电厂汽轮机原理及系统--ch6-汽轮机调节系统

1Ch6汽轮机的调节2本章内容提要汽轮机调节的任务与组成汽轮机调节系统的静态特性、动态特性汽轮机液压调节系统中间再热机组的调节汽轮机保护系统及主要装置数字电液调节系统(DEH)简介36.1汽轮机调节的任务与组成供电品质的主要标准——电压、频率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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。46.1汽轮机调节的任务与组成HPIPLPGEN过热器再热器stMemfMM22stemfdJMMMdt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56.1汽轮机调节的任务与组成转子运动方程与汽轮机调速机组的自调节特性外界负荷改变时，可自动稳定到一个新工况有差调节调节系统调节后，若nA和nB有差值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转速感受机构传动放大机构执行机构调节对象66.1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76.1汽轮机调节的任务与组成调节系统的种类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。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。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96.2汽轮机调节系统的特性6.2.1静态特性6.2.2动态特性106.2.1汽轮机调节系统的静态特性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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。maxmin0100%nnnZmnN116.2.1汽轮机调节系统的静态特性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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1fPS1PS功频率率126.2.1汽轮机调节系统的静态特性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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。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%。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%。001PnPn136.2.1汽轮机调节系统的静态特性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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。00100%PdndPn146.2.1汽轮机调节系统的静态特性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。120100%nnn0PP156.2.1汽轮机调节系统的静态特性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。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％。166.2.1汽轮机调节系统的静态特性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。nNmz176.2.2汽轮机调节系统的动态特性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。186.2.2汽轮机调节系统的动态特性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。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dJMMMdt01max122vannTTTTmax*100%max0max0*100%nnn其中，196.2.2汽轮机调节系统的动态特性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。206.2.2汽轮机调节系统的动态特性影响甩负荷最高飞升转速的调节系统因素速度变动率δ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ε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。216.3汽轮机液压调节系统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。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(p1=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。22236.3汽轮机液压调节系统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。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