器，防止再热器传热管烧损。但在机组启动过程中，再热器的冷却蒸汽 量和锅炉低负荷稳燃的产汽量远大于汽轮机的空载流量，因此机组的升速、带负 荷与再热器的冷却间有很大矛盾。 为增强中间再热机组的一次调频能力，保护事故工况下机组的安全，提高机 组启、停操作的灵活性和安全可靠性，在中间再热汽轮机调节系统中，设置动态 校正器。在机组功率增大或减小时，通过高压调节汽门的过开或过关，由高压缸 功率的过增或过减补偿再热器产生的时滞效应，使机组功率与外界要求保持一致。 在中压缸进口处，设置中压主汽门和中压调节汽门，在危急事故工况下，快速切 断中压缸的进汽，避免再热器蒸汽进入中低压缸造成机组转速恶性飞升。另一方 面，在机组启、停过程中，由中压调节汽门控制再热汽温，使中压缸的进汽与中 压缸转子及汽缸的热状态得到良好的匹配。为减小中压调节汽门产生的节流损失， 中压调节汽门通常在机组负荷大于3 0 时保持全开。 为使中间再热机组在负荷变化时，既能利用锅炉金属的蓄热满足快速响应外 界电负荷的要求，又能通过改捎眯骺刂品绞健；骺刂频牧鞒掏既缤一 x 浙江大学工程硕士学位论文第三章汽轮机转速控制系统 为改善中间再热机组的启动特性，加快机组的启动速度，回收启动过程中的 工质和热量，以及在机组甩负荷工况下保护锅炉的安全，在中间再热汽轮机的蒸 汽系统中设有高、低压旁路系统和大旁路系统。高压旁路系统是将来自锅炉过热 器的新蒸汽通过减温、减压器排至冷再热器蒸汽管，低压旁路系统是将再热新蒸 汽经减温、减压器排至凝汽器，大旁路系统则是将新蒸汽经减温、减压器直接排 至凝汽器。在机组启、停过程中，通过操作高、低压旁路调节阀和中压调节汽门， 控制再热蒸汽温度和再热器的冷却。在甩负荷工况下，由旁路系统控制锅炉过热 器及再热器的压力，避免锅炉安全阀动作，使机组故障排除后尽快恢复运行。中 间再热汽的旁路系统及高、中压主汽门与调节汽门的布置如图3 4 所示。 图3 4 中间再热机组的旁路系统及主汽门、调节汽门布置 三、数字电液控制系统的基本组成 汽轮机调节系统的原理性构成如图3 5 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； 1 9 浙江大学工程硕士学位论文第三章汽轮机转速控制系统 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3 5 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。 汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分 为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。 1 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3 - 6 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 2 0 浙江大学工程硕士学位论文 第三章汽轮机转速控制系统 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 图3 - 6 原型性机械液压调节系统 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。 2 模拟电液调节系统 2 1 塑坚盔堂三塞堡圭兰垡堡苎蔓三童塑竺垫箜垄垫型墨竺 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。对图3 6 所示的调节系统，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。很明显，机组功率的减小量小 于由式( 3 2 ) 得的理想值。相反地，在电网频率降低时，这些非线性因素的作用， 使机组功率的增加量小于式( 3 - 2 ) 得的理想值。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。迟缓在四方图上的表示如图3 1 0 所示。 n 5 5八。 遮 n 、一 ，8、 ：f l 2 ，、 1 1 z 石 - n 1 。 i | | f 心 8 0 _ 。 l 。 3 _ - ，r l 、2 i 、2 、3 m 图3 - 1 0 调节系统迟缓在四方图上的表示 浙江大学工程硕士学位论文第三章汽轮机转速控制系统 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 = n 。一n 。与额定转速n 。的比为调节系统的迟缓率，通常用e 表示，即 占：! ! ! 二! j 1 0 0 ：坐1 0 0 ( 3 4 ) 挖0九0 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 _ en o 范围内漂移，引起机组转速波动。如图3 一1 1 ( a ) 所 示。如果迟缓率为e = o 5 ，则对应的转速波动的幅度为n = 1 5 r m i n ，相当于 供电频率有0 2 5 h z 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 - 1l ( 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 = e 6 p 。迟缓率e 愈大、速度变动 率6 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e 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。 ( a ) 单台机组 p ( b ) 多台机组 图3 1 1 调节系统迟缓对汽轮机运行的影响 p o p 浙江大学工程硕士学位论文第三章汽轮机转速控制系统 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o 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 。 四、同步器与静态特性曲线平移 ( 一) 同步器的作用 由调节系统的静态特性已知，机组在不同功率下所对应的转速是不等的。汽 轮机在额定转速n 。下单机运行对，当机组的功率由p 增加到p 2 时，一次调频的 结果使汽轮机的转速由n 0 降低到n 。，如图3 一1 2 所示。很明显，调节系统仅有一 次调频功能是不能满足优良供电品质要求的。只有当外界电负荷增大到p 2 后，若 能使静态特性曲线向上平移到c 点，那么在机组功率增大后又能保证机组的转速 仍为额定转速，即供电频率维持在额定值。因此，在单机运行时要求有一个能平 移静态特性线的装置。 p i p 2p 图3 1 2 单机运行时同步器的作用 在汽轮机并列运行时，若电网的频率基本不变，则机组所承担的负荷也就基 本不变。因此，在机组并网带负荷时，也应有一能平移静态特性线的装置，在并 列运行的机组间进行负荷的重新分配。这种能平移调节系统静态特性线的装置称 为同步器，其主要作用是： 浙江大学工程硕士学位论文 第三章汽轮机转速控制系统 ( 1 ) 单机运行时，启动过程中提升机组转速到达额定值，带负荷运行时可以 保证机组在任何稳态负荷下转速维持在额定值； ( 2 ) 并列运行时，在各机组间进行负荷重新分配，承担电网二次调频任务， 保持电网频率基本不变。 、 由此可见，在同步器平移静态特性线后，在调节系统四方图的第1 象限是一 簇相互平行的曲线。平移调节系统的静态特性线，可以通过平移转速感受特性线， 即将第1 i 象限中的转速感受特性线上、下平移，如图3 1 3 ( a ) 所示。也可平移中 间放大传递特性线来实现，即将第象限中的传递特性线左右平移，如图3 - 1 3 ( b ) 所示。前者称为第一类同步器，后者称为第二类同步器。目前，实际使用中以第 二类同步器为主。 l n 、二一 心 、 x 1 一 m ( a ) 第一类同步器 jn 一 一 ： 、 x 1 r 硼 ( b ) 第二类同步器 图3 1 3 同步器平移静态特性线 根据同步器提升转速和调节机组负荷的作用，同步器平移静态特性线的调节 范围，除满足正常蒸汽参数和额定转速工况要求外。还应充分考虑蒸汽参数、真 空和电网频率等实际运行因素的影响，为这些因素变化预留足够的调节范围。 3 1 浙江大学工程硕士学位论文 第三章汽轮机转速控制系统 ( 1 ) 同步器最小调节范围。为使机组的正常蒸汽参数、额定转速时能带满负 荷，并能通过操作同步券卸去全部负荷，同步器的最小调节范围至少为a ，即 图3 - 1 4 中a a - b b 所示范围。 ( 2 ) 静态特性线的下限位置。下限工作位置的设置应考虑电网频率降低、蒸 汽参数升高及真空上升等运行因素，并为机组并网前操作留有一定操作空间。当 电网频率低于额定值时，若仍能使机组维持空负荷运行，则应能将静态特性线下 移至图3 1 4 中c c 位置，方可进行并网带负荷操作，以及机组并列运行时用同步 器卸去全部负荷维持空转运行。 图3 1 4同步器的调节范围 p op 当新蒸汽参数升高或真空上升时，在同一调