电厂汽轮机原理及系统ch6 汽轮机调节系统

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1 Ch6 汽 轮 机 的调 节 2 本 章 内 容 提 要v汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成v汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性 、 动 态 特 性v汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v中 间 再 热 机 组 的 调 节v汽 轮 机 保 护 系 统 及 主 要 装 置v数 字 电 液 调 节 系 统 (DEH)简 介 3 6.1 汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成v供 电 品 质 的 主 要 标 准 电 压 、 频 率v同 步 发 电 机 的 特 性 端 电 压 决 定 于 无 功 功 率 , 频 率 决 定 于 有 功 功 率v电 压 与 频 率 调 节 无 功 功 率 决 定 于 励 磁 , 有 功 功 率 决 定 于 原 动 机 的功 率 。 故 发 电 机 的 电 压 调 节 归 励 磁 系 统 , 频 率 调节 归 汽 轮 机 的 功 率 控 制 系 统 。 4 6.1 汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成 HP IP LP GEN过 热 器 再 热 器 stM em fM M 2 2 st em fdJ M M Mdt 主 动 力 矩 : 蒸 汽 驱 动 力 矩阻 力 矩 : 电 磁 阻 力 矩 机 械 摩 擦 阻 力 矩 当 外 界 电 负 荷 增 大 时 , 发 电 机 的 电 磁 阻 力 矩 增 大 , 导致 转 子 的 转 速 下 降 ; 反 之 , 转 子 的 转 速 上 升 。 因 此 ,汽 轮 机 应 根 据 转 速 偏 差 改 变 调 节 汽 门 的 开 度 , 即 改 变进 汽 量 和 焓 降 , 使 蒸 汽 的 驱 动 力 矩 与 电 磁 阻 力 矩 及 摩擦 力 矩 相 平 衡 。 故 汽 轮 机 调 节 系 统 有 时 称 为 调 速 系 统 。机 组 力 矩 与 转 速 关 系 5 6.1 汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成v 转 子 运 动 方 程 与 汽 轮 机 调 速 机 组 的 自 调 节 特 性v外 界 负 荷 改 变 时 , 可 自 动 稳 定 到 一 个 新 工 况有 差 调 节v调 节 系 统 调 节 后 , 若 nA和 nB有 差 值v调 节 系 统 的 基 本 工 作 原 理 及 组 成直 接 调 节 系 统 、 间 接 调 节 系 统闭 环 的 汽 轮 机 自 调 节 系 统 组 成v转 速 感 受 机 构 v传 动 放 大 机 构v执 行 机 构v调 节 对 象 6 6.1 汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成转 速 感 受 机 构 转 子 转 速 转 变 为 一 次 控 制 信 号 中 间 放 大 机 构 中 间 功 率 放 大油 动 机 执 行 机 构配 汽 机 构 油 动 机 行 程 与 蒸 汽 流 量 非 线 性 校 正 机 构同 步 器 单 机 时 改 变 机 组 转 速 和 并 网 时 改 变 机 组 功 率启 动 装 置 启 动 冲 转 、 提 升 转 速 至 同 步 器 动 作 转 速 7 6.1 汽 轮 机 调 节 的 任 务 与 组 成v 调 节 系 统 的 种 类v 机 械 液 压 调 节 系 统 由 纯 机 械 (如 杠 杆 、 曲 柄 、 凸 轮 等 )、 液 压 (错 油 门 、 油 缸 等 )部 件组 成 。 系 统 复 杂 , 控 制 精 度 低 , 维 修 困 难 , 可 靠 性 较 差 。v 模 拟 电 液 调 节 转 速 感 受 器 将 转 速 信 号 转 变 为 模 拟 电 信 号 , 中 间 放 大 及 配 汽 特 性 的非 线 性 校 正 采 用 模 拟 电 路 , 控 制 信 号 与 油 动 机 行 程 反 馈 信 号 差 动 后经 功 率 伺 服 放 大 输 入 到 电 液 转 换 器 (或 称 电 液 伺 服 阀 ), 控 制 油 动 机 的行 程 。 系 统 得 到 简 化 , 控 制 精 度 得 到 提 高 , 但 模 拟 电 路 存 在 温 漂 、时 漂 , 复 杂 非 线 性 校 正 和 控 制 算 法 难 以 实 现 。 v 数 字 电 液 调 节 转 速 感 受 器 产 生 的 转 速 脉 冲 , 经 计 算 机 脉 冲 计 数 器 计 数 后 转 速 为 数字 式 转 速 信 号 , 功 率 等 信 号 由 A/D转 换 变 为 数 字 信 号 。 中 间 放 大 及 配汽 非 线 性 校 正 几 各 种 复 杂 控 制 算 法 由 软 件 来 实 现 。 系 统 简 单 , 控 制精 度 高 , 可 靠 性 强 , 维 修 方 便 , 自 动 控 制 水 平 很 高 。 8旋 转 阻 尼 液 压 调 速 系 统 9 6.2 汽 轮 机 调 节 系 统 的 特 性v6.2.1 静 态 特 性v6.2.2 动 态 特 性 10 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 汽 轮 机 调 节 系 统 静 态 特 性 的 四 方 图 完 整 描 述 调 节 系 统 转 速 感 受 特 性 、 中 间 放 大 特 性 、 配汽 特 性 和 功 率 转 速 静 态 特 性 的 四 象 限 图 。 四 方 图 对机 械 液 压 、 模 拟 电 液 、 数 字 电 液 调 节 系 统 均 适 用 , 但表 述 方 式 有 所 不 同 。II象 限 转 速 感 受 特 性 转 速 与 一 次 控 制 信 号 关 系III象 限 中 间 放 大 特 性 一 次 控 制 信 号 与 油 动 机 行 程 关 系IV象 限 配 汽 特 性 油 动 机 行 程 与 机 组 功 率 关 系I象 限 调 节 系 统 静 态 特 性 功 率 与 转 速 关 系v 速 度 变 动 率 速 度 变 动 率 , 又 称 速 度 不 等 率 , 用 来 描 述 四 方 图 中 I象限 曲 线 的 斜 率 。 汽 轮 机 空 负 荷 时 所 对 应 的 最 大 转 速 与额 定 负 荷 下 所 对 应 的 最 小 转 速 差 , 与 额 定 转 速 的 比 ,称 为 速 度 变 动 率 。 max min0 100%n nn Z mn N 11 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 频 率 的 一 次 调 整 由 汽 轮 机 转 速 控 制 或 调 节 器 感 受 电 网频 率 (周 波 )变 化 , 改 变 有 功 功 率 输 出 ,维 持 同 步 区 域 电 网 负 荷 平 衡 。特 点 机 组 调 节 , 有 差 调 节 , 机 组 功率 改 变 量 正 比 于 频 率 偏 差v 频 率 的 二 次 调 整 电 网 根 据 区 域 电 网 频 率 偏 差 和 网 际 交换 功 率 偏 差 , 通 过 平 移 机 组 调 节 静 态特 性 线 改 变 组 的 功 率 输 出特 点 电 网 调 节 , 消 除 频 率 偏 差 , 维持 电 网 频 率 在 额 定 值 附 近 0f 一次调频 二 次 调 频 1f PS 1PS功 频 率率 12 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 速 度 变 动 率 描 述 了 单 位 转 速 变 化 所 引 起 的 汽 轮 机 出 力 的 增 减 。 机 组 并 网 运 行时 , 各 机 组 感 受 的 电 网 频 率 变 化 是 相 同 的 , 但 因 调 节 系 统 速 度 变 动 率 的 不 同 , 所产 生 的 功 率 相 对 改 变 是 不 同 的 。 利 用 静 态 特 性 线 斜 率 与 速 度 变 动 率 的 关 系 求 得v 很 明 显 , 在 电 网 频 率 变 化 相 同 情 况 下 , 速 度 变 动 率 大 的 机 组 功 率 相 对 变化 就 小 。 反 之 , 速 度 变 动 率 小 的 机 组 功 率 相 对 变 化 就 大 。v 因 此 , 增 强 机 组 一 次 调 频 能 力 , 速 度 变 动 率 应 取 得 小 些 。 反 之 , 对 带 基本 负 荷 机 组 , 速 度 变 动 率 应 取 大 些 。 一 般 速 度 变 动 率 为 5%。 过 小 的 速 度变 动 率 不 利 于 机 组 稳 定 运 行 , 因 为 电 网 频 率 稍 有 变 化 就 会 使 汽 轮 机 产 生较 大 的 功 率 改 变 。 故 一 般 速 度 变 动 率 不 小 于 3.0%。 v 对 机 械 液 压 调 节 系 统 , 速 度 变 化 率 不 宜 过 大 , 因 为 在 机 组 甩 负 荷 时 , 过大 的 速 度 变 化 率 使 调 节 系 统 的 响 应 速 度 减 慢 , 有 可 能 引 起 超 速 。 此 外 ,甩 负 荷 后 稳 定 转 速 过 高 , 也 不 利 于 机 组 的 安 全 , 故 一 般 不 大 于 6%。0 0 1P nP n 13 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 局 部 速 度 变 动 率 实 际 的 调 节 系 统 , 因 转 速 感 受 和 中 间 放 大 及 配 汽 机 构 均 存 在 非 线 性 ,这 样 , 在 整 个 调 节 范 围 内 , 速 度 变 动 率 并 不 是 常 数 。 另 一 方 面 , 从实 际 运 行 方 面 , 也 不 希 望 速 度 变 动 率 均 匀 分 布 。 按 速 度 变 动 率 的 定义 推 广 得 局 部 速 度 变 动v 速 度 变 动 率 的 分 布 低 负 荷 (0 10%)处 机 组 并 网 带 初 负 荷 时 , 为 避 免 负 荷 过 大 变 化 引起 的 热 冲 击 , 希 望 低 负 荷 处 速 度 变 动 率 大 些 。 这 样 , 并 网 带 初 负 荷时 , 即 使 电 网 频 率 有 较 大 波 动 , 也 不 会 引 起 负 荷 大 的 波 动 。 满 负 荷 (90 100%)处 由 于 机 组 的 过 负 荷 能 力 是 有 限 的 , 一 般 不 希望 机 组 过 大 超 负 荷 , 故 在 此 区 域 内 速 度 变 动 率 可 取 得 大 些 , 但 不 超过 整 体 速 率 变 动 率 的 3倍 。 速 度 变 动 率 的 合 理 分 布 两 端 大 、 中 间 小 且 连 续 平 滑 变 化 。 00 100%PdndP n 14 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 迟 缓 率 ( 滞 缓 率 ) 由 于 动 、 静 部 件 间 存 在 摩 擦 , 传 动 机 械 间 存 在 旷 动 间 隙 , 滑 阀 凸 肩与 油 口 间 存 在 盖 度 。 这 些 非 线 性 因 素 的 存 在 , 使 得 调 节 系 统 上 、 下行 程 特 性 线 不 重 合 , 将 此 现 象 称 为 滞 缓 。 定 义 : 调 节 系 统 上 、 下 行 程 (即 增 、 减 负 荷 )特 性 线 上 , 相 同 功 率 处 转速 偏 差 与 额 定 转 速 的 比 , 称 为 调 节 系 统 的 滞 缓 率 。 即 滞 缓 率 对 机 组 调 节 品 质 和 运 行 稳 定 性 产 生 不 良 影 响 。 滞 缓 是 响 应 的死 区 , 单 机 运 行 时 产 生 转 速 漂 移 , 并 网 运 行 时 产 生 负 荷 波 动 , 波 动的 大 小 不 仅 与 滞 缓 率 有 关 , 而 且 反 比 于 速 度 变 动 率 。 对 机 械 液 压 调 节 系 统 , 要 求 滞 缓 率 小 于 0.6%; 对 电 液 调 节 系 统 , 要求 滞 缓 率 小 于 0.2%。 但 不 能 完 全 没 有 滞 缓 , 在 数 字 电 液 控 制 系 统 中 ,设 置 一 定 大 小 的 死 区 , 避 免 控 制 系 统 过 度 频 繁 动 作 造 成 部 件 磨 损 。1 20 100%n nn 0P P 15 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 同 步 器 与 静 态 特 性 线 平 移 同 步 器 的 作 用 静 态 特 性 线 表 明 , 机 组 不 同 功 率 下 所 对 应 的 转 速 是不 等 的 。 一 次 调 频 在 满 足 外 界 负 荷 要 求 时 , 并 不 能 满 足 频 率 要 求 。 在 单 机 运 行 时 既 满 足 负 荷 需 求 , 又 能 使 频 率 达 到 额 定 值 , 必 须 平 移特 性 线 。 机 组 并 网 运 行 时 , 机 组 的 转 速 决 定 于 电 网 的 频 率 , 在 转 速 一 定 时 ,要 改 变 机 组 出 力 , 必 须 移 动 静 态 特 性 线 。 二 次 调 频 同 步 器 为 用 于 平 移 静 态 特 性 线 的 装 置 , 单 机 运 行 时 改 变 转 速 , 并 网运 行 时 改 变 功 率 。v 同 步 器 的 调 节 范 围 上 极 限 机 组 达 到 电 网 同 步 转 速 后 , 由 同 步 器 操 作 由 空 负 荷 带 至 满负 荷 , 静 态 特 性 线 向 上 移 动 的 范 围 至 少 为 ; 如 果 考 虑 机 组 低 参 数 时仍 能 达 到 额 定 出 力 , 即 油 动 机 及 调 门 过 开 , 向 上 的 范 围 则 地 求 更 大 ;电 网 高 周 波 运 行 时 , 同 步 器 向 上 操 作 的 范 围 加 大 。 因 此 , 对 速 度 变动 率 为 5%的 调 节 系 统 , 上 极 限 一 般 为 7 。 下 极 限 机 组 启 动 过 程 中 在 达 到 同 步 器 动 作 转 速 后 , 由 操 作 同 步 器使 机 组 达 到 额 定 转 速 。 为 便 于 并 网 操 作 , 应 留 有 足 够 的 转 速 空 间 。此 外 , 考 虑 机 组 高 参 数 、 电 网 低 周 波 工 况 , 要 求 同 步 器 能 并 网 操 作 ,故 对 速 度 变 动 率 为 5 的 调 节 系 统 , 下 极 限 一 般 为 5 。 16 6.2.1 汽 轮 机 调 节 系 统 的 静 态 特 性v 同 步 器 工 作 范 围 与 速度 变 动 率 的 关 系 由 前 已 知 , 同 步 器 的工 作 范 围 与 速 度 变 动率 紧 密 相 关 , 上 极 限不 得 小 于 速 度 变 动 率 ,否 则 机 组 就 不 能 发 出额 定 功 率 。 下 极 限 不能 过 小 , 否 则 无 法 并网 操 作 。 n Nmz 17 6.2.2 汽 轮 机 调 节 系 统 的 动 态 特 性v 动 态 特 性 与 静 态 特 性 的 差 别 运 动 部 件 具 有 惯 性 , 油 流 流 动 存 在 阻 力 , 中 间 容 积 存 在质 量 吞 吐 , 并 且 还 存 在 滞 缓 。 这 些 因 素 的 存 在 , 在 输 入扰 动 作 用 后 , 系 统 并 不 是 快 速 地 按 比 例 动 作 , 而 是 克 服惯 性 迟 后 于 输 入 动 作 , 输 出 与 静 态 特 性 发 生 偏 离 。在 调 节 过 渡 过 程 中 , 在 静 态 平 衡 点 附 近 因 惯 性 出 现 过 调和 产 生 振 荡 , 有 时 经 多 次 振 荡 逐 渐 衰 减 到 平 衡 点 , 有 的可 能 产 生 持 续 振 荡 。对 实 际 系 统 , 响 应 快 往 往 会 出 现 大 的 超 调 和 长 时 间 的 振荡 ; 不 出 现 振 荡 往 往 响 应 很 慢 。 通 过 合 理 的 控 制 系 统 参数 设 置 , 既 要 响 应 快 , 又 要 超 调 小 、 振 荡 次 数 少 。 18 6.2.2 汽 轮 机 调 节 系 统 的 动 态 特 性v 动 态 特 性 描 述 稳 定 性 系 统 受 扰 动 后 对 很 快 稳 定 到 新 的 平 衡 工 作 点 , 则 系 统 是 稳定 的 。 由 系 统 的 传 递 函 数 求 零 、 极 点 计 算 判 别 系 统 是 否 稳 定 。 动 态 超 调 量 在 调 节 动 态 过 程 中 , 动 态 最 大 超 调 量 与 稳 定 值 的 差 ,与 稳 定 值 的 比 。 静 态 偏 差 值 甩 负 荷 后 的 稳 定 值 与 额 定 转 速 的 差 。 机 组 甩 不 同 负 荷时 , 稳 定 转 速 是 不 同 的 。 过 渡 过 程 调 整 时 间 从 响 应 扰 动 到 基 本 达 到 稳 定 值 所 经 历 的 时 间 为过 渡 过 程 调 整 时 间 。 一 般 要 求 过 渡 过 程 时 间 尽 可 能 短 。v 影 响 甩 负 荷 动 态 特 性 的 因 素 转 子 动 态 方 程 在 机 组 甩 负 荷 阶 跃 扰 动 下 , 转 速 快 速 飞 升 , 调 节 系 统 感 受 转 速 变 化关 闭 调 节 汽 门 , 切 断 汽 轮 机 的 蒸 汽 供 给 , 蒸 汽 驱 动 力 矩 减 小 , 转 子飞 升 速 率 下 降 , 在 调 节 汽 门 关 闭 一 定 时 间 后 , 转 子 转 速 达 到 最 大 值 ,然 后 转 速 开 始 下 降 。 最 高 飞 升 转 速 由 下 式 估 算 :2 电磁蒸汽2 机械损失dJ M M Mdt 0 1max 1 22 vann T T TT max *100% max 0max 0 *100%n nn 其 中 , 19 6.2.2 汽 轮 机 调 节 系 统 的 动 态 特 性v影 响 甩 负 荷 最 高 飞 升 转 速 的 本 体 因 素转 子 时 间 常 数 Ta 转 子 惯 性 越 大 , 转 速 飞 升 所 需 的驱 动 力 矩 就 越 大 , 甩 负 荷 后 转 速 飞 升 就 越 低 。 大 机 组的 转 子 惯 性 小 于 小 型 机 组 , 因 此 , 在 甩 相 同 百 分 率 负荷 时 , 大 机 组 的 飞 升 转 速 高 于 小 型 机 组 。蒸 汽 中 间 容 积 蒸 汽 中 间 容 积 越 大 , 贮 存 的 蒸 汽 就越 多 , 甩 负 荷 后 剩 余 蒸 汽 力 矩 就 越 大 , 转 速 飞 升 就 越高 。 大 机 组 蒸 汽 导 管 的 存 在 , 中 间 容 积 大 于 小 型 机 组 ,特 别 是 中 间 再 热 器 , 因 此 , 为 抑 制 甩 负 荷 工 况 下 转 速过 度 飞 升 , 油 动 机 的 关 闭 速 度 的 要 求 就 越 高 。 20 6.2.2 汽 轮 机 调 节 系 统 的 动 态 特 性v 影 响 甩 负 荷 最 高 飞 升 转 速 的 调 节 系 统 因 素速 度 变 动 率 速 率 变 动 率 越 大 , 甩 负 荷 后 稳 定 转 速 就 越 高 ,在 超 调 量 相 同 时 , 最 高 飞 升 转 速 就 越 大 。 另 一 方 面 , 大 的 速 度变 动 率 可 减 小 动 态 超 调 量 和 过 渡 过 程 的 振 荡 次 数 , 缩 短 过 渡 过程 调 整 时 间 。油 动 机 的 时 间 常 数 Tm 油 动 机 的 时 间 常 数 越 大 , 则 关 闭 时 间就 越 长 , 甩 负 荷 后 进 入 汽 轮 机 的 剩 余 蒸 汽 量 就 越 多 , 飞 升 转 速就 越 高 。 因 此 , 对 大 型 机 组 , 一 般 要 求 甩 负 荷 工 况 下 油 动 机 全行 程 关 闭 时 间 小 于 0.2s。 迟 缓 率 迟 缓 率 越 大 , 甩 负 荷 后 调 节 系 统 响 应 的 时 滞 就 越 大 ,油 动 机 关 闭 滞 后 , 引 起 汽 轮 机 剩 余 蒸 汽 量 增 多 , 转 速 飞 升 加 大 。因 此 , 尽 可 能 减 小 迟 缓 率 。 21 6.3 汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v 静 态 特 性 四 方 图 转 速 感 受 机 构 将 转 速 变 换 为 一 次 油 压 , 杠 杆 碟 阀 、 继动 器 、 错 油 门 油 动 机 为 中 间 放 大 环 节 , 将 一 次 油 压 转变 为 油 动 机 行 程 。 要 改 变 调 节 系 统 的 静 态 特 性 只 能 改 变转 速 感 受 机 构 和 中 间 放 大 机 构 特 性 。v 转 速 感 受 机 构 特 性 将 速 度 信 号 转 变 为 一 次 控 制 信 号 的 元 件 , 有 机 械 、 液 压 、电 子 式 三 种 。典 型 设 备 : 高 速 弹 性 调 速 器 、 径 向 钻 孔 脉 冲 泵 、 旋 转 阻尼 器 。旋 转 阻 尼 器 : 一 次 油 压 正 比 于 转 速 的 平 方 (p 1=kn2), 在 汽轮 机 额 定 转 速 附 近 , 级 数 展 开 后 成 线 性 关 系 。 旋 转 阻 尼管 长 度 不 同 , 比 例 系 数 而 变 , 从 而 改 变 转 速 感 受 机 构 特性 。 但 改 变 量 不 是 很 大 , 在 发 电 厂 现 场 很 难 改 变 转 速 感受 机 构 特 性 。 22 23 6.3 汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v 中 间 放 大 机 构 特 性 对 不 同 的 转 速 感 受 机 构 配 套 不 同 的 中 间 放 大 器 。 主 要 有压 力 控 制 式 和 流 量 控 制 式 两 种 。对 于 旋 转 阻 尼 转 速 感 受 器 : 配 套 的 是 波 形 筒 碟 阀 放 大器 。 决 定 一 次 油 压 与 油 动 机 行 程 静 态 特 性 的 因 素 有 杠杆 碟 阀 放 大 器 、 继 动 器 静 态 反 馈 弹 簧 的 放 大 特 性 。v 杠 杆 碟 阀 放 大 器 改 变 碟 阀 直 径 , 可 以 改 变 一 、 二 次 油 压 的 比 例 关 系 。 当增 大 碟 阀 直 径 时 , 在 相 同 一 次 油 压 改 变 量 下 , 二 次 油 压改 变 量 增 大 , 即 放 大 倍 数 增 大 , 从 而 使 油 动 机 满 行 程 对应 的 一 次 油 压 改 变 量 减 小 , 即 调 节 系 统 速 度 变 动 率 降 低 。反 之 , 减 小 碟 阀 直 径 时 , 速 度 变 动 率 增 大 。 24 6.3 汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v 继 动 器 静 态 反 馈 弹 簧 当 增 大 静 态 反 馈 弹 簧 刚 度 时 , 油 动 机 全 行 程 所 对 应 的 二次 油 压 改 变 量 增 大 , 亦 即 一 次 油 压 改 变 量 增 大 , 调 节 系统 的 速 度 变 动 率 变 大 。 改 变 继 动 器 杠 杆 支 点 位 置 时 , 相当 于 改 变 静 反 馈 弹 簧 的 刚 度 , 从 而 引 起 调 节 系 统 速 度 变动 率 的 改 变 。 当 支 点 位 置 远 离 静 反 馈 弹 簧 时 , 对 应 油 动机 全 行 程 静 反 馈 弹 簧 长 度 的 改 变 量 增 大 , 相 当 于 增 大 静反 馈 弹 簧 的 刚 度 , 速 度 变 动 率 变 大 。v 影 响 速 度 变 动 率 的 其 它 因 素 影 响 上 汽 机 组 调 节 系 统 静 态 特 性 的 因 素 还 有 很 多 , 如 同步 器 主 、 辅 弹 簧 刚 度 、 杠 杆 长 度 、 波 形 筒 底 部 直 径 、 继动 器 活 塞 直 径 等 , 但 这 些 因 素 在 发 电 厂 现 场 一 般 不 易 改变 。 25波 形 筒 -碟 阀 放 大 器 26 6.3 汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v 油 动 机 又 称 液 压 伺 服 马 达作 用 : 是 汽 轮 机 调 节 系 统 中 驱 动 调 节 汽 阀 的 执 行 机 构 。构 成 : 错 油 门 、 油 动 机 活 塞 及 反 馈 机 构 等 组 成 。特 点 : 惯 性 小 、 驱 动 力 大 、 动 作 快 、 能 耗 低 等 优 点 。性 能 评 价 指 标 : 静 态 方 面 为 提 升 力 系 数 , 动 态 方 面 为 时间 常 数 。提 升 力 系 数 : 用 于 描 述 油 动 机 开 启 汽 门 的 能 力 , 定 义 为 :油 动 机 时 间 常 数 : 表 示 在 错 油 门 滑 阀 油 口 开 度 最 大 时 ,油 动 机 活 塞 在 最 大 进 油 条 件 下 走 完 整 个 工 作 行 程 所 需 的时 间 。 表 示 为 : 油 动 机 的 最 大 驱 动 力 传 动 比 系 数提 升 力 系 数 开 启 汽 门 所 需 的 最 大 提 升 力 maxmax mm m AT Q 27 6.3 汽 轮 机 液 压 调 节 系 统v 配 汽 机 构将 油 动 机 活 塞 的 行 程 转 变 为 汽 轮 机 的 进 汽 量 。作 用 : 放 大 油 动 机 驱 动 力 , 校 正 行 程 -流 量 特 性 。组 成 : 配 汽 传 动 机 构 ( 操 纵 机 构 ) 和 调 节 汽 阀 。 28 6.4 中 间 再 热 机 组 的 调 节v 蒸 汽 容 积 动 态 特 性 对 调 节 品 质 和 影 响 蒸 汽 室 、 蒸 汽 导 管 、 再 热 器 传 热 管 及 联 箱 等 具 有 容 积 的 空 间 , 在 机组 运 行 时 其 间 充 满 蒸 汽 , 贮 汽 量 决 定 于 蒸 汽 的 压 力 和 温 度 。 称 这 样的 蒸 汽 容 积 为 中 间 容 积 。 中 间 容 积 与 电 路 中 的 电 容 等 价 。 当 要 求 机 组 负 荷 增 大 时 , 开 大 调 门 增 大 通 流 部 分 的 进 汽 量 , 增 大 的蒸 汽 量 先 充 向 中 间 容 积 , 使 之 贮 汽 量 增 多 来 提 高 中 间 容 积 的 压 力 ,随 后 通 流 部 分 蒸 汽 量 增 多 , 机 组 出 力 增 大 。 当 中 间 容 积 的 压 力 与 达到 新 工 况 平 衡 点 时 , 通 流 部 分 出 力 达 到 预 定 值 。 反 之 , 在 机 组 负 荷下 降 时 , 关 小 调 节 汽 门 , 机 组 功 率 并 不 立 即 减 小 , 而 是 待 中 间 容 积释 放 贮 汽 、 压 力 下 降 后 逐 渐 减 小 。 再 热 器 及 冷 、 热 再 热 管 庞 大 的 容 积 空 间 , 蒸 汽 的 吞 吐 量 很 大 , 对 机组 功 率 调 节 产 生 很 大 的 时 滞 。 不 仅 使 机 组 一 次 调 频 能 力 下 降 , 而 且对 机 组 运 行 安 全 产 生 威 胁 , 在 机 组 甩 负 荷 时 再 热 器 中 间 容 积 释 放 出的 蒸 汽 足 使 机 组 严 重 超 速 40 。 v 采 用 单 元 制 的 问 题 机 炉 动 态 响 应 时 间 的 差 异 、 机 炉 最 低 负 荷 的 不 一 致 、 再 热 器 的 冷 却问 题 。 29 6.4 中 间 再 热 机 组 的 调 节v 中 间 再 热 机 组 调 节 的 特 点高 压 调 门 过 开 或 过 关 通 过 高 压 调 门 的 过 开 或 过 关 , 用高 压 缸 过 增 或 过 减 出 力 补 偿 再 热 器 中 间 容 积 产 生 的 时 滞 ,改 善 机 组 的 一 次 调 频 性 能 。设 置 中 压 调 节 汽 门 设 置 中 压 调 节 汽 门 , 在 机 组 甩 负 荷时 快 速 切 断 中 压 缸 的 进 汽 。 在 低 负 荷 时 , 改 变 中 压 缸 的进 汽 量 , 控 制 再 热 汽 温 。 为 减 小 高 负 荷 时 中 压 调 门 的 节流 损 失 , 通 常 当 机 组 负 荷 大 于 30 后 , 中 压 调 门 保 护 全开 。设 置 旁 路 系 统 为 在 机 组 启 、 停 时 有 效 控 制 再 热 汽 温 和再 热 器 的 冷 却 , 设 置 高 压 缸 及 中 低 压 缸 旁 路 系 统 。 为 在机 组 甩 负 荷 时 防 止 锅 炉 超 压 、 回 收 工 质 , 设 置 机 组 大 旁路 系 统 。 30 6.4 中 间 再 热 机 组 的 调 节v 中 间 再 热 机 组 调 节 的 特 点机 组 采 用 协 调 控 制 v主 要 的 机 组 控 制 方 式汽 机 跟 随 控 制 方 式 : 负 荷 改 变 信 号 先 送 给 锅 炉 , 响 应 慢 、 延 滞 。锅 炉 跟 随 控 制 方 式 : 汽 轮 机 根 据 功 率 讯 号 改 变 流 量 、 压 力 变 化 。机 组 协 调 控 制 方 式 : 指 令 同 时 发 给 锅 炉 和 汽 机 , 同 步 调 整 。v中 间 再 热 机 组 为 单 元 机 组 , 一 次 调 频 主 要 利 用 锅 炉 金 属 材 料 的 蓄热 。 但 大 型 锅 炉 特 别 是 直 流 锅 炉 , 蓄 热 量 较 中 小 型 来 得 小 。 这 样 ,在 机 组 参 与 一 次 调 频 时 , 蒸 汽 参 数 波 动 较 大 , 不 利 于 机 组 的 运 行安 全 和 使 用 寿 命 。v为 此 , 在 机 组 负 荷 改 变 时 , 不 仅 改 变 调 门 开 度 , 还 应 改 变 锅 炉 的燃 料 量 , 在 满 足 外 界 负 荷 需 求 时 , 尽 可 能 减 小 蒸 汽 参 数 波 动 。 现代 控 制 技 术 可 采 用 预 测 控 制 , 根 据 历 史 和 当 时 负 荷 波 动 趋 势 , 预测 未 来 负 荷 变 化 , 通 过 提 前 改 变 燃 料 量 作 好 负 荷 变 化 的 准 备 , 增强 一 次 调 频 能 力 , 并 使 蒸 汽 参 数 波 动 控 制 在 最 小 范 围 内 , 提 高 机 组 运 行 的 经 济 性 和 安 全 性 。 31 6.5 汽 轮 机 保 护 系 统 及 主 要 装 置v 原 则 性 组 成机 组 运 行 中 一 旦 从 电 网 中 解 列 、 甩 去 全 部 电 负 荷 , 汽 轮机 巨 大 的 驱 动 力 矩 可 使 转 子 快 速 飞 升 , 为 防 止 超 速 毁 机事 故 发 生 , 要 求 调 节 汽 门 在 极 短 的 时 间 内 全 行 程 关 闭 。主 汽 门 必 要 性 : 在 事 故 工 况 下 为 有 效 切 断 汽 轮 机 的 蒸 汽供 给 , 还 必 须 设 置 主 汽 门 , 即 使 调 门 关 闭 不 快 或 关 闭 不严 时 , 也 能 防 止 机 组 超 速 。此 外 , 对 低 真 空 、 低 润 滑 油 压 、 大 胀 差 、 高 振 动 等 危 及机 组 安 全 的 恶 性 故 障 , 发 生 时 必 须 快 速 停 机 。汽 轮 机 除 设 置 调 节 系 统 外 , 还 设 置 保 护 系 统 。 调 节 保 护系 统 全 称 为 控 制 系 统 。 调 节 部 分 控 制 调 节 汽 门 , 保 护 部分 控 制 主 汽 门 , 但 在 主 汽 门 关 闭 时 , 保 护 系 统 信 号 作 用于 调 节 系 统 , 使 调 节 汽 门 同 时 关 闭 。 32 6.5 汽 轮 机 保 护 系 统 及 主 要 装 置v汽 轮 机 保 护 系 统包 括 : 超 速 保 护 、 低 油 压 保 护 、 轴 向 位 移 及 差 胀保 护 、 低 真 空 保 护 、 振 动 保 护 、 轴 承 回 油 温 度 或瓦 温 保 护 、 发 电 机 故 障 保 护 、 手 动 遮 断 保 护 、 防火 保 护 。特 点 : 只 有 “ 合 ” 与 “ 断 ” 两 种 调 节 双 位 调节自 动 主 汽 门 : 包 括 主 汽 门 和 自 动 关 闭 器超 速 保 护 装 置 : 分 为 机 械 式 、 液 压 式 和 电 气 式 。 33 34 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v DEH (Digital Electro-Hydraulic )出 现 的 背 景汽 轮 机 数 字 电 液 控 制 系 统 是 当 今 汽 轮 机 特 别 是 大 型 汽 轮机 必 不 可 少 的 控 制 系 统 , 是 电 厂 自 动 化 系 统 最 重 要 的 组成 部 分 之 一 。 随 着 电 网 峰 谷 差 的 增 加 , 火 电 站 中 大 机 组的 调 峰 任 务 艰 巨 , 采 用 液 压 调 节 系 统 难 以 满 足 调 峰 要 求 ,因 此 , DEH控 制 系 统 在 国 产 机 组 的 技 术 改 造 中 得 到 了 广泛 的 应 用 。v 现 代 DEH系 统 采 用 计 算 机 控 制 技 术 为 核 心 的 分 散 控制 系 统 结 构 。 35 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v 调 节 系 统 的 作 用汽 轮 机 是 带 动 发 电 机 旋 转 发 电 的 原 动 机 , 由 于 外 界 负 荷随 时 都 可 能 发 生 变 化 , 而 且 不 能 大 量 存 储 , 所 以 要 求 发电 量 与 外 界 负 荷 随 时 保 持 平 衡 ; 同 时 要 保 证 供 电 质 量 (频率 和 电 压 )。 这 些 任 务 主 要 由 汽 轮 机 调 节 系 统 完 成 。v 调 节 系 统 的 发 展第 一 代 汽 轮 机 调 节 系 统 是 机 械 离 心 式 调 速 器 , 至 今 已 有一 百 多 年 历 史 。第 二 代 是 液 压 式 汽 轮 机 调 节 系 统 , 大 约 出 现 在 二 、 三 十年 代 。 第 二 代 调 节 系 统 中 均 采 用 了 机 械 传 动 或 感 应 环 节 。因 此 也 可 称 为 机 械 、 液 压 式 调 节 系 统 。 它 相 对 第 一 代 调节 系 统 而 言 , 在 响 应 速 度 、 调 节 精 度 和 减 小 迟 缓 方 面 有了 很 大 的 提 高 。 36 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v 调 节 系 统 的 发 展第 三 代 汽 轮 机 调 节 系 统 是 模 拟 式 电 液 调 节 系 统 , 大 约 出现 在 四 十 年 代 。 这 种 系 统 采 用 有 运 算 功 能 的 电 气 元 件 取代 了 第 一 、 二 代 系 统 中 的 感 应 、 传 递 放 大 的 机 械 、 液 压环 节 , 而 仍 保 留 了 液 压 执 行 器 油 动 机 。 到 50年 代 中 期 , 才 出 现 了 不 依 靠 机 械 液 压 式 调 节 系 统 的纯 电 调 系 统 。 此 后 , 随 着 数 字 计 算 技 术 的 发 展 及 其 在 过程 自 动 控 制 领 域 的 应 用 , 尤 其 是 计 算 机 容 量 、 速 度 和 可靠 性 的 飞 速 发 展 。 出 现 了 以 数 字 计 算 机 作 为 主 要 控 制 装置 , 以 模 拟 式 电 气 系 统 作 为 手 操 后 备 , 采 用 液 压 执 行 机构 的 第 四 代 汽 轮 机 控 制 系 统 简 称 DEH系 统 。 37 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v 汽 轮 机 调 节 系 统 应 用 现 状随 着 电 网 峰 谷 差 的 增 加 及 核 电 站 和 水 电 站 的 增 多 , 小 火电 厂 的 相 继 关 闭 , 火 电 站 中 大 机 组 的 调 峰 任 务 艰 巨 , 采用 液 压 调 节 系 统 难 以 满 足 调 峰 要 求 , 因 此 , DEH控 制 系统 在 国 产 机 组 的 技 术 改 造 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。v DEH的 组 成控 制 运 算 部 分 :是 DEH系 统 的 核 心 , 由 控 制 柜 (包 含 分 散控 制 单 元 DPU、 通 讯 板 、 I用 板 )、 端 子 柜 、 跳 闸 控 制 柜 等构 成 , 完 成 对 现 场 采 集 信 号 的 目 标 值 、 转 速 升 速 率 , 汽轮 机 逐 步 打 开 处 理 、 网 上 传 送 、 控 制 回 路 运 算 、 逻 辑 功能 运 算 等 。 执 行 机 构 :包 括 主 汽 门 、 调 节 门 、 油 动 机 、 电 液 伺 服 闽 及供 油 系 统 等 。 跳 闸 回 路 :完 成 机 组 危 急 遮 断 功 能 。 38 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v DEH功 能新 型 的 DEH系 统 , 除 了 能 够 完 成 负 荷 控 制 、 转 速 控 制 等常 规 控 制 功 能 外 , 一 般 还 具 有 各 种 汽 轮 机 功 能 试 验 、 阀门 试 验 和 超 速 试 验 等 许 多 附 属 功 能 。v 升 速 自 动 方 式 投 操 作 员 自 动 、 挂 闸 , 选 择 控 制 方 式 , 操 作 员 设 定 转速 调 节 门 , 自 动 提 升 转 速 。 在 此 过 程 中 , 当 目 标 值 通 过 临 界 转 速 区时 , 系 统 自 动 设 置 升 速 率 为 最 大 值 。 此 时 设 置 其 它 转 速 目 标 值 无 效 ,保 证 汽 轮 机 以 最 快 的 速 度 通 过 临 界 转 速 区 。 程 控 方 式 汽 轮 机 挂 闸 启 动 后 , 如 选 择 程 控 启 动 方 式 、 系 统 值 、各 阶 段 暖 机 的 转 速 及 时 间 , 实 现 启 动 冲 转 过 程 的 全 程 自 动 。 另 外 ,由 于 考 虑 了 机 组 本 身 热 力 特 性 , 对 延 长 机 组 本 体 使 用 寿 命 , 提 高 热效 率 也 有 很 大 帮 助 。 39 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v 摩 擦 检 查 机 组 在 操 作 员 自 动 状 态 挂 闸 , 操 作 员 投 入 摩 擦 检 查 功 能 。 自 动 设 置某 一 转 速 目 标 值 及 升 速 率 , 转 速 升 到 后 , 目 标 值 置 零 , 调 门 关 下 ,进 行 摩 擦 检 查 。 再 按 摩 擦 检 查 按 钮 , 退 出 摩 擦 检 查 方 式 。v 自 动 同 期 机 组 升 速 到 同 期 转 速 区 , 电 气 专 业 投 入 同 期 装 置 后 , 向 DEH发 出“ 同 期 允 许 ” 信 号 , DEH系 统 接 收 此 信 号 并 投 入 “ 自 动 同 期 ” 功 能 ,并 将 此 “ 投 入 ” 信 号 返 回 电 气 控 制 系 统 。 同 期 装 置 根 据 机 组 转 速 与网 频 的 差 距 , 向 DEH发 送 “ 同 期 增 减 ” 信 号 以 调 整 机 组 转 速 与 网 频同 步 , 准 备 机 组 并 网 。 此 时 DEH处 于 一 种 “ 遥 控 ” 状 态 。 v 并 网 带 负 荷 机 组 并 网 成 功 后 , DEH控 制 系 统 将 功 率 目 标 值 设 定 为 额 定 功 率 的2% 5 ,目 标 值 和 给 定 值 为 相 应 功 率 的 阀 位 开 度 。 投 入 功 率 回 路 后 ,操 作 员 可 设 定 负 荷 目 标 值 及 升 降 负 荷 率 , 机 组 功 率 值 将 以 此 速 率 向目 标 值 变 化 。 投 入 功 率 回 路 瞬 间 , 给 定 值 、 目 标 值 应 该 自 动 跟 踪 机组 功 率 值 , 实 现 回 路 投 切 过 程 无 扰 动 。 40 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v 参 与 一 次 调 频 DEH系 统 均 设 计 有 一 次 调 频 回 路 , 其 工 作 原 理 是 : 机 组 转 速 以 3000 r min为 目 标 值 , 频 差 以 一 定 的 函 数 对 应 为 负 荷 指 令 叠 加 到 目 标 值 上 。为 防 止 反 复 调 节 引 起 目 荡 , 应 设 置 一 定 的 频 差 控 制 死 区 。v 参 与 协 调 控 制 大 型 机 组 的 协 调 控 制 是 机 组 必 备 的 功 能 之 一 。 协 调 控 制 的 实 现 , 综合 考 虑 了 机 组 与 炉 膛 不 同 被 控 对 象 的 特 性 , 在 很 大 程 度 上 改 善 了 机组 的 负 荷 响 应 能 力 , 也 减 少 了 运 行 人 员 由 于 负 荷 变 动 进 行 的 运 行 操作 , 降 低 了 劳 动 强 度 。v 单 阀 顺 序 阀 切 换 机 组 运 行 过 程 中 可 工 作 在 “ 单 阀 ” 或 “ 顺 序 阀 ” 两 种 阀 门 控 制 方 式 。 在 “ 顺 序 阀 ” 控 制 方 式 下 , 机 组 升 降 负 荷 时 , 应 按 阀 门 流 量 特 性 要求 依 次 开 启 或 关 闭 相 应 阀 门 , 以 减 小 截 流 损 失 , 提 高 机 组 运 行 的 稳定 性 。 在 “ 单 阀 ” 控 制 方 式 下 , 各 阀 门 恢 复 开 度 一 致 。 切 换 过 程 中 , 应 尽量 保 持 功 率 值 无 扰 。 41 6.6 数 字 电 液 调 节 系 统 概 述v主 汽 压 控 制 (TPL) 阀 位 控 制 、 额 定 主 汽 压 、 满 负 荷 工 况 时 , 可 投 入主 汽 压 控 制 。 具 体 方 法 是 设 定 主 汽 压 定 值 , 按“ 主 汽 压 控 制 ” 钮 , 当 主 汽 压 小 于 定 值 时 , 调 门开 度 减 小 , 保 证 主 汽 压 不 会 出 现 过 低 的 情 况 。v汽 轮 机 调 压 力 (TCP) 设 定 主 汽 压 值 , 投 入 TCP, 当 主 汽 压 高 于 设 定 时 ,调 门 开 大 ; 主 汽 压 低 于 设 定 时 , 调 门 开 小 , 以 维持 主 汽 压 波 动 小 于 一 定 范 围 。v超 速 保 护 和 超 速 试 验v阀 门 在 线 试 验 42 本 章 小 结v汽 轮 机 调 节 系 统v汽 轮 机 自 动 调 节 的 任 务v汽 轮 机 调 节 系 统 的 基 本 原 理v配 汽 机 构v汽 轮 机 的 保 护
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