第三章 汽轮机转速控制系统

第三章胜利发电厂汽轮机转速控制系统一、转速调整的基本原理：在讨论汽轮发电机组的转速控制器，通常将汽轮发电轴系看作一个整体旋转刚体。

转子的转动方程为：J*dω/dt=M T-M G-Mƒ（1-1）式中：J：汽轮发电机组转子的转动惯量（Kg.m.s2）ω：转子的转动惯量（s-1）M T：汽轮机蒸汽转矩（N.m）M G：发电机电磁转矩（N.m）Mƒ：各种阻力矩（N.m）转动惯量对于特定的机组安装完成后，即为一常数，DEH要控制的转速n与角速度ω成正比。

ω=2πƒ=2πn/60 （1-2）式中：ƒ：频率（s-1）n：转速（r/min）根据汽轮机的工作原理知，汽轮机矩M T为：M T=4.73DH0η0e/n （1-3）其中：D：进入汽轮机的蒸汽流量（kg/n）H0：绝热焓降（kj/kg）η0：汽轮机相对效率n：转速（r/min）发电机电磁转矩M G，它主要取决于负载的特性，可表示为：M G =k1+k2.n+k3.n2 （1-4）其中：k1，k2，k3为随机变量，且均为正值。

各种阻力矩Mƒ，它与转速，真空，轴系油温等根本因素有关，可视随转速增大的随机变量。

由（1-1）可知，若由于某种原因n↑→M T↓，M G↑，Mƒ↑→dω/dt<0，n↓，n重新归到平衡位置。

这种现象属汽轮机的自平衡能力。

但其对于n的调节能力是非常有限的。

故必须借助于汽轮机调节系统。

而汽趋机的调节系统就通过增（减）气轮机的进气量（或进气参数）而改变动力距的大小，使其与阻力距的变化相平衡（即改变气轮机的功率）使其与外界负荷的变化相适应），从而保持机组转述基本不便的过程，称为汽轮机的转速调节。

从(1-3）可以看出，只要采用适当的手段控制汽轮机的D，就能改变M T，使M T始终跟随M G变化，以维持转速n即供电频率在规定范围内，满足国家对供电品质的要求。

调速系统：在调节过程中，汽轮机控制系统都是通过调节执行机构（油动机）来控制安装在进汽口上的调节汽阀来改变M T，以调节汽轮机的转速。

我厂DEH转速/功率调节系统原理图如下：由图可以看出，在并网前只是一个简单的转速回路，目标值由运行人员设定后，经PID调节，使转速达到期望值。

在冲转过程中，关键一点是临界转速问题。

为了尽可能减小临界转速引起的震动，在DEH 中作了一定的措施：汽轮机的功率和转速在静态时的一一对应关系，称为调节系统的静态特性，它的形状一般如下图所示。

其斜率大小通常由转速不等率δ来表示max nδ=o n n (21其中：1n --空负荷转速（设定点不变）2n ---满负荷转速（设定点不变）3n ---额定转速一般δ在3%~6%，胜利发电厂为4。

5%但如果考虑到调节系统的不灵敏度，则其曲线为：在改造前，我厂汽轮机调节系统的不灵敏度为0.2%，而改造后的灵敏度保证了不大于0.06%。

对系统而言，有利于其调节的稳定性、准确性、快速性。

除汽轮机调节系统的静态特殊性外，汽轮机实际运行工况必须考虑到其动态特性。

由于电负荷蒸汽压力和温度等参数等都是经常变化的，故汽轮机的调节系统经常受到各种扰动。

一个稳定的系统受到干扰的动作后，能自动达到新的平衡；而反之，一个不稳定的系统在受到干扰后，将发生大幅度的晃动，以至达到不能允许的程度。

所以说系统的稳定性是满足调节系统动态品质的重要条件之一。

也就是说，在受到各种干扰后的过渡过程中，各参数的偏差应保持在允许的范围之内。

当汽轮机在正常运行时突然甩去负荷时，特别是在高负荷运行的情况下，汽轮机的转速在短时间内必然有一个飞升过程，然后逐渐回到其稳定值。

如下图所示：一般要求，过渡过程中的最高转速不应超过汽轮机额定转速的10%~12%。

而实际中，我们应说其最高值不应高于汽轮机各遮断保护转速值得最低值。

在DEH逻辑中，发生甩负荷现象时，立即关闭所有的调门，使转速不致飞升太高，关闭两秒钟后再打开，调节汽轮机转速在3000r/min。

其动作快速、准确，对汽轮机是一种极好的保护。

转速/功率调节汽轮机发电机组在并网运行时，其转速与电网频率相对应。

电网中所有发电机输出功率的总和与所有负载消耗功率的综合平衡时，点网频率保持稳定，也就是说并网机组的转速要由电网中所有机组共同调节。

对电网中快速的、小负荷变动量所引起的转速变动，汽轮机调节系统可利用锅炉的蓄能，不用改变其负荷设定点，调节系统测到转速的变化，自动改变调节阀的开度，即改变发电机的功率，使之适应电网负荷的随机变动，来调节汽轮机的转速，这就是一次调频。

关于其具体实现过程，后面再详细介绍。

频率调节上面对调频的定义作了说明，为使电网中各台机组所承担的的一次调频量基本平衡，且控制系统稳定，这要求各级组的静态特性曲线基本相同。

对于电网中大的负荷变动量（通常变化的速率较慢），所引起的的转速变动，可采用改变调节系统负荷设定点的方法，改变发电机的功率，使之适应电网负荷的随机变动，来调节汽轮机的转速，也就是二次调频。

频率质量是电能质量的一个重要指标。

中国《电力工业技术管理法规》规定，大容量电力系统的频率偏差不得超过正负0.2Hz，一些工业发达国家规定频率偏差不得大于正负0.1Hz。

所以电力系统所有发电机组的原动机均装有自动转速调节系统，能自动的将频率控制在一定的范围内。

而调速系统的调频作用一般称为频率的一次调整，是最基本的调频措施。

在一般情况下，网上的负载实在不断变化的，这就要求电网自功功率随负载的变化进行调整，以保持有功功率与负载相对应。

对于参加调频机组来说，不利于其自身的的经济稳定运行，特别是对小的机组而言。

所以在整个电网中，实际上并不是所有的机组都参与一次调频和二次调频，而是电力系统根据运行情况专门设有调频机组和调峰机组，以调节网频的变化。

有的电力系统还把调频发电厂分为主调频厂（议称第一调频厂）和辅助调频厂（亦称第二调频厂），并分别规定其频率调整偏差范围。

在胜利发电厂，根据实际情况对调频作了一系列的工作，这些工作以经济、稳定、安全为出发点，收到了一定效果。

在额定参数下，我厂汽轮机静特征为：0~10%（开度）时，汽轮机可维持3000r/min10%~82.31%(开度)时刻对应0~220MW以此我们可做出调频曲线F(x),如下图：因δ=4.5%,故3000r*4.5%=135r为了保证经济稳定运行，所以我厂机组不作为调频机组使用。

在最初，我们把死区设为正负30r，但在一次孤网运行事故中却暴露出了死区过大的缺陷。

就是当外界负载突然大量减小时，转速升高，当超过3030r/min时，一次调频起作用，但由于死区太大，故引起了调门大幅度波动，最终导致了机组调闸。

针对这种情况，我们对一次调频作了以下修改。

把第一死区定位正负12r，如图：也就是说，转速在2988/min~3012r/min间波动时，机组又参与一次调频。

当超过正负12r时参与一次调频。

同时又设了第二个保护点正负30r。

当转速超过了3030r/min或低于2970r/min时，系统自动取消调频死区，即当有大的负荷波动时，取消调频死区，避免大的波动，真正实现一次调频机组的作用。

修改后，针对我厂#2机组，进行了一次调频的实验。

即把调频死区设为零，观察其调节作用。

实验结果为：在185负载下，转速升高到3001r/min,即超出额定转速1r/min时，#3高调约2%，实现一次调频。

在实验中，由于转速波动较小，即扰动较小，故没影响到机组的稳定运行。

只是由于死区为零，一次调频一直在起作用，故#3高调一直在小范围内振动，属正常的一次调频现象。

什么样的频率调节是最佳调节，怎样调节是最佳方案，改造方案是否是最佳的。

这些都需要不断地去研究，不断地观察，寻找最佳的调整方案，使我厂机组运行2次不断得到改善。

2、负荷控制：DEH 能在汽轮发电机并入电网后实现汽轮发电机从带初始负荷到带满负荷的自动控制。

并根据电网要求参与一次调频和二次调频任务。

系统具备控制阀门开度和控制实发功率的两种控制方式去改变汽轮发电机的负荷。

---功率控制精度±2MW（在蒸汽参数稳定的条件下）---静态特性转速不等率可调，其整定范围在3%∽6%---在指定功率附近（功率变化在额定功率的±1.5%∽±12%范围内）,频率变化在±0.025Hz∽±0.25Hz的区域内的局部不等率整定范围能达到3%～20000%.甩负荷控制功能：控制系统具有快观功能，可参与改善电力系统的稳定性。

DEH根据汽轮发电机组的功率——负荷不平衡确定动作值。

当功率——负荷不平衡超过30%时DEH系统能立即快速关闭中压调节门，持续一段短时间后，再自动将中压调节门重新开启。

阀门关闭程度、关闭持续时间和重新开启的程度根据汽轮机的特性和故障的性质确定。

超速保护控制是一种抑制超速的控制功能，可采用加速度限制方式实现：也可采用双位控制方式完成，即当汽轮机转速达到额定转速103%时，送出OPC超速开关量信号，通过EH 系统的OPC电磁阀，快速自动关闭高、中压调节门。

当转速恢复正常时再开启这些汽门，如此反复，直至正常转速控制可以维持额定转速；或者两种方法同时采用。

超速跳闸保护：当汽轮机转速达到额定转速的110%时，系统发出跳闸指令，通过ETS关闭主汽门、再热主汽门、高压和中压调门。

5、汽轮机自起动及负荷自动控制（ATC）功能：基本要求： 1）DEH 的ATC系统能根据机组当前的运行状态，特别是转子应力（或应变）的计算结果，自动地变更转速、改变升速率、产生转速保持、改变负荷变化率、产生负荷保持、直至带满负荷。

2）在汽轮机起动或负荷控制的任一阶段，当出现异常工况或者人工发出停止ATC程序的指令后，ATC系统能自动地按照与起动时基本相反的顺序退回到异常工况消失的阶段或将汽轮机退回到所要求的运行方式。

3）DEH的ATC功能与下列控制系统协同工作，提供必要的接口和指令，以实现汽轮机组从盘车状态直至带满负荷的全部自动操作。

——汽轮机盘车控制系统——疏水控制系统——汽轮机旁路控制系统——发电机励磁控制系统——发电机自动同期系统6、主汽压力控制功能当要求由DEH 系统来实现机组协调控制和汽机跟随方式下的汽压调节任务时，系统中设置主汽压力控制回路。

根据主汽门前压力与定值的偏差，控制调节门开度，以保持主汽压力在设定值。

参考文献：《锅炉汽轮机自动调节》机械工业出版社《中国电力百科全书》中国电力出版社《汽轮机数字电液控制系统说明书》东方汽轮机厂《计算机控制系统》中国电力出版社。