汽轮机-调节系统.ppt

汽轮机调节系统 汽轮机调节原理调节系统的特性中间再热式汽轮机的调节供热机组的调节DEH系统简介汽轮机的保护装置汽轮机的供油系统 旋转方向 汽轮机 发电机 汽轮机蒸汽产生的原动力矩 摩擦力矩 转子的电磁阻力矩 力矩的变化 驱动力矩汽轮机结构 转速一定时 进汽量或整机理想焓降增加 驱动力矩增大电磁阻力矩发电机电磁阻力矩随定子电流增大而增大 在励磁电流不变时 定子电流随外界负荷和转子转速增加而增加即 电磁阻力矩随外界负荷和转子转速增加而增大摩擦阻力矩随转子转速的增加而增大 设置调节系统的原因 供电品质 电压 频率 相位频率的稳定取决于原动机出力和电网负载的平衡 维持频率的稳定要求 原动机出力 负载汽轮机出力在运行中必须能根据负载要求进行调整 电能不能大量储存 火电厂发出的电力必须随时满足用户要求 即在数量 质量要求同时满足用户要求 1 数量要求 用户对发电量的要求 这就是要求电力负荷根据用户要求来调整发电大小 以满足用户要求 2 供电质量要求 供电质量就是指频率和电压 其中 电压可以通过变压器解决 电网频率则直接取决于汽轮机的转速 转速高则频率高 转速低则频率低 因此汽轮机必须具备调速系统 以保证汽轮发电机组根据用户要求 供给所需电力 并保证电网频率稳定在一定范围之内 3 火电厂自身安全的需要 汽轮发电机组工作时 转子 叶轮 叶片等承受很大的离心力 而且离心力与转速的平方成正比 转速增加 离心力将迅速增加 当转速超过一定限度时就会使部件破坏 出大事故 汽轮机自动调节系统的意义 1 及时调整汽轮机的内功率 满足用户足够的电力 数量 质量 2 保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行 不超过允许分范围 3 除了调速系统之外 汽轮机组还必须具有保护系统 超速保护 轴向位移保护等 自动调节系统的任务 汽轮机内效率主要取决于通流部分结构的完善 在高负荷运行时变化不大 定压运行时理想焓降为常数 定压运行调节功率调节蒸汽流量 滑压运行调节功率改变主蒸汽压力及调节流量 汽轮机的主蒸汽系统简化结构 汽轮机 自动主汽门 调节汽门 电动主汽门 汽轮机 自动主汽门 调节汽门 调节系统 功率给定 转速给定 汽压给定 调速器 直接调节的原理图 齿轮 调节汽门 滑环 泄油口 泄油口 压力油 错油门 油动机 调节汽门 调速器 间接调节的原理图 汽轮机调速系统的基本原理 一简单的汽轮机自动调速系统1主要部件 调速器 滑阀 错油门 油动机 调节阀 2油路 高压油 排油 3工作原理当外界负荷N减少 机组转速n升高 调速器飞锤向外扩张 滑环上移 杠杆ABC以C点为支点带动滑阀B点上移 高压油通过滑阀油口进入油动机上油室 油动机下油室与排油相通 活塞下移 关小调节阀 减小进汽量 机组功率减小 同时 杠杆以A点为支点带动滑阀B点下移 滑阀回中 切断窗口 高压油停止流动 调速系统达到新的平衡状态 当外界负荷N增加时 机组转速n下降 调速系统各部套调节过程相同 而动作方向相反 二液压调节系统 汽轮机的型式很多 不同型式的机组所采用的调节系统也各有特点 例如具有高速弹性调速器的液压调节系统 径向泵液压调节系统 旋转阻尼液压调节系统等 一 转速感受机构转速感受机构是将速度信号转变为一次控制信号的元件 在汽轮机调节保护系统中 转速感受机构主要有离心式和电磁式两类 在离心式中有机械式和液压式两种 其中机械式有高速弹性调速器和飞锤或飞环式超速危急保安器 液压式中有径向钻孔脉冲泵和旋转阻尼器两种 二 中间放大器对不同的转速感受机构 与之配套的中间放大器的型式是不同的 主要有压力控制式和流量控制式两种 液压调节系统中常用的有随动滑阀 碟阀和压力变换器等中间放大元件 系统组成 三 油动机油动机 又称液压伺服马达 是汽轮机调节系统中驱动调节汽门的执行机构 它能自动 连续 精确地复现来自中间放大环节输入信号的变化规律 使调节汽门的开度达到并保持在预定的控制状态 油动机具有惯性小 驱动力大 动作快 能耗低的突出优点 这是目前电磁式驱动机构不可比拟的 油动机是一个典型的反馈控制位置随动系统 油动机原理图 四 配汽机构配汽机构是将油动机活塞的行程转变为汽轮机的进汽量 起到放大油动机的驱动力 校正行程一流量特性的作用 配汽机构是由配汽传动机构 或称操纵机构 和调节汽门两部分组成 调节汽门的结构 1调节汽门调节汽门 或称调节阀 简称调门 通过改变升程调节进入汽轮机的蒸汽量 对调节汽门 要求有良好的空气动力学特性和升程一流量特性 流动损失小 流场稳定 开启的提升力平稳变化且尽可能小 调节汽门有多种型式 但球面型线应用最广 它是由门芯 阀碟 门座 阀座 门杆 阀杆 等组成 2配汽传动机构配汽传动机构 或称汽门操纵机构 是将油动机活塞行程转变为调节汽门的升程 对喷嘴调节汽轮机 多个调节汽门按顺序依次开启 因此配汽传动机构还起到行程 流量校正作用 配汽传动机构主要有提板式 凸轮式或楔形斜面式 杠杆式等 对于小型机组 主要采用结构较为简单的提板式 对大型机组 特别是数字电液调节系统 通常单个油动机带动单个调节汽门 其传动机构采用杠杆式 调节系统静态特性 静态特性 调节系统是根据转速偏差信号 n来动作的 通过调节系统的动作来改变调节气门的开度 功率相应改变 系统稳定在新的状态下 也就是说 调节结果并不使转速恢复原稳定值 而存在一定的稳态偏差 这种调节特性叫做调节系统的静态特性 静态及稳定运行状态 静态特性曲线 汽轮发电机组转速与功率的关系曲线称为调速系统的静态特性曲线 静态特性曲线通过实验或计算获得 四方图 调节系统由转速感应机构 传递放大机构 配气机构和调节对象组成 系统的静态特性也取决于各组成部分的静态特性 由于调节系统各组成部分存在着参数对应关系的非线性因素 因此实际系统的静态特性不是直线 而是曲线 迟缓率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 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 在同一功率下因迟缓而出现的最大转速变动量与额定转速的比值被定义为迟缓率 速度变动率汽轮机空负荷时所对应的最大转速nmax和额定负荷时所对应的最小转速nmin之差 与额定转速n0之比称为调速系统的速度变动率 用 表示 3 6 液压调节系统 0 3 0 5 电液调节系统 0 06 静态特性曲线的要求 n f P 单调递减函数空负荷附近陡一些 便于转速与电网同步 顺利并网 并网后转速波动负荷冲击小 热应力小满负荷防止过载 静态特性曲线也较陡带基本负荷的机组 在额定负荷下陡一些 调峰机组特性曲线较平 P n2 n1 静态特性曲线的平移 同步器同步器是调速系统的部件之一 操作同步器 可使汽轮机在同一转速下有不同的功率 或者是在同一功率下有不同的转速 同步器作用 1 汽轮机单机运行时 保证机组在任何负荷下转速不变 2 汽轮机并列运行时 通过同步器可以进行负荷在各机组间的重新分配 此时机组转速保持不变 示例 调速器飞锤离心力与a b弹簧的弹力相平衡 当转速不变时 可以改变b弹簧的预紧力而改变调速器滑环的位置A 使调节阀开度改变 相反 当转速增加或者减少时 可以用同步器使调速器滑环位置A不变 作用范围 95 107 n0 一次调频与二次调频 一次调频 并列运行的机组 网内频率相同 所有机组转速一样 机组总功率正好等于用户总耗电量 当外界负荷变动而引起电网频率变化时 网内各机组调速系统同时动作 自动增减负荷 以适应外界负荷变动的要求 这种由调速系统随电网周波变化 自动控制机组负荷增减 以保证电网频率稳定的调节方式 称为一次调频 二次调频 并列运行的机组 可以用同步器调整网内各机组的负荷 使之按给定负荷运行 调整电网频率 以维持电网稳定在额定范围之内 这种用同步器调频的方式称为二次调频 二次调频 一次调频 调节系统动态特性 调速系统的动态过程静态特性 是指汽轮机稳定工况下的特性 不涉及两个稳定工况之间的过渡过程 动态特性 是研究调速系统从一个稳定工况过渡到另一个稳定工况的过渡过程 动态特性是指过渡过程中 机组的功率 转速 调节阀开度等参数随时间的变化规律 甩负荷后转速过渡过程 a发电机突然甩全负荷的功率曲线 自时间t0后 功率Pn降低为零 b刚甩负荷时 转速没有突然升高 在t0之后 由于迟缓的存在 调节阀仍在进汽 而发电机负荷为0 这时进入的蒸汽全部用于汽轮机升速 转速升高 调速系统开始动作 调节阀逐渐关小 转子转速增加率减慢 当调节阀关到空负荷位置时 转速升高到新的位置 空负荷转速 n 1 n0 调速系统的动态过程曲线 c当机组甩负荷时 由于迟缓较大 动作较慢 当转速升高到n 时 调节阀还未关小到空负荷位置 转速要超过n 当调节阀关到空负荷位置时 由于惯性的存在 转速上升到峰值 其高出空负荷转速的部分称为动态超调量 n 此时 调节阀要继续关到空负荷以下位置时 转子才停止加速 当调节阀反方向开大到空负荷位置时 转速才慢慢地停留在空负荷转速 d由于惯性的存在 转速不会一下子停留在空负荷转速n 而会低于n 调节阀反而要高于mo 调速系统反复动作几次 最后衰减到平衡位置转速 以上三种情况 当机组甩负荷后 调速系统最后可以使转速过渡到空负荷转速n 这种系统是稳定系统 e如果设计 检修 调试不好 则会产生图e所示三种情况 曲线1 一直振荡 不会衰减 不会稳定 曲线2 摆动越来越大 直到超过允许值 曲线3 机组甩负荷后直到危急保安器动作转速 这三种系统都是不稳定系统 不稳定系统是不可以采用的 1稳定性运行机组受到干扰后离开平衡位置 经调节系统作用后 能过渡到新的平衡状态 或者在扰动撤消后 能恢复到原来平衡位置 这样的系统就是稳定系统 2精确性超调量 在过渡过程中 转速超过最后稳定值的最大转速偏差量称为超调量 即一般要求汽轮机甩负荷后的转速升高不超过危急保安器动作转速 而且有一定余量 3 左右 危急保安器动作转速为 1 10 1 12 n0 因此 最高转速不超过 1 07 1 09 n0 一般 n 0 02 0 04 n03快速性过渡时间 机组经扰动之后 从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态所需要的时间称为过渡时间 过渡时间不能太长 一般在5 50秒 动态稳定指标 影响动态特性的主要因素 1转子飞升时间常数Ta 在额定功率时的蒸汽力矩 Mt0 作用下 机组转速由0上升到额定转速时所需要的时间 随着机组容量增加 蒸汽力矩 Mt0 增加 则转子飞升时间常数Ta降低 对于中小型机组 Ta 11 14秒 高压机组 Ta 7 10秒 中间再热机组 Ta 5 8秒 机组越大 时间常数Ta越小 越容易超速 2中间容积时间常数Tv 蒸汽在额定流量Go下 以多变过程充满中间容积并达到密度 所需要的时间 中间容积V越大 参数越高 则中间容积时间常数Tv越大 G越大 中间储汽越多 作功能力越强 使汽轮机转速额外飞升越大 对于中间再热机组来说 除了本身容积之外 还有再热器再热蒸汽管道 容积很大 因此必需有中压调节阀 3速度变动率 的影响a 速度变动率 越大 甩负荷后的机组转速飞升越高 要求速度变动率 不大于6 b 速度变动率 越小 超调量 n 越大 波动次数多 衰减慢 稳定性差 要求速度变动率 不小于3 一般为0 04 0 05 4油动机时间常数Tm的影响a 油动机时间常数Tm越大 最大转速越高 过渡曲线摆动大 过渡时间长 甩全负荷增大了超调量 调节品质差 b 油动机时间常数Tm太小 则要增加主油泵的功率 引起调速系统摆动 一般为0 1 0 3S左右 5迟缓率的影响迟缓率对动态特性的影响是不利的 迟缓率大 调节阀关闭迟缓 转速超调量大 改善动态特性的措施 减小调节系统迟缓率适当整定调节系统速度变动率适当减小油动机时间常数机组甩负荷时 同步器快速跟踪到空负荷位置减弱中间再热器所增加的中间容积 中压主汽门 中间再热式汽轮机的调节 LP HP IP LP 一中间容积的影响中间再热汽轮机有再热器 再热管道这一巨大的中间容积 机组甩负荷之后 即使高压调节阀全关 但是 中间容积的储汽足以使机组超速 40 60 为了解决这一问题 需设置中压调节阀 这样一来 在机组甩负荷之后 同时关闭高 中压调节阀 是机组停止运行 二中间再热机组的功率滞后1滞后原因 当外界负荷增大 高压调节阀马上开大 高压缸的功率马上增加 但由于中间容积大 要等中间容积内汽压上升之后 中 低压缸的功率才会增加 即中 低压缸的功率有一滞后 通常 中 低压缸的功率占总功率的 2 3 3 4 因此 降低了机组一次调频的能力 中间再热汽轮机调节的特点 再热汽轮机功率的滞后及校正 2动态过调 为了解决中 低压缸的功率滞后问题 要求高压缸在动态过程的开始阶段就有所过调 即高压缸多开一些 暂时弥补中 低缸的功率滞后 等中间容积的储汽参数稳定之后 中 低压缸的功率滞后消除 再将高压调节阀过调逐渐消失 三机 炉互相配合问题 汽轮机空载汽耗量远小于锅炉最小蒸发量 另外还要保证再热器的冷却 因此 必需有旁路系统 下图为200MW机组的三级旁路系统 其减温减压器是为了保证再热器 冷凝器不超温 四机 炉协调控制问题再热机组采用单元制 当汽轮机功率变化时 锅炉的蒸发量也应变化 但是 二者动态响应时间相差很大 机为7 10秒 炉为100 250秒 因此 在设计汽轮机调节系统时 必需把二者作为一个整体来考虑 1炉跟随方案2机跟随方案3协调调节方案 供热式汽轮机组的调节 背压式与调整抽汽式汽轮机 既能拖动发动机发电又可利用排汽或者抽汽供热 因此称为供热式汽轮机一 背压式汽轮机的调节二 调整抽汽式汽轮机的调节 一次抽汽式汽轮机的调节 LP HP 电负荷增大 热负荷不变 调节气门I II均开大电负荷不变 热负荷增大 I开大 II关小 二次抽汽式汽轮机的调节 A B不变 C增大 I II III均开大 A C不变 B增大 I II开大 III关小B C不变 A增大 I开大 II III关小 汽轮机的调节系统由一个从低级到高级的发展过程 根据发展过程来分 可分为液压 机械液压 调节系统 功率 频率电液调节系统 数字电液调节系统 国产100MW及以下机组都是采用液压调节系统 国产200MW机配备有液压调节系统和功率 频率电液调节系统 二者可互相切换 国产300MW 600MW大型汽轮机都普遍采用数字电液调节系统 汽轮机的调节系统的发展过程 汽轮机数字电液调节系统DEH DigitalElectro HydraulicControlSystem 包括计算机系统和高压抗燃油系统 属于离散控制 考虑压力 功率 频率等多种信号 实现较强的综合 判断和逻辑处理 是较为完善的调节系统 采用DEH控制可以提高高 中压调门的控制精度 为实现CCS协调控制及提高整个机组的控制水平提供了基本保障 更有利于汽轮机的运行 使得汽轮机调节系统有关部套尺寸小 结构紧凑 调节质量大大提高 数字电液调节系统 主要由四部分组成1电子调节装置 各电子调节器采用数字量传送信号 在输入 输出接口处采用必要的模数转化器和数模转化器 其作用是用于给定 接受反馈信号 逻辑运算和发出控制指令等 2阀位控制装置 电液伺服装置 动作机构 主要由阀位控制器 电液转换器 电信号转化为液压控制信号 油动机及阀位反馈测量元件等组成 3配气机构4调节对象 DEH调节系统特点及组成 特点 启动方便 有较好的抗内扰能力 可根据电网要求方便地改变运行方式 灵敏度高 综合能力强等 汽轮机的保护装置 一 设置保护系统的原因汽轮机出现危险 动 静部分摩擦或超速 时 需快速切断进汽 停止汽轮机运行 二 汽轮机保护系统的构成和工作原理 压力控制滑阀 泄油口 自动主汽门 卸油 压力油 节流孔 安全油母管 汽轮机保护装置 三汽轮机保护系统汽轮机保护系统的功能在于监视机组运行的各参数 当这些参数超过一定范围时 保护装置动作 使机组减负荷或者停止运行 1超速保护 当机组转速超过额定转速的 10 12 时 危急遮断器动作 泄掉安全油 主汽门自动关闭 实现紧急停机 2轴向位移和胀差保护 机组运行时 动静部分必需保持一定间隙 当位移或者胀差超过一定范围时 使停机 3低油压保护 当润滑油压低于一定值时 发信号 再继续降低时 启动辅助油泵 并使停机 4低真空保护 当真空度低于一定值时 发信号 再继续降低时 使停机 此外 还有热应力保护 振动保护 低汽压保护 安全放火保护等 二主要保护装置 二 超速保护装置当机组突然甩电负荷而调速系统因某种原因不能正常停机时 转速迅速上升 因超速而引起巨大的离心力 使机组破坏 因此 汽轮机必需具备超速保护装置 当机组转速达到 1 10 1 12 时 超速保护装置动作 实现紧急停机 机械超速危急遮断器 a 飞锤式 b 飞环式 一 电磁阀 超速保护装置通常称为 超速保险危急遮断器危急保安器 1结构 危急遮断器 杠杆 油门 危急遮断器由撞击子 弹簧 调整螺母组成 2工作原理 撞击子为一偏心重块 机组正常运行时 弹簧力大于重块的离心力 撞击子不飞出 当转速升高 则重块的离心力增大 当n 1 1 1 12 n0时 重块的离心力大于弹簧力 撞击子飞出 打击危急保安器 通过杠杆使危急遮断器错油门动作 泄掉安全油 关闭主汽阀 实现紧急停机 3危急保安器动作转速 当弹簧力等于离心力时 有一般说来 1 10 1 12 轴向位移产生的原因 推力轴承熔化 启 停 工况变动时 动静部分膨胀不同 动静间隙减小 2胀差 动 静部分膨胀之差 有正 负胀差 3工作原理 电动式 利用轴向间隙改变引起磁场变化 从而使电动势 电容等改变 其信号经放大后 指示及报警 直到停机 液压式 利用轴向间隙改变引起泄油量变化 油压变化 当油压一定值时 使滑阀动作 实现停机 三 轴向位移保护 四 轴承油压保护润滑油压过低 轴承不能正常工作 轴瓦烧坏 一 供油系统的作用供油系统对保证机组安全稳定运行有着至关重要的作用 1 供给调节系统和保护系统用油 2 供给轴承润滑用油 减少轴承的摩擦损失 并带走因摩擦产生的热量和由高温转子传来的热量 3 供给各运行付机构的润滑用油 4 对有些采用氢冷的发电机 向氢气环密封瓦的气侧提供密封油 5 供给盘车装置和顶轴装置用油 汽轮机的供油系统 油系统对安全运行的重要性 油系统必须在任何情况下 即不论在机组正常运行 还是在启动 停机 事故甚至当电厂交流电源断电时 都应能确保供油 对于高速旋转的汽轮发电机组 哪怕是暂时 如几秒钟 的供油中断也会引起重大事故 如轴承的熔化 使机组的转子失去支承 动静部分发生严重的磨损等若调节系统断油 整个机组将失去控制 二 典型供油系统 正常运行时 主油泵 止回阀 分成两路 1 调节和保安系统 2 注油器 级注油器 主油泵 级注油器 止回阀 冷油器 滤油器 低油压发讯器 过压阀 轴承 离心泵供油系统 油系统的主要设备 1 油箱作用 储油 分离油中空气 水分和机械杂物油箱分为污段和净段 中间隔着过滤网 回油管路布置在污段 油泵的吸油口布置在净段 为了将沉淀下来的水分和杂物排出 油箱底部一般做成斜坡形 油箱布置简图 安装位置 在汽轮机高压转子前端的短轴上 离心式主油泵不能自吸 在启停阶段要靠交流辅助油泵供油 如果主油泵的入口进了空气 会