汽轮机控制系统
汽轮机控制原理
汽轮机控制原理一、汽轮机的基本原理汽轮机是一种利用高速旋转的转子带动涡轮叶片工作，从而将热能转化为机械能的热力学装置。
其基本原理是利用高温高压的蒸汽或气体驱动涡轮旋转，使得涡轮带动发电机或其他设备工作。
二、汽轮机控制系统的组成汽轮机控制系统主要由以下几个部分组成：1. 传感器：用于测量汽轮机运行状态参数，如温度、压力、转速等；2. 控制器：根据传感器采集到的数据，对汽轮机进行控制和调节；3. 执行器：根据控制器发出的指令，对汽轮机进行操作和调整；4. 监测系统：对汽轮机运行状态进行监测和诊断，及时发现故障并处理。
三、汽轮机控制系统的功能1. 调节蒸汽流量：通过调节蒸汽阀门开度来控制蒸汽流量，以满足负荷需求。
2. 调节燃料供给：通过调节燃料阀门开度来控制燃料供给量，以满足负荷需求。
3. 调节转速：通过调节蒸汽阀门和燃料阀门的开度，控制涡轮旋转速度，以满足负荷需求。
4. 控制温度和压力：通过控制蒸汽流量、燃料供给和排气温度等参数，控制汽轮机的温度和压力。
5. 监测和诊断：对汽轮机运行状态进行监测和诊断，及时发现故障并处理。
四、汽轮机控制系统的工作原理1. 蒸汽流量控制：当负荷需求增加时，传感器检测到蒸汽流量下降，控制器会发出指令，使蒸汽阀门开度增加，增加蒸汽流量。
反之亦然。
2. 燃料供给控制：当负荷需求增加时，传感器检测到燃料供给不足，控制器会发出指令，使燃料阀门开度增加，增加燃料供给。
反之亦然。
3. 转速调节：当负荷需求增加时，传感器检测到涡轮转速下降，控制器会发出指令同时调节蒸汽阀门和燃料阀门的开度，以增加蒸汽流量和燃料供给，从而提高涡轮转速。
4. 温度和压力控制：当负荷需求增加时，传感器检测到温度和压力下降，控制器会发出指令调节蒸汽流量、燃料供给和排气温度等参数，以提高温度和压力。
5. 监测和诊断：通过监测各种参数，如振动、温度、压力等，及时发现汽轮机故障，并进行诊断和处理。
五、汽轮机控制系统的优点1. 自动化程度高：汽轮机控制系统能够自动进行负载调节、转速调节等操作，减少了人工干预。
汽轮机控制系统
汽轮机控制系统汽轮机控制系统组成一般来讲，汽轮机控制系统由人机界面、测量元件、控制装置、执行机构等部分组成。
人机界面为各种操作显示设备，如CRT，各种指示灯/表，鼠标，操作按钮/开关等。
测量元件为各种传感器，如测速头，热电偶，变送器，行程开关等。
它们将各种工艺过程变量转换成不同形式的电子信号，送往控制装置。
控制装置是整个控制系统的核心，实现系统的各种控制功能。
目前常用的控制装置都是以微处理器和网络技术为基础的数字式控制系统。
通常由通过网络连接的控制站、操作员站、工程师站以及电源装置和必要的机柜等辅助设备构成。
其中，控制站包括运算处理部件和I/O转换部件。
由于汽轮机是一种大型高速旋转设备。
其执行机构必须具有较大出力和快速响应，所以普遍采用液压型执行机构，也称作油动机。
因此，还必须配备液压动力源向执行机构提供液压工作介质。
根据设计的不同，可以采用汽轮机润滑油作为工作介质，也可以配置独立油源。
另外，在数字式控制系统中还有大量的不同功能的软件程序分布在系统各部件中，与硬件设备协同工作，共同完成控制任务。
汽轮机作为一种在高温、高压、高速条件下连续运行的大型机械设备，其高可靠性既是工艺过程的要求，也是自身安全的需要。
所以在配置汽轮机控制系统时必须给予高度重视。
冗余技术、自诊断技术和分散结构被广泛采用。
在控制装置内部，均采用双网结构，防止信息传送故障。
CPU处理器采用三冗余配置，3取2表决机制或双机热备配置，裁决机制，一用一备。
对重要信号，从一次元件到I/O通道都采用3冗余或双冗余配置。
执行器一般采用双线圈伺服阀；双泵供油，一用一备，自动连锁。
另外，分散结构使系统各功能科学合理地分配在不同的部件中，任何部件损坏只会引起系统部分功能丧失，不会导致整个系统故障，更不会危及机组运行安全；同时系统中非常完善的自诊断功能可以对系统中绝大多数异常进行有效的鉴别、报警，必要时自动将故障部件从系统中隔离。
目前，自诊断都可以达到具体I/O通道。
汽轮机TSIDEHETS系统介绍
使用键相位配合轴振动探头，可以完美的捕捉到启动/停止时的振 动趋势；
第3个是正常使用时检测转轴的轴向扭曲，因为这种异常会导致 转轴彻底报废，虽然很少发生 但是由于这种变形根本无法在普通 的轴振动探头单独体现出来，这个叫相位角测量；
2 OPC电磁阀
OPC电磁阀是超速保护控制电磁阀;他们是受 DEH控制器的OPC部分所控制; 正常运行时，这 两个电磁阀是不带电常闭的，封闭了OPC总管油 压的泄油通道，使调节汽阀和再热调节汽阀的执 行机构活塞下腔能够建立起油压，一旦OPC控制 板动作，这两个电磁阀就被通电开启，使OPC母 管油压泄放。这样执行机构上的卸荷阀快速开启， 使调节汽阀和再热调节汽阀关闭。
电子控制部分主要由分布式控制系统 DCS 及 DEH 专用模件组成;它完成信号的采集 综合 计算、逻辑处理、人机接口等方面的任务; 液压 调节保安部分主要由电液转换器、电磁阀、油 动机、配汽机构等组成，它将电气控制信号转 换为液压机械控制信号，最终控制汽轮机进汽 阀门的开度。
DEH液压控制系统主要包括：供油系统 伺 服油动机、保安系统; 主要完成下述功能:
图5 ETS系统框图
ETS 停机信号
1 EH油压低 2 润滑油压低 3 真空低 4 电超速保护 5 轴振大保护 6 轴向位移大保护 7 差胀大保护
8 高排压力高保护 9 高排压比低保护 10 高排温度高保护 11 锅炉MFT动作 12 发电机保护 13 DEH失电跳机
其中;EH油压低 润滑油压低、真空低压力开关装 在机头左侧，开关量保护动作送至ETS跳机; 机组 振动、轴向位移、胀差通过TSI监测系统输出开关 量至ETS跳机。电超速包括DEH超速和ETS超速， 动作转速均为110%额定转速。DEH超速探头3个 在主机前箱，接受现场转速探头来的转速信号送给 专门的转速卡件，转速超过110%额定转速经内部 逻辑处理三取二后输出信号至ETS柜，再去动作现 场的AST电磁阀。
主汽轮机控制系统(MTC)功能简介
主汽轮机控制系统（MTC）功能简介主汽轮机控制系统是通过自动调节进入汽轮机的蒸汽流量来控制汽轮机转速及负荷的设备。
它具有升速控制、阀门切换控制、关闭所有阀门、调节器控制以及快速减负荷等控制功能。
标签：主汽轮机控制系统（MTC）；可视化操作平台（VDU）；控制功能1 概述主汽轮机控制系统（MTC）是通过自动调节进入汽轮机的蒸汽流量，来控制汽轮机的转速及负荷的设备。
MTC 通过位于主控室的可视化操作平台（VDU）控制汽轮机的转速和输出功率。
MTC 具有升速控制功能、阀门切换控制功能、关闭所有阀门功能、调节器控制功能、调节器自动跟踪器功能、负荷限制器控制功能、超速保护（OPC）控制功能、自动负荷调节（ALR）功能以及快速减负荷（Runback）控制功能等。
2 操作对象MTC的控制及操作对象是主汽阀（MSV），调节阀（GV），再热主汽阀（RSV）和再热调节阀（ICV）。
如图1所示。
3 控制功能3.1 升速控制功能升速控制是通过MSV控制进入高压汽轮机的主蒸汽量，按照设定的升速率，使汽轮机升速的功能。
MSV 的预启阀用于升速控制。
由于进入高压汽轮机的主蒸汽量在汽轮机升速过程中较低，因此，在控制机组从盘车转速到额定转速过程中，使用MSV 的小流量的预启阀比使用大流量的GV进行升速控制具有更好的效果。
根据规程HYG-MTS-GJP-101附件2（汽机启动）：在VDU 操作屏幕上选择目标转速并选定升速率后，通过选择程序运行“GO”，使汽轮机以选定的升速率升速到目标转速。
汽轮机达到目标转速后，将自动选择程序中的“HOLD”，汽轮机转速保持不变。
可选的升速率如图2所示。
汽轮机是通过控制MSV的阀位来升速的，MSV的阀位是通过比例反馈来控制的，以便使实际转速与由目标转速和升速率确定的转速参考值一致。
由于升速控制是比例控制，会出现控制偏差。
因此，在MSV 阀位指令上叠加了作为转速参考值函数的偏差补偿，以尽可能减小转速参考值与实际转速间的偏差。
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。
汽轮机控制
负荷扰动
从CCS来 TD指令
给 定 处 理 回 路
＋ ＋ K1 频率 校正
调 频 投 入
阀 门 管 理
动电 机液 及转 阀换 门、 油
蒸 汽 容 积
机 械 功 率
高 压 缸 ＋
电功率
发电机
＋ 3000r/min
－
转速 测量
图3—16参加机组协调控制时的汽轮机控制系统结构
在协调控制方式下，禁止负荷控制投 入和做阀门试验。 当有以下条件产生时协调控制方式被切除： 1. CCS请求信号消失； 2. 从CCS来的给定信号故障； 3. 油开关跳闸； 4. 汽机已跳闸； 5. 操作人员将CCS控制切除； 等。
四、协调控制（CCS）
协调控制方式一般须满足下列条件： （1）机组已并网； （2）收到协调允许信号。
第四节 控制功能与控制系统特性
一、控制功能
1.转速控制
OA手动给定
ATC自动给定 同步信号
给 定 处 理 回 路
转速 调节器
＋ －
阀 门 管 理
动电 机液 及转 阀换 门、 油
转速
汽轮发电机 组
转速测量
一次调频的投入条件如下： 1. 机组已并网； 2. 控制系统在“操作员自动”状态； 3. 负荷大于10％额定负荷。
3. 协调控制
汽轮发电机组一般满足以下条件时可投 入协调控制： 1. 机组已并网； 2. 接收到CCS请求信号； 3. 由CCS来的给定信号正常； 等。
中 间 再 热 器
中 、 低 压 缸
T T T
×
f (x) T × ∑
阀门试 验逻辑 顺序阀系数
f(x)
阀门试 验逻辑 顺序阀系数
f(x)
汽轮机DEH控制系统
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汽轮机DEH控制系统
汽机的启动方式
¨ 冷态启动 又叫BYPASS OFF(旁路关闭) 方式启动。当高压主器阀前的压力和温 度达到要求时（以300MW汽轮机为例， 主 气 压 4.2MP, 主 气 温 350 摄 氏 度 ） ， RSV、GV、IV均开启。由GV控制汽机 转速从盘车转速上升到2900 r/min.在2900 r/min 时，进行阀切换。GV 全开，由TV 控制汽机继续升速。
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汽轮机DEH控制系统
¨ 参与一次调频 DEH系统均设计有一次调 频回路，其工作原理是：机组转速以 3000 r／min为目标值，频差以一定的函 数对应为负荷指令叠加到目标值上。为 防止反复调节引起目荡，应设置一定的 频差控制死区。
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汽轮机DEH控制系统
¨ 参与协调控制 大型机组的协调控制是 机组必备的功能之一。协调控制的实现， 综合考虑了机组与炉膛不同被控对象的 特性，在很大程度上改善了机组的负荷 响应能力，也减少了运行人员由于负荷 变动进行的运行操作，降低了劳动强度。
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汽轮机DEH控制系统
¨ 单阀／顺序阀切换 机组运行过程中可工 作在“单阀”或“顺序阀”两种阀门控 制方式。
在“顺序阀”控制方式下，机组升降负 荷时，应按阀门流量特性要求依次开启 或关闭相应阀门，以减小截流损失，提 高机组运行的稳定性。
在“单阀”控制方式下，各阀门恢复开 度一致。切换过程中，应尽量保持功率 值无扰。
¨ 以汽机为主 这种运行方式是以汽机调功率， 汽机可以参加一次调频。这时，可以投入主蒸 汽压力低保护功能。保护的原理是：当主蒸汽 压力降到设定值的90%时，汽轮机自动降低负 荷，以保持锅炉的出口压力。注意，最多降到 20%额定负荷为止。
汽轮机控制系统操作说明DEH
汽轮机控制系统（ DEH）设计及操作使用说明上海汽轮机有限企业300MW 机组 DEH 系统说明书DEH 系统使用的是西屋企业的OVATION型集散控制系统。
其先进性在于分别的构造和鉴于微办理器的控制，这两大特色加上冗余使得系统在拥有更强的办理能力的同时提升了靠谱性。
100MB 带宽的高速以太网的高速公路通信使各个控制器之间互相隔绝，又能够通过它来互相联系，能够说是整套系统的一个核心。
系统的主要构成包括：工程师站、操作员站、控制器等。
一、DEH 系统功能汽轮机组采纳由纯电调解液压伺服系统构成的数字式电液控制系统 (DEH) ，供应了以下几种运转方式：操作员自动控制汽轮机自启动自同期运转DCS 远控运转手动控制经过这几种运转方式，能够实现汽轮机控制的基本功能如转速控制、功率控制、抽汽控制功能。
1 ．基本控制功能工程师站和操作员站的画面是主机控制接口，它是用来传达指令给汽轮机和获取运转所需的资料。
翻开CUSTOM GRAPHIC 窗口，运转人员能够用鼠标点击对应的键来调出相应的图像。
也能够翻开DATA ANALYSIS AND MAINTENANCE窗口，选用OPERATOR STATION PROGRAMS按钮，在OPERATOR STATION PROGRAMS 菜单上采纳 DIAGRAM DISPLAY 按钮，在 DISPLAY DIAGRAM 菜单上采纳所需的图号，再按 DISPLAY 按钮，就能调出所需的图形。
基本系统图像全部基本系统图像将机组运转的重要资料供应给运行人员。
屏幕分红不一样的地区，包含一般信息，页面特定信息。
一般信息控制方式—用来表示机组目前全部的控制方式。
这些方式分操作员自动、汽轮机自动控制、遥控、以及手动同步和自动同步。
旁路方式－DEH供应一个旁路接口，能够调理再热调理汽阀，以便与外面的旁路控制器相当。
运转人员可依据实质状况选择带旁路运转方式和不带旁路运转方式。
控制设定－主要显示实质值、设定值、目标值和速率。
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二、控制系统构成
• 早期的汽轮机控制系统采用液压调速器，汽轮机 控制系统相对独立。
• 20世纪60年代末期出现了在液压控制基础上增加 发电机组功率控制功能的电液控制系统。
• 目前汽轮机控制系统广泛采用数字电液控制 （Digital Electro-Hydraulic Control， DEH ） 技术，同时将汽轮机和发电机构成的汽轮发电机 组作为被控对象进行控制，因此汽轮机控制系统 实际上是汽轮发电机组控制系统。
设定值
图3—6 给定值处理逻辑
汽轮机控制系统
第二节 阀门管理
1阀门配置与作用
高压缸配汽
高压调节阀GV2
高压调节阀GV4
Ⅱ
Ⅳ
高压调节阀GV3
Ⅲ
Ⅰ
高压调节阀GV1
高压主汽阀TV1
高压主汽阀TV2
过热器蒸汽
图3—7汽汽轮轮机机阀控门制布系置统图
• 高压主汽阀具有危急状态时快速关闭、截断进汽 和启动时调节汽轮机转速两个功能。当高压调节 阀失效时能提供一个额外的保护。高压主汽阀在 汽轮机全速旋转时和正常工况下保持全开。
动机
动机
低压缸
发电机
功率 PE
并网BR
油断路器
挂闸ASL
EH高压抗燃油 供油系统
AST1 AST3
超速保护OPC（1） 紧急跳闸ETS
OPC（2）
AST2
AST4
汽轮机控制系统
排油
图3-3 汽轮机控制系统构成原理图
隔膜阀 润滑油供油系统
机械遮断 手动遮断
汽轮机控制系统
三、控制原理
转速 调节器
＋
－
K3
门
门机转
汽
管
K4
理
及换
容
阀、
积
负
－
荷
控
制
投
控 制 投 入调 节 级 压 力
并 网
入
调
频
投
K1
入
调节级压 力测量
频率 校正
功率 测量
中
、
中 间
中 、
率低压
再
低缸
热
压功
器
缸
负荷扰动
＋
高＋ 压 缸
高 压 缸 功 率
发电机
轴 出 旋 转 机 械 功 率
电功率 转速
＋
－
3000r/min
转速 测量
汽轮机控制系统
汽轮机控制
汽轮机控制系统
器过 热
炉锅
中压主汽阀SV
中压调节阀IV 低压旁路阀
高压主汽阀TV 高压调节阀GV
器再 热
阀高 压 旁 路
反流阀
缸高 压
缸中 压
真空阀
高压排汽止回阀
给水泵
图3-1机组热力系统简图
汽轮机控制系统
断路器
缸低 缸低 压压
～ 发电机
凝汽器
第一节 汽轮机控制系统
一、控制任务
1自动监测
汽轮机控制系统
高压主汽阀 TV
高压调节阀 GV
转速 n
主 汽 压 PT
高压主汽阀油 动机
高压调节阀油 动机
阀
阀
测
位
位
量
指
反
信
令
馈
号
汽轮机数字控制器 （DCS）
系统连接信号 TD，AS，RB等
高压缸
调 节 级 压 力 IMP
中压缸
中压主汽阀 中压调节阀
SV
IV
再热器
IEP
OPC油路 AST油路
中压主汽阀油 中压调节阀油
• 当汽轮机发电机组正常运行时，通过调节高压调 节阀门开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控 制的目的。
-3%
T
阀门试验 复位运行
到IV1伺服
调节级压力 控制投入
手动 0
快卸指令
∑
T
T
脱网
＜
阀位限制
手动
T
回路
手动增 手动减
T
跳闸或超速
T
快卸动作
中压缸启动为0
×
高中压启动为1
阀门试验
f (x) 阀门试 f(x) 验逻辑
T
单阀系数
T 阀门试 验逻辑
顺序阀系数
×
×
∑
T
-3%
-3%
T
运行
汽轮机控制系统
到IV4伺服
用于参数严重超标、危及机组安全时，紧急关闭所有的主汽阀和 调节汽阀，立即停机。
(3) 机械超速保护和手动遮断系统
汽轮机控制系统
3自动调节
100
1 中压调节汽门
调节汽门开度（%）
2 高压调节汽门
0 20 40 60 80 100 图3-2调节汽门开度与功率关系
功率 (100%)
汽轮机的主要控制参数是功率、转速和主蒸汽压力
汽轮机控制系统
• 数字电液控制系统（又称DEH系统， Digital Electro-Hydraulic Control System）是20世纪70年代后期发展起来的 大型汽轮发电机组的自动控制装置，早期 的DEH系统采用专用的数字控制装置，但 现在汽轮机控制系统普遍采用分散控制系 统DCS（Distributed Control Systems） 系统予以实现。
到GV1伺服
阀门试验 单阀系数
f (x) 阀门试 f(x) 验逻辑
T
顺序阀系数
×
×
∑
-3%
T
运行
到GV4伺服
操作员目标值 T
ATC目标值 T
自动同期目标值 T
非临界区目标值 T
CCS目标值（TD指令） T
T
变化率限制 V≯
操作员手动 ATC运行方式
自动同期方式 自动设定目标值
CCS方式 保持方式 运行方式
调节汽轮机的进汽量（也即改变发电机功率角）可控制汽轮 发电机组的输出电功率（有汽轮功机控功制率系统）。
４汽轮机自动启停控制
从启动准备到带满负荷或从正常运行到停机 整个过程汽轮机全部实现自动控制。
汽轮机控制系统都设有ATC（Automation Turbine Control）功能，即具有汽轮机自动盘车、 自动升速、自动并网到自动带负荷功能。
器
缸
负荷扰动
＋
பைடு நூலகம்
高＋ 压 缸
高 压 缸 功 率
发电机 轴 出 旋 转 机 械 功 率
电功率 转速
＋
－
3000r/min
转速 测量
汽轮机控制系统
三、控制原理
转速 调节器
＋
－
OA手动给定 ATC自动给定 CCS的TD指令 同期信号
给
定
处
理
回
路＋
＋
＋
N
N
N
油电
Y
Y
Y
阀
动液
蒸
功率 调节器
K2
－
调节级压 力调节器
图3—4汽轮机控制原理图
汽轮机控制系统
汽轮机控制系统
转速
3000r/min
操作员设定
转速 调节器
∑
0
f(x)
T
调频投入
功率
%
其它给定信号
设定值 0
给定值处理回路
主汽压限制值
∑
T
V≯
T
0
∑
主汽压限制投 入
主汽压限制动作 %
调节级压力
功率 调节器
调节级压力 调节器
功率控制切除
T
0
K f(x)
T 阀门试 验逻辑
汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation, TSI）
2自动保护
(1)超速保护系统（Overspeed Protection Controller, OPC）:
超速时关闭高、中压缸调节阀。 (2)危急遮断系统（Emergency Trip System, ETS，又称紧急跳闸系 统）:
OA手动给定 ATC自动给定 CCS的TD指令 同期信号
给
定
处
理
回
路＋
＋
调
频
投
K1
入
频率 校正
N
N
N
油电
Y
Y
Y
阀
动液
蒸
功率
调节器 K2
＋
－
调节级压 力调节器
K3
门
门机转
汽
管
K4
理
及换
容
阀、
积
负
－
荷
控
制
投
控 制 投 入调 节 级 压 力
并 网
入
调节级压 力测量
功率 测量
中
、
中 间
中 、
率低压
再
低缸
热
压功