汽轮机DCS系统的设计与研究.doc

武汉理工大学硕士学位论文汽轮机DCS系统的设计与研究姓名：任俊闯申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：罗惠谦20100501摘要汽轮机主要分为电站汽轮机、船舶汽轮机和工业汽轮机，工业汽轮机广泛用于石化、电力、冶金、建材、环保、能源综合利用等工业领域，具有转速高、热力参数、功率及转速变化范围大的特点，是大型工业装置中的关键动力设备。传统方式下，汽轮机的启停过程是由运行人员按照运行规程完成的，运行过程中的状态监视和数据管理也多依赖于运行人员的经验；而其控制系统多采用机械液压控制系统，这种结构组成造成了调节精度低和自动化程度低的缺点；汽轮机在运行过程中，当运行参数发生变化危及系统安全时，安全有效的保护措施也是必要的。因此，为保证汽轮机运行的安全性、可靠性、经济性，必须设计出具有良好的通用性、可靠性和性价比优越的集散控制系统。本文致力于汽轮机的控制和管理，以汽轮机系统为核心，重点讨论了汽轮机的控制过程，保护原理和数据管理，并详细介绍了其实现方法，很好的实现了控制的有效性，系统工作的稳定性以及保护系统的可靠性，是实现工厂智能控制和管理的重要一步。文中综述了汽轮机以及系统的发展，确立了以可编程逻辑控制器（）为控制核心，对汽轮机的控制系统做了总体设计，包括调速系统和汽轮机设备控制，然后对汽轮机的保护原理进行分析，并设计出了汽轮机紧急跳闸保护系统（），实时根据现场工况判断系统的工作状态，在有危险状况时，能及时有效的保护汽轮机的安全；根据系统的需要，对现场测点分布和信号处理给出了详细分析，并给出了现场测点的分布和对数字量信号的冗余处理和模拟量信号的校正处理，提高系统工作的可靠和稳定；以工业组态软件和技术为基础，设计了友好的上位机人机接口。结果表明，本汽轮机系统有效的起到了分散控制和集中管理的作用，其控制性能良好，精度高，响应速度快；系统能在发生危险状况时及时有效的停机保护系统；上位机监控系统能及时准确的显示实时数据，报警信号，并提供方便的操作按钮。本系统工作稳定，运行可靠，维护方便，软件功能完善，具有良好的工作特性。关键词汽轮机；系统；，；，曲，；，、析协，；（），；，；独创性声明本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学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了谢意。签名：趁焦翌日期：墨学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生：铮族闾导师：掺夕抄）？武汉理工大学硕士学位论文第章绪论课题研究的背景和意义汽轮机是将蒸汽的热能转换成旋转机械的动能的设备，与其它热力发动机，如燃气轮机、内燃机一样，使目前世界上最重要的原动力之一。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，前者也被称为发电汽轮机，后者称为工业驱动汽轮机。工业驱动汽轮机广泛用于石化、电力、冶金、建材、环保、能源综合利用等工业领域，具有转速较高、热力参数、功率及转速变化范围较大，应用广泛，品种繁多等特点，是大型工业装置中的关键动力设备。其控制系统承担着转速和负荷调节及工况控制的任务，直接影响着机组运行的安全性、可靠性、经济性以及自动化程度。近几十年来，随着工业的发展，工业汽轮机为各类工业部门提供动力，形成了一个新兴的工业部门，在国民经济中起着重要的作用。不同用途对汽轮机提出了不同的要求，发电用汽轮机必须使其输出电力的电压、电流和频率达到要求，这要求汽轮机必须具有负荷调节的手段；工业用汽轮机，其驱动的风机、泵类等的出压力必须满足工艺要求，这些都要求汽轮机有调节转速的能力；供热用汽轮机必须保证提供的蒸汽参数满足用户要求，这就要求汽轮机具有压力调节的功能。在不同的运行方式下，这些参数之间可能相互制约，互相影响，同时，为了满足汽轮机安全、稳定、经济运行的需要，这就要对汽轮机其它参数，设备进行控制和调节。但是当这些参数，超过调节系统能够控制的范围而危及汽轮机安全时，必须紧急停止汽轮机的运行，所以必须配备保护系统，我们一般称保护系统为（）“。传统方式下，汽轮机的启动、停机过程是由运行人员按照运行规程，通过人为设定转速、负荷、压力等目标值和变化速率来完成的，这种启动方式多依赖于运行人员的经验。随着自动化技术的发展，自动化装置已经成为工业生产过程中的重要组成部分，分散控制系统（）是以微处理器为基础，全面融合计算机技术、测量控制技术、网络数字通讯技术、显示与人机界面技术而成的现代控制系统。系统是一种集中管理、分散控制的控制系统，它包括四个最基本的组成部分：现场控制站、工程师站、操作员站和系统网络。工业汽轮机多采用机械液压控制系统，而其结构组成决定了武汉理工人学硕上学位论文其自身难以克服的缺点，即调节精度低，自动化程度低，难于与等控制系统通信，工作特性固定，调节功能少；而适用于工业汽轮机的性能优良、可靠性高、通用性好、性价比高的电液控制系统，能很好的克服液压控制带来的不便。所以本系统为满足各方面要求，集控制、保护和管理为一体，适合现代化生产要求”。汽轮机及系统的发展概况工业汽轮机的发展汽轮机设计与制造技术已经取得了飞跃的发展。年，瑞典工程师拉伐尔（）创造出第一台轴流式汽轮机，单级冲动式汽轮机；年，英国工程师巴森斯（）相继创造出了轴流式多级反动式汽轮机、辐流式汽轮机、和背压式汽轮机；年前后，美国工程师寇蒂斯（）创造出了通常所谓的寇蒂斯（复速级）单级汽轮机；年至年间，出现了热电联合生产的汽轮机，即背压式与调整抽汽式汽轮机；年左右，随着蒸汽动力循环装置的改进，出现了给水回热式汽轮机；年，汽轮机技术取得了进一步的发展，出现了第一台中间再热式汽轮机；如今汽轮机技术已经经过了一百多年的发展历程，技术不断进步的同时，也给世界工业发展做出了巨大的贡献。在国外，工业汽轮机的生产厂家主要集中在美国、欧洲、日本、俄罗斯等国家，工业汽轮机是整个汽轮机行业的一部分，大部分企业以生产电站汽轮机为主，兼生产工业汽轮机，如美国的公司，日本的三菱重工等。再世纪，世界工业迅速发展，随着石油化工业的进步，有些企业成立汽轮机的专业制造厂，如德国的公司、意大利的新比隆公司、俄罗斯的卡鲁加汽轮机厂等“。国内汽轮机制造工业起步较晚，诞生于世纪年代，经过年的艰苦努力，已发展成装备业的支柱产业，目前国内的主要汽轮机生产商主要有哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、北京重型电机厂、南京汽轮机厂、杭州汽轮机股份有限公司、青岛捷能动力集团、无锡叶片厂、广州汽轮机厂、武汉理火学硕士学位论文中州汽轮机厂、青岛汽轮机配件厂等制造企业。其中哈汽、上汽、东汽等大型汽轮机制造厂主要生产、的大型电站汽轮机。而工业汽轮机主要是杭汽、青汽等制造厂生产。工业汽轮机在现代工业企业中得到广泛应用，主要原因是：在所有既需动力又需热量，或者有副产热能的各种生产流程中，合理配置工业汽轮机，可提高能源利用率，达到节能的目的。工业汽轮机有较高的转速和较大的功率适用范围，转速可高达转分以上，功率可从几千瓦到十万千瓦以上。它能直接驱动生产流程中的泵、鼓风机和压缩机等机械，并可平稳、灵敏地与这些被驱动机械相互协调地变速运行，以适应生产流程工况条件的变化。这是其他动力机械所不能比拟的。汽轮机具有轴对称的高速旋转部分，因而运行平稳、磨损微小、连续运行时问长，能满足现代生产流程的要求”。系统的发展。目前系统在企业生产过程的实时控制层得到了非常广泛的应用，例如发电厂机、炉、电辅机及共用系统的一体化控制以及钢铁、化工、造纸等生产过程自动控制都普遍采用系统。自年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得巨大的提高。总的来说，正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。国内外在这方面的研究也经历了很长时间。直到世纪年代，微处理器和固态存储器的出现，才使系统得到了发展。年公司将计算机技术（）、控制技术（）、通讯技术（）和显示技术（玎）相结合，创造性的推出了分散控制系统，为其它的制造厂商指明了方向。年代中期，出现了第二代分散控制系统，其特点是系统的功能扩大或者增强，控制算法的扩充；常规控制与逻辑控制、批量控制相结合等。进入年代，进入了分散控制系统的第三代，它的主要改变是在局域网方面，在符合开放系统的各制造厂产品问可以相互连接、相互通讯和进行数据通讯，第三方应用软件也能在系统中应用，从而使分散控制系统进入了更高的阶段。第四代的最主要标志是：信息化（）和集成化（），信息化体现在各系统已经不是个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台；集成化体现在两个方面，武汉理工大学硕士学位论文功能的集成和产品的集成别。从电力行业看，我国电力行业在世纪年代末期随引进大型火电机组开始应用，到今天已经成为电站控制的标准装备。大到的主力单元组，小到几十兆瓦的循环流化床热电联产机组，都有在保障其安全运行。论文的研究内容本文主要是设计研究出工业驱动汽轮机的系统，方便用户控制和数据的管理，同时为了满足用户对汽轮机的自动控制和实时保护，本系统也包括汽轮机的自动控制系统和紧急跳闸保护系统，主要的研究内容包括：汽轮机系统过程控制的设计，包括转速调节，为方便与系统的融合，以及调节精度和自动化程度上考虑，本系统采用电液控制系统；以及热井水位调节，确定控制策略，保证热井安全水位。汽轮机系统保护方案的设计，包括实时采集和监视汽轮机重要危险信号，确定保护策略，当有危险情况发生时，能够及时紧急停机，保护汽轮机安全。汽轮机系统现场级的设计，包括传感器信号处理，传感器与控制器的连线和检测点的分布。汽轮机系统的人机接口的设计，主要包括监控级：有工程师站和操作员站；和管理级：为方便与其他数据一同管理，采用计算机高级语言，对系统数据进行操作和管理。武汉理工大学硕卜学位论文第章汽轮机系统总体方案设计本系统采用可编程逻辑控制器作为主控制器，为方便远程分散控制的要求，采用了两个远程设备站和一个的作为从站，两个设备站主要由模拟量模块和数字量模块和通讯模块组成，主要完成对现场模拟信号和开关量信号的采集和输出控制，从站主要从主控制器接收控制命令，对变频器实现单独控制，以及向主控制器返回数据，方便主控制器管理和控制；上位机主要由操作员站和工程师站，负责完成对汽轮机整体状态数据的显示和管理，以及人员操作命令的发出点，主要由工业组态软件设计。系统结构设计本汽轮机系统主要完成对汽轮机的远程控制和集中管理，需要对汽轮机控制调节之外，也包括了汽轮机的安全保护策略，以及对汽轮机运行中产生的数据进行处理和分析，帮助用户管理生产，所以在控制策略上要求准确、安全、经济，在现场人员的应用上要做到，通俗易懂，操作简单，所以本系统采图系统总体设计方案武汉理大学硕士学位论文用计算机作为上位机，工业组态软件作为操作人员的人机接口，过程控制级采用可编程序控制器，在工厂环境中有很好的适应能力，保证控制的安全可靠，现场工况复杂，设备繁多，采用设备站与现场物理参数测量传感器、变送器、操作控制器等连接，能很好的达到分散控制的目的，本系统的总体设计方案如图所示，上位计算机选择研华工控机，配以英寸纯平面显示器，激光打印机。下位机控制器选择可编程序控制器作为主站，作为从站复杂对变频器的控制，其配置主要包括模块、通讯模块、数字量输入模块（）、数字量输出模块（）、模拟量输入模块（越）、模拟量输出模块（）以及电源模块。工业汽轮机的启动、停止，转速，热井水位的设置，汽轮机辅助设备的远程控制等所有的控制按钮和开关都集中在上位机界面上，采用集中远控方式，由操作人员在主控室里即可进行控制。系统硬件设计系统的硬件设计主要是根据系统功能来实现，其硬件接线图如图所示。系统主要包括汽轮机控制，汽机保护、信号采集和上位机监控几部分组成。电源上位机，通讯。，徊幂，毋机等数字量输入模块限位行程习数字量输出模块，一蒸髓鹰！抽模拟量输入模块抟速僮多：模拟量输入模块一图系统硬件接线示意图武汉理工大学硕学位论文汽轮机系统的汽机控制部分：汽机控制主要分为调速系统和设备控制两部分，调速系统是汽轮机控制的主题，本文采用控制算法，转速设定值在上位机人机界面直接输入，通过工业以太网网络将参数传送给控制器，控制器从模拟量输入模块读入实际转速值与转速设定值进行比较，经过运算，通过模拟量输出模块输出相应的差值电流，经电液转换器控制汽机转速。；汽机设备控制部分主要实现汽轮机凝汽设备，油泵，风机和盘车等设备的控制，凝汽设备的控制主要实现热井水位的调节，采用变频器控制水泵电机转速，以达到控制出水量的多少，从而实现水位的调节，也采用算法控制，变频器频率的给定由控制器通信传输；泵类，风机和盘车的控制是由操作人员根据现场工况需要，通过上位机运控按钮，操作汽机设备的运行停止，当操作人员在人际界面按下按钮时，上位机通过网络将信号传递给控制器，由控制器根据控制逻辑得出操作结果，由数字量输出模块实现输出，控制远程设备的启动停止。汽轮机系统的汽机保护部分：汽机保护部分是汽轮机运行的重要保证，本为主要阐述系统的实现，其主要是针对汽轮机系统的各个重要参数，以及其它有关汽机安全的重要参数，当操作人员按下急停按钮或汽机故障停机时，根据程序设计，数字量输出模块输出数字量控制电磁阀泄掉高压油关断主汽阀而停机，并由面板记录和显示停机状态。汽轮机系统的数据采集部分：数据采集是本系统工作的依据，有数字量（）输入参数，数字量（）输出参数，模拟量（）输入参数，模拟量（）输出参数。通过转速、压力、温度和位移传感器及变送器将信号输入给的模拟量输入模块。所有输入信号在里计算、变换后，通过网络系统实时传送给上位计算机，计算机对数据进行存储、显示和管理，实现对整个工业汽轮机控制系统的运行参数的集中监控和管理。汽轮机系统上位机监控部分：此部分主要是人机接口的设计，上位机部分是人机交互的重要手段，必须保证通讯可靠，操作方便等，本系统主要采用工业组态软件来完成设计工作，实现其数据归档，报警处理等数据管理工作，以及远程控制的实现，是现场工作的主要操作手段。系统冗余设计在现代工业的各个领域，要求拥有一种能够满足经济、环保、节能的高度自动化系统，同时，具有冗余及故障安全功能的可编程控制器是针对最高等级武汉理下大学硕士学位论文的控制需求。使用冗余系统的目标是减少因一个错误或系统维护而导致的产品损失。停车成本越高，越值得采用冗余系统。通常投资冗余系统较高的费用会因避免的产品损失而很快地返还。冗余在许多应用场合，对于工厂单元的冗余质量和控制范围并不完全必要使用一个专用的冗余系统来执行，例如切换时间较长或丢失部分信息，但并不影响控制过程。通常来说，简单的软冗余机制就可将因一个错误事件导致的故障控制过程切换到一个备用系统上而继续进行，这样配置的软冗余系统可用于能够容忍切换延迟在秒级的控制过程。本系统采用性能更高，效果更好的硬件冗余系统，避免由于单个故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。系统采用事件同步方式进行同步。保证同步的有效性的同时又不会增加的运算负担。其冗余软件框图如图所示：主读输入信号处理非冗余程序判断从状态处理冗余程序从读输入信号处理非冗余程序判断主状态不处理冗余程序拷贝数据到从拷贝数据到主输出处理结果输出处理结果图冗余框图武汉理工人学硕士学位论文故障后，替换的备份与主同步连接自动建立，备份发出请求，主站在禁止删除、拷贝和生成块功能后将所有数据发送给备份。备份执行自测试，然后向主站发出更新请求。主站在终止已组态连接的通讯和禁止低级别的报警后，拷贝动态数据给备份。主站运行用户程序，在禁止所有报警和中断后向已的备份发送上次更新后发生改变的动态数据。备份接收主的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息，主使能报警中断和通讯，主、备进入到冗余、同步操作过程冗余当两个单独的模块被组态并以冗余对方式使用时，则采用冗余。这种方式能够得到最高的可靠性，因为系统可以忍受单个和单个信号模件发生故障。本系统冗余主要针对具有停机作用的数字量信号。出于成本和运行效果的考虑，本系统采用信号转换模块，来完成冗余效果，一路停机信号经信号转换模块，变成两路分别送入两个数字量输入点，当任一信号有效时，即认为停机信号有效，这样做能很好的保证当其中一模块发生故障时有效停机，保护汽轮机安全。网络冗余武汉理大学硕士学位论文本系统的网络冗余主要是控制器与上位机之间的冗余，控制器与站之间的冗余，采用冗余网络的主要目的是当一条网络链路损坏时，系统可自动切换到另外一条网络链路。其中上位机与控制器系统之间冗余如图所示：系统每个机架上插两块，上位机站上插两块，这样当其中任一链路出现故障时，不影响整个系统的正常通信，或者当任一通信模块故障时，不影响整个系统的正常通信。控制器与设备站之间的冗余是指控制器和设备站组成双网，从而达到通信的安全性，控制器每个机架都集成有一个口，每个设备站都有两个，保证控制器与下面的模块的安全通信”。电源冗余电源冗余分为交流和直流两部分。图交流冗余电源出交流电源冗余是指系统柜的供电电源部分，分为两路供电电源，其中一路为电源，另一路为市电供电，当其中任一路故障时，不影响系统的正常稳定工作，如图所示，两路输入电源为路和路，分别经过空开，为手动武汉理大学硕十学位论文控制接通或断开电源，电源隔离器，电源滤波器，通过接触器实现电源的自动切换工作，接触器的线圈与路电源连接，的常开触点连接到路电源，常闭触点连接到路电源，其工作原理是，当路通电时，接触器线圈通电，常开触点闭合，常闭触点断开，电源输出接通路，断开路，达到正常供电的目的；当路不通电，路电源输入正常时，接触器线圈失电，常开触点断开，常闭触点闭合，电源输出接通路，断开路，达到正常工作的目的。直流电源冗余是指系统内部通讯模块供电部分，远程设备站供电部分，其中通讯模块的供电采用的是两块电源，电源的输出经过电源转化模块，当其中一个电源故障，能自动转换输出另外一路电源，保证通讯模块的供电正常，设备站的供电电源采用普通开关电源，输出直流电，主要为模拟量模块和数字量模块提供供电电源和参考电压，同样采用电源转化模块，保证供电稳定。系统通信网络本系统通信主要分为两部分，一为控制器与上位机之间的通信，采用工业以太网；一为控制器与设备站以及从站之间的通信，采用。工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输的以太网标准，该技术基于工业标准，利用了交换以太网结构，有很高的网络安全性、可操作性和实效性。本系统采用工业以太网，其传输速率快，可达，在控制器端，采用通讯模块，上位机端采用模块，中间采用两台交换机，组成上网冗余网络，有效的保证通讯的可靠性和快速性，是用于过程控制级的高速传输网络，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，采用双绞线，传输速率可达。本系统网络连接采用中继器，其上安装有终端电阻开关，在总线两端要加入终端电阻。在控制器端集成有接口，设备站端采用，同样采用双路网络，保证数据的可靠性。本章小结本章主要介绍了本系统总体方案的设计，给出了系统总体框架结构，系统的功能连接，重点分析了系统冗余的设计，其中主要包括冗余，冗余，武汉理大学硕：学位论文网络冗余和电源冗余的设计；并且进一步分析了本系统的通信网络，以及本系统网络通信的快速性和可靠性。武汉理工大学硕：学位论文第章汽轮机系统过程控制方案的设计本系统过程控制系统的设计主要是汽轮机转速的控制，同时调节凝汽设备的热井水位，以及对汽轮机各个设备的控制，主要由油泵，风机，盘车等。汽轮机结构汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，由锅炉中来的蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，从而热能转变为动能。汽轮机主要有两部分，由转动部分（转子）和固定部分（静体或静子）组成；其中转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件，固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等”。汽轮机在正常工作时，有很多附属设备为其正常运行提供帮助，为了保证汽轮机正常工作，需配置必要的附属设备，如管道、阀门、凝汽器等，汽轮机及其附属设备的组合称为汽轮机设备。汽轮机的工作流程是来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机，由于汽轮机排汽的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。乏汽在凝汽器中会产生热量，为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气器组成，它的作用是建立并保持凝汽器的真空，以使汽轮机保持较低的排汽压力，同时回收凝结水循环使用，以减少热损失，提高汽轮机设备运行的经济性，图为汽轮机设备组成图，其中为主气阀，为调节阀，为凝汽器，为抽汽器，为循环水泵，为凝结水泵，为低压加热器，为除氧器，为除水泵，为高压加热器。；汉理大学硕士学位论文图汽轮机设备组成图汽轮机过程控制方案设计本系统中工业驱动汽轮机过程控制系统采用作为控制系统的核心，控图汽轮机控制系统总体方案武汉理工大学硕士学位论文制系统中的运算处理工作都有来完成。本控制系统主要包括调速系统和热井水位调节系统两个部分。工业汽轮机控制系统总体方案如图所示：汽轮机的动力来源为热能，热能由锅炉来的蒸汽产生，蒸汽通过汽轮机调节气阀进入汽轮机，在汽轮机内部通过机械装置传递能量，汽轮机输出能量的功率大小和进入汽轮机的蒸汽量的多少有关，而通过调节汽轮机的进气阀开度可以控制进去汽轮机的蒸汽量，本系统此部分的控制任务主要是将汽轮机转速差信号放大后去控制调节阀的开度，从而达到控制汽轮机转速的目的。其工作原理是：由测速传感器给控制器送入一个的电流信号，经控制器转换处理得到汽轮机转速信号，再将此信号和转速设定值比较，由程序计算得出控制信号，从模拟量输出模块输出一控制电流，经过电液转换器转化得到液压信号，控制油动机行程，从而带动调节阀移动，这样就能控制调节阀的开度，油动机行程信号由位移传感器测出，此信号再与模拟量输出信号进行比较，如果两者没有偏差，则认为输出转速与设定转速没有偏差，伺服阀不需要调节，保持原状态即可，如果两者有偏差，则认为实际转速与设定转速存在偏差，则进一步调节伺服阀，较少转速偏差直到为零，负载的变化和环境中的干扰因素可能影响转速，本系统的目的就是再设定转速不变的情况下，克服干扰和负载变化带来的影响，保持转速的稳定“。热井水位调节系统主要通过两台凝结水泵控制出水量来实现，凝结水泵由变频器控制，分为工频和变频两种方式，由通过运算得出相应频率发送给变频器，实现控制凝结水泵的转速，从而达到控制出水量的多少。其中影响水位变化的一个重要因素就是凝结水的多少，所以在凝结水量不断变化时，本系统通过两台水泵的调节，保持水位的稳定。汽轮机调速系统工业汽轮机有较高的转速和较大的功率适用范围。它能直接驱动生产流程中的泵、鼓风机和压缩机等机械，并可平稳、灵敏地与这些被驱动机械相互协调地变速运行，以适应生产流程工况条件的变化。这是其他动力机械所不能比拟的，因此性能优良，高效的调速系统对于工业汽轮机来说显得非常重要”。调速原理汽轮机工作时，影响汽轮机转速的因素主要是作用在汽轮机转子上的力矩，这些力矩主要有蒸汽作用在转子上的主力矩膨；负载的反力矩坛；运行武汉理工大学硕：二学位论文中摩擦产生的力矩膨，它是由各种摩擦引起的。在正常稳定的工况下，三种力矩之和应该等于零，即：肱一膨一膨（）而相对于蒸汽的主力矩必和负载的反作用产生的力矩坛，摩擦力矩膨很小，可以忽略不计，这样上面的公式可改为：一彪（）在汽轮机运行中，只要作用在转子上的主力矩和反力矩不平衡，就会使转子产生角加速度，也就是汽轮机的转速会增加或减少。由主蒸汽引起的主力矩膨是进汽量和汽机转速的函数，如图所示，曲线和是汽轮机转子的主力矩曲线，曲线和是汽轮机负载反力矩曲线，当汽轮机转速增加，而主汽门进汽量不变时，主力矩就会变小，曲线和曲线的交点就是此时力矩的平衡点；当汽轮机负荷变小时，反力矩曲线就由曲线变为曲线，而主力矩不变，依然是曲线，此时汽轮机运行的工作平衡点就变为，汽机转速也由变为。这种汽轮机自动保持运行平衡状态的能力我们称之为汽机自平衡能力，可以看出，如果不对汽轮机的进汽量加以调节，汽轮芝疑穴口辕疆图汽轮机力矩和转速曲线机的转速会随着负荷的转变变化很大，这样不但不能满足用户的需要，而且会直接影响汽轮机的运行安全，所以为了保证汽轮机转速的稳定，必须对汽轮机的进汽量合理控制，就此时情况而言，减少汽轮机进汽量，使主力矩曲线由曲武汉理工大学硕士学位论文线变为曲线，这样汽轮机运行的工作平衡点对应的转速，就和转速维持稳定。工业汽轮机是通过控制调节汽阀的开度，从而调节进入汽轮机的蒸汽量，来实现调速的目的。当汽轮机转速升高时，关小调节汽阀的进汽量就可以降低转速，当汽轮机转速降低时，开大调节汽阀的进汽量就可以提高转速。汽轮机调速简图如图所示，其中为调速器，为滑环，为滑阀，为油动机，为调节阀，为汽轮机，为负载，本系统为风机，为传动齿轮，为同步器，当外界负荷变化时，汽轮机转速随之变化，离心调速器感应到转速变化时，并带动调速器滑环上下移动，使错油门滑阀失去平衡，打开油门，使高压油进入油动机油室，油动机活塞在油压差的作用下移动，开大或关小调节阀，改变汽轮机主蒸汽流量，使汽轮机主力矩和反力矩达到新的平衡状态“。调速方案设计图汽轮机调速系统简图本系统方案是基于的控制算法实现的，由转速传感器测出的汽轮机实际转速送入控制器，经过运算，输出电信号，经电液转换器转换成油武汉理工人学硕上学位论文压信号，控制调节阀开度，从而达到控制汽轮机转速的目的。控制算法在过程控制系统中应用非常广泛，在各种控制算法不断进步的同时，控制算法原理简单，易于实现，适用面广，所以其仍然是大多过程控制场合的首要选择。本系统主要采用连续模拟调节器，其控制系统框图如图所示：调节器是一种线性调节器，是闭环控制，通过传感器或变送器将过程中产生的被控变量反馈给调节器，将给定值（）与实际输出值（）的偏差的比例（）、积分（）、微分（）通过线性组合构成控制量，从而控制执行器，通过操作变量对控制对象进行控制。调节器的微分方程为：卜寺（）警（）乇中（），（）一（）调节器主要由比例，积分，微分三个校正环节，其中：比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号（），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间“。本系统在控制转速时，前一个环节需要控制油动机的行程，从而更精确地控制转速，所以在设计算法时采用了级联控制器，也就是控制器串行连接控制，第一个控制器的输出决定了串行控制器的设定点，或者根据过程变量的武汉理工大学硕上学位论文实际错误影响控制器的设定点。一个级联控制器的控制性能可以使用其它的过程变量加以改进，为此可以为主控制变量添加一个辅助过程变量，主控制器可以将过程变量施加给设定点，并且可以调整，以便尽可能快的达到目标，而没有过调节。其控制回路如图所示，对于本系统而言，辅助过程变量即是油动机行程，而过程变量即是汽机转速。图级联控制回路本系统采用磁阻式转速传感器和测速齿轮作为转速感应器测量汽轮机的转速。磁阻式转速传感器发出的脉冲信号的频率与机组的转速成正比。设转速为行【，），输出信号频率为【尬）和测速齿轮齿数为，那么转速的函数方程勰刀等。的模拟量输入模块接收的为电流或电压信号，而转速传感器输出的是脉冲信号，电流信号在传送的过程中比电压信号抗干扰能力强且传送距离远，所以在送入模块之前，要先经变送器转换为的电流信号。为保证信号的准确和有效，转速信号的处理采用三取二逻辑，三取二逻辑是一种冗余配置原则，它可以有效的提高数据的可靠性，避免了因一路信号故障而导致的系统故障，转速信号为连续信号，不会发生跳变，所以在采用三取二逻辑处理信号时，把三路信号和上次转速有效值相比较，如果变化量不超过某一上限值，则为有效，此次有效值为三路信号的平均值，若任一路信号无效，则取另两路信号的平均值为此次采集的有效值，若有两路信号无效，则视为故障。三取二处理的转速有效值经程序处理计算结果，由模拟量输出模块输武汉理大学硕卜学位论文出，电流信号到电液转换器，转换成油压信号，控制油动机活塞的上下行程，从而调节汽轮机主汽门调节阀开度“，增加或减少汽轮机的进汽量，调节汽轮机的转速，汽轮机转速设定信号由操作人员在上位机输入。汽轮机的启动也是汽轮机调速系统的重要部分，汽轮机启动前一定要做好准备工作，本系统汽轮机启动有两种方法，分别是分辨分段设置目标转速和全自动升速。分段设置目标转速启动，在上位机界面中“挂闸按钮，挂闸成功后，将“自动手动切到“手动”，点击“运行按钮，使自动主汽门和中压隔板全开，然后在上位机上设定各阶段目标转速和升速率，当达到当前阶段的目标转速时，切换到保持进行暖机状态，并进行全面检查，各阶段目标转速和升速率不同，直至达到最后设定转速，启动完成。全自动升速启动，在上位机界面中“挂闸”按钮，挂闸成功后，将“自动手动切到“自动，点击“运行按钮，使自动主汽门和中压隔板全开，设定最终目标转速，并切换到进行状态，程序会根据系统热状态自动选择升速率，缓慢开启调速汽门，升速、暖机，直至系统稳定“。转子冲动后检查盘车装置应自动脱开，将联锁断开，关闭来油门。如不能自动脱开时，应立即停机。在两种启动方式中，目标转速和升速率都能在上位机监控界面中设定。热井水位调节系统热井是汽轮机凝汽设备的一个重要部分，凝汽设备的运行特性直接影响着汽轮机运行的经济性和安全性，而热井水位又直接影响着凝汽设备的运行，所以保证热井水位的正常是至关重要的。凝汽设备工作原理凝汽设备的主要任务是在汽轮机的排气口建立和保持规定的真空度，并将汽轮机的排汽凝结成洁净的凝结水。有许多方法可以降低排汽压力，其中最有效的办法就是将排汽送入密闭的凝汽器内，并用水或空气作为冷却工质，将排汽凝结成水，由于蒸汽凝结成水时，体积骤然缩小没，所以凝汽器内会形成高度真空，同时再用空气泵不断地把漏入凝汽器的空气不断地抽出，以免漏入凝汽器的不凝结的空气不断的积累，使凝汽器内的压力升高。简单的凝汽设备的原理系统如图所示，其中为汽轮机，为负载，为凝汽器，为循环水泵，为凝结水泵，为抽气器“，汽轮机的排汽进入凝汽器后，其热量被循环水泵不断打入凝汽器冷却管中的冷却水带走，因而排汽武汉理大学硕上学位论文不断凝结成水，并流入凝汽器底部热井，然后由凝结水泵送走，抽汽器不断地将凝汽器内的空气抽出以保持真空。凝结水图简