汽轮机调节系统.ppt

第6章汽轮机调节保护系统 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成6 1 1汽轮机调节保护系统的任务供电品质发电厂的任务是向用户提供品质优良的电能 电能的品质是电压和频率 同步发电机的特性同步发电机的端电压决定于无功功率 频率决定于有功功率 无功功率决定于励磁 有功功率决定于原动机的功率 故电网的电压调节归励磁系统 频率调节归汽轮机的功率控制系统 汽轮机调速系统汽轮机是发电厂的原动机 在机组并网运行时 根据电网周波 频率 偏差改变调节汽门的开度 即改变进汽量和焓降 由发电机的有功功率变化满足外界负荷要求 故汽轮机调节系统有时称为调速系统 电网负荷要求变化的基本特征在一天24小时内 电网负荷要求随人们生活 工作节律而变 基本特征是以24小时为周期的 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 大幅 慢变上迭加随机 小幅 快变波动 一次调频对随机 小幅 快速的外界负荷上下波动 电网频率将在额定值附近波动 汽轮机调节系统感受电网频率 周波 变化改变有功功率输出满足外界负荷要求 这样的调节过程称为一次调频 汽轮机功率的改变量正比于频率差 一次调频满足外界负荷要求后 电网频率升高 汽轮机调节系统将减小调节汽门开度 有功功率就要减小 很明显 一次调频在满足外界负荷要求时并不能保持电网频率不变 二次调频在外界负荷要求改变时 一次调频快速响应进行调节 调节结束 电网频率达到额定值后 应保持汽轮机功率输出不变 即调门的开度保持不变 这就是二次调频 二次调频是在电网频率不变时 通过同步器改变调节汽门的开度 功 率 频 率 调节汽轮机的蒸汽是由锅炉提供的 在锅炉入炉燃料品质和量波动时 蒸汽的压力 温度就会变化 即使汽 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 轮机的调门开度不变 机组出力因蒸汽参数波动而发生变化 将这种因锅炉运行因素变化引起机组功率输出改变的现象称为内扰 因此 为保证供电品质 汽轮机不仅根据电网频率进行调节 而且还应根据功率进行调节 克服内扰影响 这样的调节称为功率频率调节 简称功频调节 原则性组成机组运行中一旦从电网中解列 甩去全部电负荷 汽轮机巨大的驱动力矩可使转子快速飞升 为防止超速毁机事故发生 要求调节汽门在极短的时间内全行程关闭 在事故工况下为有效切断汽轮机的蒸汽供给 还必须设置主汽门 即使调门关闭不快或关闭不严时 也能防止机组超速 此外 对低真空 低润滑油压 大胀差 高振动等危及机组安全的恶性故障 发生时必须快速停机 因此 汽轮机除设置调节系统外 还设置保护系统 调节保护系统全称为控制系统 调节部分控制调节汽门 保护部分控制主汽门 但在主汽门关闭时 保护系统信号作用于调节系统 使调节汽门同时关闭 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 6 1 2中间再热机组调节的特点蒸汽容积动态特性对调节品质和影响蒸汽室 蒸汽导管 再热器传热管及联箱等具有容积的空间 在机组运行时其间充满蒸汽 贮汽量决定于蒸汽的压力和温度 称这样的蒸汽容积为中间容积 中间容积与电路中的电容等价 当要求机组负荷增大时 开大调门增大通流部分的进汽量 增大的蒸汽量先充向中间容积 使之贮汽量增多来提高中间容积的压力 随后通流部分蒸汽量增多 机组出力增大 当中间容积的压力与达到新工况平衡点时 通流部分出力达到预定值 反之 在机组负荷下降时 关小调节汽门 机组功率并不立即减小 而是待中间容积释放贮汽 压力下降后逐渐减小 再热器及冷 热再热管庞大的容积空间 蒸汽的吞吐量很大 对机组功率调节产生很大的时滞 不仅使机组一次调频能力下降 而且对机组运行安全产生威胁 在机组甩负荷时再热器中间容积释放出的蒸汽足使机组严重超速40 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 中间再热机组调节的特点设置中压调节汽门设置中压调节汽门 在机组甩负荷时快速切断中压缸的进汽 在低负荷时 改变中压缸的进汽量 控制再热汽温 为减小高负荷时中压调门的节流损失 通常当机组负荷大于30 后 中压调门保护全开 高压调门过开或过关通过高压调门的过开或过关 用高压缸过增或过减出力补偿再热器中间容积产生的时滞 改善机组的一次调频性能 设置旁路系统为在机组启 停时有效控制再热汽温和再热器的冷却 设置高压缸及中低压缸旁路系统 为在机组甩负荷时防止锅炉超压 回收工质 设置机组大旁路系统 机组采用协调控制中间再热机组为单元机组 一次调频主要利用锅炉金属材料的蓄热 但大型锅炉特别是直流锅炉 蓄热量较中小型来得小 这样 在机组参与一次调频时 蒸汽参数波动较大 不利于机组的运行安全和使用寿命 为此 在机组负荷改变 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 时 不仅改变调门开度 还应改变锅炉的燃料量 在满足外界负荷需求时 尽可能减小蒸汽参数波动 现代控制技术可采用预测控制 根据历史和当时负荷波动趋势 预测未来负荷变化 通过提前改变燃料量作好负荷变化的准备 增强一次调频能力 并使蒸汽参数波动控制在最小范围内 提高机组运行的经济性和安全性 6 1 3汽轮机调节系统的基本组成调节系统基本组成转速感受机构转子转速转变为一次控制信号中间放大机构中间功率放大油动机执行机构配汽机构油动机行程与蒸汽流量非线性校正机构同步器单机时改变机组转速和并网时改变机组功率启动装置启动冲转 提升转速至同步器动作转速 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 6 1汽轮机调节保护的任务与系统组成 调节系统的种类机械液压调节系统由纯机械 如杠杆 曲柄 凸轮等 液压 错油门 油缸等 部件组成 系统复杂 控制精度低 维修困难 可靠性较差 模拟电液调节转速感受器将转速信号转变为模拟电信号 中间放大及配汽特性的非线性校正采用模拟电路 控制信号与油动机行程反馈信号差动后经功率伺服放大输入到电液转换器 或称电液伺服阀 控制油动机的行程 系统得到简化 控制精度得到提高 但模拟电路存在温漂 时漂 复杂非线性校正和控制算法难以实现 数字电液调节转速感受器产生的转速脉冲 经计算机脉冲计数器计数后转速为数字式转速信号 功率等信号由A D转换变为数字信号 中间放大及配汽非线性校正几各种复杂控制算法由软件来实现 系统简单 控制精度高 可靠性强 维修方便 自动控制水平很高 6 2汽轮机调节系统的静态特性 6 2汽轮机调节系统的静态特性6 2 1汽轮机调节系统静态特性的四方图四方图完整描述调节系统转速感受特性 中间放大特性 配汽特性和功率 转速静态特性的四象限图 四方图对机械液压 模拟电液 数字电液调节系统均适用 但表述方式有所不同 II象限转速感受特性 转速与一次控制信号关系III象限中间放大特性 一次控制信号与油动机行程关系IV象限配汽特性 油动机行程与机组功率关系I象限调节系统静态特性 功率与转速关系速度变动率速度变动率 又称速度不等率 用来描述四方图中I象限曲线的斜率 汽轮机空负荷时所对应的最大转速与额定负荷下所对应的最小转速差 与额定转速的比 称为速度变动率 即 6 2汽轮机调节系统的静态特性 6 2汽轮机调节系统的静态特性 速度变化率描述了单位转速变化所引起的汽轮机出力的增减 机组并网运行时 各机组感受的电网频率变化是相同的 但因调节系统速度变动率的不同 所产生的功率相对改变是不同的 利用静态特性线斜率与速度变动率的关系求得很明显 在电网频率变化相同情况下 速度变动率大的机组功率相对变化就小 反之 速度变动率小的机组功率相对变化就大 因此 增强机组一次调频能力 速度变动率应取得小些 反之 对带基本负荷机组 速度变动率应取大些 一般速度变动率为5 过小的速度变动率不利于机组稳定运行 因为电网频率稍有变化就会使汽轮机产生较大的功率改变 故一般速度变动率不小于3 0 对机械液压调节系统 速度变化率不宜过大 因为在机组甩负荷时 过大的速度变化率使调节系统的响应速度减慢 有可能引起超速 此外 甩负荷后稳定转速过高 也不利于机组的安全 故一般不大于6 6 2汽轮机调节系统的静态特性 局部速度变动率实际的调节系统 因转速感受和中间放大及配汽机构均存在非线性 这样 在整个调节范围内 速度变动率并不是常数 另一方面 从实际运行方面 也不希望速度变动率均匀分布 按速度变动率的定义推广得局部速度变动率速度变动率的分布低负荷 0 10 处机组并网带初负荷时 为避免负荷过大变化引起的热冲击 希望低负荷处速度变动率大些 这样 并网带初负荷时 即使电网频率有较大波动 也不会引起负荷大的波动 满负荷 90 100 处由于机组的过负荷能力是有限的 一般不希望机组过大超负荷 故在此区域内速度变动率可取得大些 但不超过整体速率变动率的3倍 速度变动率的合理分布两端大 中间小且连续平滑变化 6 2汽轮机调节系统的静态特性 滞缓率由于动 静部件间存在摩擦 传动机械间存在旷动间隙 滑阀凸肩与油口间存在盖度 这些非线性因素的存在 使得调节系统上 下行程特性线不重合 将此现象称为滞缓 定义 调节系统上 下行程 即增 减负荷 特性线上 相同功率处转速偏差与额定转速的比 称为调节系统的滞缓率 即滞缓率对机组调节品质和运行稳定性产生不良影响 滞缓是响应的死区 单机运行时产生转速漂移 并网运行时产生负荷波动 波动在大小不仅与滞缓率有关 而且反比于速度变动率 对机械液压调节系统 要求滞缓率小于0 6 对电液调节系统 要求滞缓率不大于0 2 但不能完全没有滞缓 在数字电液控制系统中 设置一定大小的死区 避免控制系统过度频繁动作造成部件磨损 同步器与静态特性线平移同步器的作用静态特性线表明 机组不同功率下所对应的转速是不等的 一次调频在满足外界负荷要求时 并不能满足频率要 6 2汽轮机调节系统的静态特性 求 为在单机运行时既满足负荷需求 对能使频率达到额定值 必须平移特性线 机组并网运行时 机组的转速决定于电网的频率 在转速一定时 要改变机组出力 必须移动静态特性线 同步器为用于平移静态特性线的装置 单机运行时改变转速 并网运行时改变功率 同步器的工作范围上极限机组达到电网同步转速后 由同步器操作由空负荷带至满负荷 静态特性线向上移动的范围至少为d 如果考虑机组低参数时仍能达到额定出力 即油动机及调门过开 向上的范围则地求更大 电网高周波运行时 同步器向上操作的范围加大 因此 对速度变动率为5 的调节系统 上极限一般为7 下极限机组启动过程中在达到同步器动作转速后 由操作同步器使机组达到额定转速 为便于并网操作 应留有足够的转速空间 此外 考虑机组高参数 电网低周波工况 要求同步器能并网操作 故对速度变动率为5 的调节系统 下极限一般为 5 6 2汽轮机调节系统的静态特性 同步器工作范围与速度变动率的关系由前已知 同步器的工作范围与速度变动率紧密相关 上极限不得小于速度变动率 否则机组就不能发出额定功率 下极限不能过小 否则无法并网操作 例 某设计人员设计汽轮机调节系统的速度变动率为5 同步器的工作范围为 5 6 总工程师审查认为 同步器的工作设计还应考虑机组低参数时油动机行程增大20 以及电网周波增大0 3Hz时机组仍能发出额定功率的要求 如果原调节系统的转速感受和中间放大环节特性不变 试问 1 低参数工况下调节系统的速度变动率是多少 低参数时四方图怎样变化 2 考虑低参数 高周波两种工况 同步器的工作范围和上 下极限应如何设计 解 1 低参数工况下 在油动机行程增大20 时方能发出额定功率 如果中间放大及转速感受环节为线性系统 则工作范围对 6 2汽轮机调节系统的静态特性 应增大20 即低参数工况下空负荷到满负荷对应的转速范围为 1 20 dn0 由速度变动率的定义可知 低参数工况下的速度变动率为6 2 在电网周波高于额定值0 3Hz时 仍能使油动机行程达到低参数工况额定出力位置 则要求同步器能向上平移转速18rpm 由速度变动率的定义折算可知 相当于同步器行程增大0 6 3 综合上述两项计算 既考虑低参数工况 又考虑高周波工况 同步器的上行程至少为6 6 下行程仍取 5 0 能满足机组启动要求 6 3汽轮机调节系统的动态特性动态特性与静态特性的差别运动部件具有惯性 油流流动存在阻力 中间容积存在质量吞吐 并且还存在滞缓 这些因素的存在 在输入扰动作用后 系统并不是快速地按比例动作 而是克 6 3汽轮机调节系统的动态特性 服惯性迟后于输入动作 输出与静态特性发生偏离 在调节过渡过程中 在静态平衡点附近因惯性出现过调和产生振荡 有时经多次振荡逐渐衰减到平衡点 有的可能产生持续振荡 对实际系统 响应快往往会出现大的超调和长时间的振荡 不出现振荡往往响应很慢 通过合理的控制系统参数设置 既要响应快 又要超调小 振荡次数少 动态特性描述稳定性系统受扰动后对很快稳定到新的平衡工作点 则系统是稳定的 由系统的传递函数求零 极点计算判别系统是否稳定 动态超调量在调节动态过程中 动态最大超调量与稳定值的差 与稳定值的比 对汽轮机调节系统 机组甩负荷后最高飞升转速与稳定转速的差 和稳定转速的比值 静态偏差值甩负荷后的稳定值与额定转速的差 机组甩不同负荷时 稳定转速是不同的 过渡过程调整时间从响应扰动到基本达到稳定值所经历的时间 6 3汽轮机调节系统的动态特性 为过渡过程调整时间 一般要求过渡过程时间尽可能短 影响甩负荷动态特性的因素转子动态方程在机组甩负荷阶跃扰动下 转速快速飞升 调节系统感受转速变化关闭调节汽门 切断汽轮机的蒸汽供给 蒸汽驱动力矩减小 转子飞升速率下降 在调节汽门关闭一定时间后 转子转速达到最大值 然后转速开始下降 最高飞升转速由下式估算 影响甩负荷最高飞升转速的本体因素转子时间常数转子惯性越大 转速飞升所需的驱动力矩就越大 甩负荷后转速飞升就越低 大机组的转子惯性小于小型机组 因 6 3汽轮机调节系统的动态特性 此 在甩相同百分率负荷时 大机组的飞升转速高于小型机组 蒸汽中间容积蒸汽中间容积越大 贮存的蒸汽就越多 甩负荷后剩余蒸汽力矩就越大 转速飞升就越高 大机组蒸汽导管的存在 中间容积大于小型机组 特别是中间再热器 因此 为抑制甩负荷工况下转速过度飞升 油动机的关闭速度的要求就越高 影响甩负荷最高飞升转速的调节系统因素油动机的时间常数油动机的时间常数越大 则关闭时间就越长 甩负荷后进入汽轮机的剩余蒸汽量就越多 飞升转速就越高 因此 对大型机组 一般要求甩负荷工况下油动机全行程关闭时间小于0 2s 迟缓率迟缓率越大 甩负荷后调节系统响应的时滞就越大 油动机关闭滞后 引起汽轮机剩余蒸汽量增多 转速飞升加大 因此 尽可能减小迟缓率 速度变化率速率变化率越大 甩负荷后稳定转速就越高 在超调量相同时 最高飞升转速就越大 6 4汽轮机液压调节系统典型分析 6 4 1上汽旋转阻尼机械液压调节系统系统组成旋转阻尼为转速感受件 波形筒 杠杆 碟阀为一次放大 继动器 碟阀作二次放大 错油门 油动机 反馈杠杆组成伺服位置执行机构 工作原理转速上升时 旋转阻尼输出油压增大 作用在波形筒底部 使杠杆逆时针旋转 导致碟阀间隙加大 二次油路的泄油面积增大 引起二次油压减小 二次油压下降 作用在继动器活塞上向下作用力减小 继动器活塞在弹簧力作用下上移 引起三次油路的碟阀间隙增大 三次油压下降 错油门滑阀在底部弹簧作用下上移 开启油动机活塞上腔室进油油口和下腔室的排油通道 油动机活塞在上 下油压差的作用下下移 减小调节汽门开度 机组功率输出减小 电网频率下降 油动机下移时 弹簧力减小 继动器活塞在二次油压作用下下移 继动器碟阀间隙减小 三次油压上升 错油门滑阀下移 油动机活塞上 下腔室油口开度减小 运动速度降低 直到错油门滑阀重新回到平衡位置 调节过程结束 在继动器活塞上移时 压缩弹簧的向 6 4汽轮机液压调节系统典型分析 6 4汽轮机液压调节系统典型分析 6 4汽轮机液压调节系统典型分析 下作用力增大 继动器活塞向上运动受阻 从而避免活塞向上过调 起着反馈的作用 弹簧仅当继动器活塞偏离居中位置 即继动器活塞处于运动状态时才起作用 故称之为动反馈弹簧 相反地 弹簧在油动机不同位置时 作用在继动器活塞上的作用力是不同的 它与二次油压相平衡 故称之为静反馈弹簧 弹簧和分别为主 辅同步器弹簧 改变主 辅同步器弹簧力 可以改变弹簧力与一 二次油压的平衡 进而改变杠杆的平衡位置 即改变碟阀泄油间隙的大小 在一次油压不变时 就可改变二次油