汽轮机控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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 汽轮机控制系统,一、控制任务,1自动监测,汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation,TSI）,2自动保护,(1)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（Emergency Trip System,ETS，又称紧急跳闸系统）:,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。,(3)机械超速保护和手动遮断系统,3自动调节,调节汽门开度（%）,0 20 40 60 80 100,1 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,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,汽轮机控制系统都设有ATC（Automation Turbine Control）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。,二、控制系统构成,目前汽轮机控制系统广泛采用DEH（Digital Electro-Hydraulic）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实际上是汽轮发电机组控制系统。,数字电液控制系统（又称DEH系统，Digital Electro-Hydraulic Control System）是20世纪70年代后期发展起来的大型汽轮发电机组的自动控制装置，早期的DEH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统DCS（Distributed Control Systems）系统予以实现。,AST4,AST3,AST2,IMP,调节级压力,主,汽,压,P,T,AST油路,高压调节阀,GV,高压主汽阀,TV,中压主汽阀,SV,高压缸,中压缸,低压缸,发电机,再热器,油断路器,高压主汽阀油动机,高压调节阀油动机,中压主汽阀油动机,中压调节阀油动机,中压调节阀,IV,汽轮机数字控制器,（DCS）,阀位反馈,阀位指令,测量信号,系统连接信号,TD，AS，RB等,并网BR,挂闸ASL,OPC油路,EH高压抗燃油,供油系统,排油,超速保护OPC（1）,OPC（2）,图3-3 汽轮机控制系统构成原理图,转速,n,IEP,功率,P,E,紧急跳闸ETS,隔膜阀,润滑油供油系统,机械遮断,手动遮断,AST1,ATC自动给定,N,负荷控制投入,N,OA手动给定,轴出旋转机械功率,高压缸功率,中、低压缸功率,Y,N,Y,调频投入,功率,调节器,K2,K1,K3,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,励磁电流,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,Y,K4,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,顺序阀系数,单阀系数,顺序阀系数,0,0,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,0,V,主汽压限制动作,功率,调节器,功率,T,功率控制切除,0,T,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,T,0,跳闸或超速,T,快卸指令,快卸动作,K,f,(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1,f,(x),T,f,(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),T,f,(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,T,ATC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,T,CCS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,高压调节阀GV3,高压主汽阀TV1,高压调节阀GV2,过热器蒸汽,高压缸配汽,高压主汽阀TV2,高压调节阀GV1,高压调节阀GV4,图37汽轮机阀门布置图,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,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,的基本作用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）。,图3-7中的高压调节阀的顺序阀开启顺序可设计为GV1/GV2，GV3 GV4，即GV1和GV2同时开启，然后是GV3，GV4最后开启。关闭顺序与此相反。,高压调节阀GV3,高压主汽阀TV1,高压调节阀GV2,过热器蒸汽,高压缸配汽,高压主汽阀TV2,高压调节阀GV1,高压调节阀GV4,图37汽轮机阀门布置图,3 阀门管理,（1）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,在顺序阀控制方式下,10 20 30 40 50 60 70 80 90 100,GV1,GV2,阀门开度,L,图3-9 顺序阀控制各阀位计算,f,(x),GV3,GV4,总流量需求值,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,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，把整个切换分成若干步进行，经过若干个有限的控制周期完成切换。,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,y,表示汽轮机负荷，,L,表示阀门开度，设有4个高压调节阀。,在单阀方式下：,顺序阀方式下,：,单阀顺序阀切换的中间过程任意状态下：,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,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,正比，阀门开度与汽轮机负荷成正比，则,所以，满足阀门无扰切换的条件为,显然，这个问题有很多解。为简化问题，,可以设定边界条件：,满足该边界条件的最简单解是,式中：,k,SIN,为单阀系数；,k,SEQ,为顺序阀系数。,当阀门处于单阀方式时：,k,SIN,=1,k,SEQ,=0,当阀门处于顺序阀方式时：,k,SIN,=0,k,SEQ,=1,当阀门处于切换的中间状态时：,+,+,阀门试验逻辑,阀切换系数,中压缸启动为0,高中压启动为1,f,1,(x),T,f,2,(x),阀门试验值,总流量需求值,单阀系数,k,SIN,GV1单阀开度,L,1SIN,GV1顺序阀开度,L,1SEQ,顺序阀系数,k,SEQ,T,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=,L,1SIN,k,SIN,+,L,1SEQ,k,SEQ,控制偏差大于4%,T,0,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,T,V,单阀系数,k,SIN,1,1,&,汽轮机复位,&,阀转换在进行,1,0.00167,1,顺序阀系数,k,SEQ,1,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,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99.9%（对应阀门全开）或小于0.1%关）时，,（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，等到异常情况消失后，再继续切换。,）汽轮机复位，手动系统复位；,）当控制差大于4%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、汽轮机运行工况和控制回路的投运有关。,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令产生原理基本相同。,高压主汽阀阀位指令,中压主汽阀阀位指令,T,10%,阀室预暖,T,运行RUN,T,T,试验阀门开度值,0%,&,0%,1,100%,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,T,0%,汽轮机跳闸,左高压主汽阀阀位指令,试验阀门开度值,f,(x),T,T,0%,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 汽轮机运行方式,操作员自动（,Operator Automation,，,OA,）,汽轮机自启动（,ATC,）,自动同期（,AS,）,协调控制（,CCS,）,由运行人员根据汽轮发电机机组运行情况选择运行方式。,一、操作员自动（,OA）,1、操作员直接控制,、转速自动控制,、功率自动控制,、主汽压力自动控制,二、,汽轮机自启动（ATC）,ATC程序根据机组运行需要，能自动完成：,（1）变更转速；,（2）改变升速率；,（3）产生转速保持；,（4）改变负荷变化率；,（5）产生负荷保持。,三、自动同期（AS）,采用自动同期方式一般须满足下列条件：,控制在“操作员自动方式”或“汽轮机自启动”方式；,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）；,自动同期允许；,汽轮机转速在同步范围。,四、协调控制（CCS）,协调控制方式一般须满足下列条件：,（1）机组已并网；,（2）收到协调允许信号。,第四节 控制功能与控制系统特性,一、控制功能,1.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,汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入负荷控制：,（1）机组已并网，控制系统在“操作员自动”方式,（2）功率信号正常，且负荷在合适范围；,（3）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。,等。,Y,机械功率,OA手动给定,N,调频投入,功率,调节器,K1,K3,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