汽轮机调节保护系统

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1、第6章 汽轮机调节保护系统6.1 调节保护的任务与系统组成6.1.1供电品质与电网负荷频率控制(LFC)供电品质 电压、频率和波形同步发电机的特性 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转子运动方程与汽轮机调速第6章 汽轮机调节保护系统主动力矩：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

2、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6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成电网有功负荷变化的基本特征 第一类变化 幅度小、周期短， 具有随机性。幅度小于5%，秒 级。第二类变化 幅度较大、周期较 长，有一定可预测性。大于5% ，分级。第三类变化 幅度大、周期长， 由生产、生活和气象等节律引 起的。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成q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功频率率0f一 次 调 频二次调频1fPS

3、1PSq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6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成任务 高精度地控制机组的转速和功率输出，快速地响应电网的 负荷扰动，满足优良供电品质要求，保障机组安全和优化寿命 损耗，实现安全、经济运行。 原则性组成 机组运行中一旦从电网中解列、甩去全部电负荷， 汽轮机巨大的驱动力矩可使转子快速飞升，为防止超速毁机事 故发生，要求调节汽门在极短的时间内全行程关闭。在事故工 况下为有效切断汽轮机的蒸汽供给，还必须

4、设置主汽门，即使 调门关闭不快或关闭不严时，也能防止机组超速。此外，对低 真空、低润滑油压、大胀差、高振动等危及机组安全的恶性故 障，发生时必须快速停机。因此，汽轮机除设置调节系统外， 还设置保护系统。调节保护系统全称为控制系统。调节部分控 制调节汽门，保护部分控制主汽门，但在主汽门关闭时，保护 系统信号作用于调节系统，使调节汽门同时关闭。6.2 汽轮机调节系统及其特性6.2.1 汽轮机调节系统的组成6.2 汽轮机调节系统及其特性q对调节系统的要求 驱动功率大 惯性小，动作速度快 控制精度高 q系统组成 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 执行机构 驱动调节汽

5、门开度 配汽机构 油动机行程与蒸汽流量非线性校正 同步器及启动装置 启动、同步操作6.2 汽轮机调节系统及其特性q调节系统的种类 机械液压调节 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 转速测量、中间放大、反馈及配汽特 性非线性校正采用模拟电路，执行用液压伺服机构。系 统简单，控制精度较高，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 模拟测量、模数转换、数字控制、液压 伺服执行。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。6.2 汽轮机调节系统及其特性汽轮

6、机机械液压调节系统nNmz6.2.2 静态特性四方图与速度变动率6.2 汽轮机调节系统及其特性6.2 汽轮机调节系统及其特性q四方图 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。 II象限 转速感受特性转速与一次控制信号 III象限 中间放大特性一次控制信号与油动机行程 IV象限 配汽特性油动机行程与机组功率 I象限 调节系统静态特性功率与转速 速度变动率 速度变动率(又称不等率)，四方图中I象限 曲线的斜率。空负荷时最大转速与额定负荷下最小转速 差，与额定转速的比，称为速度变动率。 即6.2 汽轮机调节系统及其特性意义 单位转速变化所引起的汽轮机出力增减，

7、表示机 组参与电网一次调频能力。由静态特性线求得设置原则 速度变动率大的机组功率相对变化小；反之 ，机组功率相对变化大。对带基本负荷机组，一般为 5%。调频机组小些，但过小运行不稳，故一般不小于 3.0%。 对机械液压调节系统，响应速度较慢，速度变化率不宜 过大，机组甩负荷后容易引起超速。故一般不大于6% 。 小机组 对电网一次调频贡献有限，故取大些.大机组能力大,则贡献大,取小 点.6.2 汽轮机调节系统及其特性q局部速度变动率 因转速感受、中间放大及配汽机构均 存在非线性，故速度变动率呈非线性分布。此外，实 际中也需要不均匀分布。局部速度变动率q速度变动率的分布 低负荷(010%)处 机组

8、并网带初负荷时，为避免负 荷变化过大引起的热冲击，要求速度变动率大些 满负荷(90100%)处 避免过载，此区域内速度变动 率可取大些，但不超过整体速率变动率的3倍 合理分布 两端大、中间小且连续平滑变化 6.2 汽轮机调节系统及其特性6.2.3 同步器及行程范围q功能与作用 平移静态特性线求，单机运行时改变转速 ，并网运行时改变功率 q行程(控制)范围 上极限 保证调门达到最大开度，电网高周波、低参数 和高背压时带至额定负荷。向上一般为(d+2.0%)。通常 d5.0%，故上行程为7.0下极限 保证并网前有足够的操作空间，便于并网操作 ；此外，在高参数、电网低周波时能减负荷至零，向下 一般为

9、d，故下行程为5.06.2 汽轮机调节系统及其特性nNmz6.2 汽轮机调节系统及其特性6.2.4 滞缓率 q滞缓原因 动、静摩擦，旷动间隙，滑阀盖度，存在一 个死区。 nNmz死区6.2 汽轮机调节系统及其特性q滞缓率 调节系统上、下行程(即增、减负荷)特性线 上，最大转速偏差与额定转速的比 q滞缓与调节品质 滞缓是响应死区，单机时引起转速 漂移，并网时产生负荷波动q滞缓率限制 过大影响调节品质，过小频繁动作造成 部件磨损。一般要求：机械液压型，滞缓率不大于0.4% ；电液型，滞缓率不大于0.06%6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3.1 机械液压调节系统不足系统复杂 调节品质差 自控

10、水平低6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制E/HAGC一次调频要求功率要求开度实际开度转速6.3.2 电液控制原理与系统6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3.3 数字电液控制系统6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3.4 电液伺服执行机构6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制q电液伺服阀 电液转换器Flash电液伺服阀.exe6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制q快速卸载阀 溢流阀，快速关闭油动机6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3.5 控制原理&中间再热机组的调节q中间容积与功率调节动态特性 中间容积 汽轮

11、机蒸汽流程中，能存贮蒸汽的容积， 如蒸汽室、导汽管、再热器传热管及联箱等 动态滞后 压力决定中间容积中的贮汽量，又决定其 后通流部分的进汽量，产生类似于电容充、放电的动 态滞后效应 一次调频品质下降 再热器庞大的中间容积，时间常 数达数十秒，产生很大的时滞，不仅一次调频能力下 降，并且也危及机组的超速安全6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制q中间再热机组的调节特点 设置中压主汽门和调节汽门 甩负荷时，快速切断中 压缸的进汽；低负荷时，改变中压缸的进汽量，控制 再热汽温；为减小节流损失，机组负荷大于30后中 压调门保持护全开 高压调门过开或过关 用高压缸过增或过减出力补偿 再热器中间容积产生的时

12、滞，改善一次调频性能。 设置旁路系统 启、停时，有效控制再热汽温和再热 器的冷却；甩负荷时，防止锅炉超压、回收工质 机、炉协调控制 中间再热机组为单元机组6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制机跟炉 动态响应慢，一次调频品质差 炉跟机 动态响应快，蒸汽参数波动大，安全性差 机、炉协调 负荷指令同时作用于机、炉，在满足外 界负荷需求时，尽可能减小蒸汽参数波动。采用预测 控制等现代控制技术，由历史和当时负荷波动趋势预 测未来变化，通过提前改变燃料量作好负荷变化的准 备，增强一次调频能力，并使蒸汽参数波动控制在最 小范围内 6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制q功频

13、调节 原理 基于频率、功率反馈的调节优点 减少动态滞后，消除内扰，提高调节品质 不足 甩负荷时动态反调，不利用超速安全6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制q调节级压力反馈 原理 调节级后压力第一时间反映内扰，校正功率偏 差优点 提高克服内扰品质 不足 压力波动引起机组功率波动说明调节采用速度、功率、调级后压力调节的原因： 1、速度调节：由同步电机的特性，频率的变化 直接放映速度的变化。 2、功率调节：用于过调来弥补中间再热的滞后 性，及克服内扰。 3、调级后压力调节：与功率调节相近，其优点 是能提前感受功率的变化，反应快.6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制

14、6.2 汽轮机调节系统及其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。例：某设计人员设计汽轮机调节系统的速度变动率为5，同步 器的工作范围为56。总工程师审查认为，同步器的工作 设计还应考虑机组低参数时油动机行程增大20，以及电网周波 增大0.3Hz时机组仍能发出额定功率的要求。如果原调节系统的 转速感受和中间放大环节特性不变。试问：1。低参数工况下调节系统的速度变动率是多少？低参数时四方 图怎样变化？2。考虑低参数、高周波两种工况，同步器的工作范围和上、下 极

15、限应如何设计？解：(1) 低参数工况下，在油动机行程增大20时方能发出额定 功率。如果中间放大及转速感受环节为线性系统，则工作范围对6.2 汽轮机调节系统及其特性应增大20。即低参数工况下空负荷到满负荷对应的转速范围为 (1+20%)dn0。由速度变动率的定义可知，低参数工况下的速度变 动率为6。（2）在电网周波高于额定值0.3Hz时，仍能使油动机行程达到低 参数工况额定出力位置，则要求同步器能向上平移转速18rpm。 由速度变动率的定义折算可知，相当于同步器行程增大0.6%。（3）综合上述两项计算，既考虑低参数工况，又考虑高周波工 况，同步器的上行程至少为6.6%。下行程仍取5.0%，能满足

16、机 组启动要求。6.3 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6.3 汽轮机调节系统的动态特性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。 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