第六章 汽轮机调节

1、2022-3-4第六章 汽轮机调节哈尔滨工程大学核科学与技术学院 2022-3-4第一节 汽轮机调节的任务与型式一、汽轮机调节的任务一、汽轮机调节的任务电力用户对电力的供应有一定量和质的要求。u 量的要求：功率的大小；u 质的要求：一是电压，二是频率。 电压与汽轮发电机组运行转速运行转速和发电机的励磁电流励磁电流有关； 供电频率f取决于汽轮发电机组的运行转速n；60npf p 发电机的磁极对数，一般为一对磁极，n=3000r/min， f=50Hz； 2022-3-4功率、负载与转速的关系： etMMdtdInpMit9555I 转子的转动惯量；Mt 汽轮机的蒸汽动力矩；Me 发电机的电磁阻力

2、矩；pi 汽轮机的内功率；电磁阻力矩Me与转速的关系取决于外界负载外界负载的特性。其中 2022-3-4电网的负载形式电网的负载形式：1、频率变化对有功功率没有直接影响的负载，如照明；2、有功功率与频率成正比变化的负载，如磨煤机； （占绝大多数）3、有功功率与频率成三次方或高次方变化的负载，如水泵； 汽轮发电机组依靠自身力矩与转速之间的变化特性可以自发的从一个稳定工况调整到另一稳定工况，这种调节能力被称为汽汽轮发电机组的自平衡能力轮发电机组的自平衡能力。 2022-3-4注意到：1、依靠汽轮发电机组自平衡能力不能满足要求（频率变化过大）；2、改变汽轮机的进汽量，从而改变功率和转速，能够达到调节

3、的目的。汽轮机调节的任务：汽轮机调节的任务： 及时调整汽轮机的功率，使它能满足外界负荷变化的需要，同时保证转速在允许的范围内。汽轮发电机组的两种基本运行方式：汽轮发电机组的两种基本运行方式：1、单机运行，即电网中只有一台机组向用户供电；2、并列运行，电网中同时有两台或两台以上的机组向用户供电。 2022-3-4二、自动调节的概念二、自动调节的概念1 1、直接调节系统、直接调节系统 2022-3-42 2、间接调节系统、间接调节系统 2022-3-4间接调节系统间接调节系统：转速调节器输出信号的功率小，要通过液压伺服机构的功率放大来间接驱动配汽机构。 无论是直接调节或间接调节，都有由调速器作为敏

4、感元敏感元件件，调节阀作为调节元件调节元件和杠杆（或放大器）作为执行机构执行机构构成的自动调节装置和由汽轮发电机组构成的调节对象调节对象。而自动调节装置和调节对象的封闭回路则组成闭环的自动调节系统。 2022-3-4三、汽轮机调节系统的型式三、汽轮机调节系统的型式（一）液压调节系统（一）液压调节系统 调节系统主要由机械部件和液压部件组成，主要依靠液体作工作介质来传递信息；又由于根据机组转速的变化来进行自动调节，因而又被称为液压调速系统。u 缺点：调节精度低，反应速度慢，运行时工作特性是固定的，不能根据转速变化以外的信号调节需求作及时调整，而且调节功能少。u 优点：工作可靠性高，能满足机组调节的

5、基本要求。 2022-3-4（二）电液调节系统（二）电液调节系统 调节系统主要由电气部件、液压部件组成：u 利用电气部件测量与传输信号方便，并且信号的综合处理能力强，控制精度高，操作、调整与调节参数的修改方便。u 液压部件作执行器（调节汽阀驱动装置）时充分显示出响应速度快、输出功率大的优越性。 1 1、功频（模拟）电液调节系统、功频（模拟）电液调节系统 以模拟电路组成的模拟计算机为基础，引入了功率、频率控制信号的电液调节系统。 2 2、数字电液调节系统、数字电液调节系统 以数字计算机为基础的数字式电液调节系统。 2022-3-4三、各种调节系统的比较三、各种调节系统的比较u 功频模拟电调与液压

6、调节系统的比较：（1）模拟电调系统的电气部分，具有快速、准确和灵敏度高的特点；模拟电调迟缓率为0.1%，液压调节则为0.3-0.5%。（2）功频模拟电调为多回路多变量调节系统，PID的综合运算能力强，具有较强的适应外界负荷变化和抗内扰能力；而液压系统仅为单变量的比例调节系统，调节性能差。（3）功频模拟电调的静态特性和动态特性好。（4）功频模拟电调可提供调频、带基本负荷和单向调频等不同的运行方式。（5）功频模拟电调有利于机组的自动化。 2022-3-4u 数字电调和模拟电调的比较：（1）用计算机取代模拟电调中的电子硬件，特别是采用微处理机和使功能分散到各处理单元后，显著提高了可靠性。（2）计算机

7、的运算、逻辑判断与处理功能特别强，除控制手段外，在数据处理、系统监控、可靠性分析、性能诊断和运行管理(参数与指标显示、制表打印、报警、事故追忆和人机对话)等方面，都可以得到充分的发挥。（3）调节品质高，系统的静态和动态特性良好。 （4）利用计算机有利于实现机组协调控制、厂级控制以至优化控制。 2022-3-4一、液压调节系统的工作原理一、液压调节系统的工作原理调节对象调节对象：调节系统对其作用的装置叫调节对象。被调量被调量：被系统调节的物理量叫被调量。给定值给定值：被调量应保证达到的值叫给定值。扰动扰动：引起被调量变化的各种因素都叫做扰动。反馈反馈：将输出信号的一部分返回到输入端叫做反馈。闭环

8、与开环闭环与开环：调节系统的被调量与输入量之间存在着反馈的回路叫闭环，不存在反馈的系统叫开环。过渡过程过渡过程：系统受扰动后动作，输出量或系统中其它中间参数随时间变化的过程叫过渡过程。第二节 液压调节系统 2022-3-4（一）液压调节系统的转速控制原理（一）液压调节系统的转速控制原理n外界负荷扰动转速偏差信号阀位调节指令信号滑阀位移信号调节汽阀位移油动机位移阀位反馈信号负反馈闭环 2022-3-4 要使该调节系统受外界负荷扰动后达到新的稳定状态，则必须同时具备下述两个基本条件：（1）主回路稳定条件 （2）子回路稳定条件 阀位偏差信号xxn- x1=0 自动调节主回路只有一个，并且是以转速作为

9、调节装置的被调量，调节过程中利用液压作为传递、放大媒介，这样的调节系统称为汽轮机液压调速系统汽轮机液压调速系统。（二）典型液压调节系统的工作过程（二）典型液压调节系统的工作过程 0teMMM 2022-3-41 1、高速弹性调速器液压调节系统、高速弹性调速器液压调节系统高速弹性高速弹性调速器调速器差动活塞差动活塞调速器滑阀调速器滑阀同步器同步器油动机滑阀油动机滑阀油动机油动机反馈滑阀反馈滑阀调节阀调节阀杠杆杠杆转速调节信号转速调节信号排油口排油口阀位调节油压阀位调节油压（阀位调节指（阀位调节指令信号）令信号）反馈油口反馈油口油口油口油口油口 2022-3-4 系统从一个稳定状态调节到另一稳定状

10、态，油动机活塞、调节汽阀及反馈滑阀的位置都改变了，即在系统重新稳定后反馈量依然存在，因而反馈滑阀是静反馈装置； 油动机滑阀在调节后回到原来的位置，使反馈作用消失，这种仅在动态调节过程过程中起作用的反馈叫动反馈。 2022-3-4二、液压调节系统静态特性线二、液压调节系统静态特性线 在转速存在偏差的情况下，通过调节装置的动作，使调节汽阀开度改变，汽轮机功率相应改变，调节系统使得系统达到一新的稳定状态，无论是汽轮机的功率还是转速，新的稳定值与原稳定值是完全不同的。调节系统并不能使转速恢复原稳定值，即存在一定的稳态偏差，这种调节特性叫做液压调节系统液压调节系统的静态特性的静态特性，而描述功率与转速关

11、系的曲线称为调节系统的静调节系统的静态特性曲线态特性曲线。（一）液压调节系统静态特性线（一）液压调节系统静态特性线 通过试验或计算得到各组成环节（转速感受机构、阀位控制机构、配汽机构与调节对象）的静态特性曲线后，用作图的方法求取调节系统的静态特性。 2022-3-4u第一象限为调节系统的静态特性曲线，反映了机组功率与转速间的关系；u第二象限表示调速器的特性，纵横坐标分别为转速n和调速器滑阀位移xn；u第三象限是执行机构的特性，表示调速器滑阀位移xn与调节汽阀开度m的对应关系；u第四象限坐标为调节阀门开度m与功率P，当汽轮机的蒸汽参数确定后，一定的蒸汽流量G就对应了一定的机组功率P，所以第四象限

12、表示了配汽机构与调节对象的特性。 2022-3-4调速系统的四象限图调速系统的四象限图nmPxnn1n2n=n0转速调节机构静态特性传动放大机构静态特性配汽机构与调节对象静态特性调节系统静态特性P0 2022-3-4（二）转速变动率（二）转速变动率1 1、转速变动率的定义、转速变动率的定义 当汽轮机单机运行，电功率从0增加到额定值P0时，稳定转速相应从n1变到n2，转速的改变值n=n1-n2与额定转速n0之比的百分数称为调节系统的速度变动率速度变动率。一次调频：一次调频：电负荷改变引起电网频率变化时，电网中并列运行的各台机组均自动地根据自身的静态特性线承担一定负荷的变化以减少电网频率的改变。

13、%100021nnn 2022-3-4u 较小的表明机组静态调节偏差小，参加一次调频的能力强，易于维持电网的频率在较小的范围内波动以保证有较好的供电品质；u 小使调节系统动作的快速性增加，因而可以使甩负荷时机组的动态超速降低，保证机组的安全，这对大功率机组极为安全；u 过小，会引起调节系统的不稳定；在很小的转速变化扰动下，机组负荷将发生很大变化，甚至引起机组强烈振荡。2 2、对一次调频的影响对一次调频的影响 一次调频不能维持电网频率不变，只能减缓频率变化过程。 2022-3-4不同转速变动率机组的并联运行n变化时，P变化小，适用于带基本负荷；n变化时，P变化大，适用于调峰运行； 2022-3-

14、43 3局部转速变动率局部转速变动率 实际静态特性线不是直线，而是曲线。电网频率改变引起的功率变动取决于工作点附近静态特性线的斜率，也就是取决于局部转速变动率。斜率大，有利于机组并网，并提高机组低功率运行的稳定性；斜率大，有利于机组经济运行，并使机组在频率低时不超载；保证机组一次调频能力强，又可以使总的平均转速变动率不超过规定值； 2022-3-4（三）迟缓率（三）迟缓率1 1、迟缓现象及迟缓率的定、迟缓现象及迟缓率的定义义 由于摩擦、间隙、滑阀过封度及油的粘滞力的影响，调节系统的静态特性曲线不是一根，而是一条静态特性带，这种现象称为调节系调节系统的迟缓现象统的迟缓现象。 为不灵敏区不灵敏区或

15、死区死区。不灵敏区越大，单值对应性愈差，而且可能导致机组稳定性的破坏和动态超速增加。两条曲线之间的区域称 2022-3-4 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百分数被定义为迟缓率（不灵敏度）迟缓率（不灵敏度），用来衡量迟缓程度，即2 2、迟缓对机组运行的影响、迟缓对机组运行的影响 机组单机运行时，迟缓会引起转速自发变化（转速摆动），最大摆动量为n= n0。 机组并网运行时，迟缓会引起功率自发发生变化（功率飘移），最大功率飘移量为P=P0/。 %100%10000nnnnnba 2022-3-4（四）蒸汽参数变化对静态特性的影响（四）蒸汽参数变化对静态特性的影响PP 由于液

16、压调节系统只能根据转速变化信号来自动调节功率，而无法接受蒸汽参数变化信号来自动调节功率，因此，液压调节系统不具备抵抗蒸汽参数变化等内部扰动信号的能力。 2022-3-4（五）同步器（五）同步器 1、同步器的用途 同步器是用来上下移动静态特性曲线的装置。作用是： （1）调整单机运行机组的转速，同步器起着“转速给定”作用。 通过同步器来调节供电频率的方法叫二次调频。单机运行时静态特性线的平移空载有载（负荷升高时） 2022-3-4（2）调整并网运行机组的功率 操作同步器连续平移静态特性曲线，就能连续增减并网机组的负荷。同步器起着“功率给定”作用。 下图为在电网周波正常时，调整机组之间的负荷分配。

17、同步器调整并网机组之间的负荷分配 2022-3-4一次调频二次调频电网负荷增加P时，一台机组承担全部负荷P，并列机组的二次调频过程。 2022-3-42同步器的调节范围概念概念：指操作同步器能使调节系统静态特性线平行移动的范围。范围范围：同步器的目的之一是为了调整并网机组的功率。因此，不仅在正常周波和额定蒸汽参数时满足，而且在电网周波和蒸汽参数在允许范围内变化情况下也能满足机组顺利地加载到满负荷和卸到空负荷的要求。调节范围一般取为(95107)n0。 2022-3-4a、b额定参数下带额定负荷及零负荷的同步器范围；c低周波时带零负荷的同步器范围；e高周波时带额定负荷的同步器范围；e焓降降低时，

18、特性线下移；c焓降升高时，特性线上移；d同步器低限（低周波、高参数）；f同步器高限（高周波、低参数）同步器工作范围 2022-3-4调速器同步器错油门滑阀油动机具有辅助弹簧同步器的调节系统具有辅助弹簧同步器的调节系统3同步器的基本形式 辅助弹簧预紧力的增加，提高了汽轮机的转速，使系统静态特性线向上平移。同样，若放松辅助弹簧可使系统静态特性线向下平移。 2022-3-4三、液压调节系统的动态特性三、液压调节系统的动态特性动态特性动态特性：指表征调节系统在运动过程中的特性，即平衡工况被外界干扰破坏时的运动特性(稳定特性)和从一个平衡工况过渡到另一个平衡工况的过渡过程的特性。研究目的研究目的：判别调

19、节系统是否稳定，评定调节系统调节品质以及分析影响动态特性的主要因素，以便提出改善调节系统动态品质的措施。 （一）动态特性指标（一）动态特性指标（以甩负荷为例） 1、稳定性机组甩负荷时的转速过渡过程（a）稳定过渡过程 （b）不稳定过渡过程0nn转速相对值 2022-3-43、快速性 调节系统受到扰动后，从原来的稳定状态过渡到新的稳定状态所需要的最少时间t被称为过渡过程时间。 2、超调量（转速动态偏差） 在转速调节过程中，最大动态转速与最后的静态稳定转速之差nmax。机组甩负荷时的转速过渡过程 2022-3-4（二）影响动态特性的主要因素（二）影响动态特性的主要因素1、转子飞升时间常数Ta 转子在

20、额定功率时的蒸汽主力矩作用Mt0下，转速由零升高到额定转速时所需的时间。00atITM2、中间容积时间常数TV 表示中间容积贮存蒸汽能力的大小。00VVVVVTnGnG 2022-3-43、转速变动率 越大，转速飞升越高，但过渡过程衰减越快，相对于稳定值的超调量越小。反之，当值较小时，虽然降低了最高转速的绝对值，但动态超调量大，振荡次数增多，衰减过程缓慢，动态稳定性不好。因此值的选取应从动态过程最高转速和系统的稳定性两个方面来考虑。 2022-3-44、油动机时间常数Tm 当油动机滑阀开度为最大时，油动机处在最大进油量条件下走完整个工作行程所需要的时间。5、迟缓率 由于迟缓的存在，甩负荷时不能

21、及时使调节汽阀动作，超调量大，动态偏差要加大。 2022-3-4第四节 数字电液调节系统一、数字电液调节系统的工作原理一、数字电液调节系统的工作原理 数字电调是一种功率频率调节系统，与模拟电调相比较，其给定、综合比较部分和PID(或PI)的运算部分，都是在数字计算机内进行的。数字电调属于离散控制，也称采样控制。 基本控制功能：1、单机运行时的转速控制；2、并列运行时的功率控制。 对于定压运行的汽轮机来说，无论是转速控制还是功率控制，主要都是通过改变蒸汽阀开度来调节进汽量的，从而达到调节的目的。 2022-3-4（一）转速调节原理（一）转速调节原理多阀组合式升速控制方案：（1）顺序开启高压主汽阀

22、和高压调节汽阀来控制升速过程，当汽机转速达2900r/min时，用高压调节汽阀控制转速。（2）通过中压调节阀、高压主汽阀和高压调节阀的组合顺序控制升速过程。1 1、转速给定值扰动下的转速调节（闭环结构）、转速给定值扰动下的转速调节（闭环结构）（1）高压主汽阀的转速控制（n2900r/min）2 2、手动转速阀位指令扰动下的转速调节（开环结构）、手动转速阀位指令扰动下的转速调节（开环结构） 2022-3-4VTn阀位调节指令信号VT1阀位反馈信号n1转速反馈信号 2022-3-4（二）功率调节原理（二）功率调节原理三个串级的回路：内环调节级压力（IMP）回路、中环功率（MW）调节回路和外环转速（

23、WS）一次调频回路。 1 1、功率控制策略、功率控制策略（1）采用多回路综合控制u 一次调频回路（外环） 调节功率；u 功率校正回路(中环) 将实际的功率动态偏差信号与来自外环的一次调频回路的功率静态偏差请求值信号相比较，根据其差值进行校正，差值越大，调节幅度也越大，速度也越快。可以有效改善功率调节的动态特性；u 调节级压力校正回路（外环） 调节级汽室压力的变化可以快速反应由于调节汽阀开度的变化、蒸汽参数的变化等因素 2022-3-4 2022-3-4引起的功率变化；可以用来消除蒸汽参数波动引起的内扰，快速粗调机组功率。（2）采用多信号综合控制u 给定值信号综合控制。通过改变汽轮机功率给定值信

24、号来源 ,能够灵活的进行多种运行方式的综合控制。u 中间环节限值信号控制u 直接阀位控制。如：危急遮断信号，超速保护信号（3）采用调节汽阀阀门管理技术。阀门管理程序将流量调节信号转换成阀位控制信号，并根据运行需要选择阀门启闭控制方式。 单阀控制 用于节流调节 多阀控制 用于喷嘴调节 2022-3-42 2、功率调节原理、功率调节原理（1）外界负荷扰动（增加）下的功率调节u 频差较正器：转速偏差信号n，经频差较正器的调节作用，输出功率静态偏差较正量x1（x1(n-n0)P0/n0 ），由于功率给定扰动信号P*0，所以功率静态偏差请求值信号 REF1P*x10。u 功率较正回路：接受REF1，产生

25、功率静态偏差信号MR0。u 功率较正器：较正MR，输出功率较正请求值信号REF20，并经参数变换到调节级压力请求信号IPS0。 2022-3-4u 调节级压力回路：接受IPS ，经功率压力参数变换，产生 调节级压力偏差信号IMR0。u 调节级压力较正器及阀位限值器：根据IMR生成主汽流量 请求值FEDM0。u 阀门管理程控器：将FEDM 转变为阀位指令信号VGP0。u 阀位控制子回路：驱动调节阀 2022-3-4（2）功率给定值（P*）扰动下的功率调节 当出现功率给定值扰动时，相应地会引起功率较正回路的功率偏差信号MR，下同。（3）内部蒸汽参数扰动下的功率调节 调节级压力变化后，产生调节级压力

26、反馈信号IMP。调节级压力校正回路接受IMP ，经功率压力参数变换，产生调节级压力偏差信号IMR。 调节级压力变化会引起功率变化，产生的功率反馈信号MW作用于功率校正回路，产生功率偏差信号MR，并经功率较正 2022-3-4器较正及参数变换后输出调节级压力请求信号IPS。此信号作用于调节级压力校正回路也产生调节级压力偏差信号IMR。 两个IMR同向叠加使调节汽阀动作。（4）手动功率阀位指令扰动下的功率调节 2022-3-4（三）汽轮机自动控制（三）汽轮机自动控制（ATCATC）目的目的：通过数据检测装置，采集汽轮机有关点的温度参数，按照专门的计算程序计算出高压转子、中压转子实际应力，然后将它与

27、许用应力相比较，得其差值，再将它转换为转速或功率目标值和相应的变化率，通过系统控制来改变机组转速或功率，最终使转子应力水平控制在允许范围内。应力控制回路方块图 2022-3-4第五节 压水堆核电厂汽轮机的调节 2022-3-4一、核电厂汽轮机的调节特点一、核电厂汽轮机的调节特点(1)调节阀开度变化大；u 一回路冷却剂的平均温度不变，二回路饱和蒸汽温度随功率增大而下降，对应有二回路蒸汽压力也随功率增大而下降。这种方案对反应堆的运行很有利。但这种反滑参数运行对汽轮机工作是很不利的。u 二回路压力和温度不变，一回路平均温度随功率的变化而变化。这和常规火电厂的定压运行方案相似，对二回路有利(汽轮机功率

28、发生变化时，由于新汽温度不变而在回路及设备中不会引起热应力)。但由于工况变化时，反应堆冷却剂平均温度变化比较大。这对一回路的设计和运行带来了困难，目前都不采用这种方案。avsQKA tt 2022-3-4u 折衷方案。即选择一个反应堆冷却剂平均温度和汽轮机新汽参数都作适当变化，而变化又都不太大的方案。目前，大多数压水堆核电厂采用此种方案。 即使是这种折衷方案，当汽轮机功率增大时，其新汽参数也是下降的，这和常规火电厂定压运行有所不同，且和常规火电厂滑压运行时压力随功率的变化方向相反。压水堆核电厂汽轮机新汽参数的这种变化规律，使其调节阀开度的变化在负荷变化相同时，较常规火电厂调节阀开度的变化要大。

29、 2022-3-4(2)汽轮机旁路系统的排放量更大 汽轮机蒸汽旁路系统的排放容量，根据核电厂设计的不同要求，通常为50100额定容量，此值显著高于常规火电厂旁路系统的排放量。这反映了核电厂在安全方面的特殊要求。较大的排放容量相应于较大的处理事故排放的能力，但同时也意味着冷凝器将承受较大的蒸汽排放负荷。 2022-3-4(3)甩负荷时更易产生超速 压水堆核电厂高、低压缸之间设有汽水分离器和中间再热器，各缸之间有大的蒸汽联接管道，所以在甩负荷时会使转子升速。另外，在饱和汽轮机中由于下面两个原因产生的附加蒸汽量会导致甩负荷时转子飞升的显著加速。甩负荷时压力的降低，使在转子表而、汽轮机壳体、管路、汽水分离器和中间再热器等设备上的凝结水产生沸腾和蒸发。汽轮机金属的储热加热上述凝结水而使其蒸