6.汽轮机调节系统

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1、6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成q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。 1.负荷调节： 外界负荷 电网频率 机组转速 一次调频 同步器动作 调节阀动作 锅炉协调动作 转速恢复 与外界平衡 6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成2.功率频率调节 对于单元制中间再热机组，因有中间热容存在。 外扰 机组负荷变化 锅炉出口压力 造成“内扰” 蒸汽压力的变化将影响蒸汽的作功能力，使蒸汽流量和机组功率之间的比例关系受到影响， 也就是说，1kg蒸汽作功能力产生变化。 即：同样的转速变化得不到相应的功率变

2、化，不能适应外界负荷变化的要求。这样，机组转速仍将继续变化，易引起电网频率和调节系统的不稳定。 引入功率大反馈，即功率偏差信号，对机组功率和转速（频率）的调节。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成 3.安全保护系统 a.甩负荷保护: 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。 b.恶性故障保护： 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。 调节保护

3、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。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成第6章 汽轮机调节保护系统6.1.1供电品质与电网有功功率与频率的调整q供电品质 发电厂的任务是向用户提供品质优良的电能。 电能的品质是电压、频率和波形。q同步发电机的特性 同步发电机的端电压决定于无功功率，频率决定于有功功率。无功功率决定于励磁，有功功率决定于原动机的功率。 故电网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。第6章 汽轮机调节保护系统q转子运动方程与汽轮机调速第6章 汽轮机调节保护系统 为什么叫调速系统

4、？ 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。第6章 汽轮机调节保护系统q电网有功负荷变化的基本特征 电网有功负荷随人们生活、工作节律而变。基本特征是以24小时为周期的大幅、慢变上迭加随机、小幅、快变波动。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。第6章 汽轮机调节

5、保护系统q频率一次调整 利用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，维持同步区域发电输出与电网负荷平衡。这样的调节过程称为一次调频。 一次调频为有差调节，汽轮机功率的改变量正比于频率偏差。很明显，一次调频后满足了外界负荷要求，但并不能保持电网频率不变。第6章 汽轮机调节保护系统q频率二次调整 变化周期较长、变动幅度较大，有一定可预测性。为在电网一次频率调整后，消除频率偏差，通过调频机组或调频电厂，平移调节系统静态特性线，改变调频机组的输出功率，补偿电网负荷的静态频率特性产生的功率变化，使电网频率维持在额定值。调频器来调整。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成6.1.

6、2 中间再热机组调节的特点q蒸汽容积动态特性对调节品质和影响 1.中间容积的存在： 蒸汽室、蒸汽导管、再热器传热管及联箱等具有容积的空间，在机组运行时其间充满蒸汽，贮汽量决定于蒸汽的压力和温度。 称这样的蒸汽容积为：中间容积与电路中的电容等价。 6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成 2.功率调节产生时滞： 当要求机组负荷增大时，开大调门增大通流部分的进汽量，增大的蒸汽量先充向中间容积，使之贮汽量增多来提高中间容积的压力，随后通流部分蒸汽量增多，机组出力增大。当中间容积的压力与达到新工况平衡点时，通流部分出力达到预定值。反之，在机组负荷下降时，关小调节汽门，机组功率并不立即减小，而是待中间容积

7、释放贮汽、压力下降后逐渐减小。 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3.安全危害： a.机组一次调频能力下降，而且对机组运行安全产生威胁， b.在机组甩负荷,再热器中间容积释放出的蒸汽,足使机组严重超速40。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q中间再热机组采取的调节措施v设置中压调节汽门 1.在机组甩负荷时快速切断中压缸的进汽。 2.在低负荷时，改变中压缸的进汽量，控制再热汽温。 3.当机组负荷大于30，中压调门全开,减小节流损失 。v高压调门过开或过关 设置动态校正器，通过高压调门的过开或过关，用高压缸过增或过

8、减出力补偿再热器中间容积产生的时滞，改善机组的一次调频性能。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成v设置旁路系统 为在机组启、停时有效控制再热汽温和再热器的冷却，设置高压缸及中低压缸旁路系统。 为在机组甩负荷时防止锅炉超压、回收工质，设置机组大旁路系统。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v机组采用协调控制 1.中间再热机组为单元机组，一次调频主要利用锅炉金属材料的蓄热。 2.大型锅炉特别是直流锅炉，蓄热量较中小型来得小。这样，在机组参与一次调频时，蒸汽参数波动较大，不利于机组的运行安全和使用寿命。 在机组负荷改变时，不仅改变调门开度，还应改变锅炉的燃料

9、量，在满足外界负荷需求时，尽可能减小蒸汽参数波动。 6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成3.利用现代控制技术，采用预测控制，根据历史和当时负荷波动趋势，预测负荷变化，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，提高机组运行的经济性和安全性。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6.1.3 汽轮机调节系统的基本组成q调节系统基本组成v转速感受机构 转子转速转变为一次控制信号v中间放大机构 中间功率放大v油动机 执行机构v配汽机构 油动机行程与蒸汽流量非线性校正机构v同步器 单机时改变机组转速和并网时改变机组功率

10、v启动装置 启动冲转、提升转速至同步器动作转速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q调节系统的种类v机械液压调节（MHC:mechanical hydraulic control ) 系统由纯机械(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。如图所示，这种系统的控制器是由机械元件组成的，执行器是由液压元件组成的。 机械液压调节系统 1.通常只具有窄范围的闭环转速调节功能和超速跳闸功能； 2.且系统的响应速度较低由于机械间隙引起的迟缓率较大； 3.静态特性是固定的，不能根据要求任意改变； 4.可靠性

11、较高； 5.能满足机组运行的基本要求，至今仍在使用； 6.配汽机构为固定机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的切换。 机械液压调节特点6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成v模拟电液调节(AEH analog electric hydraulic control) 转速感受器将转速信号转变为模拟电信号，中间放大及配汽特性的非线性校正采用模拟电路，控制信号与油动机行程反馈信号差动后经功率伺服放大输入到电液转换器(或称电液伺服阀)，控制油动机的行程。系统得到简化，控制精度得到提高，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。6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成6.1 汽轮机

12、调节保护的任务与系统组成 转速信号：转速感受器产生的转速脉冲，经计算机脉冲计数器计数后， 功率等信号：由A/D转换变为数字信号。 中间放大及配汽：非线性校正几各种复杂控制算法由软件实现。 特点：系统简单，控制精度高，可靠性强，维修方便，自动控制水平高。v数字电液调节（DEH digital electric hydraulic control）6.2 汽轮机调节系统的静态特性 6.2 汽轮机调节系统的静态特性 6.2.1 汽轮机调节系统静态特性的四方图汽轮机调节系统静态特性的四方图q四方图 完整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。四方图对机械液压、模拟

13、电液、数字电液调节系统均适用，但表述方式有所不同。vII象限 转速感受特性转速与一次控制信号关系vIII象限 中间放大特性一次控制信号与油动机行程关系vIV象限 配汽特性油动机行程与机组功率关系vI象限 调节系统静态特性功率与转速关系6.2 汽轮机调节系统的静态特性6.2 汽轮机调节系统的静态特性q速度变动率 速度变动率，又称速度不等率，用来描述四方图中I象限曲线的斜率。汽轮机空负荷时所对应的最大转速与额定负荷下所对应的最小转速差，与额定转速的比，称为速度变动率。 即 1.描述了单位转速变化所引起的汽轮机出力的增减。 2.并网时，各机组因调节系统速度变动率的不同，产生的功率相对改变是不同的。利

14、用静态特性线斜率与速度变动率的关系求得: 6.2 汽轮机调节系统的静态特性6.2 汽轮机调节系统的静态特性 3.在电网频率变化相同情况下，的机组功率相对变化就小。反之，小的机组功率相对变化就大。 4.增强机组一次调频能力，应取得小些。 5.带基本负荷机组， 应取大些。 6.一般速度变动率为5%。 7. 不小于3.0%，过小的不利于机组稳定运行，电网频率稍有变化就会使汽轮机产生较大的功率改变。 8. 不宜过大，对机械液压调节系统 ，在机组甩负荷时，过大的速度变化率使调节系统的响应速度减慢，有可能引起超速。 9.一般大于6%，甩负荷后稳定转速过高，也不利于机组的安全。6.2 汽轮机调节系统的静态特

15、性q局部速度变动率 实际的调节系统，因转速感受和中间放大及配汽机构均存在非线性，这样，在整个调节范围内，速度变动率并不是常数。另一方面，从实际运行方面，也不希望速度变动率均匀分布。按速度变动率的定义推广得局部速度变动率q速度变动率的分布 v低负荷(010%)处 机组并网带初负荷时，为避免负荷过大变化引起的热冲击，希望低负荷处速度变动率大些。这样，并网带初负荷时，即使电网频率有较大波动，也不会引起负荷大的波动。v满负荷(90100%)处 由于机组的过负荷能力是有限的，一般不希望机组过大超负荷，故在此区域内速度变动率可取得大些，但不超过整体速率变动率的3倍。v速度变动率的合理分布 两端大、中间小且

16、连续平滑变化。 6.2 汽轮机调节系统的静态特性合理的静态持性曲线6.2 汽轮机调节系统的静态特性q滞缓率 由于动、静部件间存在摩擦，传动机械间存在旷动间隙，滑阀凸肩与油口间存在盖度。这些非线性因素的存在，使得调节系统上、下行程特性线不重合，将此现象称为滞缓。 定义：调节系统上、下行程(即增、减负荷)特性线上，相同功率处转速偏差与额定转速的比，称为调节系统的滞缓率。 即： 6.2 汽轮机调节系统的静态特性对调节系统的影响： 1.滞缓率对机组调节品质和运行稳定性产生不良影响。 2.滞缓是响应的死区，单机运行时产生转速漂移； 3.并网运行时产生负荷波动； 4.功率的晃动： 5.对机械液压调节系统，

17、要求滞缓率小于0.6%； 6.对电液调节系统，要求滞缓率不大于0.2%。 7.波动在大小不仅与滞缓率有关，而且反比于速度变动率； 8.不能完全没有滞缓，在数字电液控制系统中，设置一定大小的死区，避免控制系统过度频繁动作造成部件磨损。6.2 汽轮机调节系统的静态特性调节系统迟缓的产生6.2 汽轮机调节系统的静态特性6.2 汽轮机调节系统的静态特性迟缓在四方图上的表示6.2 汽轮机调节系统的静态特性q同步器与静态特性线平移v同步器的作用 同步器为用于平移静态特性线的装置，单机运行时改变转速，并网运行时改变功率。 1.静态特性线表明，机组不同功率下所对应的转速是不等的。 2.一次调频在满足外界负荷要

18、求时，并不能满足频率要求。 3.为在单机运行时既满足负荷需求，对能使频率达到额定值，必须平移特性线。 4.机组并网运行时，机组的转速决定于电网的频率，在转速一定时，要改变机组出力，必须移动静态特性线。 6.2 汽轮机调节系统的静态特性单机运行时同步器的作用负荷改变而转速不变6.2 汽轮机调节系统的静态特性并列运行时同步器的作用电网总负荷不变6.2 汽轮机调节系统的静态特性v同步器的工作范围上极限 机组达到电网同步转速后，由同步器操作由空负荷带至满负荷，静态特性线向上移动的范围至少为d；如果考虑机组低参数时仍能达到额定出力，即油动机及调门过开，向上的范围则要求更大；电网高周波运行时，同步器向上操

19、作的范围加大。因此，对速度变动率为5%的调节系统，上极限一般为7。下极限 机组启动过程中在达到同步器动作转速后，由操作同步器使机组达到额定转速。为便于并网操作，应留有足够的转速空间。此外，考虑机组高参数、电网低周波工况，要求同步器能并网操作，故对速度变动率为5的调节系统，下极限一般为5。6.2 汽轮机调节系统的静态特性同步器的调节范围AA-BB保证机组在额定转速、正常参数下能带满负荷CC-电网周波低时能带空负荷或并网DD-蒸汽参数高时能带空负荷或并网EE-电网周波高时能带満负荷FF-蒸汽参数低时能带満负荷6.2 汽轮机调节系统的静态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

20、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。 6.2 汽轮机调节系统的静态特性例：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、下极限应如何设计？6.2 汽轮机调节系统的静态特性解： (1) 低参

21、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。6.2 汽轮机调节系统的静态特性 （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%，能满足机组启动要求。6.3 汽轮机调节系

22、统的动态特性6.3 汽轮机调节系统的动态特性q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。6.3 汽轮机调节系统的动态特性6.3 汽轮机调节系统的动态特性q动态特性描述v稳定

23、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。由系统的传递函数求零、极点计算判别系统是否稳定。v动态超调量 在调节动态过程中，动态最大超调量与稳定值的差，与稳定值的比。对汽轮机调节系统，机组甩负荷后最高飞升转速与稳定转速的差，和稳定转速的比值。v静态偏差值 甩负荷后的稳定值与额定转速的差。机组甩不同负荷时，稳定转速是不同的。 6.3 汽轮机调节系统的动态特性6.3 汽轮机调节系统的动态特性v过渡过程调整时间T 一般=5% ，即=5%n0 从响应扰动到基本达到稳定值所经历的时间为过渡过程调整时间。一般要求过渡过程时间尽可能短。 一般数秒至数十秒，不超过1 min。6.3 汽轮机调节

24、系统的动态特性q影响甩负荷动态特性的因素v转子动态方程 在机组甩负荷阶跃扰动下，转速快速飞升，调节系统感受转速变化关闭调节汽门，切断汽轮机的蒸汽供给，蒸汽驱动力矩减小，转子飞升速率下降，在调节汽门关闭一定时间后，转子转速达到最大值，然后转速开始下降。最高飞升转速由下式估算： 6.3 汽轮机调节系统的动态特性Pg1806.3 汽轮机调节系统的动态特性6.3 汽轮机调节系统的动态特性v影响甩负荷最高飞升转速的本体因素转子时间常数 影响转子Ta的主要因素： 1.机组转子的转动惯量J及汽轮机的额定转矩MT0 ，J越小， MT0越大，则Ta越小，机组越容易加速。 2.机组容量越大， MT0成倍或成十倍地

25、增加但J增加不多， Ta越来越小。 例如：中压机组Ta约为1114s，高压机组的约为7l0 s，中间热机组的仅有5一8s。所以，机组功率越大，超速的可能性也越大，甩负荷后动态超速的控制越来越困难。6.3 汽轮机调节系统的动态特性蒸汽中间容积 ： 蒸汽中间容积越大，贮存的蒸汽就越多，甩负荷后剩余蒸汽力矩就越大，转速飞升就越高。大机组蒸汽导管的存在，中间容积大于小型机组，特别是中间再热器，因此，为抑制甩负荷工况下转速过度飞升，油动机的关闭速度的要求就越高。6.3 汽轮机调节系统的动态特性v影响甩负荷最高飞升转速的调节系统因素油动机的时间常数 油动机的时间常数越大，则关闭时间就越长，甩负荷后进入汽轮

26、机的剩余蒸汽量就越多，飞升转速就越高。因此，对大型机组，一般要求甩负荷工况下油动机全行程关闭时间小于0.2s。迟缓率 迟缓率越大，甩负荷后调节系统响应的时滞就越大，油动机关闭滞后，引起汽轮机剩余蒸汽量增多，转速飞升加大。因此，尽可能减小迟缓率。速度变化率 速率变化率越大，甩负荷后稳定转速就越高，在超调量相同时，最高飞升转速就越大。6.3 汽轮机调节系统的动态特性图中：n1 n2 n36.4 汽轮机液压调节系统一、转速感受机构： 1.高速弹性调速器 高速弹性调速器的结构如图6-19所示，它是由重锤、弹簧板、弹簧和调速块等组成。 该调速器安装于汽轮机转子的前端。 由于重锤的回转半径远大于弹簧的伸长

27、量，故调速块的位移仅与转速有关。 在额定转速附近，转速与调速块的位移近似于线件关系； 其灵敏度为150rmin时为1mm。 该型调速器具有无动静接触部件、灵敏股高、迟缓小、稳定性好和全行程调节的优点，但现场维修与调试不甚方便。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统2.径向钻孔式脉冲泵 径向钻孔脉冲泵，或称径向脉冲泵，简称为径向泵或辐向泵。它是一种基于离心泵工作原理的转速感受器，由泵轮、稳流网和壳体等组成，其结构如图621所示。泵轮上均匀分布地钻有等直径的径向油孔，油流由泵轮中心进入，泵的出口油压为调节系统的一次控制信号。由离心泵的工作原理可知，油泵出口处的压力为6.4 汽轮机液压

28、调节系统特点： 1.结构简单、制造维修方便、灵敏度高及迟缓小； 2.泵的负载流量增大时，泵的压增特性基本不变； 3.对于小型汽轮机，径向脉冲泵还可当作主油泵； 4.有时会出现油压低周波动，从而引起整个调节系统晃动，影咱机组的稳定运行； 5.泵轮外设置一个稳流网，抑制油泵出口的高频油压脉动； 6.径向钻孔脉冲泵的灵敏度通常为150r/min时585kPa。6.4 汽轮机液压调节系统 3.旋转阻尼器 也是一种基于离心泵工作原理的转速感受器。 由阻尼管、油封环(或稳流网)、壳体及针形阎等组成 工作过程：来自于主油泵的压力油，经针形阀节流降压进入A室，然后经阻尼管径向向内流动，最后排至回油系统。A腔室

29、的油压即为调节系统的一次控制信号。 阻尼管外端处的压力为：主要特点： 1.主油泵出口油压的波动有时对一次控制油压产生显著影响; 2.油封环的磨损很容易引起一次控制油压波动，造成调节系统晃动; 3.灵敏度小于径向脉冲泵，一般为22kPa150rmin。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统4.电磁式转速感受器 是电液调节系统的转速感受器，它将转速信号转变为电脉冲频率信号。 磁阻式转速感受器是由磁钢、线圈、铁芯等组成，其原理性结构如图626所示。 原理：齿顶转至、转离铁芯时，铁芯与测速齿轮所构成的磁路的磁阻产生大小不同的变化，线圈内磁通量交替发生变化，从而产生感应电动势，其频率为齿数

30、与转速的乘积。 通常测速齿轮的齿数设为60，这样信号的频率恰为机组每分钟的转数。 这种转速感受器是一种无源元件，工作可靠性很高，不足是低转速时输出信号太小，一般转速低于150rmin时不能正常工作。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统二、中间放大器1.随动滑阀放大器 研究表明：Fb相对于s的变化率为最大值随动滑器放大器的静态特性是6.4 汽轮机液压调节系统2. 波形简碟阀放大器 波形筒一碟阀放大器是与旋转阻尼转速感受器配套的调节系统第一级放大器，它是由波形筒、碟阀、杠杆等部件组成，其原理性结构如图628所示。 由于波形简底座的面积大于碟阀、并且一次油压在杠杆上的作用点距支点较远

31、，而碟阀间隙改变所引起的弹簧力变化不是很大，故二次油压的改变量较一次油压来得大，即碟阀放大器起到油压放大作用。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统3.压力变换器 压力变换器，又称调速器滑阀，是与径向脉冲泵转速感受器配套的调节系统第一级放大器。工作原理： 在滑阀端面上油压作用力的平衡，将一次油压信号转变为滑阀的位移相控制油路泄油口的开度。6.4 汽轮机液压调节系统三、油动机 油动机，又称液压伺服马达，是汽轮机调节系统中驱动调节汽门的执行机构。它能自动、连、精确地复现来自中间放大环节输入信号的变化规律，使调节汽门的开度达到并保持在预定的控制状态。 惯性小、驱动力大、动作快、能耗低。

32、 油动机是一个典型的反馈控制位置随动系统。主要由错油门、油动机活塞(或称油缸)及反馈机构等组成，其原理性框图如图6-30所示。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统(一)基本原理1.最大提升力和提升系数 由于油动机活塞及传动机构运动时不可避免存在摩擦，汽门及门杆在热态时存在一定的卡涩力为保证在各种恶劣工况下均能平稳开启汽门，油动机的提升力必须留有足够越富裕量通常要求油动机的提升力系数大于2，有时甚至达到4。6.4 汽轮机液压调节系统2.油动机时间常数 是描述油动机在一定错油滑阀油口开度下的运动速度。进油流量方程：排油流量方程： 令： 则：当错油门油口为最

33、大开度时：6.4 汽轮机液压调节系统变换后： 油动机的时间常数与错油门油口的面积(宽度与开度)和油动机活塞的行程及面积等参数有关。 要减小Tm可以减小油动机活塞的最大行程和活塞的直径，但油动机活塞的行程及定径与提升力系数紧密相关。 减小活塞直径，就会减小油动机的最大推动力；减小油动机活塞的行程，在调节汽门开度一定时，必然减小传动比系数。两者均使提升力系数下降。 因此，在确保提升力系数一定富裕量前提下，合理地选取油动机活塞的直径和工作行程，以及错油门的油口尺寸与错油门滑阀的行程，使油动机的时间常数满足调节系统甩负荷动态特性的要求。6.4 汽轮机液压调节系统此外，Tm小有可能导致油动机工作不稳或脉

34、动 为兼顾甩负荷特性和工作稳定性，通常在机组增负荷方向，适量减小错油门油口的宽度并且缩小增负荷方向的错油门滑阀行程。此外，错油门滑阀留有一定的盖度、即滑阀凸肩的高度略大于错油门套筒对应的油口高度，这样可以抑制中间放大环节控制信号中脉动分量的影响，提高油动机系统的工作稳定性。但滑阀盖度的存在增大了调节系统的迟缓率，因此盖度不宜过大。6.4 汽轮机液压调节系统（二）压力控制型油动机原理：如图所示特点：1.p2下降时，反馈弹簧力增加，抑制动态超调；2.动态反馈，降低系统动态关闭性能；3. m与p2关系： （pg190，式6-23）Ar继动器上端面积Ks反馈弹簧刚度传动比分析： Ar Ks l2/l1

35、 m6.4 汽轮机液压调节系统（三）流量控制型油动机原理：如图所示特点：1.错油门下移，动反馈油口增大，抑制动态超调；2.错油门居中，反馈油口开度不变；3.错油门滑阀与大、小端面积比为2，可提高滑阀动作灵敏，pc=1/2p04. m与sc关系： bc继动器上端面积bs反馈弹簧刚度传动比调整：6.4 汽轮机液压调节系统（四）电液调节油动机控制型执行机构电液转换器控制型执行机构 控制型执行机构可以将调门控制在任意位置。当计算机输出信号由伺服放大器放大后，在伺服阀中转换成液压信号，控制高压油的通道，使高压油进入油动机活塞下腔，推动活塞上移，开启汽门，或泄放活塞下腔的压力油，使调门关闭。 在活塞移动时

36、带动线性位移传感器，输出活塞的机械位移反馈信号，由计算机处理，直至原输入信号与反馈信号相同时，伺服阀回到中间位置，不再控制高压油变化，此时调门停止移动，稳定一个新的工作位置。 在执行机构的集成块上各有一个卸荷阀，在汽轮机发生故障需要迅速停机时，安全系统便动作使危急遮断油失去，并将快速卸荷阀打开，迅速泄去油动机活塞下腔中压力油，在弹簧力作用下迅速地关闭相应的阀门。 控制型执行机构装置图快速卸载阀快速卸载阀 快速卸荷阀安装在油动机液压块上，它主要作用是当机组发生故障必须紧急停机时或在危急脱扣装置等动作使危急遮断油泄油失压后，可使油动机活塞下腔的压力油经快速卸荷阀快速释放，这时不论伺服放大器输出的信

37、号大小，在阀门弹簧力作用下，均使阀门关闭。6.4 汽轮机液压调节系统四、配汽机构（一）调节汽门1.调节汽门流动特性流量计算 ：根据巳知条件，确定在不同汽门开度下的蒸汽流量。 通常是给定调节级的总流量，要求计算各调节汽门的开度和分流量。汽门流量计算时，通常要借助试验曲线。原因： 1.汽门在不同开启位置时，汽门的最小通流面积不是常数； 2.因调节汽门后扩压管的存在，所以汽门喉部压力与汽门后(扩压管后)压力不相等，并且扩压管的扩压效率是随着工况的变化而变化的，使得蒸汽压力沿扩压管流程也相应变化。 6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统2.调节汽门的提升特性 要

38、知道调节汽门在不同升程时，开启汽门所得的提升力。 通常使用试验曲线来进行汽门提升力。 原因： 计算调节汽门前的压力基本上是一定，但在不同的汽门开度下，门芯下部所受的压力和扩压管后的压力是不同的，而且，门芯下部沿流程上各点的压力也是变化的。 6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统（二）配汽传动机构 1.几种传动机构简介 2.流量修正：避免静态特性线出现波折，见图。 3.速度变动率的要求：两端大、中间平，重迭度大，速度变动率小 4.减少节流损失：采用凸轮，全开附近作非线性变换。6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统6.4 汽轮机液压调节系统典型分析6.4.1 上汽旋转阻

39、尼机械液压调节系统q系统组成 旋转阻尼为转速感受件，波形筒杠杆碟阀为一次放大，继动器碟阀作二次放大，错油门油动机反馈杠杆组成伺服位置执行机构。6.4 汽轮机液压调节系统典型分析6.4 汽轮机液压调节系统典型分析6.4 汽轮机液压调节系统典型分析q工作原理 转速上升时，旋转阻尼输出油压 增大，作用在波形筒底部，使杠杆逆时针旋转，导致碟阀间隙加大、二次油路的泄油面积增大，引起二次油压 减小；二次油压下降，作用在继动器活塞上向下作用力减小，继动器活塞在弹簧力作用下上移，引起三次油路的碟阀间隙增大，三次油压 下降，错油门滑阀在底部弹簧作用下上移，开启油动机活塞上腔室进油油口和下腔室的排油通道，油动机活

40、塞在上、下油压差的作用下下移，减小调节汽门开度，机组功率输出减小，电网频率下降。油动机下移时，弹簧 力减小，继动器活塞在二次油压作用下下移，继动器碟阀间隙减小，三次油压上升，错油门滑阀下移，油动机活塞上、下腔室油口开度减小，运动速度降低，直到错油门滑阀重新回到平衡位置，调节过程结束。在继动器活塞上移时，压缩弹簧 的向下作用力增大，继动器活塞向上运动受阻，从而避免活塞向上过调，起着反馈的作用。6.4 汽轮机液压调节系统典型分析 弹簧 仅当继动器活塞偏离居中位置，即继动器活塞处于运动状态时才起作用，故称之为动反馈弹簧。相反地，弹簧 在油动机不同位置时，作用在继动器活塞上的作用力是不同的，它与二次油

41、压相平衡，故称之为静反馈弹簧。 弹簧 和 分别为主、辅同步器弹簧。改变主、辅同步器弹簧力，可以改变弹簧力与一、二次油压的平衡，进而改变杠杆的平衡位置，即改变碟阀泄油间隙的大小，在一次油压不变时，就可改变二次油压和油动机的行程。6.4 汽轮机液压调节系统典型分析q静态特性四方图 转速感受机构将转速变换为一次油压，杠杆碟阀、继动器、错油门油动机为中间放大环节，将一次油压转变为油动机行程。要改变调节系统的静态特性只能改变转速感受机构和中间放大机构特性。6.4 汽轮机液压调节系统典型分析1.转速感受机构特性 一次油压正比于转速的平方(p1=kn2)，在汽轮机额定转速附近，级数展开后成线性关系。旋转阻尼

42、管长度不同，比例系数而变，从而改变转速感受机构特性。但改变量不是很大，在发电厂现场很难改变转速感受机构特性。额定转速附近作线性化处理：额定转速 下的一次油压：6.4 汽轮机液压调节系统典型分析2.中间放大机构（传递特性） 决定一次油压与油动机行程静态特性的因素有杠杆碟阀放大器、继动器静态反馈弹簧的放大特性。杠杆碟阀放大器 改变碟阀直径，可以改变一、二次油压的比例关系。当增大碟阀直径时，在相同一次油压改变量下，二次油压改变量增大，即放大倍数增大，从而使油动机满行程对应的一次油压改变量减小，即调节系统速度变动率降低。反之，减小碟阀直径时，速度变动率增大。6.4 汽轮机液压调节系统典型分析由式(61

43、4)和(6-15)得：因此，得：6.4 汽轮机液压调节系统典型分析3.配汽特性 设对应机组空负荷到满负荷调节汽门的升程为L，则： 4.调节系统的静态特性 由式（6-27）、式（6-30）和式（3-31）得：6.4 汽轮机液压调节系统典型分析影响速度变动率因素 从上式可见：如同步器主、辅弹簧刚度、杠杆长度、波形筒底部直径、继动器活塞直径等，但这些因素在发电厂现场一般不易改变。 继动器静态反馈弹簧对速度变动率的影响 当增大静态反馈弹簧刚度时，油动机全行程所对应的二次油压改变量增大，亦即一次油压改变量增大，调节系统的速度变动率变大。 改变继动器杠杆支点位置时，相当于改变静反馈弹簧的刚度，从而引起调节

44、系统速度变动率的改变。当支点位置远离静反馈弹簧时，对应油动机全行程静反馈弹簧长度的改变量增大，相当于增大静反馈弹簧的刚度，速度变动率变大。DEH系统简介1.系统的虚拟“开关”由软件实现；2.k1和k2开关的指向可提供不同的运行方式；3.既可按串级PI方式运行，又可按单级方式运行；4.当系统中某个回路发生故障时，如变送器损坏等情况下，系统仍能正常工作，这对于液压调节系统来说是办不到的。内回路外回路DEH系统简介5.运行方式的变更既可以通过逻辑判断和跟踪系统自动切换，又可以通过键盘操作进行切换；6.系统中的外扰是负荷变化R， 内扰是蒸汽压力变化P， 给定值：转速给定n和功率给定p 两给定值彼此间受

45、静态线关系的约束。7.机组启停或甩负荷时用转速回路控制；DEH系统简介8.并网运行不参与调频时用功率回路控制： a.转速偏差信号就不应进入系统， b.将该偏差乘以较小的百分数，使机组对外界电网负荷的变化不敏感，只按系统本身的负荷给定值来控制机组。 c.机组的额定负荷附近设置转速的不灵敏区，处于带基本负荷运行状态。9.参与调频时用功率一频率回路控制。DEH系统简介 DEH系统在串级调节方式：v 外回路PI1为主调节器，系统处于非调频方式运行，它保证系统输出的功率严格等于负荷的给定值； 在调频方式运行时，被转速修正后的负荷给定值，才是调节系统所应保持的负荷值。v内回路不仅反映在负荷外扰下系统响应的

46、快速性，而且在蒸汽压力内扰下，也能很快地调整汽阀的开度，迅速消除内扰的影响。v系统处于调频方式运行： PI2粗调：（提高机组对负荷适应性） 电网扰动 频率变化 调节汽阀动作 调节级汽室压力反馈（快） 发电机功率反馈回路（慢） PI1的细调：修正内回路的设定值，系统才能最后趋于平衡。 平衡后：功率的反馈=功率给定值，转速的反馈=转速的给定值。DEH系统简介串级调节系统对于克服再热环节功率的滞后，提高机组对外界负荷的适应性，有很大的作用。由于其动态特性最好，因此，作为DEH系统的基本运行方式。DEH系统简介数字电调的优势: (1) 用计算机取代了模拟电调中的电子硬件，特别是采用微处理机和使功能分散

47、到各处理单元后，显著提高了可靠性。 (2) 计算机的运算、逻辑判断与处理功能特别强，除控制手段外，在数据处理、系统监控、可靠性分析、性能诊断和运行管理(参与指标显示、制表打印、报警、事故追忆和人机对话)等方面，可以得到充分的发挥。 (3) 调节品质高，系统的静态和动态特性良好。 例如，在蒸汽参数稳定的条件下，300MW机组调节精度： 功率调节在 2MW 转速调节在 2 rpm以内。DEH系统简介 (4) 利用计算机有利于实现机组协调控制、厂级控制以至优化控制，这是模拟电调无论如何也不能相比的。 此外，由于硬件采用积木式结构，系统扩展灵活，维修测试方便；在冗余控制手段下，保护措施严密等方面，均比

48、模拟电调有明显的优势。DEH系统简介DEH调节系统有四大功能一、汽轮机自动程序控制ATC功能 1.DEH调节系统的汽轮机自动程序控制： 通过状态监测，计算转子的应力，并在机组应力允许的范围内，优化启动程序，用最大的速率与最短的时间实现机组启动过程的全部自动化。 ATC允许机组有冷态启动和热态启动两种方式。 冷态启动过程包括从盘车、升速、并网到带负荷，其问各种启动的操作、阀门的切换等全过程均由计算机自动进行控制。 2.在非启停过程中，可以实现ATC监督。DEH系统简介 二、汽轮机的负荷自动调节功能 汽轮机的负荷自动调节有两种情况。冷态启动时，机组并网带初负荷(5额定负荷后，负荷由高压调节汽阀进行

49、控制； 热态启动时，在机组负荷未达到35额定负荷以前由高、中压调节汽阀控制以后，中压调节汽阀全开，负荷只由高压调节汽阎进行控制处于负荷控制阶段，DEH调节系统具有下述功能： (1)具有操作员自动、远方控制和电厂计算机控制方式。以及它们分别与ATC组成的联合控制方式。 (2)具有自动控制(A和B机双机容错)、一级手动和二级手动冗余控制方式。DEH系统简介 (3)可采用中级或单级N控制方式。当负荷大于10以后，可由运行人员选择是否采用调节级汽室压力和发电机功率反馈回路，从而也就决定了采用何种PI控制方式。 (4)可采用定压运行或滑压运行方式。当采用定压运行时，系统有阀门管理功能，以保证汽轮机能获得

50、最大的效率。 (5)根据电网的要求，可选择调频运行方式或基本负荷运行方式；设置负荷的上下限及其速率等。 此外，还有主汽压力控制(TPC)和外部负荷返回(RUNBACK)等保护主要设备和辅助设备的控制方式，运行控制十分灵活。DEH系统简介三、汽轮机的自动保护功能 为了避免机组因超速或其他原因遭受破坏，DEH的保护系统有如下三种保护功能： (1)超速保护(OPC)。该保护只涉及调节汽阀，即转速达到103时快关中压调节汽阀；在103n110时，超速控制系统通过0PC电磁阀快关高、中压调节汽阀，实现对机组的超速保护。 (2)危急遮断控制(ETS)。该保护是在ETS系统检测到机组超速达到110%n0或其

51、他安全指标达到安全界限后，通过AST电磁阎关闭所有的主汽阀和调节汽阀，实行紧急停机。 (3)机械超速保护和手动脱扣。即当转速高于110no时实行紧急停机；后者为保护系统不起作用时进行手动停机以保障人身和设备的安全。超速保护装置 汽轮机是一高速旋转机械。当转速增大时，离心应力迅速增加，例如，转速升高到额定转速的120时，汽轮机转子所承受的应力将接近于额定转速的1.5倍。如果转速升高到不能允许的数值，将导致汽轮机设备的严重损坏。 调节系统按一般的设计要求，应能保证机组在甩全负荷后其动态超速额定转速的79。 但调节系统由于某种原因发生问题，机组有可能发生超速。 因此，在调节系统之外，又设计了完全独立

52、的汽轮机超速保护装置。超速保护装置超速保护装置超速保护装置超速保护装置超速保护装置手动遮断装置的脱扣机构手动遮断装置的整体结构手动遮断装置汽轮机调节保安系统的配置 以前的汽轮机调节保安系统，都是机械液压式调节保安系统，调节系统中的比例环节、积分环节、微分环节等，都是通过油压的变化和机械部套的运动实现的，转速信号也是转换成机械位移或者油压作为反馈的，系统极其复杂庞大，容易出现问题。 一般有高速弹性调速器式调节系统（北重、哈汽） 旋转阻尼式调节系统（上汽） 脉冲油泵式调节系统（东汽）。 随着机电技术的发展，九十年代中期全国开始摸索将机械液压调速系统改成数字电液控制系统，即DEH，当时有利用原来的液

53、压系统进行的低压电调改造和高压抗燃油系统改造两种方法。山东省100MW以上机组在2001年以后已经基本改造完毕。汽轮机调节保安系统的配置 现在的新建大中型机组，全部采用高压抗燃油DEH控制系统（调节）和ETS紧急跳闸系统（保安），分为电气部分和机械液压部分。供油系统提供动力油，电气控制部分通过电液转换器对阀门进行控制，通过电磁阀对汽机进行跳闸保护。 DEH具有转速控制和负荷控制功能，测速齿轮安装在汽轮机前端的小轴上，配有三个转速探头。当机组甩去电负荷瞬间，转速会急剧上升，这时代表汽轮机负荷的中压缸压力（此时较高），与发电机功率（此时为0）不匹配，超速保护控制功能OPC电磁阀动作，全关汽轮机调门

54、，直到转速到3000r/min以下，开调门对转速进行控制，当转速超过3090r/min时，OPC也动作，直至转速稳定在3000r/min。汽轮机调节保安系统的配置 ETS系统也有三个转速探头，当汽轮机转速等参数达到保护动作参数时，AST跳闸电磁阀动作安全油泄去，汽轮机跳闸，主汽门和调门全关、气动抽汽逆止门全关。 此外，安装在小轴上的机械式危急保安器，在转速到达整定转速后由于离心力作用动作，使危急遮断器滑阀动作泄去低压安全油（透平油），跳闸转换薄膜阀动作，泄去高压安全油（抗燃油），机组跳闸。汽轮机超速的原因 高压抗燃油DEH系统，由于部件尺寸缩小，加工精度提高，克服了机械液压调速系统迟缓率和转速

55、不等率方面的缺陷，油动机关闭时间大幅缩短，油动机提升力裕度增大，动态特性大大改善，且由于抗燃油相对独立循环，由于油质产生的问题减少。 但是造成超速的危险因素依然存在，比如，当机组甩去电负荷的时候，如果抽汽逆止门不能关闭严密，蒸汽倒流对汽轮机冲转，则会造成无法控制的超速；再如，在升速过程中，如果小轴断裂，汽轮机转速失去反馈，此时机械危急遮断器和ETS转速探头均失去作用，检测到的汽机转速达不到目标转速，汽机调门将一直开大，直到超速事故发生。6.4 汽轮机液压调节系统动作条件： 作用在偏心体上的弹簧预紧力为： 偏心体旋转产生的离心力为： 达到某个转速t时，偏心的离心力与弹簧的预紧力相等： 增加，偏心

56、体快速飞出X，e 撞击在危急遮断错油门的门杆上，使危急遮断错油门动作。复位条件： 减少复位 一般要求复位转速高于机组的额定转速，这样在降速到额定转速前系统就能复位，以便机组排除故障后尽快带负荷运行。6.4 汽轮机液压调节系统DEH系统简介四、机组和DEH系统的监控功能 该监控系统在启停和运行过程中，对机组和DEH装置两部分运行状况进行监督，内容包括： 操作状态按钮指示、状态指示和CRT画面，其中对DEH监控的内容包括重要通道、电源和内部程序的运行情况等；CRT画面包括机组和系统的重要参数、运行曲线、潮流趋势和故障显示等。参考书： 汽轮机数字式电液调节系统肖增弘，徐丰编著 北京：中国电力出版社，

57、2003DEH系统简介汽轮机调节系统的主要内容1、汽轮机调节系统的基本构成与原理（1）调节系统的基本功能自动调整机组功率与外界负荷相适应，保持供电品质核心参数：汽轮发电机组的转速转速控制负荷控制（2）机械液压式调节系统的基本构成转速感受机构传动放大机构配汽机构控制对象：汽轮发电机组反馈同步器汽轮机调节系统的主要内容2、汽轮机调节系统的静态特性（1）调节系统静态特性曲线 表示机组的功率与转速之间的一一对应关系 速度变动率：一次调频（2）调节系统迟缓现象：迟缓率（3）同步器：二次调频汽轮机调节系统的主要内容3、汽轮机调节系统的动态特性（1）调节系统的稳定型（2）系统动作的过渡过程（3）主要控制对象：汽轮发电机组的转速（4）主要影响因素转子飞升时间常数中间容积时间常数油动机时间常数速y度变动率迟缓率