6汽轮机调节系统09

1、电厂热力设备及运行电厂热力设备及运行 董玉亮 华北电力大学能源与动力工程学院第五章第五章 汽轮机调节系统汽轮机调节系统 q第第一一节节 汽轮机调节系统任务、工作原理及组成汽轮机调节系统任务、工作原理及组成 q第二节第二节 调节系统静、动态特性调节系统静、动态特性 q第三节第三节 汽轮机数字式电液调节系统汽轮机数字式电液调节系统 q第第四四节节 汽轮机危急遮断系统汽轮机危急遮断系统 q第五节第五节 汽轮机供油系统汽轮机供油系统 第第一一节节 汽轮机调节保护系统原理、任务及组成汽轮机调节保护系统原理、任务及组成 n汽轮机调节系统基本原理汽轮机调节系统基本原理 0 FGT

2、 MMM 力矩-转速特性曲线 GT MM dt d J n PP M ii T 9555 3 4 2 321 nKnKnKKM G 阻力矩MG和n有关，并随负载改变 n汽轮机调节保护系统任务汽轮机调节保护系统任务 l当转速不变时，调节系统应能保持机组的负荷不变。 l当蒸汽参数或供电频率在允许范围内变化时，调节系统仍 能维持机组在零负荷至满负荷之间稳定运行，并能保证汽 轮发电机组能顺利并网。 l当负荷变化时，调节系统应能保证机组安全地从一个稳定 工况过渡到另一个稳定工况，而不发生较大的和长时间的 摆动。 l当机组突然甩去全负荷时，调节系统应能保证机组维持空 转。 l调节系统中的保护装置，应能在被

3、监控的参数超过规定的 极限值时，迅速功作，自动控制机组负荷或使机组紧急停 机，以保 证机组的安全。 直接调节与间接调节直接调节与间接调节 特点：特点：调速汽门由调速器本身直接带动。调速汽门由调速器本身直接带动。 n汽轮机调节系统工作原理汽轮机调节系统工作原理 特点：特点： （1 1）将调速器滑环的位移在能量上加以放大，由油动机带动）将调速器滑环的位移在能量上加以放大，由油动机带动 调速汽门。调速汽门。 （2 2）油动机对错油门滑阀的负反馈。）油动机对错油门滑阀的负反馈。 l有差调节 当外界负荷改变，调节系统动作结束后，机组并不能维 持转速不变，不同负荷对应不同的稳定转速；只是转速 的变动较小。

4、 有差调节与无差调节有差调节与无差调节 l无差调节 采用弹性反馈，最初是有差调节，保证系统稳定，然后慢 慢让反馈量变小，静态偏差变小，成为无差调节。用于 供热机组调压系统。 l转速调节系统 以汽轮机转速为调节信号，根据转速的变化来控制调节汽 门。 l功频电液调节系统 以汽轮机转速和功率信号为调节信号。 转速调节与功率调节转速调节与功率调节 汽轮机调节保护系统原理性框图汽轮机调节保护系统原理性框图 n 汽轮机调节系统的基本组成 n汽轮机调节系统种类 （1）机械液压调节系统 （2）液压调节系统 （3）模拟电液调节系统 系统中设有转速调节回路、功率调节回路和功-频调节回路 l 机组单机运行时控制转速

5、； l 并网非调频工况时调节机组功率； l 并网调频运行时实现功-频调节，克服“内扰”和再热器中 间容积时滞效应的影响。 功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)。 蒸汽压力输入可实现机炉协调控制。 （4）数字式电液控制系统 定义：数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System，简称DEH)是以计算机替代模拟电液调节系统中控 制运算的模拟电路，发挥计算机控制运算、逻辑判断与处 理能力强及软件组态灵活、方便的优势，将汽轮机运行的 状态监测、顺序控制、调节和保护融为一体。 组成：组成：电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油

6、系统组成 功能：功能： l汽轮机自动程序控制(ATC)。 通过监测高、中压汽缸温度和蒸汽温度，计算出转子热应通过监测高、中压汽缸温度和蒸汽温度，计算出转子热应 力。在汽轮机允许的应力范围内，以最大的速率、最短的力。在汽轮机允许的应力范围内，以最大的速率、最短的 时间实现机组由盘车、冲转、升速、并网到带负荷的全自时间实现机组由盘车、冲转、升速、并网到带负荷的全自 动程序化操作。动程序化操作。 l汽轮机功率的自动调节。 汽轮机功率的自动调节设有操作员自动、远方控制和电厂汽轮机功率的自动调节设有操作员自动、远方控制和电厂 计算机控制三种模式。根据电网的要求，可选择调频运行计算机控制三种模式。根据电网

7、的要求，可选择调频运行 方式或基本负荷运行方式。在机组冷、热态启动中，能自方式或基本负荷运行方式。在机组冷、热态启动中，能自 动地根据启动状态控制调节汽门的开度。动地根据启动状态控制调节汽门的开度。 l汽轮机的自动保护。 设有三层超速保护，即超速保护控制设有三层超速保护，即超速保护控制(OPC)、危急遮断控、危急遮断控 制制(ETS)和机械超速保护与手动遮断脱扣。和机械超速保护与手动遮断脱扣。 （1）超速保护控制是当机组转速超过）超速保护控制是当机组转速超过103n0时，时，OPC 电磁阀动作，快速关闭高、中压调节汽门；电磁阀动作，快速关闭高、中压调节汽门； （2）ETS是当机组转速达到是当机

8、组转速达到110n0时，自动停机遮断时，自动停机遮断 (AST)电磁阀动作，快速关闭主汽门和调节汽门。此外，电磁阀动作，快速关闭主汽门和调节汽门。此外， 当出现低润滑油压、推力轴承磨损、低真空、高压排汽温当出现低润滑油压、推力轴承磨损、低真空、高压排汽温 度高等危急事故时，度高等危急事故时，ETS通过通过AST电磁阀使机组快速停机；电磁阀使机组快速停机； （3）机械超速保护是当机组转速升高至）机械超速保护是当机组转速升高至112n0时动作，时动作， 关闭主汽门和调节汽门。关闭主汽门和调节汽门。 l机组和DEH系统状态监测。 监视和显示机组及监视和显示机组及DEH系统的重要参数、运行曲线、历史系

9、统的重要参数、运行曲线、历史 趋势和故障，以及指示操作按钮的状态。趋势和故障，以及指示操作按钮的状态。 第二节第二节 调节系统静、动态特性调节系统静、动态特性 一、静态特性一、静态特性 汽轮机调节系统四方图汽轮机调节系统四方图 1、调节系统的静态特性 调节系统的输出量是汽轮机的功 率P，输入量是汽轮机的转速n。 在稳定工况下，转速在稳定工况下，转速n与功率与功率P 之间的关系称为调节系统的静之间的关系称为调节系统的静 态特性态特性,其关系曲线称为调节系其关系曲线称为调节系 统静态特性曲线。统静态特性曲线。 机械液压调节系统：机械液压调节系统： 取决于转速感受机构静特性、传 动放大机构静特性和配

10、汽机构 静特性。 电液调节系统：电液调节系统： 在任何稳定上况下，必然有 如果给定电压Ug不变，则负荷的变化将引起相应的转速变化，有 假设测功单元和测速单元的转换系数分别为KP和Kn，则 2 调节系统的转速不等率 （1）定义：机组单独运行时，零功率对应的稳定转速n1，额定功率对应 的稳定转速为n2，机组的额定转速为n0，速度变动率可用下式定义： %100 0 21 n nn n P n1 n2 n0 P0 带基本负荷机组：4%-6% 带尖峰负荷机组：3%-4% 备压式机组：4.5%-6.5% （2）速度变动率对一次调频的影响 结论：在电网负荷变动时，速度变动率大的机组功率的相对变化量小， 而速

11、度变动率小的机组功率的相对变化量大。 （3）电液调节系统中，的数值和形状可以采用电路或数字的形式任意设定： （a）单机运行时，采用无差调节，无意义，转速控制完全由PID调节规律 实现。 （b）并网运行时，低负荷时机组不参与电网调频，设置一次调频负荷下限； 为机组稳定运行，在额定负荷附近设死区；同时可根据机组实际情况，限定机 组参与调频的负荷变化量大小。 3 调节系统的迟缓率 迟缓现象迟缓现象：实际运行中，单机运行时， 一定功率对应转速发生摆动；并 网运行时，一定转速所对应的功 率发生摆动。 迟缓原因迟缓原因：调节部套运行中存在摩擦 力；传动构件铰链处有间隙；滑 阀油口有盖度；工作介质（油） 有

12、具有黏滞力。 迟缓率：迟缓率：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。 要求：液压调节 电液调节 %100 0 21 n nn %5 . 0%3 . 0 %1 . 0 迟缓对运行的影响迟缓对运行的影响：实际运行中，单机运行时，一定功率对 应转速发生摆动；并网运行时，一定转速所对应的功率 发生摆动。 0 0 0 n n P P n P n1 n2 P0 P1 单机运行 n P n0 P0 P 并列运行 n0 4 一次调频、二次调频 n 一次调频 汽轮发电机组在电网中并列运行，当外界负荷发生变化时，将使电网频 率发生变化，从而引起电网中各机组均自动地按其静态特性承担一定的负荷

13、变化，以减小电网频率改变，此过程为一次调频。 n 二次调频： 一次调频不能维持电网频率不变，只能缓和电网频率的改变程度，此时 需要利用同步器增、减某些机组的负荷，即平移静态特性曲线，以恢复电网 频率，此过程为二次调频。 电液调节系统中，电液调节系统中，由调度中心将自动发电控制信号（包括自动调频控制 或经济负荷控制）送往电网中的每一机组的锅炉和汽轮机控制系统，调整汽 轮机调节系统的功率值，改变汽轮机功率。 5 同步器 ： 同步器的主要作用是平移静态特性曲线。 调节系统静态特性曲线的平移可以通过平移调速 器特性曲线或传递特性曲线来实现，分别称之为第一类 同步器或第二类同步器。 注意注意 ：电液调节

14、系统中通过附加给定的方法实现静特性平移 l同步器作用：同步器作用： （1）汽轮机单机运行时，启动过程提升机组转速）汽轮机单机运行时，启动过程提升机组转速 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 稳态负荷下稳态负荷下转速转速维持在额定值；维持在额定值； 单机带负荷单机带负荷 单机不带负荷单机不带负荷 n P n0 n1 P0 （2 ）并列运行时，在各机组间进行）并列运行时，在各机组间进行负荷负荷重新分配，承担电重新分配，承担电 网二次调频任务，保持电网频率基本不变，保持机组转速网二次调频任务，保持电网频率基本不变，保持机组转速 基本不变。基本不变。

15、频率满足要求时，并列运行机组间负荷重新分配频率满足要求时，并列运行机组间负荷重新分配 并列运行机组的二次调频并列运行机组的二次调频 n P n0 n1 P1PP2 A1 B1 AB P2 二、动态特性二、动态特性 研究由一个稳定状态到另一个稳定 状态的过渡过程。 右图为机组从额定负荷变到零负荷 的转速过渡过程。 （速度变动率 5%，对应转速由 3000r/min变到3150r/min） （1）动态特性指标 n稳定性 当机组在运行时受到干扰而偏离平衡状态后，经调节系统的作用，能当机组在运行时受到干扰而偏离平衡状态后，经调节系统的作用，能 够过渡到新的平衡状态，或者在扰动去除后，能够恢复到原来状态

16、，够过渡到新的平衡状态，或者在扰动去除后，能够恢复到原来状态， 这样的调节系统便认为是动态稳定的。这样的调节系统便认为是动态稳定的。动态稳定性是衡量调节系统动 态质量的最基本的指标。调节系统动态性能必须是稳定的，超调量在 允许范围内，振荡次数不超过35次。 n超调量n0 甩负荷后，最高转速甩负荷后，最高转速nmax超过稳定转速超过稳定转速(1) n0 的最大偏差称为转速超的最大偏差称为转速超 调量。调量。为保证机组安全，要求甩全负荷后转速升高不超过危急遮断器 的动作转速，并还有一定的富裕量。危急遮断器的动作转速一般为额 定转速的110112，因此要求最高转速nmax不超过（107109） 额定

17、转速。 n过渡时间 机组受到扰动后从原平衡状态过渡到新的平衡状态所需的时间即为过机组受到扰动后从原平衡状态过渡到新的平衡状态所需的时间即为过 渡时间。渡时间。在机组全甩负荷时，希望过渡时间小于550s。 （2）影响动态特性的主要因素 n调节对象对动态特性的影响 1）转子飞升时间常数Ta 转子在额定负荷时的蒸汽主力矩转子在额定负荷时的蒸汽主力矩Mt的作用下，转速从零升高到额定转速所的作用下，转速从零升高到额定转速所 需的时间需的时间 式中，I 转子转动惯量，kg.m2； 机组额定角速度, rad/s； Ta小，则转子相对较轻，在机组甩负荷时，转子越容易加速，一般中压机组 的Ta约为1114s，高

18、压机组约为710s，中间再热机组约为510s。 2）中间容积时间常数TV 指蒸汽在额定流量指蒸汽在额定流量G0下，以多变过程充满中间容积下，以多变过程充满中间容积V并达到额定工况下的并达到额定工况下的 密度密度所需时间。所需时间。 中间容积越大，则容积时间常数TV越大，机组甩负荷时，越容易引起超速。 tt a M I M I T 00 )0( 0 n调节系统的静态特性对动态特性的影响 1）转速不等率 转速不等率对动态过程的影响有两个方面： 大时，静态与动态偏差较 大，动态稳定性好 2）油动机时间常数Ts(当油动机滑阀最大时，油动机在最大进油量下走完整个行程需当油动机滑阀最大时，油动机在最大进油

19、量下走完整个行程需 要的时间要的时间) 当Ts大时，调节汽门关闭的时间越长，动态过程中，最高转速越高，转速 过渡曲线摆动的幅度也越大，使过渡时间增长，调节品质变坏。甩负 荷时，增大了动态超调量。 3）调节系统的迟缓率 调节系统迟缓率使调节汽门关闭滞后，使动态超调量增大，转速过渡曲 线的摆动幅度也增大。 第三节第三节 汽轮机数字式电液调节系统汽轮机数字式电液调节系统 n电液调节系统的类型及应用 n电液调节系统的工作原理 n电液调节系统的功能 nDEH系统的基本组成 nEH电液伺服系统 1、电液调节系统的类型 （1）纯电液调节系统 （2）电液并存调节系统 n电液调节系统运行、机械液压调节系统作跟踪

20、备用的系统， 称电液并存跟踪、切换调节系统。 n电液调节系统和机械（液压）调节系统同时工作，构成并级 调节，称电液并存联合调节系统。 n电子控制器直接控制机械（液压）调节系统的同步器，构成 串级调节，称电液并存同步器给定值控制系统。 （3）模拟式和数字式电液调节系统 （4）抗燃油和汽轮机油电液调节系统 一、一、电液调节系统的类型及应用电液调节系统的类型及应用 2、电液调节系统的应用 二、二、电液调节系统的工作原理电液调节系统的工作原理 三、三、电液调节系统的功能电液调节系统的功能 1、电液调节系统应具备的功能 2、DEH系统在启动、运行中的控制 （1）启动升速过程的转速控制 汽轮机启动升速过程

21、中，转速控制是根据转速设定值和升速率 控制调节阀门开度实现的。通常转速设定值分为数档。如阀 关闭、400r/min、 800r/min 、 2500r/min 、 3000r/min ；升速 率分为保持、慢、中、快4档，如0、100(r.min-1)/min、 150(r.min-1)/min 及300(r.min-1)/min 。 当手动启动时，运行人员按汽轮机启动状态选择转速设定值和 升速率； 汽轮机自启动时，由自启动程序自动选择。 引进型 300和 600MW汽轮机 在冲转至 3000r/min时，采用了不 同的阀门控制，在冲转开始用主汽门控制转速，当转速达到 2900r/min切换至调

22、速汽门控制。 n冷态启动升速（不投旁路）（引进型机组） n热态启动升速（投旁路） （2）汽轮机的负荷控制 负荷控制有三种基本运行方式：协调控制协调控制、操作员自动控制操作员自动控制 和和手动控制手动控制。 在协调控制方式下DEH根据机组协调控制系统CCS给出的负 荷指令调节阀门开度，DEH相当于CCS的执行机构。 在操作员自动控制方式下，DEH 按操作员设定的目标负荷和 负荷变化率自动地将机组负荷控制在所设定的目标负荷值。 负荷变化率可分5档：保持、5%/min、l%/min、2%/min及3 /min，目标负荷值由操作员用负荷给定器给定。 用手动方式时，由运行人员操作负荷增减按钮手动调整负荷

23、， 此时负荷控制为开环控制。 引进型汽轮DEH系统的负荷控制是由三个回路组成的串级调 节系统，通过对高压调节汽门的控制来调节机组负荷。 三个调节回路分别是：内环调节级压力回路IMP；中间功率 调节回路MW；外环转速一次调频回路WS。 （3）阀门管理 作用：实现喷嘴调节、节流调节等控制方式，降低节流损失 和转子应力。 n阀门管理程序 阀门管理任务由阀门管理软件系统完成，它通过软件接口与 基本DEH程序相连接，阀门管理程序主要： l阀门特性曲线产生程序； l单阀控制程序； l多阀控制程序； l单/多阀转换控制逻辑。 n单阀控制 单阀控制要求各调节汽门同时开启或关闭，各汽门开度相同， 像是一个汽门控

24、制，故称单阀控制。 单阀控制是通过改变阀门的通流面积，对蒸汽起节流作用来 进行调节的，故也称节流调节，全周进汽。 汽轮机启动时，采用单阀控制（全周进汽）方式，有利于汽 轮机均匀加热，减小热应力。 n多阀控制 多阀控制要求调节汽门按照预定指令在主汽门进口蒸汽参数 不变或可变情况下，顺序地开启或关闭，即喷嘴调节，部 分进汽。多阀控制也称顺序阀控制。 当汽轮机带至一定负荷后，为提高经济性，减少节流损失， 应由单阀控制转至多阀控制。两种控制之间能保持功率不 变，进行无扰动切换。国产引进型300MW机组 （1）300MW机组在调峰负荷（180-240MW）运行时，顺阀比单阀方式热 耗率降低约1.7-2.

25、9%，即150-250kJ/(kW.h)； （2）600MW机组进汽流量为1144t/h时，单阀的调节级效率比顺阀低31个 百分点。 结论：机组带部分负荷时应采用顺序阀运行方式 （4）主汽压控制 主汽压控制可防止主蒸汽压力变化过快时，湿蒸汽进入汽轮 机。当主汽压力下降到某一定值（如7.4%/min）时，控制 回路的输出将取代阀门流量指令，阀门开度即由主汽压力 控制回路的控制值控制，控制值的大小取决于主汽压力与 设定值的偏差，阀门开度随偏差的增大而关小。 （5）其他控制 n自动同期（AS）； n协调控制（CCS） ； n辅机故障减负荷（RUNBACK或RB） ； n汽轮机自启停控制（ATC）。

26、（6）手动控制系统 n一次手动； n二次手动。 3、对机组的保护功能 n超速保护控制（OPC）； n超速跳闸保护（OPT，也称电气超速保护系统）； n汽轮机紧急跳闸系统（ETS）； n辅机故障减负荷（RB）； n快速甩负荷保持功能（FCB）。 l由于电网系统故障或主变温度（绕组油由于电网系统故障或主变温度（绕组油）高使主开关跳闸时，高使主开关跳闸时， 机组能带厂用电（称机组能带厂用电（称5%FCB）或空负荷运行（称或空负荷运行（称0%FCB ）；）； l当发电机主保护动作或汽轮机保护动作使主开关跳闸时，汽轮当发电机主保护动作或汽轮机保护动作使主开关跳闸时，汽轮 机甩负荷，可做到停机不停炉。其目

27、的均为待事故消除后能快机甩负荷，可做到停机不停炉。其目的均为待事故消除后能快 速并网发电。速并网发电。 n系统的硬件部套 nDEH控制柜； n操作台； n图像站； n调试终端； n液压部套：供油系统、执行机构、危急折断系统。 四、四、DEH系统的基本组成系统的基本组成 n系统的软件 n系统软件 根据控制系统的任务编制的调度管理程序，完成汽轮机自动调节， 程序控制和数据处理。 n双机容错软件 双机系统，一机工作，另一机热备用。 n应用软件 分应用软件模块和分应用软件模块和ATC模块。后者包括高压转子应力计算；蒸汽室模块。后者包括高压转子应力计算；蒸汽室 金属温度；盘车监测；转子应力控制；偏心及振

28、动监视；进水检金属温度；盘车监测；转子应力控制；偏心及振动监视；进水检 测及疏水阀控制；汽轮机自启停控制测及疏水阀控制；汽轮机自启停控制ATC目标值，升速率和升负目标值，升速率和升负 荷率控制；轴承油温及轴承金属温度监视；发电机监测；轴封汽、荷率控制；轴承油温及轴承金属温度监视；发电机监测；轴封汽、 低压排汽及凝汽器真空监视；差胀及转子位置监视、低压排汽压低压排汽及凝汽器真空监视；差胀及转子位置监视、低压排汽压 力对再热温度的监视、传感器故障检测、暖机控制、顺序控制、力对再热温度的监视、传感器故障检测、暖机控制、顺序控制、 中压转子应力计算。中压转子应力计算。 nEH供油系统供油系统 n电液伺服装置电液伺服装置 n执行机构执行机构 五、五、EH电液伺服系统电液伺服系统 （一）（一）EH供油系统供油系统 n抗燃油 n供油装置的主要部件 q油箱及油管路 引进型300MW机组，EH油箱布置在6m平台上，油箱容积 757L，工作油压力13.73MPa。 q油泵 q蓄能器（蓄压器） l积蓄能量；积蓄能量； l补偿压力、流量损失；补偿压力、流量损失； l减小系统冲击力。减小系统冲击力。 （二）电液伺服阀（二）电液伺服阀 双喷嘴挡板式、射流式、直接驱动式、蝶阀式 （三）执行机构（三）执行机构 引进型300MW机组DEH调节的液压系统 n高压主汽门和调节汽门执行机构