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1、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,
2、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 从启动准备到带满负荷或从正常运行到停机 整个过程汽轮机全部实现自动控制。 汽轮机控制系统都设有ATC（Automation Turb
3、ine 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 早期的汽轮机控制系统采用液压调速器，汽轮机 控制系统相对独立。 20世纪60年代末期出现了在液压控制基础上增加 发电机组功率控制功能的电液控制系统。 目前汽轮机控制系统广泛采用数字电液控制（ Digital Electro-Hydraulic Control， DEH ）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 Cont
4、rol 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 PT 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
5、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 PE 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 负荷扰动 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
6、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 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 负荷扰动 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
7、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 0V 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 T0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
8、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
9、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
10、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）。 单阀方式是将所有调节阀同时开大或关小 来调节负荷，这种方式为全周进汽方式， 该进汽方法可减少机组的热应力，但节流 损失大，对机组经济性是不利的。在机组 冷态启动或变负荷过程中希望选用这种方 式，因为这样能使汽轮机高压缸第一级汽 室的温度变化比较均匀，使汽轮机转动部 分与静止部分之间的温差减少，因而使调 频机组能承受更大的负荷变化率。 顺序阀方式是随着机组负荷的增加（减少 ）逐个开启（关闭）调节阀，开启阀门的 总数是随负荷变化而变化的，负荷增开启 阀门的总数也增，即实现喷嘴调节，这种 方式为部分进
11、汽方式。该进汽方式可减少 节流损失，因而使机组有较高的热效率， 但机组受热不均，热应力大，这种方式适 于定压运行或额定负荷工况。由于这种方 式可能存在金属受热不均和叶片受到冲击 产生应力，而使机组变负荷速度受到限制 。 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
12、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
13、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
14、设定边界条件： 满足该边界条件的最简单解是 式中：kSIN为单阀系数；kSEQ为顺序阀系数。 当阀门处于单阀方式时： kSIN =1, kSEQ=0 当阀门处于顺序阀方式时： kSIN =0, kSEQ=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 f2(x) 阀门试验值 总流量需求值 单阀系数k SIN GV1单阀开度L1SINGV1顺序阀开度L1SEQ 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=L1SINkSIN+L1SEQkSEQ 控制偏差大
15、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kSIN 1 1 & 汽轮机复位 & 阀转换在进行 1 0.00167 1 顺序阀系数kSEQ 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 T10% 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
