汽轮机控制系统

汽轮机控制系统
包括汽轮机的调节系统、监测保护系统、自动起停和功率给定控制系统。

控制系统的内容和复杂程度依机组的用途和容量大小而不同。

各种控制功能都是通过信号的测量、综合和放大，最后由执行机构操纵主汽阀和调节阀来完成的。

现代汽轮机的测量、综合和放大元件有机械式、液压式、电气式和电子式等多种，执行机构则都采用液压式。

调节系统用来保证机组具有高品质的输出，以满足使用的要求。

常用的有转速调节、压力调节和流量调节3种。

①转速调节：任何用途的汽轮机对工作转速都有一定的要求，所以都装有调速器。

早期使用的是机械式飞锤式离心调速器，它借助于重锤绕轴旋转产生的离心力使弹簧变形而把转速信号转换成位移。

这种调速器工作转速范围窄，而且需要通过减速装置传动，但工作可靠。

20世纪50年代初出现了由主轴直接传动的机械式高速离心调速器，由重锤产生的离心力使钢带受力变形而形成位移输出。

图 1 [液压式调速
器]为两种常用的液压式调速器的
工作原理图[液压式调速器]，汽轮机转子直接带动信号泵(图1a[液压式调速
器])或旋转阻尼（图1b[液压式调速
器]），泵或旋转阻尼出口的油压正比于转速的平方，油压作用于转换器的活塞或波纹管而形成位移输出。

②压力调节：用于供热式汽轮机。

常用的是波纹管调压器（图 2 [波纹管调压
器]）。

调节压力时作为信号的压力作用于波纹管，使之与弹簧一起受压变形而形成位移输出。

③流量调节：用于驱动高炉鼓风机等流体机械的变速汽轮机。

流量信号通常用孔板两侧的压力差(1-2)来测得。

图3 [压
差调节器]是流量调节常用压差调节器波纹管与弹簧一起受压变形而将压力差信号转换成位移输出。

汽轮机除极小功率者外都采用间接调节，即调节器的输出经由油动机（即滑阀与油缸）放大后去推动调节阀。

通常采用的是机械式（采用机械和液压元件）调节系统。

而电液式（液压元件与电气、电子器件混用）调节系统则用于要求较高的多变量复合系统和自动化水平高、调节品质严的现代大型汽轮机。

70年代以前，不论机械式或电液式调节系统，所用信息全是模拟量；后来不少机组开始使用数字量信息，采用数字式电液调节系统。

汽轮机调节系统是一种反馈控制系统，是按自动控制理论进行系统动态分析和设计的。

发电用汽轮机的调节工业和居民用电都要求频率恒定，因此发电用汽轮机的调节任务是使汽轮机在任何运行工况下保持转速基本不变。

在图 4 [机械式调速系
统]的机械式调速系统中，当发电机负荷减小时机组转速便上升。

这时，调速器的位移输出通过连杆使滑阀相应上移，于是压力油进入油缸上部，推动活塞关小调节阀，汽轮机功率便随着进汽量的减少而减小。

最后，机组稳定在一个略高于原来的转速水平。

汽轮机功率的减小量与负荷的减小量相等。

图 5 [甩全负荷后的转速变化动态过程]
为负荷减小至空负荷（甩全负荷）的转速变化动态过程。

图6[调速静特
性]为转速与汽轮机功率N 对应的静态关系曲线，称为调速静特性。

不同曲线对应于不同给定值，即对应于同步器（通过它改变机组转速，使之同步并网）的不同位置。

图 5 [甩全负荷后的转速变化动态过程]
和图6[调速静特性]中0和1分别
表示额定转速和空负荷时的转速。

Δ是使汽轮机功率作业响应的最小转速变化量，比值
[0610-01]称为系统迟缓率。

[3fx]值取决于系统中各元件的迟缓率，即各元件的设计和制造精度。

一般机械系统的[3fx]值在0.3％左右，电液系统可以小到0.03％
左右。

同一曲线上从空载到额定功率N 0的转速变化(1-2)与额定转速0之比
[0610-02]称为转速不等率。

电网内多台机组并联运行通过调速系统调频
时，机组之间即按各台机的[610-03]比例分担负荷的变化量。

值的选定要兼顾动态和静
态性能的要求。

机械系统中一般取3～5％，电液系统中可以更小些。

供热式汽轮机的调节抽汽式汽轮机的调节任务是同时满足电负荷对频率和抽汽热负荷对汽压的要求。

图7 [一次抽汽式汽轮机复合调节系
统]是一次抽汽式汽轮机常用的转速调节与压力调节的复合系统。

当电负荷增加而使转速下降时，如实线箭头所示，调速器的位移输出通过连杆使滑阀分别作不同量的位移，压力油便进入油缸而分别把高压缸和低压缸的调节阀同时开大，直至汽轮机功率增加到满足电负荷为止。

若抽汽压力不受影响便可达到所谓的静态自治。

当热负荷增加而使抽汽压力下降时，如虚线箭头所示，调压器的位移输出使高压缸油动机把调节阀开大而增加高压缸进汽量，同时使低压缸油动机关小调节阀而减少低压缸进汽量。

一增一减，直至满足热负荷的汽量要求而保持抽汽压力基本不变为止。

若机组功率或转速保持不变，便是静态自治。

如达不到自治而同时引起转速和汽压的变化，转速调节和压力调节便协同工作，以保持转速和气压基本不变。

图8[调压静特
性]表示调压静特性，不同曲线
对应于不同的整定器位置。

压力变化不等率[0611-01],一般取8～
10％。

1、2分别为抽汽量为零及额定值时的抽汽压力。

用于发电的背压式汽轮机调节任务是满足热负荷对汽压的要求。

在这种场合，汽轮机进汽量完全取决于供汽量，汽轮机功率只随热负荷变化，毫无调节余地。

因此，机组必须并入电网运行。

但汽轮机除装有调压系统外仍装有调速系统。

后者用在机组启动、并网过程中和甩负荷后投入工作时。

变速汽轮机的调节通常要求生产流程所需的气体或液体在不同流量下压力保持不变，或在不同压力下流量保持不变。

当汽轮机用来驱动这样的压缩机或泵时，其调节任务是使机组转速随负荷作出相应的改变，以保持出口压力或输出流量不变。

这时，从空负荷到满负荷机组的转速变化很大。

调节系统常采用图9 [变速汽轮机多回路调节框
图]的多回路调节。

图[变速汽轮
机多回路调节框图]中调速回路起局部反馈作用，对来自汽源等的扰动直接作出响应，使汽轮机转速保持在与负荷相应的水平。

总回路若为压力调节，则保证在不同输出流量下压缩机或泵的出口压力基本不变；若为流量调节，则保证在不同负荷下输出流量基本不变。

这种功能是通过改变调速回路的给定值以改变机组转速来实现的。

这种调节称为串级调节。

监测保护系统用来保证机组的运行安全，具体项目因汽轮机的本体结构、机组功率和用途的不同而异。

监测项目通常有：转速，转子或轴承座的振动，转子的轴向位移，汽缸与转子的热膨胀差，汽缸壁温或一定部位之间的温差，汽压，背压（真空），润滑油压，油温以及轴瓦温度等。

当这些量值达到一定限度时，保护系统便发出警报信号；进一步到达危险极限时，保护系统便动作和关闭调节阀和主汽阀，迫使机组停机。

超速是各种机组最危险而又是随时可能发生的事故。

图10[超速危急遮断
器]是广泛采用的一种超速危急遮断器。

它直接装在汽轮机主轴上。

撞击子的重心 G与轴回转中心之间有一偏心距e，当转速升高达额定值的110～112％时,撞击子靠自身的离心力克服弹簧力而跳出一定距离,并撞开脱扣机构,使主汽阀和调节阀同时关闭。

中等功率以上的汽轮机常装有两只危急遮断器，并采用交错传动系统以提高可靠性。

更大的机组还设有其他超速保护。

甩负荷后迅速关断一切蒸汽通道如回热抽汽管道、供热抽汽管道等，是极为重要的防超速积极措施。

机组的振动一般以轴承座振幅为判断依据。

随着测量技术的改进，已可能在各部位进行详细的测量，而为监测保护提供更为切实可靠的信息。

自动起停和功率给定控制系统在现代大型汽轮发电机组中用以实现升速、同步并网、增减给定负荷和正常停机等操作的自动化。

汽轮机启动过程是机组寿命消耗率最大、事故发生率最高的工况，启动自动化就是为了保证操作正确和机组安全。

自动启动程序有两种：一种是在机组振动、金属温度、汽压和间隙等监视项目正常的条件下，按一定的时间表循序操作，直至带上预定的负荷;另一种是根据材料强度性能和检测到的数据,通过对要害部位工作应力状态的分析来确定随后的升速或加负过程。

理论上，后一种方式可以实现启动最佳化。

功率给定控制是指对并网运行各机组的功率的控制。

采取分等逐级控制的方式，由电站和电网调度所按照优化计算的结果，或预定的负荷曲线和其他条件，向各机组发出负荷分配的控制信号，并通过机、炉、电单元控制器指令各回路执行。

单元控制器保证回路之间的动作的协调。

发展趋势微型计算机将广泛用来完善和提高各方面的控制功能。

供热式汽轮机和大型发电用汽轮机将普遍使用微型机来实现数字式电液调节。

监测保护系统正逐步利用微型机进行分析诊断和趋势预测，进一步完善后将为实现机组寿命的科学管理提供可靠手段。

大型发电设备造价高昂，停机造成的损失更巨大。

机组起停和运行全盘自动化控制系统的研制，将有助于机组的安全运行，提高机组的经济性和利用率，是受到重视的发展方向。