1000MW汽轮机控制系统,主讲人：赵素芬,汽轮机控制的发展过程,机械液压调节系统液压式控制系统（Mechanical-Hydraulic Control，MHC）,电气液压式（Electro-Hydraulic Control，EHC）,模拟式电气液压控制系统（Analog Electric-Hydraulic Control,AEH）,数字电液控制系统（Digital Electro-Hydraulic Control，DEH）,汽轮机控制的内容,一个完善的汽轮机控制系统包括以下功能系统： 一、监视系统 监视系统能够连续监测汽轮机运行中各参数的变化。 属于机械量的有：汽轮机转速、轴振动、轴承振动、转子轴位移、胀差、汽缸热膨胀、主轴晃度、油动机行程等； 属于热工量的有：主（再）蒸汽压力和温度、凝汽器真空、调节级压力、汽缸温度、润滑油压、控制油压、轴承温度等。 汽轮机的参数监视通常由数字采集系统（DAS）实现，测量结果同时送往控制系统作为限制条件，送往保护系统作保护条件，送往顺序控制系统作控制条件。,二、保护系统 保护系统的作用时，当电网或汽轮机本身出现故障时，保护装置根据实际情况迅速动作，使汽轮机退出工作，以防止事故扩大或造成设备损坏。 大容量汽轮机的保护内容有：超速保护、低油压保护、轴位移保护胀差保护、低真空保护、振动保护等。 三、控制系统 汽轮机的闭环自动控制系统包括转速控制系统、功率控制系统、压力控制系统（如机前主汽压力和再热汽压力控制）等。 四、热应力在线监视系统 通常用建立模型的方法，通过测取汽轮机某些特定点的温度值间接计算热应力值。热应力计算结果除用于监视外，还可以对汽轮机升速率和变负荷率进行校正。,五、汽轮机自启停控制系统（Automatic Turbine Control，ATC） 原则上讲汽轮机自启停控制系统应能完成从启动准备至带满负荷或者从正常运行到停机的全部过程。 六、液压伺服系统 液压伺服系统包括汽轮机供油系统和液压执行机构两部分。,汽轮机的调节系统,一、汽轮机调节系统的任务： 在外界负荷变化时，及时地调节汽轮机功率，以满足用户用电量变化的需要； 保证汽轮发电机组的工作转速在正常允许范围之内，保证供电质量。,二、负荷与转速的关系： 汽轮机受着两个力矩的作用：蒸汽主力矩和电磁阻力矩。 稳定工况下，蒸汽主力矩等于电磁阻力矩。 负荷增加时，电磁阻力矩大于蒸汽主力矩，机组转速下降；负荷减小，蒸汽主力矩大于电磁阻力矩，机组转速增加。 因此调节系统应感受转速的变化，并根据转速变化改变调门开度，改变蒸汽流量，使蒸汽主力矩与电磁阻力矩重新达到新的平衡。,液压调节系统,外界负荷减小,转速增加,滑环上移,滑阀上移,油动机活塞下移,调门开大,滑阀下移至断油位置,组成： 调速器 错油门（滑阀） 油动机 调节阀,调节系统的负反馈：错油门动作引起油动机动作，而油动机的动作又引起错油门向相反的方向动作。 负反馈的作用：使调节系统静态特性稳定。,调节系统的组成,转速感受机构：感受转速的变化，并将转速的变化转变成其他物理量的变化。 传动放大机构：对转速感受机构的输出信号进行传递放大。 配汽机构：接受由转速感受机构通过传动放大机构传来的信号，并以此来改变汽轮机的进汽量。,给定值,转速感受机构,配汽机构,汽轮机,n(转速),反馈机构,滑阀,油动机,负荷,组成方框图,1、调节系统的静态特性 稳定工况下，汽轮机转速与功率之间的关系称为调节系统的静态特性。,n,P,调节系统的静态特性,2、调节系统的速度变动率 汽轮机空负荷时的稳定转速与满负荷时的稳定转速之间的差值与额定转速之比的百分数称为调节系统的速度变动率。,速度变动率对机组影响 （1）对机组负荷分配的影响 电网频率变化时，速度变动率小的机组负荷改变量大。 （2）对甩负荷超速的影响 机组甩负荷时，速度变动率大的机组易超速。 （3）对运行稳定性的影响 电网频率波动时，速度变动率小的机组负荷摆动量大 一般速度变动率取=3%6%,3、调节系统的迟缓率 在同一功率下，转速上升过程的静态特性曲线和转速下降过程的静态特性曲线之间的转速差与额定转速之比的百分数称为调节系统的迟缓率。,n,P,n,迟缓率对机组的影响： 迟缓率过大时： (1)单机运行时，会引起转速的摆动；在汽轮机并网前，转速的不稳定，并网困难。,(3)当发生甩负荷时，调速汽门动作迟缓，造成汽轮机转速飞升，致使机组超速。,一般迟缓率不超过0.5%，新装机组不超过0.2%,(2)在汽轮机并网后，将会引起负荷的摆动。 负荷摆动值为：,调节系统静态特性曲线的合理形状,在空负荷及低负荷附近曲线要陡一些，便于机组并网以及低负荷暖机。,n,P,在满负荷附近要陡一些，当电网频率下降时，不会引起汽轮机过载，并有利于维持机组在经济负荷附近运行,同步器,一、同步器的作用 1、同步器：人为平移调节系统静特性线的机构。 2、同步器的作用 （1）单机运行时，操作同步器可改变机组的转速。 （2）并网运行时，操作同步器可改变机组的负荷，并调整电网频率。 3、同步器的类型 平移传动放大机构静特性线的同步器 同步器实质上是人为改变调门开度的机构。 4、同步器的工作范围 基本范围：额定参数、额定电网频率下机组能带满负荷，并能减负荷到零。,（1）同步器的上限 电网频率下降时机组仍能带满负荷； 主汽参数下降、排汽参数升高时机组仍能带满负荷。 因此上限比额定转速高7%。（速度变动率为5%） （2）同步器的下限 电网频率升高时机组仍能减负荷至零； 主汽参数升高、排汽参数下降时机组仍能减负荷到零。 因此下限比额定转速低5%。 因此常说同步器的工作范围为（+7-5）%n0,电网调频,1、一次调频 当电网频率变化时，电网中各机组的调节系统按自身的静态特性自动调节机组功率，以适应外界负荷变化的过程。 2、二次调频 人为来调节机组的负荷及电网频率的过程。 液调机组中是利用同步器完成。 电调机组中则是通过改变给定值完成。,对于电液控制系统，静态特性曲线的平移是通过附加给定信号来实现的。 附加给定信号作用在测速元件上，他的作用是平移测速元件的静态特性曲线，称为转速给定； 附加给定值信号作用在测速元件后的综合放大器上时，他的作用就是平移传动放大机构的静态特曲线，称为功率给定。,n,n,P,P,P1,P2,n0,n0,P1,P2,一号机,二号机,P1,P2,P2,液压控制系统的动态特性,动态特性：机组从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态过渡过程中的特性。 研究目的：判别控制系统是否稳定，评价控制系统品质以及分析影响动态特性的主要因素，以便提出改善控制系统动态品质的措施。 研究甩负荷时机组转速的变化的动态特性指标具有典型的代表意义。 一、描述动态特性的质量指标 1、稳定性：机组受到扰动后，经过调节系统的调节能在新的状态下稳定，或恢复到原来的状态下稳定，那么这种调节系统便是稳定的。 2、超调量：机组甩负荷后，所达到的瞬时最高转速与稳定后的转速之差。,3、过渡时间：机组受到扰动后，从原来的稳定状态过渡到新的稳定状态所需要的时间。机组甩全负荷的过渡过程时间，一般要求少于550秒。 二、影响动态特性的主要因素 1、转子飞升时间Ta：转子在额定功率时的额定主力矩作用下，转速由零升高到额定转速时所需要的时间。 小功率机组： 1114s 高压机组为：710s 再热机组为： 58s 飞升时间Ta越小，动态超速的可能性越大。 2、中间容积时间Trh：以额定流量将中间容积充满额定工况下的蒸汽所需的时间。 中间容积时间Trh越大，汽轮机转速飞升越高。,3、速度变动率 增大则甩负荷时最高转速增高； 减小甩负荷后瞬时最高转速降低，但超调量却增大，衰减慢，稳定性差。 要求3%6% 4、油动机时间常数Tm 指在错油门开度为最大、油压差为额定值时，油动机活塞走完全行程所需要的时间。 Tm越大，动态品质越差。 5、迟缓率 迟缓率增大，超调量增大、过渡时间延长。,再热式汽轮机调节,一、中间再热汽轮机调节带来的新问题 （一）采用单元制 采用单元制对汽轮机调节带来如下影响： 1、减小了锅炉蓄能利用的可能性（锅炉热惯性） 负荷变化时，使锅炉的出口压力发生变化，所以不能适应负荷迅速变化的需要，降低了机组参加一次调频的能力；当外界负荷大幅度增加时，锅炉出口汽压就大幅度下降，有可能产生“汽水共腾”，严重时可造成汽轮机进水。 2、在低负荷和空负荷下，机炉的配合问题及再热器的保护问题。,（二）中间再热器的影响 由于再热机组有再热器及其联接管道构成的庞大蒸汽容积，给中间再热机组的调节带来如下不利影响： 1、功率变化滞延 当机组负荷增加时，调节系统将调节阀开大，高压缸功率增加，而中低压缸功率则随着再热容积内蒸汽压力的逐渐升高而增加，然后，由于该压力的提高，使高压前后压差有所减小，功率有所下降，因此，机组的总功率不是立即达到电网所要求的数值，是经延迟后才达到，这种现象称为功率的滞后。 这就降低了中间再热机组的负荷适应性，也就是降低了机组参加一次调频的能力。,2、增加了甩负荷时的动态超速 汽轮机甩负荷后，即使进汽阀完全关闭，中间再热容积中所剩存的蒸汽仍能使汽轮机严重超速 二、解决上述问题的方法 （一）锅炉热惯性问题 采用机炉协调控制方式 （二）关于机炉的配合问题 利用旁路的办法来解决 1、大旁路系统,2、两级小旁路系统 3、一级大旁路加两级小旁路 （三）改善中间再热汽轮机甩负荷性能及低负荷运行问题 1、设置中压主汽阀及中压调节阀 中压主汽阀：保护动作时和高压主汽阀一起，同时切断高、中压缸的进汽。 中压调节阀：低负荷时使低压段和高压段在任何稳定工况下蒸汽流量基本一致；防止在甩负荷时过分超速。 各阀开启关系如下图,机组阀门的开启关系,2、减小甩负荷下的动态超速措施 机组甩负荷时，为防止转速飞升，瞬时关闭高、中压调门，转速恢复正常后，再将调节阀打开维持空负荷。 （三）关于中间再热汽轮机功率滞延问题 为了提高机组 对外界负荷的适应性，机组采用过调节，即采用高压缸过调来弥补中低压缸的功率不足。,高压缸功率,t,t0,总功率,中压缸功率,P,有校正时,P,t,高压缸功率,中压缸功率,t0,总功率,无校正时,AEH调节原理,系统组成特点,1、此系统为转速、功率双冲量调节。增加了机组的抗内扰能力。(外界负荷变化为外扰，参数变化为内扰） 2、信号的测量、运算采用电子元件，速度快、准确性高，减小了系统的迟缓。 3、执行机构依然采用液压元件（错油门及油动机） 。电液伺服阀实现了电信号和液压信号之间的转换。 4、PID调节器为比例、积分、微分调节器。 比例P：对信号起比例放大作用； 积分I：输出量比例于输入量对时间的积分；输入量为零时调节停止。 微分D：当有阶跃输入时，产生一瞬时变化量，而后消失。目的是使调节汽阀产生动态过调。,调节原理分析： 调门开大， 调门关小， 调节结束。 （1）单机运行（功率回路不起作用） 增大转速给定，则调门开大；减小给定则调门关小。 当给定值与反馈值相等时，调节结束。此过程为无差 调节。汽轮机的启动升速、甩负荷过程就是如此。 （2）并网运行（电网频率不变，转速回路不起作用） 增大功率给定，则调门开大；减小给定则调门关小。 当给定值与反馈值相等时，调节结束。此过程为无差 调节。,（3）一般工况 例如：当外界负荷增加时，电网频率下降， 调门开大，机组功率增加， ，当 时 调节过程结束。显然，此过程为有差调节过程。 由以上分析可知，电调系统中的给定单元，起液调系统中同步器的作用。 随着数字计算机的发展，在调节系统中，用数字计算机代替了AEH调节系统中的PID调节器，因而出现了如今的DEH调节系统。,给定单元,一、DEH调节原理,DEH调节,A/