汽轮机控制系统

1、汽轮机控制汽轮机控制高压缸中压缸低压缸低压缸高压旁路阀锅炉过热器再热器高压主汽阀TV高压调节阀GV中压主汽阀SV中压调节阀IV低压旁路阀反流阀高压排汽止回阀真空阀给水泵凝汽器发电机断路器图3-1机组热力系统简图第一节第一节 汽轮机控制系统汽轮机控制系统一、控制任务一、控制任务 1自动监测自动监测 汽轮机监测仪表（汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation, TSI） 2自动保护自动保护 (1)超速保护系统（超速保护系统（Overspeed Protection Controller, OPC）: 超速时关闭高、中压缸调节阀。 (2)危急遮断系统（危急

2、遮断系统（Emergency Trip System, ETS，又称紧急跳闸系，又称紧急跳闸系统）统）: 用于参数严重超标、危及机组安全时，紧急关闭所有的主汽阀和调节汽阀，立即停机。 (3) 机械超速保护和手动遮断系统机械超速保护和手动遮断系统 3自动调节自动调节 调节汽门开度（%）0 20 40 60 80 1001 中压调节汽门2 高压调节汽门功率 (100%)100图3-2调节汽门开度与功率关系汽轮机的主要控制参数是功率、转速和主蒸汽压力汽轮机的主要控制参数是功率、转速和主蒸汽压力 调节汽轮机的进汽量（也即改变发电机功率角）可控制汽轮调节汽轮机的进汽量（也即改变发电机功率角）可控制汽轮发

3、电机组的输出电功率（有功功率）。发电机组的输出电功率（有功功率）。汽轮机自动启停控制汽轮机自动启停控制 从启动准备到带满负荷或从正常运行到停机从启动准备到带满负荷或从正常运行到停机整个过程汽轮机全部实现自动控制。整个过程汽轮机全部实现自动控制。 汽轮机控制系统都设有汽轮机控制系统都设有ATC（Automation Turbine Control）功能，即具有汽轮机自动盘车、）功能，即具有汽轮机自动盘车、自动升速、自动并网到自动带负荷功能。自动升速、自动并网到自动带负荷功能。 二、控制系统构成二、控制系统构成 早期的汽轮机控制系统采用液压调速器，汽轮机早期的汽轮机控制系统采用液压调速器，汽轮机控

4、制系统相对独立。控制系统相对独立。 20世纪世纪60年代末期出现了在液压控制基础上增加年代末期出现了在液压控制基础上增加发电机组功率控制功能的电液控制系统。发电机组功率控制功能的电液控制系统。 目前汽轮机控制系统广泛采用数字电液控制目前汽轮机控制系统广泛采用数字电液控制（Digital Electro-Hydraulic Control， DEH ）技术，同时将汽轮机和发电机构成的汽轮发电机技术，同时将汽轮机和发电机构成的汽轮发电机组作为被控对象进行控制，因此汽轮机控制系统组作为被控对象进行控制，因此汽轮机控制系统实际上是汽轮发电机组控制系统。实际上是汽轮发电机组控制系统。 数字电液控制系统（

5、又称数字电液控制系统（又称DEH系统，系统，Digital Electro-Hydraulic Control System）是）是20世纪世纪70年代后期发展起来的年代后期发展起来的大型汽轮发电机组的自动控制装置，早期大型汽轮发电机组的自动控制装置，早期的的DEH系统采用专用的数字控制装置，但系统采用专用的数字控制装置，但现在汽轮机控制系统普遍采用分散控制系现在汽轮机控制系统普遍采用分散控制系统统DCS（Distributed Control Systems）系统予以实现。系统予以实现。 AST4AST3AST2IMP调节级压力调节级压力主主汽汽压压PTAST油路油路高压调节阀高压调节阀GV

6、高压主汽阀高压主汽阀TV中压主汽阀中压主汽阀SV高压缸高压缸中压缸中压缸低压缸低压缸发电机发电机再热器再热器油断路器油断路器高压主汽阀油高压主汽阀油动机动机高压调节阀油高压调节阀油动机动机中压主汽阀油中压主汽阀油动机动机中压调节阀油中压调节阀油动机动机中压调节阀中压调节阀IV汽轮机数字控制器汽轮机数字控制器（DCS）阀位反馈阀位反馈阀位指令阀位指令测量信号测量信号系统连接信号系统连接信号TD，AS，RB等等并网并网BR挂闸挂闸ASLOPC油路油路EH高压抗燃油高压抗燃油供油系统供油系统排油排油超速保护超速保护OPC（1）OPC（2）图图3-3 汽轮机控制系统构成原理图汽轮机控制系统构成原理图转

7、速转速nIEP功率功率PE紧急跳闸紧急跳闸ETS隔膜阀隔膜阀润滑油供油系统润滑油供油系统机械遮断机械遮断手动遮断手动遮断AST1ATC自动给定N负荷控制投入NOA手动给定轴出旋转机械功率高压缸功率中、低压缸功率YNY调频投入功率调节器K2K1K3调节级压力控制投入阀门管理发电机蒸汽容积高压缸中间再热器中、低压缸电功率转速负荷扰动电液转换、油动机及阀门调节级压力调节器频率校正给定处理回路并网YK4转速调节器CCS的TD指令同期信号调节级压力测量功率测量转速测量3000r/min三、控制原理三、控制原理 ATC自动给定N负荷控制投入NOA手动给定轴出旋转机械功率高压缸功率中、低压缸功率YNY调频投

8、入功率调节器K2K1K3调节级压力控制投入阀门管理发电机蒸汽容积高压缸中间再热器中、低压缸电功率转速负荷扰动图34汽轮机控制原理图电液转换、油动机及阀门调节级压力调节器频率校正给定处理回路并网YK4转速调节器CCS的TD指令同期信号调节级压力测量功率测量转速测量3000r/min三、控制原理三、控制原理 顺序阀系数单阀系数顺序阀系数00阀门试验逻辑阀门试验逻辑%转速3000r/min转速调节器操作员设定其它给定信号给定值处理回路f(x)T调频投入T主汽压限制值设定值0V主汽压限制动作功率调节器功率T功率控制切除0T调节级压力控制投入调节级压力调节器调节级压力T阀位限制T手动手动回路手动增手动减

9、T0跳闸或超速T快卸指令快卸动作Kf(x)T阀门试验逻辑T阀门试验到IV1伺服到IV4伺服中压缸启动为0高中压启动为1f (x)Tf(x)图3-5 汽轮机控制原则方案到GV1伺服T主汽压限制投入脱网阀门试验单阀系数阀门试验逻辑f (x)Tf(x)到GV4伺服阀门试验T运行-3%T运行-3%T复位运行-3%T-3%T操作员目标值操作员手动TATC目标值ATC运行方式T自动同期目标值自动同期方式T非临界区目标值自动设定目标值图36 给定值处理逻辑TCCS目标值（TD指令）CCS方式T设定值保持方式V运行方式变化率限制第二节 阀门管理 1阀门配置与作用阀门配置与作用高压调节阀高压调节阀GV3高压主汽

10、阀高压主汽阀TV1高压调节阀高压调节阀GV2过热器蒸汽过热器蒸汽高压缸配汽高压缸配汽高压主汽阀高压主汽阀TV2高压调节阀高压调节阀GV1高压调节阀高压调节阀GV4图图37汽轮机阀门布置图汽轮机阀门布置图 高压主汽阀高压主汽阀具有危急状态时快速关闭、截断进汽和启动时调节汽轮机转速两个功能。当高压调节阀失效时能提供一个额外的保护。高压主汽阀在汽轮机全速旋转时和正常工况下保持全开。 当汽轮机发电机组正常运行时，通过调节高压调高压调节阀门节阀门开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控制的目的。 中压主汽阀中压主汽阀的作用是在紧急情况下快速地关闭以便切断进入中压缸的再热蒸汽。 中压调节阀中压调节阀的基本作用

11、是在将要发生突发事故时起保护作用。它在汽轮机保护系统动作时进行关闭。第二个作用是在汽轮机启动和升负荷时，控制再热蒸汽流量。2 汽轮机进汽方式汽轮机进汽方式 汽轮机进汽方式可分为：全周进汽方式和部分进汽方式两种方式。这时对应的高压调节阀运行方式为单阀方式（节流调节）与和顺序阀方式（喷嘴调节）。 单阀方式单阀方式是将所有调节阀同时开大或关小来调节负荷，这种方式为全周进汽方式，全周进汽方式，该进汽方法可减少机组的热应力，但节流损失大，对机组经济性是不利的。在机组冷态启动或变负荷过程中希望选用这种方式，因为这样能使汽轮机高压缸第一级汽室的温度变化比较均匀，使汽轮机转动部分与静止部分之间的温差减少，因而

12、使调频机组能承受更大的负荷变化率。 顺序阀方式顺序阀方式是随着机组负荷的增加（减少）逐个开启（关闭）调节阀，开启阀门的总数是随负荷变化而变化的，负荷增开启阀门的总数也增，即实现喷嘴调节喷嘴调节，这种方式为部分进汽方式部分进汽方式。该进汽方式可减少节流损失，因而使机组有较高的热效率，但机组受热不均，热应力大，这种方式适于定压运行或额定负荷工况。由于这种方式可能存在金属受热不均和叶片受到冲击产生应力，而使机组变负荷速度受到限制。 图图3-7中的高压调节阀的顺序阀开启顺序中的高压调节阀的顺序阀开启顺序可设计为可设计为GV1/GV2，GV3 GV4，即，即GV1和和GV2同时开启，然后是同时开启，然后

13、是GV3，GV4最后开最后开启。关闭顺序与此相反。启。关闭顺序与此相反。 高压调节阀高压调节阀GV3高压主汽阀高压主汽阀TV1高压调节阀高压调节阀GV2过热器蒸汽过热器蒸汽高压缸配汽高压缸配汽高压主汽阀高压主汽阀TV2高压调节阀高压调节阀GV1高压调节阀高压调节阀GV4图图37汽轮机阀门布置图汽轮机阀门布置图3 阀门管理阀门管理（1）线性化）线性化总流量需求值Q调节阀数目单阀流量需求值f(x)阀位开度L流量阀 门开 度L图3-8 单阀控制时阀位计算单阀控制时阀位计算在顺序阀控制方式下 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100GV1,GV2阀门开度L图3-9 顺序阀控制各阀位

14、计算f(x)GV3GV4总流量需求值102030405060708090100高压调节阀阀位指令及阀切换高压调节阀阀位指令及阀切换 在单阀顺序阀方式切换时，一个很重在单阀顺序阀方式切换时，一个很重要的问题是尽量避免阀门的抖动和负荷的要的问题是尽量避免阀门的抖动和负荷的波动，做到均衡平稳地切换。为此，要求波动，做到均衡平稳地切换。为此，要求阀门管理回路在实现方式切换期间，保持阀门管理回路在实现方式切换期间，保持通过阀门的总流量不变。为此，把整个切通过阀门的总流量不变。为此，把整个切换分成若干步进行，经过若干个有限的控换分成若干步进行，经过若干个有限的控制周期完成切换。制周期完成切换。 假设阀门切

15、换过程中汽轮机运行工况稳假设阀门切换过程中汽轮机运行工况稳定，即真空和主蒸汽参数不变，不考虑抽定，即真空和主蒸汽参数不变，不考虑抽汽的影响，汽轮机的负荷仅由蒸汽流量决汽的影响，汽轮机的负荷仅由蒸汽流量决定，而各个调节阀所控制的流量也只和阀定，而各个调节阀所控制的流量也只和阀门开度有关，那么可以认为汽轮机负荷进门开度有关，那么可以认为汽轮机负荷进仅是阀门开度的单函数。用仅是阀门开度的单函数。用y表示汽轮机负表示汽轮机负荷，荷，L表示阀门开度，设有表示阀门开度，设有4个高压调节阀。个高压调节阀。 在单阀方式下：在单阀方式下： 41()SINiiSINiyf L顺序阀方式下顺序阀方式下： 41()S

16、EQiiSEQiyf L单阀顺序阀切换的中间过程任意状态下：单阀顺序阀切换的中间过程任意状态下： 41()iiiyfL如果要求单阀顺序问方式及切换过程中如果要求单阀顺序问方式及切换过程中负荷无扰动，则应有负荷无扰动，则应有 444111()()()iiSINiiSEQiiiiif Lf Lf L由于个高压调节阀设计相似，理想情况下认为完全由于个高压调节阀设计相似，理想情况下认为完全相同，并假设经阀门曲线修正后，阀门开度与流量成相同，并假设经阀门曲线修正后，阀门开度与流量成正比，阀门开度与汽轮机负荷成正比，则正比，阀门开度与汽轮机负荷成正比，则()iiif LkL所以，满足阀门无扰切换的条件为所

17、以，满足阀门无扰切换的条件为444111iSINiSEQiiiiLLL444111()()()iiSINiiSEQiiiiif Lf Lf L显然，这个问题有很多解。为简化问题，显然，这个问题有很多解。为简化问题，可以设定边界条件：可以设定边界条件： (,)iiiSINiSEQLF LL满足该边界条件的最简单解是满足该边界条件的最简单解是 iSINiSINSEQiSEQLkLkL式中：式中：kSIN为单阀系数；为单阀系数；kSEQ为顺序阀系数。为顺序阀系数。当阀门处于单阀方式时：当阀门处于单阀方式时：kSIN =1, kSEQ=0 当阀门处于顺序阀方式时：当阀门处于顺序阀方式时： kSIN =

18、0, kSEQ=1 当阀门处于切换的中间状态时：当阀门处于切换的中间状态时： 01,01SINSEQkk1SINSEQkk+阀门试验逻辑阀切换系数中压缸启动为0高中压启动为1f 1(x)Tf2(x)阀门试验值总流量需求值单阀系数k SINGV1单阀开度L1SINGV1顺序阀开度L1SEQ顺序阀系数k SEQT运行RUN-3%GV1阀位开度指令图3-10 高压调节阀GV1阀位指令形成原理其阀位开度=L1SINkSIN+L1SEQkSEQ控制偏差大于4%T0顺序阀方式T手动系统复位图311 单阀系数、顺序阀系数形成原理TV单阀系数kSIN11&汽轮机复位&阀转换在进行10.0016

19、71顺序阀系数kSEQ1总流量需求值99.9%总流量需求值0.1%（）单阀顺序阀切换正常进行时，其切换需要经过若干个有限）单阀顺序阀切换正常进行时，其切换需要经过若干个有限的控制周期才能完成，切换时间可通过调整限速模块的速率来确定。的控制周期才能完成，切换时间可通过调整限速模块的速率来确定。当总流量需求值大于当总流量需求值大于99.9%（对应阀门全开）或小于（对应阀门全开）或小于0.1%关）时，关）时，（对应阀门全切换瞬间完成。（对应阀门全切换瞬间完成。 （）切换过程中，出现以下二种情况时，暂停（）切换过程中，出现以下二种情况时，暂停切换，等到异常情况消失后，再继续切换。切换，等到异常情况消失

20、后，再继续切换。）汽轮机复位，手动系统复位；）汽轮机复位，手动系统复位；）当控制差大于）当控制差大于4%停止切换，这是由于在实停止切换，这是由于在实际的阀门切换过程中，前面分析中的假设条件是难际的阀门切换过程中，前面分析中的假设条件是难以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动，负荷扰以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动，负荷扰动的大小与阀门特性曲线的准确性、汽轮机运行工动的大小与阀门特性曲线的准确性、汽轮机运行工况和控制回路的投运有关。况和控制回路的投运有关。 其它阀阀位指令形成其它阀阀位指令形成 中压调节阀阀位指令与高压调节阀阀位指中压调节阀阀位指令与高压调节阀阀位指令产生原理基本相同。令产生原

21、理基本相同。 高压主汽阀阀位指令高压主汽阀阀位指令 中压主汽阀阀位指令中压主汽阀阀位指令T10%阀室预暖T运行RUNTT试验阀门开度值0%&0%1100%手动系统复位计算基准值跳闸汽轮机主汽阀泄漏试验f(x)T左高压主汽阀试验T0%汽轮机跳闸左高压主汽阀阀位指令试验阀门开度值f(x)TT0%汽轮机跳闸右高压主汽阀阀位指令右高压主汽阀试验图312 高压主汽阀阀位指令形成原理右中压主汽阀试验关闭左中压主汽阀试验关闭开始主汽阀泄漏试验运行RUN&1图313 中压主汽阀阀位指令形成原理1打开左中压主汽阀&打开右中压主汽阀第三节第三节 汽轮机运行方式汽轮机运行方式操作员自动（操作

22、员自动（Operator Automation，OA）汽轮机自启动（汽轮机自启动（ATC）自动同期（自动同期（AS）协调控制（协调控制（CCS） 由运行人员根据汽轮发电机机组运由运行人员根据汽轮发电机机组运行情况选择运行方式。行情况选择运行方式。一、操作员自动（一、操作员自动（OA） 1、操作员直接控制、操作员直接控制、转速自动控制、转速自动控制、功率自动控制、功率自动控制、主汽压力自动控制、主汽压力自动控制 二、汽轮机自启动（汽轮机自启动（ATC） ATC程序根据机组运行需要，能自动完程序根据机组运行需要，能自动完成：成：（1）变更转速；）变更转速；（2）改变升速率；）改变升速率；（3）产生

23、转速保持；）产生转速保持；（4）改变负荷变化率；）改变负荷变化率；（5）产生负荷保持。）产生负荷保持。 三、自动同期（三、自动同期（AS） 采用自动同期方式一般须满足下列条件：采用自动同期方式一般须满足下列条件：控制在控制在“操作员自动方式操作员自动方式”或或“汽轮机自汽轮机自启动启动”方式；方式；机组的转速由高压调门控制；机组的转速由高压调门控制；发电机变压器组断路器断开（未并网）；发电机变压器组断路器断开（未并网）；自动同期允许；自动同期允许；1. 汽轮机转速在同步范围。汽轮机转速在同步范围。四、协调控制（四、协调控制（CCS） 协调控制方式一般须满足下列条件：协调控制方式一般须满足下列条

24、件：（1）机组已并网；）机组已并网；（2）收到协调允许信号。）收到协调允许信号。 第四节第四节 控制功能与控制系统特性控制功能与控制系统特性 一、控制功能一、控制功能 1.转速控制转速控制 OA手动给定ATC自动给定阀门管理转速图314汽轮机转速控制图电液转换、油动机及阀门给定处理回路转速调节器同步信号转速测量汽轮发电机组2.负荷控制负荷控制 汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入负汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入负荷控制：荷控制：（1）机组已并网，控制系统在）机组已并网，控制系统在“操作员自动操作员自动”方方式式（2）功率信号正常，且负荷在合适范围；）功率信号正常，且负荷在合适范围；（3）

25、控制系统未参加单元机组协调控制；）控制系统未参加单元机组协调控制；（4）主汽压力控制未投入。）主汽压力控制未投入。等。等。 Y机械功率OA手动给定N调频投入功率调节器K1K3调节级压力控制投入阀门管理发电机蒸汽容积高压缸中间再热器中、低压缸电功率负荷扰动图315汽轮机功频控制系统图电液转换、油动机及阀门调节级压力调节器频率校正给定处理回路调节级压力测量功率测量转速测量n0=3000r/minP0PEn一般当以下情况发生时负荷控制被切除：一般当以下情况发生时负荷控制被切除：（1）油开关跳闸；）油开关跳闸；（2）汽机已跳闸；）汽机已跳闸；（3）操作员自动方式下，操作员直接控制，）操作员自动方式下，

26、操作员直接控制，即即“手动手动”方式；方式；（4）功率信号故障；）功率信号故障；（5）实际功率不在合适范围，负荷小于低负）实际功率不在合适范围，负荷小于低负荷限制值或大于高负荷限制值；荷限制值或大于高负荷限制值；（6）阀位限制动作；）阀位限制动作；等。等。 一次调频的投入条件如下：一次调频的投入条件如下：机组已并网；机组已并网；控制系统在控制系统在“操作员自动操作员自动”状态；状态；1. 负荷大于负荷大于10额定负荷。额定负荷。3. 协调控制协调控制 汽轮发电机组一般满足以下条件时可投汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入协调控制：入协调控制：机组已并网；机组已并网； 接收到接收到CCS请求信号

27、；请求信号；由由CCS来的给定信号正常；来的给定信号正常； 等。等。 从CCS来TD指令机械功率调频投入K1阀门管理发电机蒸汽容积高压缸中间再热器中、低压缸电功率负荷扰动图316参加机组协调控制时的汽轮机控制系统结构电液转换、油动机及阀门频率校正给定处理回路转速测量3000r/min 在协调控制方式下，禁止负荷控制投在协调控制方式下，禁止负荷控制投入和做阀门试验。入和做阀门试验。当有以下条件产生时协调控制方式被切除：当有以下条件产生时协调控制方式被切除：CCS请求信号消失；请求信号消失；从从CCS来的给定信号故障；来的给定信号故障；油开关跳闸；油开关跳闸；汽机已跳闸；汽机已跳闸；操作人员将操作

28、人员将CCS控制切除；控制切除； 等。等。二、控制系统特性二、控制系统特性 当汽轮机控制为协调控制方式时，要从当汽轮机控制为协调控制方式时，要从单元机组来讨论整个机组特性，其特性在单元机组来讨论整个机组特性，其特性在单元机组协调控制章节中介绍。单元机组协调控制章节中介绍。 在此仅对非协调控制时汽轮机功频控制在此仅对非协调控制时汽轮机功频控制特性进行简单讨论。特性进行简单讨论。1、静态特性、静态特性 Y机械功率OA手动给定N调频投入功率调节器K1K3调节级压力控制投入阀门管理发电机蒸汽容积高压缸中间再热器中、低压缸电功率负荷扰动图315汽轮机功频控制系统图电液转换、油动机及阀门调节级压力调节器频

29、率校正给定处理回路调节级压力测量功率测量转速测量n0=3000r/minP0PEn 在频率校正回路中，频率校正实际上是一在频率校正回路中，频率校正实际上是一个死区个死区线性线性限幅非线性环节。当死区限幅非线性环节。当死区线性线性限幅非线性环节中的死区为限幅非线性环节中的死区为0，且限，且限幅未发生作用时，频率校正回路的输出为幅未发生作用时，频率校正回路的输出为 10()Pk nn式中式中k为频率校正的比例系数，又称调差系数，为频率校正的比例系数，又称调差系数，单位：单位：MW/(r/min)。 k反映了机组一次调频能力，反映了机组一次调频能力，k大一次调频能大一次调频能力强。如果电网系统中所有

30、机组的调差系数力强。如果电网系统中所有机组的调差系数k都都很大，则容易引起系统不稳定。很大，则容易引起系统不稳定。 频率校正回路的输出P1与给定回路输出的功率给定值P0相叠加作为功率调节器的给定，由于功率调节器采用PI控制规律，系统稳态时，汽轮发电机组的输出电功率PE等于功率给定值，即 00()EPPk nn00EPPnnkkPEnn0OP0图3-17 汽轮发电机组功频控制时静态特性转速不等率表示 00100%100%nnnnnmaxmin0,nnnmaxmin代表机组空负荷，满负荷和额定负荷时的转速 01100%Pkn额定2、控制系统动态特性阀门开度中、低压缸功率功率调节器转子蒸汽容积高压缸

31、中间再热器转速图317汽轮机功频控制等效图电液转换、油动机及阀门3000P0PEn中、低压缸负荷扰动功率测量转速测量频率校正高压缸功率压力图318汽轮机功频控制动态特性转速3000P0负荷扰动11(1)piKTs11sT s 11oT s 111ppT sT s1aT s第五节第五节 汽轮机保护与安全监视系统汽轮机保护与安全监视系统 一、汽轮机保护一、汽轮机保护控制系统保护主要有控制系统保护主要有（1）超速保护系统，用于机组超速时关闭高、中）超速保护系统，用于机组超速时关闭高、中压缸调节阀。实际上有压缸调节阀。实际上有103%超速保护和超速保护和110%超超速保护方式两种：速保护方式两种： O

32、PC（1），当汽轮机超过），当汽轮机超过103%额定转速，额定转速，即即3090r/min时，时，OPC电磁阀动作，迅速关闭高、电磁阀动作，迅速关闭高、中压缸调节阀。中压缸调节阀。1. OPC（2），当汽轮机超过），当汽轮机超过110%额定转速，即额定转速，即3300r/min时，时，AST电磁阀动作，将所有的主汽电磁阀动作，将所有的主汽阀和调节汽阀迅速关闭，进行紧急停机。阀和调节汽阀迅速关闭，进行紧急停机。 AST4AST3AST2IMP调节级压力调节级压力主主汽汽压压PTAST油路油路高压调节阀高压调节阀GV高压主汽阀高压主汽阀TV中压主汽阀中压主汽阀SV高压缸高压缸中压缸中压缸低压缸低压

33、缸发电机发电机再热器再热器油断路器油断路器高压主汽阀油高压主汽阀油动机动机高压调节阀油高压调节阀油动机动机中压主汽阀油中压主汽阀油动机动机中压调节阀油中压调节阀油动机动机中压调节阀中压调节阀IV汽轮机数字控制器汽轮机数字控制器（DCS）阀位反馈阀位反馈阀位指令阀位指令测量信号测量信号系统连接信号系统连接信号TD，AS，RB等等并网并网BR挂闸挂闸ASLOPC油路油路EH高压抗燃油高压抗燃油供油系统供油系统排油排油超速保护超速保护OPC（1）OPC（2）图图3-3 汽轮机控制系统构成原理图汽轮机控制系统构成原理图转速转速nIEP功率功率PE紧急跳闸紧急跳闸ETS隔膜阀隔膜阀润滑油供油系统润滑油供

34、油系统机械遮断机械遮断手动遮断手动遮断AST1（2）危急遮断系统危急遮断系统，用于参数严重超标、危及机组安全时，紧急关闭所有的主汽阀和调节汽阀，立即停机。 如超速110%、轴向位移超限、轴承油压低、凝汽器真空度低、推力轴承磨损、抗燃油（EH电液调节）油压低、遥控跳闸信号等发生时，由自动保护系统动作AST电磁阀，快速泄放高压抗燃油，使主汽阀和调节汽阀迅速关闭，达到保护汽轮机发电机组的目的。 此外还有机械超速保护和手动遮断系统机械超速保护和手动遮断系统等。 二、安全监控系统 汽轮机启停和运行过程中对一些重要参数和状态汽轮机启停和运行过程中对一些重要参数和状态进行监测。进行监测。 包括汽轮机转速、发

35、电机功率、主蒸汽压力和包括汽轮机转速、发电机功率、主蒸汽压力和温度、再热蒸汽压力和温度、凝汽器真空、调节温度、再热蒸汽压力和温度、凝汽器真空、调节级压力、各级抽汽压力和温度、润滑油压和油温、级压力、各级抽汽压力和温度、润滑油压和油温、控制油压、油动机行程、主汽门的开关状态、转控制油压、油动机行程、主汽门的开关状态、转子的轴向位移和偏心、高压缸和低压缸差胀、缸子的轴向位移和偏心、高压缸和低压缸差胀、缸胀、汽轮机各轴瓦和轴振动、推力瓦温度、高压胀、汽轮机各轴瓦和轴振动、推力瓦温度、高压抗燃油油泵运行状态、汽缸与转子的热应力、上抗燃油油泵运行状态、汽缸与转子的热应力、上下汽缸温差等。另外，还包括汽轮

36、机控制系统本下汽缸温差等。另外，还包括汽轮机控制系统本身的运行状况，如控制器电源、输入输出件以及身的运行状况，如控制器电源、输入输出件以及内部程序的运行情况等。内部程序的运行情况等。 一般称为汽轮机监测仪表（一般称为汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation, TSI），也称汽），也称汽轮机安全监控系统。轮机安全监控系统。 第六节第六节 汽轮机旁路控制系统汽轮机旁路控制系统 1 旁路系统及控制方案旁路系统及控制方案 一、旁路系统旁路系统 单元机组，由于不再有储备蒸汽的蒸汽单元机组，由于不再有储备蒸汽的蒸汽母管，这样当机组在起动或低负荷工况下，母管，这

37、样当机组在起动或低负荷工况下，因此须解决锅炉的过剩蒸汽处理问题。因此须解决锅炉的过剩蒸汽处理问题。 中间再热式机组还须解决再热器保护问中间再热式机组还须解决再热器保护问题。题。 汽轮机旁路系统是为汽轮机提供的一条汽轮机旁路系统是为汽轮机提供的一条旁路通道，它是由蒸汽管路及减温减压装旁路通道，它是由蒸汽管路及减温减压装置组成。其作用是将锅炉产生的蒸汽不经置组成。其作用是将锅炉产生的蒸汽不经过汽轮机而引到下一级压力和温度的蒸汽过汽轮机而引到下一级压力和温度的蒸汽管道或直接引入凝汽器，这样可平衡锅炉管道或直接引入凝汽器，这样可平衡锅炉的产汽量和汽轮机的耗汽量，稳定锅炉和的产汽量和汽轮机的耗汽量，稳定

38、锅炉和汽轮机的运行。汽轮机的运行。 再热机组的旁路系统型式主要有一级大旁再热机组的旁路系统型式主要有一级大旁路、二级串联旁路系统、三级旁路（高压路、二级串联旁路系统、三级旁路（高压旁路串联低压旁路，再并联大旁路）。目旁路串联低压旁路，再并联大旁路）。目前，大型单元机组多采用高低压二级串联前，大型单元机组多采用高低压二级串联的旁路系统。的旁路系统。 锅炉锅炉高旁减压阀高旁减压阀高高压压旁旁路路系系统统喷水隔离阀喷水隔离阀 喷水调节阀喷水调节阀低压旁路系统低压旁路系统凝汽器凝汽器高高压压缸缸低压缸低压缸发电机发电机低旁减压阀低旁减压阀喷水调节阀喷水调节阀低压减温水低压减温水高压减温水高压减温水中中

39、压压缸缸过过热热器器再再热热器器图图161 高低压串级旁路系统高低压串级旁路系统低旁减压阀低旁减压阀压压二二 、旁路系统作用：、旁路系统作用：（1）加快启动速度、减小启动时间。加快启动速度、减小启动时间。 （2）机组启动、停止和甩负荷时，可以回）机组启动、停止和甩负荷时，可以回收工质，减少对空排放，提高运行的经济收工质，减少对空排放，提高运行的经济性。性。 （3）正常运行时，起超压保护作用。）正常运行时，起超压保护作用。 （4）机组启动、停止和甩负荷时，保护再热）机组启动、停止和甩负荷时，保护再热器。器。 （5）当汽轮发电机组或电网短时故障时，旁）当汽轮发电机组或电网短时故障时，旁路系统的存在

40、可使锅炉处于独立运行状态，路系统的存在可使锅炉处于独立运行状态，从而使单元机组转入停机不停炉运行方式从而使单元机组转入停机不停炉运行方式或带厂用电运行。或带厂用电运行。 三、旁路控制系统 1、控制任务、控制任务旁路控制系统的控制任务可分为以下两部分：旁路控制系统的控制任务可分为以下两部分： 1、机组起停过程中的控制任务、机组起停过程中的控制任务 （1）保证主蒸汽压力按起动曲线变化；）保证主蒸汽压力按起动曲线变化； （2）保证高旁后蒸汽温度在再热器安全运行所允许的温）保证高旁后蒸汽温度在再热器安全运行所允许的温度范围内；度范围内； （3）保证再热蒸汽压力在与机组出力相适应的数值上；）保证再热蒸汽

41、压力在与机组出力相适应的数值上； （4）保证低压旁路后蒸汽温度在凝结器安全运行所允许）保证低压旁路后蒸汽温度在凝结器安全运行所允许的范围内。的范围内。 2、正常运行时的保护、正常运行时的保护 在正常运行时的保护包括：当蒸汽压力过高危及安全时，在正常运行时的保护包括：当蒸汽压力过高危及安全时，进行超压保护；汽轮机急甩负荷时的工质回收；保护凝结进行超压保护；汽轮机急甩负荷时的工质回收；保护凝结器；保护再热器。器；保护再热器。 2、旁路控制系统方案、旁路控制系统方案 高低压二级串联的旁路系统来说，旁路高低压二级串联的旁路系统来说，旁路控制系统主要由高压旁路控制系统和低压控制系统主要由高压旁路控制系统

42、和低压旁路控制系统构成。旁路控制系统构成。 高压旁路控制系统主要由高压旁路压力高压旁路控制系统主要由高压旁路压力控制系统和高压旁路温度控制系统组成。控制系统和高压旁路温度控制系统组成。 主蒸汽压力主蒸汽压力高旁减压阀开度高旁减压阀开度图图16- -2 高压旁路控制原则性方案高压旁路控制原则性方案高旁主蒸汽高旁主蒸汽压力调节器压力调节器主蒸汽压力设定主蒸汽压力设定运算模块（含：运算模块（含：运行方式、阀位运行方式、阀位反馈、最大最小反馈、最大最小阀位限制等信号，阀位限制等信号，以及速率限制、以及速率限制、比例运算等）比例运算等）(a)高旁喷水阀开度高旁喷水阀开度高旁后汽温高旁后汽温调节器调节器高

43、旁出口温度高旁出口温度设定值设定值乘法器乘法器高旁流量高旁流量(b) 低压旁路控制系统主要由低压旁路压力控低压旁路控制系统主要由低压旁路压力控制系统和低压旁路温度控制系统组成。制系统和低压旁路温度控制系统组成。 再热蒸汽压力再热蒸汽压力低旁减压阀开度低旁减压阀开度图图16- -3 低压旁路控制原则性方案低压旁路控制原则性方案低旁汽压低旁汽压力调节器力调节器(a)低旁喷水阀开度低旁喷水阀开度(b)函数函数运算模块运算模块调速级压力调速级压力低旁流量低旁流量低旁汽温低旁汽温调节器调节器低旁出口温度低旁出口温度设定值设定值乘法器乘法器2 600MW机组旁路控制系统机组旁路控制系统 以往的旁路控制系统

44、均采用专用的电子控以往的旁路控制系统均采用专用的电子控制装置进行旁路控制，但这一情况在制装置进行旁路控制，但这一情况在600MW机组上有所改变，一些机组已开始机组上有所改变，一些机组已开始采用采用DCS实现旁路控制功能实现旁路控制功能。 一、高压旁路控制系统一、高压旁路控制系统 高压旁路控制系统主要由高压旁路压力控高压旁路控制系统主要由高压旁路压力控制系统、高压旁路温度控制系统和喷水隔制系统、高压旁路温度控制系统和喷水隔离阀控制系统三部分组成。离阀控制系统三部分组成。 高压旁路压力控制系统高压旁路压力控制系统1、高压旁路系统的启动方式和运行方式、高压旁路系统的启动方式和运行方式 1）冷态启动。

45、按下）冷态启动。按下“启动启动”键，若键，若pT pmin（最（最小主蒸汽压力设定值），即进入冷态启动方式。小主蒸汽压力设定值），即进入冷态启动方式。 2）热态启动。按下）热态启动。按下“启动启动”键，若键，若pmin pT psync，即，即进入重启动方式。这种方式适用于汽轮机短时间进入重启动方式。这种方式适用于汽轮机短时间停机，而锅炉仍维持一定压力时的重新启动。停机，而锅炉仍维持一定压力时的重新启动。 高压旁路控制系统的运行方式有高压旁路控制系统的运行方式有“启动启动”方式、方式、“压力控制压力控制”方式、方式、“压力跟踪压力跟踪”方式和方式和“快速开关快速开关”方式等方式等4种。种。 启

46、动方式启动方式: 最小阀位控制、最小压力控制最小阀位控制、最小压力控制 升压控制。升压控制。A高压旁路压高压旁路压力设定值力设定值A主蒸汽压力主蒸汽压力NY0K AT手动手动最小阀位控制最小阀位控制0%AYmin高压旁路快关高压旁路快关NY高压旁路快开高压旁路快开0%高旁减压阀开度指令高旁减压阀开度指令图图164 高旁旁路压力控制高旁旁路压力控制T1&压力跟踪压力跟踪高压旁路自动高压旁路自动PT2YANT3NY100%T4AAN最小压力控制最小压力控制压力跟踪压力跟踪升压控制升压控制Ym主蒸汽压力主蒸汽压力高压旁路压力设定值高压旁路压力设定值K减压阀开度减压阀开度Y+ 图图165 高压

47、旁路压力设定值形成回路高压旁路压力设定值形成回路YT1YApsync压力控制压力控制T2ApminYT3T41重启动重启动关闭关闭T5Y最小压力控制最小压力控制T6YNNNNYNT7YN重启动重启动T8YN关闭关闭pminpmax闭锁增闭锁增闭锁增闭锁增闭锁减闭锁减f(x)AA升压控制升压控制PID 1最小阀位控制最小阀位控制1）最小阀位控制：这时主蒸汽压力的设定值最小阀位控制：这时主蒸汽压力的设定值为最小压力设定值为最小压力设定值pmin，由于刚启动，虽然，由于刚启动，虽然主蒸汽压力低于最小压力设定值主蒸汽压力低于最小压力设定值pmin，但由，但由于切换器于切换器T2接接Y端，故使得减压阀开

48、度为最端，故使得减压阀开度为最小阀位开度小阀位开度Ymin。以保证锅炉启动时蒸汽能。以保证锅炉启动时蒸汽能进入过热器和再热器，此后随着主蒸汽压进入过热器和再热器，此后随着主蒸汽压力上升，减压阀保持最小开度，直到主蒸力上升，减压阀保持最小开度，直到主蒸汽压力上升到汽压力上升到pmin。这一阶段属于滑压运行。这一阶段属于滑压运行。 2）最小压力控制：这时主蒸汽压力的设定值最小压力控制：这时主蒸汽压力的设定值为最小压力设定值为最小压力设定值pmin，随着锅炉的燃烧，随着锅炉的燃烧，主蒸汽压力会上升，为了维持主蒸汽压力主蒸汽压力会上升，为了维持主蒸汽压力等于最小压力设定值等于最小压力设定值pmin，减

49、压阀门开度逐，减压阀门开度逐渐开大，直至预先设定的开度渐开大，直至预先设定的开度Ym（由锅炉（由锅炉启动期间所期望的蒸汽流量确定）。这一启动期间所期望的蒸汽流量确定）。这一阶段属于定压运行。阶段属于定压运行。 3）升压控制：随着锅炉的燃烧，主蒸汽压力）升压控制：随着锅炉的燃烧，主蒸汽压力会上升，减压阀开度会上升，减压阀开度Y会开增大，当会开增大，当Y大于大于设定开度设定开度Ym时，调节器时，调节器PID的输出增加，的输出增加，这样主蒸汽压力的设定值增加，于是减压这样主蒸汽压力的设定值增加，于是减压阀开度阀开度Y将减小，一直减小到将减小，一直减小到YYm。主。主蒸汽压力的设定值增加的速率将受到中

50、切蒸汽压力的设定值增加的速率将受到中切换器换器T6的的Y端速率限制器的限制。随着锅炉端速率限制器的限制。随着锅炉燃烧率的继续增加，主汽压力上升至汽轮燃烧率的继续增加，主汽压力上升至汽轮机冲转压力机冲转压力psync，这一阶段属于滑压运行。，这一阶段属于滑压运行。 4）压力控制：这时主蒸汽压力的设定值为冲压力控制：这时主蒸汽压力的设定值为冲转压力转压力psync，控制系统将维持主蒸汽压力，控制系统将维持主蒸汽压力pT = psync，汽轮机开始冲转升速。，汽轮机开始冲转升速。 5）压力跟踪：当锅炉产生的蒸汽量全部进入汽轮压力跟踪：当锅炉产生的蒸汽量全部进入汽轮机，高旁阀完全关闭时，旁路系统进入压

51、力跟踪机，高旁阀完全关闭时，旁路系统进入压力跟踪方式。在该方式下，高旁主蒸汽压力设定值跟踪方式。在该方式下，高旁主蒸汽压力设定值跟踪主蒸汽压力主蒸汽压力pT，压力偏差，压力偏差p信号经切换器信号经切换器T1后后与主蒸汽压力与主蒸汽压力pT相加（相加（ps =pT +p），构成高旁构成高旁主蒸汽压力设定值，这样设定值主蒸汽压力设定值，这样设定值ps始终大于主蒸始终大于主蒸汽压力汽压力pT，于是压力控制器的输入始终为负偏差，于是压力控制器的输入始终为负偏差，以保证旁路在机组正常运行时能可靠地关闭。这以保证旁路在机组正常运行时能可靠地关闭。这一阶段属于滑压运行。跟踪方式是旁路关闭后的一阶段属于滑压运

52、行。跟踪方式是旁路关闭后的正常运行方式。正常运行方式。 如果主蒸汽压力超过设定值一定值时，减压阀如果主蒸汽压力超过设定值一定值时，减压阀立即开启，直到主蒸汽压力实际值小于设定值时，立即开启，直到主蒸汽压力实际值小于设定值时，高压旁路阀再次进入关闭状态。高压旁路阀再次进入关闭状态。 最小阀位控制最小阀位控制压力跟踪压力跟踪主蒸汽压力主蒸汽压力蒸汽流量蒸汽流量汽轮机负荷汽轮机负荷YminYm最小压力最小压力控制控制升压控制升压控制psyncpmin压力控制压力控制时间时间时间时间时间时间阀位阀位0压力压力设定设定值值0图图166高压旁路控制系统的冷态启动曲线高压旁路控制系统的冷态启动曲线0压 力压

53、 力 /负荷负荷 为防止锅炉超压或减少安全门动作，旁路为防止锅炉超压或减少安全门动作，旁路系统设计了高压旁路快开功能，发生下列系统设计了高压旁路快开功能，发生下列情况之一，高压旁路减压阀快速开启，并情况之一，高压旁路减压阀快速开启，并投自动方式：投自动方式： 1）汽轮机跳闸；）汽轮机跳闸； 2）发电机断路器跳开；）发电机断路器跳开； 3）锅炉主燃料跳闸；）锅炉主燃料跳闸； 4）主汽压太高；）主汽压太高； 5）压力变化率大于设定值；）压力变化率大于设定值； 6）接收到甩负荷信号）接收到甩负荷信号。 满足下列任一条件，高压旁路减压阀快速满足下列任一条件，高压旁路减压阀快速关闭，并且自动切手动：关闭

54、，并且自动切手动： 1）高压旁路阀后温度太高；）高压旁路阀后温度太高； 2）凝汽器真空低；）凝汽器真空低； 3）低压旁路阀故障；）低压旁路阀故障； 4）汽机）汽机110%超速。超速。 高压旁路温度控制系统高压旁路温度控制系统 Y主蒸汽温度主蒸汽温度主蒸汽压力主蒸汽压力AK再热器入口温度再热器入口温度2手动手动高压旁路阀门关闭或高压旁路阀门关闭或高旁快关高旁快关高旁减温水控制阀指令高旁减温水控制阀指令图图167 高旁减温控制系统高旁减温控制系统ANY高压旁路快开高压旁路快开0%T2NY100%T3AAN1T1AT高压旁路关闭高压旁路关闭AAN二、低压旁路控制系统二、低压旁路控制系统 低压旁路控制

55、系统由低压旁路压力控制系低压旁路控制系统由低压旁路压力控制系统、低压旁路温度控制系统和喷水隔离阀统、低压旁路温度控制系统和喷水隔离阀控制系统三部分组成。控制系统三部分组成。 1、低压旁路压力控制系统、低压旁路压力控制系统p10 低压旁路压力控制系统压力设定值ppmin pmax 中压安全门动作设定值YK 再热器出口压力再热器出口压力汽轮机调节级压力汽轮机调节级压力BALANCER23低压旁路快开低压旁路快开低压旁路快关低压旁路快关手动手动手动手动100%0%4A低旁低旁A、B均自动均自动低旁压力减压阀低旁压力减压阀A开度指令开度指令低旁压力减压阀低旁压力减压阀B开度指令开度指令 低旁压力控制系

56、统低旁压力控制系统1AT2低旁两侧低旁两侧减压阀均关减压阀均关pmaxT1汽轮机未冲转汽轮机未冲转YpminT3Yf(x)T4AAAT5A低压旁路快开低压旁路快开低压旁路快关低压旁路快关100%0%T6AT7A+NNATAT（）在启动和低负荷阶段：这时蒸汽未达（）在启动和低负荷阶段：这时蒸汽未达到汽轮机冲转条件，压力设定值为最小值到汽轮机冲转条件，压力设定值为最小值pmin，在锅炉点火刚后，由于压力小于，在锅炉点火刚后，由于压力小于pmin，调节器入口偏差为负，控制输出最小值，调节器入口偏差为负，控制输出最小值，这时低压旁路阀保持在关闭状态。随着再这时低压旁路阀保持在关闭状态。随着再热汽压的不断升高，当压力大于热汽压的不断升高，当压力大于pmin，调节，调节器入口偏差为正，调节器控制输出逐渐增器入口偏差为正，调节器控制输出逐渐增大，低压旁路减压阀逐渐开大，使得有