核电站汽轮机控制系统的研究.doc

. . . . .核电站汽轮机控制系统的研究目录1绪论1.1引言1.2汽轮机的发展概述1.3本课题的研究方向及思想2汽轮机控制的发展及内容2.1汽轮机控制系统的发展过程2.2汽轮机控制系统的内容2.3汽轮机的控制现状3汽轮机数字电液控制系统简介3.1数字电液调节系统的内容及组成3.2数字电液调节系统的功能3.3DEH转速调节系统3.4DEH负荷调节系统4DEH控制对象数学模型的建立5DEH控制系统的仿真1. 杨其国.大型核电汽轮机国产化策略J.中国核工业.2006(03)1绪论1.1引言汽轮机又名“蒸汽透平”，是以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的高速旋转式原动机。它与其他原动机相比，具有单机功率大、效率高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点，广泛用于常规火电厂和核电站中驱动发电机来生产电能。而核电站如大亚湾和岭澳核电站所采用的汽轮机是单机容量100万kW的机组，是国内单机容量最大的汽轮发电机组，也是世界上性能比较优秀的机组之一。与汽轮机相配套的控制系统（GRE），尽管一二核控制设备不同，特别是在上位机部分，但控制原理基本相同。都分为两级控制结构，即上位机和下位机，下位机负责最基本的调节功能及安全功能，上位机负责复杂的计算、输入输出及管理功能。汽轮机调节系统的主要功能是，通过调节进气阀对机组实施功率控制、频率控制、压力控制和应力控制，并对机组的负荷和转速实施超速限制、超加速限制、负荷速降限制和蒸汽流量限制，使机组安全经济地运行于各种工况，满足供电质与量的要求。1.2汽轮机的发展概述及主要特点1883年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式汽轮机，随后在1884年英国工程师帕森斯设计制造了第一台单级反动式汽轮机，虽然当时的汽轮机和我们现在的汽轮机相比结构非常简单，但是从此推动了汽轮机在世界范围内的应用，被广泛应用在电站、航海和大型工业中。在60年代，世界工业发达的国家生产的汽轮机已经达到500600MW等级水平。1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机在美国投入运行，设计参数达到24Mpa，蒸汽温度538C，3600rpm；1974年西德KWU公司制造的1300MW单轴半速（1500 rpm）饱和蒸汽参数汽轮机投入运行，；1982年世界上最大的1200MW单轴全速汽轮机在前苏联投入运行，压力24 Mpa，蒸汽温度540C。目前世界各国都在研究大容量、高参数汽轮机的研究和开发，如俄罗斯正在研究2000MW汽轮机。主要是大容量汽轮机有如下特点：1）降低单位功率投资成本。如800MW机组比500MW汽轮机的千瓦造价低17%；1200MW机组比800MW机组的千瓦造价低15%20%。2）提高运行经济性。如法国的600MW机组比国产的125MW机组的热耗率低276kj/kW.h，每年可节约燃煤4万吨。由于冶金技术的不断发展，使得汽轮机结构也有了很大改进。目前的大机组普遍采用了高中压合缸的双层结构，高中压转子采用一根转子结构，高、中、低压转子全部采用整锻结构，轴承较多地采用了可倾瓦结构。目前各国都在进行大容量、高参数机组的开发和设计，如俄罗斯正在开发的2000MW汽轮机。日本正在开发一种新的合金材料，将使高中、低压转子一体化成为可能。1.3本课题的研究方向及思想为了保证供电质量，就必须保证电力系统的电压、频率的稳定。电力系统的频率直接取决于汽轮发电机的转速，一般要求汽轮发电机的转速稳定在额定转速附近很小的范围内，通常此范围为(1.53.0)r/min。从能量转化角度看，核电站与火电厂都是将热能转换成电能, 但核电站是利用反应堆所产生的核裂变能产生热能，这点与火电厂的锅炉不同。核电站一回路维持约16MPa 的压力, 反应堆出口冷却剂温度通常不超过330，在这样的冷却剂温度下, 在蒸汽发生器中产生压力约6MPa的饱和蒸汽。而火电厂中的锅炉则是在过热器中加热主蒸汽的，蒸汽都处于过热状态，温度达540 , 其压力更是高于核电饱和蒸汽压力，从而使得核电站二回中的汽轮机主蒸汽参数较火电厂要低很多。虽然核电站的汽轮机、凝汽器、加热器等设备与火电厂基本相同，但由于主蒸汽参数等的差异，其汽轮机参数、热力系统及运行方式与火电厂都存在较大差异。汽轮机的调节和保护是机组安全经济运行的重要技术环节，随着计算机的广泛应用，目前大多数电厂机组普遍采用了数字电液调节系统（DEH），以往采用液压调节系统的小机组也逐渐改造为采用电液调节或电液调节为主、液压调节为备用的调节系统。本课题主要论述数字电液调节系统如何对汽轮机的转速及负荷进行调节的原理及方式。2汽轮机控制的发展及内容2.1汽轮机控制系统的发展汽轮机控制系统从发展之初到现在一共经历了四代的发展过程。归纳为机械离心式调速系统、机械液压式调节系统、模拟电液式控制系统、数字式电液控制系统。机械离心式调速器是最早应用的汽轮机控制装置，被称为第一代调节系统，至今已有一百多年历史。（如图2.1.1所示）它是将转速变化转变成的离心力通过杠杆直接作用于调节阀而对汽轮机进行控制的，所以也称为直接控制系统。该系统只能实现大范围的转速调节工作。 图2.1.1机械离心式调速器 由于机械离心调节系统中调速器的能量有限，一般难以直接带动调节阀门，所以都将调速器滑环的位移在能量上加以放大，从而构成间接调节系统。机械液压式调节系统（如图2.1.2所示）就是一种利用机械传动部件将转速感应机构的能量加以放大的间接调节系统，被称为第二代调节系统，大约出现在二、三十年代。作为能量放大机构的是错油门和油动机，由于增加了阀门的提升力，所以控制系统的控制能力大大增强。 图2.1.2机械液压式调节系统 第三代调节系统是模拟式电液调节系统，于20世纪中叶进入电厂。它是在汽轮机容量增大、蒸汽参数提高、蒸汽再热技术的采用以及机组对安全性和经济性要求不断提高、电两对自动化要求提高的形势下发展起来的。这种系统采用有运算功能的电气元件取代了第一、二代系统中的感应、传递放大的机械、液压环节，而仍保留了液压执行器一一油动机。随着汽轮机容量的增大和参数的提高，大型汽轮机机组普遍采用了中间再热技术，中间再热器和相应的管道中存在的较大中间容积使中低压缸的功率变化滞后破坏了机组的适应性降低了一次调频能力。为了改善机组的一次调频能力，需要增加一个功率控制器，即形成了汽轮机功率频率电液控制系统（如图2.1.3所示），简称为功频电液控制系统功频电液控制系统在相当长的时期内发挥着巨大的作用，能很好地解决新蒸汽压力波动的抑制、功率滞后的补偿等问题，而且系统具有良好的静、动态特性，甩负荷时动态超速小。模拟电液控制系统采用磁阻发信器测量转子转速，用电液转换器实现电气和液压两部分的联接，其控制的可靠性远远优于机械液压控制系统 图2.1.3功频电液控制系统 第四代调节系统汽轮机数字式电液控制系统（DEH）是在模拟电渡控制系统上的进一步发展，它集成了两大最新科技成果：固体电子学新技术一一数字计算机系统和液压新技术一一高压抗燃油系统。由于采用了数字计算机对各种信号进行处理，所以通过软件可以实现更多的控制功能，使得组态灵活方便。在硬件上它采用了积木式结构，使功能扩展很方便，它的各种冗余技术使得控制更为准确。这些都是前三代控制系统所无法比拟的。图2.1.4为国产新华公司生产的DEH系统结构图。图2.1.4国产新华公司生产的DEH系统结构图 2.2汽轮机控制系统的内容完善的汽轮机控制系统应包括：监视系统、调节系统、应力监控功能、保护系统、液压伺服系统、自启停控制系统 2.2.1监视系统通过数据采集系统（DAS）监视采集汽轮机运行过程中的参数，大致分为两类：热工量以及机械量。热工量为主蒸汽压力、主蒸汽温度、凝汽器真空、汽缸温度、润滑油压力、轴承温度等，机械量为汽轮机转速、轴振动、轴承振动、转子轴位移、转子与汽缸的相对膨胀、汽缸热膨胀、主轴晃动度、油动机行程等2.2.2调节系统汽轮机调节系统的功能：转速控制、负荷控制、异常工况下的负荷限制、主汽压力控制以及阀门位置控制等。图2.2.2.1 汽轮机调节系统的原理（一）转速控制图2.2.2.2转速的升速率控制原理转速控制可实现大范围的转速自动调节，使汽轮机转速从盘车转速逐渐升到并网前的转速。（二）负荷控制开始时间：汽轮机启动升速过程结束、机组已完成并网任务后。功能：通过开环或闭环工作方式去控制汽轮机发电机组的负荷。目标：使汽轮机实发功率达到功率给定值。 当机组并网发电后，转速控制回路的转速偏差实际上反映的是电网实际频率与额定频率之差。当出现频差信号后，为了调节电网频率并使之维持在额定频率（50Hz）上，可将转速偏差根据汽轮机静态特性曲线转换为功率偏差，然后通过负荷回路去调节机组的实发功率，使机组参加一次调频。（三）异常工况下的负荷限制当发生工质参数越限或机组运行出现异常时，要求电液调节系统能够有效实现负荷限制的功能，以确保设备的安全。（四）主蒸汽压力控制单元机组的负荷控制相应有三种方式，其中两种控制方式（汽轮机跟随锅炉方式和机炉协调方式）的汽轮机控制系统均引入机前压力信号，汽轮机不同程度地承担了调节主蒸汽压力的任务。所以，有的电液调节系统中设置了主蒸汽压力控制回路，根据机前压力的偏差由主蒸汽压力控制回路产生阀门开度指令，从中汽轮机调节阀的开度，达到调节主蒸汽压力的目的。（五）阀门控制与管理1.汽轮机启动过程中的阀门控制：高压缸启动、中压缸启动2.阀门管理汽轮机高压缸有两种进汽方式，即节流调节的全周进汽和喷嘴调节的部分进汽。阀门管理是指对调节阀两种运行方式的选择和切换。节流调节全周进汽时，多个高压调节阀的启闭同步进行，像一个阀门一样，因此该进汽方式又称为单阀控制；喷嘴调节部分进汽时，前一个阀门开启到指定开度，后一个阀门才开始开启，该进汽方式又称为顺序阀控制。节流调节全周进汽可保证汽轮机升速和变负荷过程中转子均匀加热，减小转子的热应力。3.阀门在线试验为保证汽轮机故障时阀门能可靠关闭，电液调节系统应设置阀门在线试验功能，即在汽轮机带负荷情况下逐个关闭阀门，以检验其工作情况。4.阀门快关2.2.3应力监控功能（一）热应力监控概述热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力。热应力和温度差值有关。当金属内部达到热平衡，各处温度均相同，热应力也随之消失。汽轮机在高温高压下工作，转子处于连续高速旋转状态。当汽轮机运行工况改变时，转子内部不仅存在一定的机械应力，同时也存在热应力。高压缸调节级在启动和负荷变化过程中的热应力最大，是热应力监视的重点部位。对于中间再热机组，中压缸进汽部分在启动和负荷变化时汽温变化也很大，同样是监视的重点。高压缸调节级和中压缸第一级处转子和汽缸都是热应力较大的部位，其中转子热应力是最危险的。 为便于监视和控制应力，引用应力裕度系数K表征实际应力的相对值。应力裕度系数用下式计算： 应力裕度系数K表示在许用应力范围内还有多大裕量可供使用。K=1表示实际应力为0，该情况只出现在汽轮机停机且充分冷却时；K=0表示实际应力等于许用应力，无裕量可供使用；K0表示实际应力超过许用应力，这不允许。对转子应力裕度的监视可指导机组在最佳状态下运行，保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。一般，将应力裕度系数K限制在00.2之间为好。（二）转子热应力数学模型计算为简化计算，通常将汽轮机转子视为无限长的圆柱体，并且只计算圆柱体外表面和中心孔内表面的热应力。热应力的大小可以由温差dT来表征：dT=T1-Tm式中：T1为蒸汽接触的缸体表面温度；Tm为缸体50%深度处的平均温度。为限制热应力不超过允许限值，可通过限值温差不超过某一限值来实现。对于缸体和阀体，温差限值通过中间（平均）温度Tm的函数来设置，与升/降速度或升/降负荷相对应，形成允许上限温差dTpermu和允许下限温差dTperml两个限值。上限温度裕量ddTu=dTpermu-dT；下限温度裕量ddT1=dT-dTperml。 （三）应力限制实际应力与允许应力的差值经过汽轮机自启停控制（Turbine Automatic Control, TAC）转换器转换为转速或负荷目标值和升速率、变负荷速率，再经过DEH基本控制功能去控制汽轮机升速或变负荷，形成一个闭环控制过程。整个过程中要保证转子应力不超过允许应力值。图2.2.3.1应力系统限制原理2.2.4保护系统功能：当汽轮机运行中出现危险情况时，迅速关闭所有进汽阀门，防止发生重大事故，保护汽轮机设备安全。 2.2.5液压伺服系统（一）供油系统目前汽轮机控制用油多采用高压抗燃油，取代原来使用的汽轮机油。电液调节系统供油压力多选用1216MPa。图2.2.5.1供油系统（二）电液执行机构电液执行机构一般由液压缸（油动机）、阀位检测器、试验电磁阀和电液转换器等组成。大型机组一般需要1012套执行机构，分别控制2个高压主汽阀、46个高压调节阀、2个中压主汽阀和2个中压调节阀。图2.2.5.2电液执行机构工作原理液压缸习惯上称为油动机，大都采用弹簧复位液压开启式结构，液压缸单侧进油，充油时阀门开启，开启行程大小取决于液压缸充油量。当液压缸泄油时，阀门借助弹簧的力量关闭。图2.2.5.3油动机工作原理2.3汽轮机的控制现状以电液控制特别是数字电液控制为核心的汽轮机控制系统，代表了当前汽轮机控制技术的最高水平。美国、日本等国对汽轮机电液控制的研究比较早，其中比较有代表性的控制系统生产厂家有美国的西屋公司、GE公司，日本的日立公司、东芝公司、三菱公司及瑞士的ABB、法国的ALSTHOM、英国的GEC、德国的西门子、意大利的ANSALDO等公司。早期，我国引进上述生产厂家的电液控制系统比较多。我国汽轮机电液控制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器件性能和可靠性在80年代还比较低，加上电力系统内部传统观念的影响，阻碍了电液控制系统的发展。直到90年代，电液控制系统才在国内大容量汽轮机上得到广泛应用。目前，我国汽轮机组配套的电液控制系统主要有电液并存式控制系统、纯电液控制系统、专用型数字式控制系统和通用型数字式控制系统。电液并存式控制系统是一种机械液压式到电液控制系统的过渡产