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1、第六章 汽轮机调节保护系统本章 概要介绍汽轮机调节保护的任务、系统的基本组成和不同类型调节保 护系统的特点，着重分析汽轮机调节系统动、静态特性对机组功率、转速的调节 性能和安全、稳定运行的影响，以汽轮机调节保护系统的典型部件为例，介绍调 节保护系统各环节的工作原理和静态特性计算。第一节 汽轮机调节保护系统的任务和系统组成一、汽轮机调节保护系统的任务汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合 数量和供电品质（电压与频率）要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电 机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率（或 称周波）决定于有功功率，即决定于原动
2、机的驱动功率。因此，电网的电压调节 归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行 时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电 机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速 为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量 与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。 目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度 的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系 统的特性分担这
3、部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而 速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制（AFC）装置来分配调频机组的负 荷，这一调节过程称为二次调频。然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行 中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工 况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供 电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之 为内扰。为抵御机组内扰的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制 信号，在发生内扰时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调 节转速，又调节
4、功率的调节系统称之为功（率）频（率）调节系统。汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱 动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的 驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机 的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。此外， 机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障。 因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外， 还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下，保护系统快速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽
5、轮机的蒸汽供给，使机组快速停机。汽轮机调节保护系统的原理性结构如图 6-1 所示。图 6-1 汽轮机调节保护系统原理性框图综合上述，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的 进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允 许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转 或快速停机。二、中间再热汽轮机调节保护系统的特点再热器的蒸汽管、传热管及联箱等是个很大的蒸汽容积空间，其间贮存的蒸 汽量决定于再热器蒸汽的温度和压力。由第三章已知，在非设计工况下，中、低 压缸的功率与再热器的蒸汽压力呈一定的比例关系，这样对应于不同的机组功 率，贮存
6、于再热器中的蒸汽量是不等的。在机组功率变化过程中，因再热器内蒸 汽压力变化导致贮汽量的改变，产生的蒸汽吸蓄或泄放效应，使中低压缸的功率 变化滞后于高压缸。如图6-2(a)所示，在机组功率增大时，增大高压缸的进汽 量，高压缸的功率输出近似于阶跃增大，并且因再热器的压力较低，高压缸的功 率还有一定的过增量。同时，高压缸的排汽进入再热器内时，部分增大的蒸汽量 滞留在再热器中，以提升再热器的蒸汽压力，使中低压缸的功率缓慢增大。只有 当再热器的蒸汽压力达到新工况稳定状态时，才能使高压缸的排汽量与中压缸的 进汽量相等。相反，在机组功率下降时，高压缸进汽量减少，使再热器蒸汽压力 下降，再热器泄放出部分贮汽，
7、使得中压缸的进汽量大于高压缸。再热器的时滞效应降低了机组快速响应外界负荷变化的一次调频能力，因为 中、低压缸的功率约占整机功率的70%。图6-2(a)中阴影部分表示了负荷调节 过渡过程中机组功率不能满足外界要求的大小，在甩负荷危急工况下，再热器中贮存的大量蒸汽，如在中低压缸中继续膨胀作功，可使机组的飞升转速达额定转 速的 40，严重危及着机组的运行安全。中间再热机组为单元制机组，锅炉的蓄热相对减少，特别是直流锅炉。传统 的锅炉跟随汽轮机的运行方式，利用锅炉金属蓄热释放满足汽轮机的流量要求， 势必引起锅炉运行参数的较大波动，严重时造成参数超限，危及机、炉的安全。 再热器通常布置于锅炉的高温烟道区
8、，在机组启、停过程中必须有足够的蒸汽来 冷却再热器，防止再热器传热管烧损。但在机组启动过程中，再热器的冷却蒸汽 量和锅炉低负荷稳燃的产汽量远大于汽轮机的空载流量，因此机组的升速、带负 荷与再热器的冷却间有很大矛盾。图 6-2 再热器的时滞效应与高压缸过调为增强中间再热机组的一次调频能力，保护事故工况下机组的安全，提高机 组启、停操作的灵活性和安全可靠性，在中间再热汽轮机调节系统中，设置动态 校正器。在机组功率增大或减小时，通过高压调节汽门的过开或过关，由高压缸 功率的过增或过减补偿再热器产生的时滞效应，使机组功率与外界要求保持一 致。在中压缸进口处，设置中压主汽门和中压调节汽门，在危急事故工况
9、下，快 速切断中压缸的进汽，避免再热器蒸汽进入中低压缸造成机组转速恶性飞升。另 一方面，在机组启、停过程中，由中压调节汽门控制再热汽温，使中压缸的进汽 与中压缸转子及汽缸的热状态得到良好的匹配。为减小中压调节汽门产生的节流 损失，中压调节汽门通常在机组负荷大于 30时保持全开。餌护主指令_ _ ,图 6-3 汽轮机、锅炉协调控制为使中间再热机组在负荷变化时，既能利用锅炉金属的蓄热满足快速响应外 界电负荷的要求，又能通过改变调节汽门的开度使主蒸汽压力的波动在允许的范 围之内，从而要求机炉采用协调控制方式。机炉协调控制的流程图如图 6-3 所示。为改善中间再热机组的启动特性，加快机组的启动速度，回
10、收启动过程中的 工质和热量，以及在机组甩负荷工况下保护锅炉的安全，在中间再热汽轮机的蒸 汽系统中设有高、低压旁路系统和大旁路系统。高压旁路系统是将来自锅炉过热 器的新蒸汽通过减温、减压器排至冷再热器蒸汽管，低压旁路系统是将再热新蒸 汽经减温、减压器排至凝汽器，大旁路系统则是将新蒸汽经减温、减压器直接排 至凝汽器。在机组启、停过程中，通过操作高、低压旁路调节阀和中压调节汽门， 控制再热蒸汽温度和再热器的冷却。在甩负荷工况下，由旁路系统控制锅炉过热 器及再热器的压力，避免锅炉安全阀动作，使机组故障排除后尽快恢复运行。中 间再热汽的旁路系统及高、中压主汽门与调节汽门的布置如图 6-4 所示。再憩器高
11、压主汽门高压缸压主疙门高压调 节汽门中压卞汽门 :中压调凝汽器9低压旁路Lg中压调节汽门 中压主疙门图 6-4 中间再热机组的旁路系统及主汽门、调节汽门布置三、汽轮机调节系统的基本组成和种类汽轮机调节系统的原理性构成如图 6-5 所示。转速感受机构是将转子的转速 信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目 标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中 间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置； 配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传 递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线
12、性关系；同步器作用于中 间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并 网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步 器动作转速。图 6-5 汽轮机调节保护系统原理性框图由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为 满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较 快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在 极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯 性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求， 故汽轮机调节保护系统总是
13、以油动机（即液压伺服马达）为调节汽门和主汽门的 执行机构。汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分 为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。图 6-6 原型性机械液压调节系统1. 机械液压调节系统机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀 作功率放大，其原理性系统如图 6-6 所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环 的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中 位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节 汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居 中位
14、置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑 阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要 求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调 节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液 压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因 机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调 速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、 节流等多种运行方式的灵活切换。2. 模拟电液调节系统模拟电液调节系统是基于模拟电路的连续控制调节系统
15、，它将电子技术与液 压控制技术有机地结合在一起，综合了电子元件检测灵敏、精度高、线性好、迟 缓小、传输速度快、调整方便、能实现复杂调节规律，以及液压元件驱动功率大、 惯性小的优点。检测、运算采用电子元件，执行机构为液压部件，两者中介的核 心部件是电液伺服阀(俗称电液转换器)。汽轮机的转速和功率经传感器或变送器 转变为电信号，经电子线路放大、运算，产生油动机行程的控制信号，输到PID(比 例、积分和微分)凋节回路，然后经模拟电路功率放大作用于电液转换器，产生 控制油动机行程的液压信号，经中间放大后使油动机按调节指令动作。模拟电液 调节系统原理性框图如图 6-7 所示，系统中设有转速调节回路、功率
16、调节回路和 功-频调节回路，在机组单机运行时控制转速；并网非调频工况时调节机组功率； 并网调频运行时实现功-频调节，克服内扰和再热器中间容积时滞效应的影响。 功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)。蒸汽压力输入可实现 机炉协调控制。模拟电液调节系统的控制功能和调节品质较机械液压调节系统有 了很大的提高，改善了调节系统的甩负荷动态特性，增强了机组运行的安全性。图 6-7 汽轮机模拟电液调节系统框图3. 数字电液控制系统数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System,简称 DEH) 是以计算机替代模拟电液调节系统中控制运算的模拟电路，发挥计算机控制运 算、逻辑判断与处理能力强及软件组态灵活、方便的优势，将汽轮机运行的状态 监测、顺序控制、调节和保护融
