汽輪機(jī)調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)

1、第五章 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)及保護(hù)系統(tǒng)第一節(jié)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本原理一、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本任務(wù)由于交流電能不能大量儲存，而用戶的用電量隨時都在變化，從而要求汽輪發(fā)電機(jī)組能隨時根據(jù)用戶的電量需要調(diào)節(jié)負(fù)荷的大小，以保證供電數(shù)量和供電質(zhì)量。供電質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是電壓、頻率。電壓的高低除了與機(jī)組轉(zhuǎn)速有關(guān)，還可通過發(fā)電機(jī)勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)，供電頻率只取決于機(jī)組轉(zhuǎn)速。在我國統(tǒng)一采用50Hz的供電頻率。對于火力發(fā)電機(jī)一般采用一對磁極，頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：f=n/60 式1 式中n為機(jī)組每分鐘轉(zhuǎn)速。在汽輪發(fā)電機(jī)正常工作時，轉(zhuǎn)子上主要受到兩個轉(zhuǎn)矩的作用，見圖51。一個是驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力轉(zhuǎn)矩，其值取決于蒸汽流量，進(jìn)排汽參數(shù)。另一個

2、是作用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的制動力轉(zhuǎn)矩，其值的大小取決于發(fā)電機(jī)電量的大小。當(dāng)汽輪機(jī)的功率與發(fā)電機(jī)外界負(fù)荷相適應(yīng)時，機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下運行，稱為穩(wěn)定工況。當(dāng)外界用電負(fù)荷增加時，若進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量不變，則制動力矩增大，而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不變，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小于制動轉(zhuǎn)矩，機(jī)組轉(zhuǎn)數(shù)下降。反之，外界用電負(fù)荷減小而汽輪機(jī)的進(jìn)汽量未變，從而制動轉(zhuǎn)矩小于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，機(jī)組轉(zhuǎn)數(shù)上升，使供電數(shù)量和質(zhì)量均受到影響。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)外界負(fù)荷的變化及時調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率，在保證供電數(shù)量滿足需要的同時，維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在額定范圍內(nèi)，從而保證供電質(zhì)量和機(jī)組安全。二、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成機(jī)構(gòu)汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，均可分成以下三個組成機(jī)構(gòu)，即：1、

3、 轉(zhuǎn)速感應(yīng)機(jī)構(gòu)。如小機(jī)的旋轉(zhuǎn)阻尼、大機(jī)的磁阻發(fā)送器。它們的作用是感應(yīng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，并將其轉(zhuǎn)換成其他物理信號。其輸入的是轉(zhuǎn)速變化信號，輸出都是油壓或電信號。2、 傳動放大機(jī)構(gòu)。如伺服閥、油動機(jī)等，它們的作用是進(jìn)行信號的傳遞、轉(zhuǎn)換、放大及信號的反饋。其輸入信號為感應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出信號；輸出信號為油動機(jī)的位移。3、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指調(diào)節(jié)汽閥及其與油動機(jī)活塞間的連接裝置，它們的作用是調(diào)整進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，以適宜外界負(fù)荷的變化要求。其輸入信號為油動機(jī)的位移信號，輸出信號為調(diào)節(jié)汽閥的開度變化量。三、調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性在穩(wěn)定工況下，汽輪機(jī)功率與轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，如圖52所示。它由轉(zhuǎn)速感

4、應(yīng)機(jī)構(gòu)、傳動放大機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性決定。1、速度變動率和遲緩率根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，在穩(wěn)定狀態(tài)下，汽輪機(jī)空負(fù)荷時轉(zhuǎn)速nmax 差值與額定轉(zhuǎn)速n 相比值稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度變功率，即（nmax nmin ）×100%/n 。速度變動率對汽輪機(jī)運行有較大的影響，速度變動率過小時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)表現(xiàn)過于靈敏，電網(wǎng)頻率的較小變化，便可使機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生較大的變化，機(jī)組運行穩(wěn)定性差，反之，速度變動率大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但機(jī)組甩負(fù)荷動態(tài)性能差。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各機(jī)構(gòu)中存在著摩擦、間隙等使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動作出現(xiàn)遲緩。在同一功率下，轉(zhuǎn)速上升過程的靜態(tài)特性曲線與轉(zhuǎn)速下降過程中的靜態(tài)特性曲線之間的轉(zhuǎn)速差與額定轉(zhuǎn)

5、速之比的百分?jǐn)?shù)稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率，即=n/n0×100%。遲緩率的存在延長了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動作時間，對機(jī)組運行十分不利，一般要求遲緩率不超過0.2。2、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻在電網(wǎng)并列運行的機(jī)組當(dāng)外界負(fù)荷變化引起電網(wǎng)頻率改變時，網(wǎng)內(nèi)各運行機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)將根據(jù)各自的靜態(tài)特性改變機(jī)組的功率，以適應(yīng)外界負(fù)荷變化的需要，這種由調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)功率，以減小電網(wǎng)頻率改變幅度的方法，稱為一次調(diào)頻。如圖53所示的兩個機(jī)組，其速度變動率分別為和 ，且 。當(dāng)外界負(fù)荷增加p時，網(wǎng)內(nèi)兩臺機(jī)組的轉(zhuǎn)速都由 n 降低了n，兩機(jī)組按各自的靜態(tài)特性動作。號機(jī)功率增加了p1，號機(jī)功率增加了p，且p1p p滿足了外界負(fù)荷的需要

6、。這說明：在電網(wǎng)負(fù)荷變動時，速度變動率越大的機(jī)組，負(fù)荷變化越小，速度變動率越小的機(jī)組，負(fù)荷變化越大。同時我們不難看出經(jīng)過一次調(diào)頻后，雖然滿足了外界負(fù)荷的需要，但機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速卻發(fā)生了變化，即供電質(zhì)量變差，這也就產(chǎn)生了一次調(diào)頻基礎(chǔ)上的二次調(diào)頻。即在負(fù)荷不變的情況下，通過平移靜態(tài)特性曲線使機(jī)組的轉(zhuǎn)速工作于額定轉(zhuǎn)速，以保證電網(wǎng)頻率不變，同時還可實現(xiàn)負(fù)荷的重新分配。如圖53二次調(diào)頻是當(dāng)經(jīng)過一次調(diào)頻后，號機(jī)工作于狀態(tài)點´，號機(jī)工作于狀態(tài)點´，它們的工作轉(zhuǎn)速n1 都低于額定轉(zhuǎn)速n。此時進(jìn)行二次調(diào)頻，將號機(jī)的靜態(tài)特性曲線平移到aa´，使號機(jī)調(diào)門開大，功率增加p ，轉(zhuǎn)速上升至n，

7、電網(wǎng)頻率升至f ， 號機(jī)隨著電網(wǎng)頻率的升高，又進(jìn)行了一次調(diào)頻，使功率減小了p，也就說明這時號機(jī)承擔(dān)了全部負(fù)荷的變化，并使電網(wǎng)頻率恢復(fù)至額定值。通過以上的分析我們可以看出，一次調(diào)頻是一種有差調(diào)節(jié)，不能維持電網(wǎng)頻率不變，只能緩和電網(wǎng)頻率的改變程度。所以我們增減某些機(jī)組的負(fù)荷，以恢復(fù)電網(wǎng)的頻率，這一過程稱為二次調(diào)頻。二次調(diào)頻的實現(xiàn)方法有以下兩種：1）電網(wǎng)調(diào)頻由中心調(diào)度所調(diào)度員根據(jù)負(fù)荷潮流及電網(wǎng)頻率，給各廠下達(dá)負(fù)荷調(diào)整命令，由各發(fā)電單位進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)全網(wǎng)的二次調(diào)頻。2）采用自動控制系統(tǒng)（AGC），由計算機(jī)（電腦調(diào)度員）對各廠機(jī)組進(jìn)行遙控，來實現(xiàn)調(diào)頻全過程，參與該系統(tǒng)的各機(jī)組必須具有幾路協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。四

8、、調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性當(dāng)受到某種擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)被打破，經(jīng)過調(diào)整后到另一個狀態(tài)下穩(wěn)定下來，不同的調(diào)節(jié)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程和時間都不相同。將調(diào)節(jié)系統(tǒng)從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)過程中所呈現(xiàn)的特性，稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性。動態(tài)過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系曲線，稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性曲線。1、動態(tài)性能品質(zhì)指標(biāo)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能品質(zhì)好壞主要依據(jù)以下三個指標(biāo)：）穩(wěn)定性當(dāng)運行機(jī)組在受到干擾而離開平衡狀態(tài)后，經(jīng)過調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整能夠回到新的原來的平衡狀態(tài)，則認(rèn)為調(diào)節(jié)系統(tǒng)是動態(tài)穩(wěn)定的。圖54為汽輪機(jī)甩全負(fù)荷時，具有不同動態(tài)性能的調(diào)節(jié)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速隨時間變化的動態(tài)過程線，圖A的三條動態(tài)過程線，其轉(zhuǎn)

9、速最終都能穩(wěn)定于n1=(1+)no，為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖B的三條動態(tài)過程線，其轉(zhuǎn)速隨時間的增大，或沿著做不衰減的諧振（曲線4），或轉(zhuǎn)速振動幅度隨時間增大（曲線5），或甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速一直上升（曲線6），這些過程為不穩(wěn)定的動態(tài)過程，其調(diào)節(jié)系統(tǒng)為不穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)。）超調(diào)量在機(jī)組甩負(fù)荷過程中，最高轉(zhuǎn)數(shù)與最后穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之差，稱為轉(zhuǎn)速的超調(diào)量。 nmaxnmaxn1nmax（1）n0汽輪機(jī)甩負(fù)荷后的最高轉(zhuǎn)速nmax應(yīng)低于超速保護(hù)裝置的動作轉(zhuǎn)速，且留有3左右的裕度。顯然甩全荷時最高轉(zhuǎn)速越低動態(tài)性能品質(zhì)越好。）過渡時間調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到擾動后，從原穩(wěn)定狀態(tài)過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)所需時間稱為過渡時間。顯然過渡時間越短，動態(tài)性能

10、品質(zhì)越好。2、影響動態(tài)特性的主要因素1） 速度變動率速度變動率越小，機(jī)組甩負(fù)荷時的最高轉(zhuǎn)速越低，但超調(diào)量卻隨著速度變動率的減小而增大，使甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速波動的次數(shù)增多，衰減變慢，穩(wěn)定性變差。因此，要求速度變動率在3<<6。2） 遲緩率遲緩率對調(diào)節(jié)系統(tǒng)有著不利的影響。遲緩率增大，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)從接收到變化信號到調(diào)節(jié)汽門開始動作的過渡時間增長，從而使超調(diào)量增加，轉(zhuǎn)速振蕩次數(shù)增多，衰減變慢，嚴(yán)重時會造成不穩(wěn)定振蕩。因此，無論從靜態(tài)特性還是動態(tài)特性的角度來看，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率都是越小越好。3） 油動機(jī)時間常數(shù)油動機(jī)時間常數(shù)是指油動機(jī)在最大進(jìn)油的條件下，從全開到全關(guān)所需要的時間。這個時間越短，表明油

11、動機(jī)動作越迅速，使超調(diào)量越小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定越好，動態(tài)性能品質(zhì)也越好。4） 轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)是指轉(zhuǎn)子在額定功率時的蒸汽主力矩作用下，轉(zhuǎn)速由零升至額定轉(zhuǎn)速所需要的時間，轉(zhuǎn)子飛升時間越小說明轉(zhuǎn)子越容易加速，甩負(fù)荷時越容易超速。隨著機(jī)組容量的不斷增加，轉(zhuǎn)子在額定功率時的蒸汽主力矩成幾倍或幾十倍增加，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量卻增加不多，使得轉(zhuǎn)子的飛升時間常數(shù)越來越小，機(jī)組甩負(fù)荷后超速的可能性增大，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求也越來越高。我們現(xiàn)在所運用的DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)增設(shè)了103超速保護(hù)功能，利用甩負(fù)荷時的加速度信號，暫時關(guān)閉高中壓調(diào)節(jié)汽閥，以避免超速，待轉(zhuǎn)速降低至額定值附近時再開啟，維持汽機(jī)空轉(zhuǎn)。5） 中間體積時間常數(shù)汽輪機(jī)的中間體積是指調(diào)節(jié)汽閥到末級通流部分、中間抽汽管道、中間再熱器及其管道等存留蒸汽的空間