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1、第五章 汽轮机调节及保护系统第一节汽轮机调节的基本原理一、调节系统的基本任务由于交流电能不能大量储存，而用户的用电量随时都在变化，从而要求汽轮发电机组能随时根据用户的电量需要调节负荷的大小，以保证供电数量和供电质量。供电质量的标准是电压、频率。电压的高低除了与机组转速有关，还可通过发电机励磁电流的大小来调节，供电频率只取决于机组转速。在我国统一采用50Hz的供电频率。对于火力发电机一般采用一对磁极，频率与转速的关系为：f=n/60 式1 式中n为机组每分钟转速。在汽轮发电机正常工作时，转子上主要受到两个转矩的作用，见图51。一个是驱动转子转动的驱动力转矩，其值取决于蒸汽流量，进排汽参数。另一个
2、是作用于发电机转子上的制动力转矩，其值的大小取决于发电机电量的大小。当汽轮机的功率与发电机外界负荷相适应时，机组在额定转速下运行，称为稳定工况。当外界用电负荷增加时，若进入汽轮机的蒸汽流量不变，则制动力矩增大，而驱动转矩不变，从而驱动转矩小于制动转矩，机组转数下降。反之，外界用电负荷减小而汽轮机的进汽量未变，从而制动转矩小于驱动转矩，机组转数上升，使供电数量和质量均受到影响。汽轮机调节系统的任务就是根据外界负荷的变化及时调节汽轮机的功率，在保证供电数量满足需要的同时，维持机组转速在额定范围内，从而保证供电质量和机组安全。二、调节系统的组成机构汽轮机的调节系统，均可分成以下三个组成机构，即：1、
3、 转速感应机构。如小机的旋转阻尼、大机的磁阻发送器。它们的作用是感应汽轮机转速的改变，并将其转换成其他物理信号。其输入的是转速变化信号，输出都是油压或电信号。2、 传动放大机构。如伺服阀、油动机等，它们的作用是进行信号的传递、转换、放大及信号的反馈。其输入信号为感应机构的输出信号；输出信号为油动机的位移。3、 执行机构是指调节汽阀及其与油动机活塞间的连接装置，它们的作用是调整进入汽轮机的蒸汽流量，以适宜外界负荷的变化要求。其输入信号为油动机的位移信号，输出信号为调节汽阀的开度变化量。三、调节系统静态特性在稳定工况下，汽轮机功率与转速之间的对应关系称为调节系统的静态特性，如图52所示。它由转速感
4、应机构、传动放大机构、执行机构的静态特性决定。1、速度变动率和迟缓率根据调节系统的静态特性，在稳定状态下，汽轮机空负荷时转速nmax 差值与额定转速n 相比值称为调节系统的速度变功率，即（nmax nmin ）100%/n 。速度变动率对汽轮机运行有较大的影响，速度变动率过小时，调节系统表现过于灵敏，电网频率的较小变化，便可使机组负荷产生较大的变化，机组运行稳定性差，反之，速度变动率大，调节系统工作稳定，但机组甩负荷动态性能差。由于调节系统的各机构中存在着摩擦、间隙等使调节系统的动作出现迟缓。在同一功率下，转速上升过程的静态特性曲线与转速下降过程中的静态特性曲线之间的转速差与额定转速之比的百分
5、数称为调节系统的迟缓率，即=n/n0100%。迟缓率的存在延长了调节系统的动作时间，对机组运行十分不利，一般要求迟缓率不超过0.2。2、一次调频和二次调频在电网并列运行的机组当外界负荷变化引起电网频率改变时，网内各运行机组的调节系统将根据各自的静态特性改变机组的功率，以适应外界负荷变化的需要，这种由调节系统自动调节功率，以减小电网频率改变幅度的方法，称为一次调频。如图53所示的两个机组，其速度变动率分别为和 ，且 。当外界负荷增加p时，网内两台机组的转速都由 n 降低了n，两机组按各自的静态特性动作。号机功率增加了p1，号机功率增加了p，且p1p p满足了外界负荷的需要。这说明：在电网负荷变动
6、时，速度变动率越大的机组，负荷变化越小，速度变动率越小的机组，负荷变化越大。同时我们不难看出经过一次调频后，虽然满足了外界负荷的需要，但机组的工作转速却发生了变化，即供电质量变差，这也就产生了一次调频基础上的二次调频。即在负荷不变的情况下，通过平移静态特性曲线使机组的转速工作于额定转速，以保证电网频率不变，同时还可实现负荷的重新分配。如图53二次调频是当经过一次调频后，号机工作于状态点，号机工作于状态点，它们的工作转速n1 都低于额定转速n。此时进行二次调频，将号机的静态特性曲线平移到aa，使号机调门开大，功率增加p ，转速上升至n，电网频率升至f ， 号机随着电网频率的升高，又进行了一次调频
7、，使功率减小了p，也就说明这时号机承担了全部负荷的变化，并使电网频率恢复至额定值。通过以上的分析我们可以看出，一次调频是一种有差调节，不能维持电网频率不变，只能缓和电网频率的改变程度。所以我们增减某些机组的负荷，以恢复电网的频率，这一过程称为二次调频。二次调频的实现方法有以下两种：1）电网调频由中心调度所调度员根据负荷潮流及电网频率，给各厂下达负荷调整命令，由各发电单位进行调整，实现全网的二次调频。2）采用自动控制系统（AGC），由计算机（电脑调度员）对各厂机组进行遥控，来实现调频全过程，参与该系统的各机组必须具有几路协调控制系统。四、调节系统动态特性当受到某种扰动时，调节系统的稳定状态被打破
8、，经过调整后到另一个状态下稳定下来，不同的调节系统从一个稳态到另一个稳态的过渡过程和时间都不相同。将调节系统从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态过程中所呈现的特性，称为调节系统的动态特性。动态过程中汽轮机转速与时间的关系曲线，称为调节系统动态特性曲线。1、动态性能品质指标调节系统动态性能品质好坏主要依据以下三个指标：）稳定性当运行机组在受到干扰而离开平衡状态后，经过调节系统调整能够回到新的原来的平衡状态，则认为调节系统是动态稳定的。图54为汽轮机甩全负荷时，具有不同动态性能的调节系统转速随时间变化的动态过程线，图A的三条动态过程线，其转速最终都能稳定于n1=(1+)no，为稳定的调节系统。图B的
9、三条动态过程线，其转速随时间的增大，或沿着做不衰减的谐振（曲线4），或转速振动幅度随时间增大（曲线5），或甩负荷后转速一直上升（曲线6），这些过程为不稳定的动态过程，其调节系统为不稳定调节系统。）超调量在机组甩负荷过程中，最高转数与最后稳定转速之差，称为转速的超调量。 nmaxnmaxn1nmax（1）n0汽轮机甩负荷后的最高转速nmax应低于超速保护装置的动作转速，且留有3左右的裕度。显然甩全荷时最高转速越低动态性能品质越好。）过渡时间调节系统受到扰动后，从原稳定状态过渡到新的稳定状态所需时间称为过渡时间。显然过渡时间越短，动态性能品质越好。2、影响动态特性的主要因素1） 速度变动率速度变动
10、率越小，机组甩负荷时的最高转速越低，但超调量却随着速度变动率的减小而增大，使甩负荷后转速波动的次数增多，衰减变慢，稳定性变差。因此，要求速度变动率在36。2） 迟缓率迟缓率对调节系统有着不利的影响。迟缓率增大，使调节系统从接收到变化信号到调节汽门开始动作的过渡时间增长，从而使超调量增加，转速振荡次数增多，衰减变慢，严重时会造成不稳定振荡。因此，无论从静态特性还是动态特性的角度来看，调节系统的迟缓率都是越小越好。3） 油动机时间常数油动机时间常数是指油动机在最大进油的条件下，从全开到全关所需要的时间。这个时间越短，表明油动机动作越迅速，使超调量越小，调节系统的稳定越好，动态性能品质也越好。4）
11、转子飞升时间常数转子飞升时间常数是指转子在额定功率时的蒸汽主力矩作用下，转速由零升至额定转速所需要的时间，转子飞升时间越小说明转子越容易加速，甩负荷时越容易超速。随着机组容量的不断增加，转子在额定功率时的蒸汽主力矩成几倍或几十倍增加，而转子的转动惯量却增加不多，使得转子的飞升时间常数越来越小，机组甩负荷后超速的可能性增大，对调节系统的要求也越来越高。我们现在所运用的DEH调节系统增设了103超速保护功能，利用甩负荷时的加速度信号，暂时关闭高中压调节汽阀，以避免超速，待转速降低至额定值附近时再开启，维持汽机空转。5） 中间体积时间常数汽轮机的中间体积是指调节汽阀到末级通流部分、中间抽汽管道、中间再热器及其管道等存留蒸汽的空间 。中间体积时间常数是指蒸汽在额定流量下，充满中间体积所需要的时间。显然中间体积时间常数正比于中间体积。当机组甩负荷后，调节汽阀快速关闭，但中间体积内滞留的蒸汽仍将在汽轮机内流动作功，使汽轮机转速飞升，并使动态超调量增大。中间体积时间常数越大，对调节系统的动态品质影响也越大。因此要尽量减小中间体积时间常数。例如：抽汽逆止阀尽量靠近汽缸，装设中压调门等。
