汽轮机调节保护系统.ppt

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1、第6章 汽轮机调节保护系统,6.1 调节保护的任务与系统组成6.1.1供电品质与电网负荷频率控制(LFC)供电品质 电压、频率和波形同步发电机的特性 端电压决定于无功功率，频率决定于有功功率电压与频率调节无功功率决定于励磁，有功功率决定于原动机的功率。故发电机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转子运动方程与汽轮机调速,第6章 汽轮机调节保护系统,主动力矩：蒸汽驱动力矩,阻力矩：电磁阻力矩机械摩擦阻力矩,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

2、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。,机组力矩与转速关系,6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成,电网有功负荷变化的基本特征第一类变化幅度小、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。,6.1 汽轮机调节保护的任务与系统组成,频率的一次调整由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，维持同步区域电网负荷平衡。特点机组调节，有差调节，机组功率改变量正比于频率偏差,频率的二次调整 电网根据区域电网频率偏差和网际交换功率偏差，通过平移机组调

3、节静态特性线改变组的功率输出特点电网调节，消除频率偏差，维持电网频率在额定值附近,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,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。原则性组成 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。此外，对低真空、低润滑油压、大胀差、高振动

4、等危及机组安全的恶性故障，发生时必须快速停机。因此，汽轮机除设置调节系统外，还设置保护系统。调节保护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。,6.2 汽轮机调节系统及其特性,6.2.1 汽轮机调节系统的组成,6.2 汽轮机调节系统及其特性,对调节系统的要求驱动功率大惯性小，动作速度快控制精度高系统组成转速感受机构 转子转速转变为一次控制信号中间放大机构 中间功率放大执行机构驱动调节汽门开度配汽机构 油动机行程与蒸汽流量非线性校正同步器及启动装置启动、同步操作,6.2 汽轮机调节系统及其特性,调节系统的种类机

5、械液压调节 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。模拟电液调节 转速测量、中间放大、反馈及配汽特性非线性校正采用模拟电路，执行用液压伺服机构。系统简单，控制精度较高，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。数字电液调节 模拟测量、模数转换、数字控制、液压伺服执行。系统简单，控制精度高，可靠性强，维修方便，自动控制水平很高。,6.2 汽轮机调节系统及其特性,汽轮机机械液压调节系统,6.2.2 静态特性四方图与速度变动率,6.2 汽轮机调节系统及其特性,6.2 汽轮机调节系统及其特性,四方图 描述调节系统转

6、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。II象限 转速感受特性转速与一次控制信号III象限 中间放大特性一次控制信号与油动机行程IV象限 配汽特性油动机行程与机组功率I象限 调节系统静态特性功率与转速速度变动率 速度变动率(又称不等率)，四方图中I象限曲线的斜率。空负荷时最大转速与额定负荷下最小转速差，与额定转速的比，称为速度变动率。即,6.2 汽轮机调节系统及其特性,意义 单位转速变化所引起的汽轮机出力增减，表示机组参与电网一次调频能力。由静态特性线求得设置原则 速度变动率大的机组功率相对变化小；反之，机组功率相对变化大。对带基本负荷机组，一般为5%。调频机组小些，但

7、过小运行不稳，故一般不小于3.0%。对机械液压调节系统，响应速度较慢，速度变化率不宜过大，机组甩负荷后容易引起超速。故一般不大于6%。小机组对电网一次调频贡献有限，故取大些.大机组能力大,则贡献大,取小点.,6.2 汽轮机调节系统及其特性,局部速度变动率 因转速感受、中间放大及配汽机构均存在非线性，故速度变动率呈非线性分布。此外，实际中也需要不均匀分布。局部速度变动率,速度变动率的分布 低负荷(010%)处 机组并网带初负荷时，为避免负荷变化过大引起的热冲击，要求速度变动率大些满负荷(90100%)处 避免过载，此区域内速度变动率可取大些，但不超过整体速率变动率的3倍合理分布 两端大、中间小且

8、连续平滑变化,6.2 汽轮机调节系统及其特性,6.2.3 同步器及行程范围功能与作用平移静态特性线求，单机运行时改变转速，并网运行时改变功率行程(控制)范围上极限 保证调门达到最大开度，电网高周波、低参数和高背压时带至额定负荷。向上一般为(d+2.0%)。通常d5.0%，故上行程为7.0下极限 保证并网前有足够的操作空间，便于并网操作；此外，在高参数、电网低周波时能减负荷至零，向下一般为d，故下行程为5.0,6.2 汽轮机调节系统及其特性,6.2 汽轮机调节系统及其特性,6.2.4 滞缓率 滞缓原因动、静摩擦，旷动间隙，滑阀盖度，存在一个死区。,死区,6.2 汽轮机调节系统及其特性,滞缓率调节

9、系统上、下行程(即增、减负荷)特性线上，最大转速偏差与额定转速的比,滞缓与调节品质滞缓是响应死区，单机时引起转速漂移，并网时产生负荷波动,滞缓率限制过大影响调节品质，过小频繁动作造成部件磨损。一般要求：机械液压型，滞缓率不大于0.4%；电液型，滞缓率不大于0.06%,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3.1 机械液压调节系统不足,系统复杂调节品质差自控水平低,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,E/H,AGC,一次调频,要求功率,要求开度,实际开度,转速,6.3.2 电液控制原理与系统,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3.3 数字电液控制系统,6.3 汽轮机数字电液(DEH

10、)控制,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3.4 电液伺服执行机构,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,电液伺服阀电液转换器,.Flash电液伺服阀.exe,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,快速卸载阀溢流阀，快速关闭油动机,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3.5 控制原理&中间再热机组的调节中间容积与功率调节动态特性中间容积汽轮机蒸汽流程中，能存贮蒸汽的容积，如蒸汽室、导汽管、再热器传热管及联箱等动态滞后压力决定中间容积中的贮汽量，又决定其后通流部分的进汽量，产生类似于电容充、放电的动态滞后效应一次调频品质下降再热器庞大的中间容积

11、，时间常数达数十秒，产生很大的时滞，不仅一次调频能力下降，并且也危及机组的超速安全,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,中间再热机组的调节特点设置中压主汽门和调节汽门 甩负荷时，快速切断中压缸的进汽；低负荷时，改变中压缸的进汽量，控制再热汽温；为减小节流损失，机组负荷大于30后中压调门保持护全开高压调门过开或过关 用高压缸过增或过减出力补偿再热器中间容积产生的时滞，改善一次调频性能。设置旁路系统 启、停时，有效控制再热汽温和再热器的冷却；甩负荷时，防止锅炉超压、回收工质机、炉协调控制中间再热机组为单元机组,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,机跟炉动态响应慢，一次调频品质差炉跟机动态响应快

12、，蒸汽参数波动大，安全性差机、炉协调负荷指令同时作用于机、炉，在满足外界负荷需求时，尽可能减小蒸汽参数波动。采用预测控制等现代控制技术，由历史和当时负荷波动趋势预测未来变化，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,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,功频调节原理基于频率、功率反馈的调节,优点减少动态滞后，消除内扰，提高调节品质不足甩负荷时动态反调，不利用超速安全,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,调节级压力反馈原理调节级后压力第一时间反映内扰，校正功率偏差,优点提高克服内扰品质不足压力波动引起机组功率

13、波动,说明,调节采用速度、功率、调级后压力调节的原因：1、速度调节：由同步电机的特性，频率的变化直接放映速度的变化。2、功率调节：用于过调来弥补中间再热的滞后性，及克服内扰。3、调级后压力调节：与功率调节相近，其优点是能提前感受功率的变化，反应快.,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.3 汽轮机数字电液(DEH)控制,6.2 汽轮机调节系统及其特性,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。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

14、。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？解：(1)低参数工况下，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,6.2 汽轮机调节系统及其特性,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

15、为6。（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 汽轮机调节系统的动态特性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,6.3 汽轮机调节系统的动态特性,服惯性迟后于输入动作，输出与静态特性发生偏离。在

16、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。动态特性描述稳定性 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。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。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

17、的。过渡过程调整时间 从响应扰动到基本达到稳定值所经历的时间,6.3 汽轮机调节系统的动态特性,为过渡过程调整时间。一般要求过渡过程时间尽可能短。影响甩负荷动态特性的因素转子动态方程 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：影响甩负荷最高飞升转速的本体因素转子时间常数 转子惯性越大，转速飞升所需的驱动力矩就越大，甩负荷后转速飞升就越低。大机组的转子惯性小于小型机组，因,6.3 汽轮机调节系统的动态特性,此，在甩相同百分

18、率负荷时，大机组的飞升转速高于小型机组。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。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，

19、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。,6.4 汽轮机液压调节系统典型分析,6.4.1 上汽旋转阻尼机械液压调节系统系统组成 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。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

20、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,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,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。弹簧 仅当继动器活塞偏离居中位置，即

21、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。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。转速感受机构特性 一次油压正比于转速的平方(p1=kn

22、2)，在汽轮机额定转速附近，级数展开后成线性关系。旋转阻尼管长度不,6.4 汽轮机液压调节系统典型分析,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。中间放大机构特性 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。继动器静态反馈弹簧 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,6.4 汽轮机液压调节系统典型分析,大。影响速度变动率的其它因素 影响上汽机组调节系统静态特性的因素还有很多，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。,6.4 汽轮机液压调节系统典型分析,