第二章 汽轮机调节保安系统

1、第二章汽轮机调节保安系统，发表：万瑞麟王兆冈，本章概述了汽轮机调节保护任务，系统的基本结构和调节保护系统特征，重点分析了汽轮机调节系统特性对机组功率、转速调节性能的影响，介绍了调节保护系统各环节的工作原理第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统构成了第二节保安系统，第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统构成了，第一节汽轮机调节保护系统的任务汽轮机是电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，在电网中数量和根据同步发电机的运转特性，已知发电机的端子电压决定为无效功率，无效功率决定于发电机的励磁，电网的频率(或频率)由有效功率，即发动机的驱动功率决定。 因此，电网的电压调整是发电机的励磁系统，频率调整是涡

2、轮的电力控制系统。 这样，在机组同时运行的情况下，根据转速偏差改变蒸汽阀的开度，改变汽轮机的进气量和焓，改变发电机的有效功率，满足外部电负载的变化要求。 由于汽轮机调节系统以机组转速为调整对象，所以习惯把汽轮机调节系统称为调速系统。 因为汽轮机调节系统根据电网的频率偏差自动调节电力输出，在满足了供电量和质量方面存在矛盾的负载数要求之后，电网的频率不能保持恒定。 目前电网通过一、二次调频实现供电的频率质量要求。 对于短周期、小幅度的负载变化，从电网的负载频率特性产生频率偏差信号，电网的各单元根据调节系统的特性分担该部分的负载变化，这一调节过程称为频率调制。 对于幅度变化大、速度变化慢的负载，用电

3、网自动频率控制(AFC )装置分配调频单元的负载，该调整过程称为二次调频。 但是，纯调速系统难以满足优良供电质量的要求。 机组运行中，即使汽轮机调节蒸汽阀开度不变化，如果锅炉的燃料品质不一致，燃烧状况也会变动，汽轮机的蒸汽参数和输出也发生变化，电网的频率也发生变化，电力供给品质下降。 由这种单元内部因素引起的单元有效功率和电网频率变动的干扰称为“内扰动”。 为了防止机组“内乱”的影响，必须向汽轮机调节系统导入电力控制信号，在发生“内乱”时，将机组的电力输出维持在外部的要求水平。 调节该转速和电力的调节系统称为电力(频率)频率(频率)调节系统。 汽轮机是高温、高压、高输出的高速旋转机械，转子的惯

4、性比汽轮机的驱动扭矩小。 机组运转中突然从电网中甩掉所有的电负荷的话，涡轮的巨大驱动扭矩作用在转子上，转速急速上升。 如果不及时、迅速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给，转速就会超过安全许可的极限转速，导致破坏机的恶性事故。 另外，在机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差膨胀大等威胁机组安全的故障。 因此，为了保障汽轮机在各种事故情况下的安全，除了要求调节系统迅速响应和工作外，还设置了保护系统，在调节蒸汽入口处设置了主蒸汽门。 在事故危急情况下，保护系统迅速工作，同时迅速关闭主蒸汽门和调节蒸汽门，切实切断汽轮机的蒸汽供应，迅速停止机组。 汽轮机调节保护系统的原理结构如下图所示。 综合汽轮机调

5、节保护系统的原理框图，1、以上，汽轮机调节保护系统的任务是在正常运行时通过改变汽轮机的进气量，使汽轮机的输出满足外部负荷要求，并且使调节后的转速偏差在允许范围内的紧急事故情况下汽轮机调节系统的原理结构如图5所示。 转速检测单元将转子的转速信号转换为一次控制信号的中间放大器对一次控制信号进行功率放大，根据调节目标进行控制运算，产生油动机的控制信号的油动机是油压位置伺服电动机，根据中间放大器的控制信号，产生使配气机构动作的驱动力， 到达规定的开度位置的配蒸机构将油发动机的行程转换为各调节蒸汽阀的开度，通过配蒸机构的非线性传递特性，被修正为蒸汽涡轮的进气量和油发动机行程之间近似的线性关系的同步器作用

6、于中间放大器，产生控制油的动机行程的控制信号， 单独运行时改变涡轮转速，同时运行时改变单元功率的启动装置，用于在单元启动时，将转速提高到同步动作转速。 二、汽轮机调节系统的基本结构和种类、汽轮机调节保护系统的原理框图，五、汽轮机的蒸汽压力高，因此打开主蒸汽阀和调节蒸汽阀需要很大的驱动力。 为了满足电网调频的要求，调节蒸汽门驱动机构需要较好的响应灵敏度和较快的响应速度。 特别是在机组脱水负荷等危机情况下，要求主蒸汽门和调节蒸汽门在极短的时间内可以全行程关闭。 因此，对汽轮机调节蒸汽门和主蒸汽门的驱动机构提出了惯性小、驱动功率大的特殊要求。 目前，由于电磁驱动机构无法满足这一特殊要求，汽轮机调节保

7、护系统总是把油动机(液压伺服马达)作为调节蒸汽阀和主蒸汽阀的驱动器。 汽轮机调节保护系统根据其转速检测机构和中间放大器的结构，可以分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种类型。 原型机械液压调整系统、6、机械液压调整系统是基于杆、曲柄等机械机构的信号放大和基于液压流量控制阀的功率放大，其原理系统如图6所示。 锤子感受到转速的变化，变化为滑环的位移的断路式错误加速器控制油动机活塞室的入、排油，当错误加速器阀偏离中立位置时，分别打开油动机活塞上、下室的入、排油口，油动机活塞打开调节阀如果汽油发动机的活塞位移再现了调速器滑动的位移变化规律，错误的油门阀柱就会回到中立位置，调节过程结束。 随着

8、机组容量的增大，开关调节阀驱动力要求的提高，特别是随着中间再热机组高压调节阀动态补偿要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得非常复杂。 机械传动机构游隙的存在，因为液压控制部件容易受到油液污染的影响，调整质量和运行稳定，可靠性不太理想。 由于机组的电力信号不能被机械和液压机构感知，机械液压调整系统只能作为调速系统发挥作用。 另一方面，配气机构采用比较固定的机械机构，无法灵活切换喷嘴、光圈等多种运转方式。 机械液压调节系统、汽轮机调节系统的静态特性一、四方图早已为人所知，汽轮机调节系统由转速检测机构、中间放大器和配汽机构三个环节组成。 这三个环节的传递特性决定了汽轮机的转速和汽阀的开

9、度，在额定参数的情况下也决定了机组的功率。 我们把额定参数情况下汽轮机功率和转速的对应关系称为调节系统的静态特性。 为了描述汽轮机调节系统各个环节的放大传递特性和静态特性，在调节系统的静态特性分析中用特殊的四象限图四方图表示，其中第四象限表示转速感觉机构的特性，第III象限表示中间放大环节的传递特性，第四象限表示分配蒸汽机构的特性，第I象限表示调节系统的静态在此，以图6所示的机械液压调整系统为例，说明调整系统的静态特性曲线的描绘和分析影响静态特性的主要原因。 在机组额定转速n0=3000r/min附近，转速n上升时调速器滑差在飞锤的离心力的作用下上升z，反之也是同样的。 转速n和滑动位移z的一

10、对一对应关系是转速敏感机构的特性，其特性曲线如下图的第四象限所示。 在汽轮机调节系统的四方图、8、转速、功率、油的动机行程、滑动的位移量、稳定的情况下，错误的油门阀柱处于中立位置，油的发动机活塞的行程m与调速器滑动的位移z之间的关系取决于杆的齿数比汽油发动机的活塞的行程m由蒸汽机来调节蒸汽阀的开度，对于额定参数，确定了汽轮机的进气量，即汽轮机的功率p。 随着汽油发动机的活塞行程m的增大，调节阀的开度增加，汽轮机的功率提高。 汽油发动机的活塞行程m和单元功率p的关系是蒸镀机构的特性，其特性曲线如图8的第四象限所示。 如果有转速感觉特性、中间放大传递特性和分配机构特性三条曲线，就能唯一地决定第I象

11、限的调节系统的静态特性曲线。 对于某功率Pi，从分配发动机的特性曲线得到对应的油发动机活塞的行程mi，从中间放大连杆的传递特性曲线得到与mi对应的调速器滑动位移zi，从转速感知特性曲线求出与zi对应的转速ni。 Pi和ni在第I象限的交点是调节系静态特性曲线上的状态点。 对于所有的涡轮功率p，同样可以求出对应的转速n和第I象限的状态点，得到所有的状态点连接调整系统的静态特性线并描述调整系统的静态特性的四边形。 二、速度变动率从四角图的汽轮机调节系统的静态特性曲线可以看出，对应于汽轮机的不同功率，机组的转速不同，静态特性曲线的斜率显示了这一差异。 我们将与涡轮的空负荷时对应的最大转速nmax和与

12、额定负荷时对应的最小转速nmin之差与额定转速n0之比称为调节系统的速度变动率或速度不均匀率，通常用式1表示，速度变动率表示单位转速的变化引起的涡轮功率的增减量。 在单元同时运转时，各单元感受到电网的频率变化，但调节系统速度变动率的差异，使各单元的功率变化量不同。 如果电网频率与额定频率的偏差量为n，可以根据系统的静态特性曲线和速度变动率的定义，求出机组功率变化的相对量。 式2、式中，P0是单元的额定功率。 根据上式，速度变动率越大，单位转速的变化引起的电力变化越小。 因此，速度变动率的大小对机组的安全、稳定运行和电网的调频有重要影响。 速度变动率越小，即静态特性曲线越平坦，旋转速度的变化就会

13、引起汽轮机的大功率变化，汽轮机的进气量和蒸汽参数的变化变大，机组内的各部件的受力、温度应力等变化越大，导致寿命损失，进而防止部件破损=0的极限时，如果电网的频率稍有变化，则单元的负载从额定负载变为无负载，或从无负载变为额定负载，单元的负载大幅摇晃，无法运行。 因此，调节系统的速度变动率一般必须在3.0以下。 但是，速度变动率也不要太大。 由于速度变动率太大，降低了参加电网的调频能力，另一方面，如果调节系统脱水负荷后的稳定转速过高，脱水负荷后的最高上升转速可能超过危险保安器的工作转速，这不利于机组安全和脱水负荷后的网带负荷的再合并。因此，调节系统的速度变动率一般不能超过6.0。 如上所述，汽轮机

14、调节系统的速度变动率必须基于机组在电网中所处的地位和安全性方面的要求来决定。 对于调频要求高的带尖峰负载单元，必须减小速度变动率。 例如，在具有=3.04.0基本负载的单元中，速度变动率大，例如设为=4.0-6.0。 通常，速度波动率被设置为=5.0。 调整系统的动态特性稍差的单元，请减小速度变动率。 在实际的调节系统中，转速感觉和中间放大传递特性存在一定的非线性。 特别是配蒸机构，对调节阀的开度和通流量具有重大的非线性。 虽然通过蒸发机构进行了校正，但因为第四象限的特性曲线仍具有一定的非线性，所以调节系统的静态特性曲线不是直线的，静态特性曲线上各处的速度变动率不同。 式1中定义的速度变动率称

15、为整(总)体速度变动率，下式中定义的速度变动率称为局部速度变动率：式3，实际上，也不要求将系统的静态特性线调整为直线。 在单元的空负荷附近，为了使单元的同时操作变得容易，速度变动率大，容易控制单元同时连接前的旋转速度。 另外，在机组上施加初始负荷后需要一定的暖机时间，避免机组在施加负荷后立即加热过度而产生过大的热应力和膨胀差。 为了防止电网频率变化对单元初始负载暖机的影响，通常在单元010的负载范围内不限制其最大局部速度变动率。 汽轮机调节系统的速度变化率分布9相反，在机组满负荷附近，过小的速度变动率在电网频率降低时容易使机组过载，威胁机组的运行安全。 因此，单元在全负荷下的速度变动率也应该取

16、得很大。 一般在90100的负载范围内，最大本地速度变动率为整体速度变动率的3倍以下。 因此，调节系统的速度变动率，在满足整体设计要求的条件下，其分布必须是两端大、中间小、无拐点的平滑变化。 然而，中间级最小局部速度变化率不可小于总速度变化率的40。 从调节系统的四方图可以看出，影响速度变动率分布的因素是转速感觉、中间传递和分配机构三个环节，其中分配机构的特性是影响速度变动率中间段分布的主要因素。 由于不适当的调节阀的开度重叠，调节系统的静态特性线有可能出现拐点。 改变调节系统的速度变动率在工程上主要是改变中间传递特性曲线的斜率。 第四象限中的特性线越陡峭，即斜率的绝对值越大，对应初级控制信号

17、的范围和速度变动率越小。 三、延迟率在汽轮机调节系统中，运动部件间不可避免地存在动、静摩擦，机械传动机构存在晃动，卷轴上存在一定的盖度，这些非线性元件的存在使转速感觉特性和传递特性产生变形，最终出现在静态特性曲线上，偏离理想的状况。 在图6所示的调节系统中，为了在转速上升时移动调速器滑动，必须旋转杆，飞锤的离心力的增加部分的一部分克服滑动移动的静摩擦力。 杆的旋转量必须大于游隙和错误的油门阀柱的盖度，打开油动机的活塞室的入口、出口，使活塞运动，把阀调节得很小，不能降低单元的功率。 显然，单元的功率减少小于从方程2获得的理想值。 相反，如果电网频率已降级，则这些非线性元件的作用是使单元的功率增加

18、小于方程2的理想值。 这种单元过载和减负载特性曲线重叠的现象称为慢。 图10示出了在方形图上显示的延迟。 另外，图10的调节系统的延迟被显示在四边形图上，这定义了在调节系统的增减负载特性曲线上，相同功率下的转速偏差n=n1-n2与额定转速n0的比是调节系统的延迟率，通常，式4、延迟率对调节系统的控制精度和单元的稳定运行产生不良影响。汽轮机单独运行时，机组的电力由外部的电负载决定。 在某稳定负荷下，延迟率的存在如图11(a )所示，使各单元的转速在n=n0的范围内漂移，引起各单元的转速的变动。 如果延迟率=0.5，则对应的旋转速度变动的幅度相当于n=15r/min，供电频率相当于0.25Hz的变动。 另外，在多台单元并行运转的情况下，单元的转速依赖于电网的频率，在电网的频率一定的情况下，如果存在延迟率，则如图11(b )所示，单元的电力发生变动。 从速度波动率和延迟率的定义可以看出，功率的波动幅度是P=/P0。 延迟率越大，速度变动率越小，功率的摇晃幅度越大。 因此，为了提高调节系统的控制精度和运转稳定性，要求延迟率尽可能小。 因为延迟率是不可避免的，所以速度变动率最好不要太小。 图11的调节系统