第1章 汽轮机数字电液控制系统概述

汽轮机数字电液控制(DEH)（DigitalElectro-HydraulicControlTechnology）2课程说明一、遵守教学纪律，不能无故旷课、迟到和早退；二、按时独立完成课程相关作业；三、课程结束后进行考试（笔试，闭卷）；四、课程考核要求：1、平时成绩(作业、出勤等)占20%;2、期末考试成绩占80%。3教材及参考书选用教材《数字电液调节与旁路控制系统》，降爱琴、郝秀芳主编.北京：中国电力出版社，2006年1月.参考书肖增弘，徐丰.《汽轮机数字电液调节系统》.北京：中国电力出版社，2003年王爽心.《汽轮机数字电液调节系统》.北京：中国电力出版社，2004年4第一章汽轮机DEH系统概述学习目的了解汽轮机控制系统的总体要求、发展阶段，以及监视系统、调节系统、应力监控功能、保护系统、液压伺服系统、自启停控制系统等知识。学习内容第一节汽轮机控制系统的发展第二节汽轮机控制系统的内容5第一节汽轮机控制系统的发展一、汽轮机控制系统的总体要求为了保证供电质量，就必须保证电力系统的电压、频率的稳定。电力系统的频率直接取决于汽轮发电机的转速，一般要求汽轮发电机的转速稳定在额定转速附近很小的范围内，通常此范围为±(1.5~3.0)r/min。为此，汽轮机必须配备可靠的自动控制装置（系统）。6第一节汽轮机控制系统的发展二、汽轮机控制系统三个发展阶段（一）机械液压调节系统（MHC）1.直接调节系统调节阀动作所需的能量直接由调速器供给。7第一节汽轮机控制系统的发展调节阀动作所需的能量较大，一般需要将调速器的输出位移在能量上加以放大。2.间接调节系统8第一节汽轮机控制系统的发展以转速的偏差作为唯一的调节信号，调节过程中一个转速的变化对应一个负荷的变化，不能实现无差调节。机械液压调节系统（间接调节系统）9第一节汽轮机控制系统的发展（二）电液调节系统（EHC）采用功率、频率两个调节信号，有三种基本的调节回路：（1）转速调节回路（2）功率调节回路（3）功-频调节回路10第一节汽轮机控制系统的发展（三）数字式电液控制系统（DEH）早期(小型机)DEH-IIIA（新华控制工程有限公司）:西柏坡电厂、宝鸡电厂、太原第一热电厂等INFI-90（美国贝利公司）：广东韶关电厂、山西阳泉二电厂等OVATION（美国西屋公司）:山西古交电厂、华能榆社电厂等现在(分散控制系统,DCS)11第二节汽轮机控制系统的内容监视系统调节系统应力监控功能保护系统液压伺服系统自启停控制系统完善的汽轮机控制系统12第二节汽轮机控制系统的内容一、监视系统监视参数机械量（汽轮机转速、轴振动、轴承振动、转子轴位移、转子与汽缸的相对膨胀、汽缸热膨胀、主轴晃动度、油动机行程等）热工量（主蒸汽压力、主蒸汽温度、凝汽器真空、汽缸温度、润滑油压力、轴承温度等）数据采集系统（DataAcquisitionSystem,DAS）顺序控制系统保护系统调节系统限制条件保护条件控制条件13第二节汽轮机控制系统的内容二、调节系统转速控制、负荷控制、异常工况下的负荷限制、主汽压力控制以及阀门位置控制等。汽轮机调节系统的功能14第二节汽轮机控制系统的内容（一）转速控制转速控制可实现大范围的转速自动调节，使汽轮机转速从盘车转速逐渐升到并网前的转速。15第二节汽轮机控制系统的内容（二）负荷控制开始时间：汽轮机启动升速过程结束、机组已完成并网任务后。功能：通过开环或闭环工作方式去控制汽轮机发电机组的负荷。目标：使汽轮机实发功率达到功率给定值。当机组并网发电后，转速控制回路的转速偏差实际上反映的是电网实际频率与额定频率之差。当出现频差信号后，为了调节电网频率并使之维持在额定频率（50Hz）上，可将转速偏差根据汽轮机静态特性曲线转换为功率偏差，然后通过负荷回路去调节机组的实发功率，使机组参加一次调频。16第二节汽轮机控制系统的内容（三）异常工况下的负荷限制当发生工质参数越限或机组运行出现异常时，要求电液调节系统能够有效实现负荷限制的功能，以确保设备的安全。负荷限制功能（1）功率反馈限制（2）变负荷速率限制（3）主蒸汽压力限制（4）低真空限制（5）转速加速度限制（6）高压缸排汽温度限制（7）再热汽压过低限制17第二节汽轮机控制系统的内容（四）主蒸汽压力控制单元机组的负荷控制也相应有以上三种方式，其中后两种控制方式（汽轮机跟随锅炉方式和机炉协调方式）的汽轮机控制系统均引入机前压力信号，汽轮机不同程度地承担了调节主蒸汽压力的任务。所以，有的电液调节系统中设置了主蒸汽压力控制回路，根据机前压力的偏差由主蒸汽压力控制回路产生阀门开度指令，从中汽轮机调节阀的开度，达到调节主蒸汽压力的目的。单元机组的基本运行方式（1）锅炉跟随汽轮机方式(炉跟机)（2）汽轮机跟随锅炉方式(机跟炉)（3）机炉协调方式18第二节汽轮机控制系统的内容（五）阀门控制与管理1.汽轮机启动过程中的阀门控制（1）高压缸启动（2）中压缸启动2.阀门管理汽轮机高压缸有两种进汽方式，即节流调节的全周进汽和喷嘴调节的部分进汽。阀门管理是指对调节阀两种运行方式的选择和切换。节流调节全周进汽时，多个高压调节阀的启闭同步进行，像一个阀门一样，因此该进汽方式又称为单阀控制；喷嘴调节部分进汽时，前一个阀门开启到指定开度，后一个阀门才开始开启，该进汽方式又称为顺序阀控制。节流调节全周进汽可保证汽轮机升速和变负荷过程中转子均匀加热，减小转子的热应力。19第二节汽轮机控制系统的内容3.阀门在线试验为保证汽轮机故障时阀门能可靠关闭，电液调节系统应设置阀门在线试验功能，即在汽轮机带负荷情况下逐个关闭阀门，以检验其工作情况。4.阀门快关阀门快关是汽轮机参与维持电力系统动态稳定的一种技术措施。快关阀门控制信号通过两种渠道获取：①测取汽轮机输出功率与电负荷的不平衡值，当汽轮机功率超过发电机功率的数值达到发电机额定功率的30%时，电液调节系统即发出快关阀门的控制信号。汽轮机功率一般用中压排气压力表征。②测取汽轮机转子的加速度值或超速值（加速度值可用实际转速经微分运算后获得），当转速和加速度值达到设定值时，电液调节系统发出快关阀门信号。20第二节汽轮机控制系统的内容三、应力监控功能（一）热应力监控概述热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力。热应力和温度差值有关。当金属内部达到热平衡，各处温度均相同，热应力也随之消失。汽轮机在高温高压下工作，转子处于连续高速旋转状态。当汽轮机运行工况改变时，转子内部不仅存在一定的机械应力，同时也存在热应力。高压缸调节级在启动和负荷变化过程中的热应力最大，是热应力监视的重点部位。对于中间再热机组，中压缸进汽部分在启动和负荷变化时汽温变化也很大，同样是监视的重点。高压缸调节级和中压缸第一级处转子和汽缸都是热应力较大的部位，其中转子热应力是最危险的。21第二节汽轮机控制系统的内容为便于监视和控制应力，引用应力裕度系数K表征实际应力的相对值。应力裕度系数用下式计算：LLKL——材料在使用温度下的许用应力；——实际应力。应力裕度系数K表示在许用应力范围内还有多大裕量可供使用。K=1表示实际应力为0，该情况只出现在汽轮机停机且充分冷却时；K=0表示实际应力等于许用应力，无裕量可供使用；K0表示实际应力超过许用应力，这不允许。对转子应力裕度的监视可指导机组在最佳状态下运行，保证在汽轮机转子实际应力不超过许用应力的情况下以最大升速率升速和以最大的变负荷速率变负荷。一般，将应力裕度系数K限制在0~0.2之间为好。22第二节汽轮机控制系统的内容（二）转子热应力数学模型计算为简化计算，通常将汽轮机转子视为无限长的圆柱体，并且只计算圆柱体外表面和中心孔内表面的热应力。热应力的大小可以由温差dT来表征：dT=T1-Tm式中：T1为蒸汽接触的缸体表面温度；Tm为缸体50%深度处的平均温度。为限制热应力不超过允许限值，可通过限值温差不超过某一限值来实现。对于缸体和阀体，温差限值通过中间（平均）温度Tm的函数来设置，与升/降速度或升/降负荷相对应，形成允许上限温差dTpermu和允许下限温差dTperml两个限值。上限温度裕量ddTu=dTpermu-dT；下限温度裕量ddT1=dT-dTperml。23第二节汽轮机控制系统的内容（三）应力限制实际应力与允许应力的差值经过汽轮机自启停控制（TurbineAutomaticControl,TAC）转换器转换为转速或负荷目标值和升速率、变负荷速率，再经过DEH基本控制功能去控制汽轮机升速或变负荷，形成一个闭环控制过程。整个过程中要保证转子应力不超过允许应力值。24第二节汽轮机控制系统的内容四、保护系统功能：当汽轮机运行中出现危险情况时，迅速关闭所有进汽阀门，防止发生重大事故，保护汽轮机设备安全。组成部分•信号检测•跳闸逻辑•液压保护回路等25第二节汽轮机控制系统的内容对于重要的跳闸条件，为了提高保护的可靠性，可设置多路测量信号，通常进行“三取二”逻辑处理后，再判断是否故障和实施跳闸。“三取二”逻辑处理：是指开关量控制时的投票制，同一信号采三冗余信号进行表决，二个满足即认为条件满足。常用于保护回路。（一）汽轮机保护跳闸条件按照“故障-安全”的设计思想，汽轮机保护跳闸条件应比较完备。常见的条件有21条，但每一台机组并不是一定具备全部跳闸条件。26第二节汽轮机控制系统的内容（二）跳闸回路为了提高保护回路动作的可靠性，跳闸回路和重要跳闸条件通常采用冗余设置，跳闸电路处于导通状态并可实行在线试验。27第二节汽轮机控制系统的内容（三）保护系统结构两种结构：纯电路组成的电子保护系统；电路和机械液压装置联合组成的保护系统。28第二节汽轮机控制系统的内容五、液压伺服系统（一）供油系统目前汽轮机控制用油多采用高压抗燃油，取代原来使用的汽轮机油。电液调节系统供油压力多选用12~16MPa。29第二节汽轮机控制系统的内容（二）电液执行机构电液执行机构一般由液压缸（油动机）、阀位检测器、试验电磁阀和电液转换器等组成。大型机组一般需要10~12套执行机构，分别控制2个高压主汽阀、4~6个高压调节阀、2个中压主汽阀和2个中压调节阀。30第二节汽轮机控制系统的内容液压缸习惯上称为油动机，大都采用弹簧复位液压开启式结构，液压缸单侧进油，充油时阀门开启，开启行程大小取决于液压缸充油量。当液压缸泄油时，阀门借助弹簧的力量关闭。31第二节汽轮机控制系统的内容阀位检测器用来测量阀门行程，通常采用线性差动变压器（LinearityVariableDifferentialTransducers,LVDT）作为位移传感器。传感器采用冗余设置，两个位置传感器的输出经过大选器后送入阀位控制回路。△U32第二节汽轮机控制系统的内容电液转换器又称为电液伺服阀，用来将控制回路输出的电信号转换为液压信号，再经过放大后控制油动机去启闭阀门。33第二节汽轮机控制系统的内容六、自启停控制系统（一）自启停控制系统的功能汽轮机自启停系统（TurbineAutomaticControl,TAC）是一个大范围的控制系统，原则上应能自动完成汽轮机从启动准备开始直至带满负荷为止的全部操作。1.盘车阶段的控制功能TAC系统首先通过数据采集系统（DAS）系统检查所有测点和电源是否正常，润滑油箱油温、油位是否正常等。在盘车启动的所有设备均处于正常状态时，控制系统发出指令，通过润滑油系统去启动润滑油泵。润滑油压建立后，盘车控制系统启动顶轴油泵和盘车电动机，循环水控制系统向凝汽器提供冷却水。结果使汽轮机转子转速达到盘车转速。34第二节汽轮机控制系统的内容2.抽真空阶段的控制功能检查控制油系统、凝汽器系统、循环水系统，工况正常时发出启动凝结水泵指令。检查仪表用压缩空气系统、抽汽止回阀系统，正常时发出投入汽封系统指令，并开启各部位疏水门。检查汽封系统和疏水系统，全部正常时发出关闭真空破坏门及投入凝汽器真空系统指令。检查汽封系统、调节系统、保护系统和凝汽器真空系统，全部正常且凝汽器内已建立真空时发出