第六章+汽轮机调节

第六章 汽轮机调节第一节 汽轮机调节的任务与型式一、汽轮机调节的任务电力用户对电力的供应有一定量和质的要求。

量的要求：电能无法大量储存，而电力用户对电能的需要是随时变化的，因此要求汽轮发电机组能够随时按用户的电量需要来调整功率。

质的要求：一是电压，二是频率。

供电电压除与汽轮发电机组运行转速有关外，还与发电机的励磁电流有关，电厂主要通过调整发电机励磁电流的大小来调节电压。

供电频率取决于汽轮发电机组的运行转速。

频率与转率的关系是：)(Hz f min)/(r n 60np f = 式中 ——发电机的磁极对数。

p 电厂中绝大多数发电机具有一对磁极，转速为3000 r ／min ，则其频率为50Hz 。

供电频率过高或过低，不仅影响供电的质量，而且也影响电厂本身的安全和经济运行。

目前我国要求电网频率的变动范围是，亦即转速波动的范围是Hz 5.0±min /30r ±。

列出汽轮发电机组转子的运动方程，就可得到功率、负载和转速之间的关系。

汽轮发电机组运行时，作用在转子上的力矩有三个：一是汽轮机的蒸汽动力矩，二是发电机的电磁阻力矩，三是机械阻力矩。

在负荷较高时，比、小得多，可忽略不计，所以，根据牛顿第二定律，可列出转子运动方程式，即 t M e M t M e M f M f M e t M M dt d I −=ωρ(6-1) 式中——转子的转动惯量；ρI ——转子的转速； n dtd ω——转子的角加速度。

173由汽轮机内功率()、转子转动角速度(ωi p )与蒸汽动力矩()的关系t M ωt i M p =。

可推出：np M i t 9555= (m N ⋅) (6-2) 由上式可知，在汽轮机功率一定时，汽轮机的蒸汽主力矩与转速成反比，如图6-1所示。

随着转速的升高，主动力矩逐渐减小。

t M 电磁阻力矩与转速的关系取决于外界负载的特性。

电网中的负载大致可分为三类：频率变化对有功功率没有直接影响的负载，如照明、电热设备等；有功功率与频率成正比变化的负载，如金属切削机床、磨煤机等；有功功率与频率成三次方或高次方变化的负载，如鼓风机、水泵等。

电网的综合负载与频率的关系取决于各类负载所占的比例。

由于电网中绝大多数属于第二类负载，所以负载特性如图6-1中所示。

转速增大时随之增大。

n 1e M 1e M由式（6-1）可知，当时，e t M M = 1740=dtd ω，则ω=常数，即=常数；＞时，n t Me M dtd ω＞0，则升高；＜时，n t Me M dtd ω＜0，则下降。

所以图6-1中曲线与曲线的交点为汽轮机的平稳工况点，此时汽轮机的转速为。

当外界负荷减小时，引起电磁阻力矩减小，发电机特性线变动到，此时若不改变汽轮机内功率，则由于＞，转速增大，会导致减小而增大，最终在一更高转速下达到新的平衡，新的平衡点为b ，新的平衡转速为。

由此可见：汽轮发电机组依靠自身力矩与转速之间的变化特性可以自发地从一个稳定工况调整到另一稳定工况，这种调整能力被称作汽轮发电机组的自平衡能力。

事实上，这种自平衡能力很弱，转速变化很大，不仅使机组发出的电能频率和电压不满足用户要求，而且对汽轮发电机组零件强度及运行效率来说也是不允许的。

n a 1t M 1e M a n2e M 图6-1 汽轮机与发电机的力矩-转速特性 t M e M t M e M b n 适当调整汽轮机内功率，不仅能满足外界负荷变动的要求，而且由式(6-2)得知可以改变汽轮机蒸汽动力矩特性，如图6-l 所示，蒸汽动力矩由线移到线时，与会在c 点达到新的平衡状态，并能保证机组转速在允许的范围之内。

1t M 2t M 2t M 2e M c n 由上述分析可知，当机组发出的功率与负荷不相适应时，汽轮机的转速就要发生变化。

汽轮机转速既是为了提高供电质量而必须保证的一个量，又是反映功率平衡的一个量。

当转速发生变化时，必须对汽轮机进行调节（改变汽轮机的进汽量），改变汽轮机发出的功率，使之与外界负荷平衡，才能保证汽轮机转速保持在规定的范围内。

故我们得出这样的结论：汽轮发电机组必须具备能调节汽轮机功率的调节系统，汽轮机调节的任务是及时调整汽轮机的功率，使它能满足外界负荷变化的需要，同时保证转速在允许的范围内。

二、汽轮机调节系统的型式汽轮机调节系统按其结构特点可划分为两种型式即液压调节系统和电液调节系统。

（一）液压调节系统早期的汽轮机调节系统主要由机械部件与液压部件组成，主要依靠液体作工作介质来传递信息，因而被称为液压调节系统。

又由于根据机组转速的变化来进行自动调节，因而又被称作液压调速系统。

这种调节系统的调节精度低，反应速度慢，运行时工作特性是固定的，不能根据转速变化以外的信号调节需要来作及时调整，而且调节功能少。

但是由于它的工作可靠性高且能满足机组运行调节的基本要求，所以至今仍具有一定的应用价值。

本章第二节将介绍三种典型的液压调节系统。

（二）电液调节系统随着单机容量的不断增大、蒸汽参数的逐步提高、中间再热循环的广泛采用以及机组运行方式的多样化，对机组运行的安全性、经济性、自动化程度以及多功能调节提出了更高的要求，仅依靠原有的液压调节技术已不能完全适应。

于是，电液调节系统便应运而生了。

该系统主要由电气部件、液压部件组成。

利用电气部件测量与传输信号方便，并且信号的综合处理能力强，控制精度高，操作、调整与调节参数的修改又方便。

液压部件用作执行器(调节汽阀驱动装置)时充分显示出响应速度快、输出功率大的优越性，是其它类型执行器所无法取代的。

由于早期电气部件的可靠性较低，所以在给机组配置电液调节系统的同时还配有液压调节系统作后备。

当电液调节系统因故障而退出工作时，由液压式调节系统来接替工作，以保证机组能安全连续运行。

随着电气部件可靠性的提高，后来就不需要配置液压调节系统作后备了。

1．功频电液调节系统早期的电液调节系统是以模拟电路组成的模拟计算机为基础的，引入了功率、频率两个控制信号的电液调节系统，常称为功频电液调节系统，又被称为模拟电液调节系统，也称功频模拟电液调节系统。

2．数字电液调节系统随着数字计算机技术的发展及其在电厂热工过程自动化领域中的应用，开发了以数字计算机为基础的数字式电液调节系统，也可简称为数字电调(Digital Electro—Hydraulic Control)或DEH 。

前期的数字电调大多以小型计算机为主机构成；后期随着微机的出现以及微机技术的发展，数字电调改用以微机为主机，因此可称为微机型数字电调。

我国从60年代开始研制、投运电液调节系统，从80年代开始，先后从国外引进了几十套电液调节系统，同时还利用引进技术制造、投运了多套电液调节系统。

本章从第四节开始将着重描述具有代表性的微机型数字电液调节系统即上海新华电站控制工程有限公司生产的汽轮机数字式电液调节系统。

三、各种调节系统的比较从发展观点看，调节系统从液压系统、功频模拟电调系统到数字电调系统，是从低一级向高一级的调节系统发展，一般而言，后一种系统优于前一种系统。

功频模拟电调与液压调节系统比较，突出的优点是：（1）模拟电调系统的电气部分，具有快速、准确和灵敏度高的特点，系统的调节精确度高，迟缓率为0.1％，而一般的液压调节系统，迟缓率则高达0.3％～0.5％。

（2）功频模拟电调为多回路多变量调节系统，PID 的综合运算能力强，具有较强的适应外界负荷变化和抗内扰能力，而液压系统仅为单变量的比例调节系统，调节性能较差。

（3）功频模拟电调的转速或功率实际值能准确地等于给定值，静态特性良好；在动态特性方面更为突出，机组甩负荷时，由于功率给定切除可以防止反调，转速稳定在3000上，系统的动态升速比液压调节系统减少一个速度变动率值，动态特性很好。

min /r （4）功频模拟电调可提供调频、带基本负荷和单向调频等不同的运行方式。

在机组启动过程中，有大小范围测速可供选择、大范围测速从100～200起就能精确地对转速实行闭环控制，即使蒸汽参数波动，亦能保持给定转速，升速稳定，精确度可达土2～3；转速达到2850r ／min 左右，改投小范围测速系统，调节精确度更有所提高，便于并网。

而一般液压调节系统，转速达到2700后才可投入闭环控制系统，调节精确度仅为土7～15，差距较大。

min /r min /r min /r min /r （5）功频模拟电调中的电气部分，便于比较、综合各种信号，便于在线改变运行方式和调节参数，便于参数调整和运行检修，便于机炉协调控制，有利于机组的自动化，而未经改造的液压调节系统，这些方面几乎都受到局限，在实现机炉协调控制方面的难度较 175大。

无论是模拟电调或数字电调系统，目前都还没有电气元件取代作用力大、动作迅速的液压执行机构，所以需要继续保留使用，因而设有把电信号转换成液压信号的电液转换装置，所不同的是对液压机构进行了许多重大的改进，例如采用高压抗燃油的液压伺服机构，把油压从过去的(0.98～1.96)MPa提高到(12.42～14.49)MPa，提高了十倍之多，使结构紧凑，推力大，动作更加迅速。

数字电调和模拟电调比较，可以说模拟电调与液压调节系统比较的那些优点，数字电调系统也都具备，由于实施计算机控制，还增加了许多新的特点；（1）用计算机取代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(参数与指标显示、制表打印、报警、事故追忆和人机对话)等方面，都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机组数字电调的调节精度：对功率调节在土2MW，对转速调节在2r／min以内。

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，保护措施严密等方面，均比模拟电调有明显的优势。

（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。

由于大型机组转子相对较轻，超速的可能性大，对调节品质和安全措施方面都要求很高，液压或模拟电调系统都已很难适应，因此，随着计算机性能价格比的提高，运行经验的积累，特别是自控部分在大型电厂中应受重视已为人们所共识，所以，现在国内外较大容量以上的机组，都较普遍地采用数字电液调节系统。

第二节液压调节系统一、液压调节系统的工作原理为了便于描述调节系统的工作原理，先介绍几个常用的自动调节术语。

调节对象：调节系统对其作用的那个装置叫调节对象。

在本书中，通常是指汽轮发电机组。

被调量：被系统调节的物理量叫被调量，例如汽轮发电机组转速、汽轮机功率等。

给定值：被调量应保证达到的值叫给定值，例如汽轮机功率给定值、汽轮发电机组转速给定值等。