热力设备运行

1第一章凝汽式汽轮机的调节第一节汽轮机调节的基本概念一、汽轮机调节的任务汽轮发电机组是将蒸汽的热能转变为电能的设备。由于电能不能大量的储存，因此，机组发出的功率应与外界负荷相适应。当两者平衡时，转速在一定的转速下稳定运行，此时蒸汽在汽轮机转子上产生的主动力矩Mt等于发电机转子受到的制动力矩Me（不考虑机组的摩擦机械损失），即Mt=Me或Mt－Me=0(1-1)当外界负荷发生变化时，发电机制动力矩随之变化，在未对机组进行调节时，汽轮机的主动力矩未变，则Mt－Me=△M≠0△M称为剩余力矩。由力学可知，由于剩余力矩的存在，将使转子的角速度发生变化，其关系式如下：ΔM=Jt∆∆ω（1-2）式中J——转子的转动惯量t∆∆ω——转子的角加速度。显然，如外界负荷减少，则ΔM＞0,t∆∆ω＞0,机组的转速将增加；反之，若外界负荷增加，则ΔM＜0,t∆∆ω＜0,机组的转速将降低。汽轮发电机组的转速变化，将带来下列影响：(1)影响供电质量。供电质量标准主要有两个，频率和电压。电压虽与机组转速有关，但主要是对励嵫电流的调整进行调节，而频率只取决于机组的转速，其关系式为：f=60Pn式中n——机组转速；P——发电机磁极对数。上式表明，供电的频率将随机组转速成正比变化，目前我国供电频率要求为50±0.5Hz，因此不允许机组转速有过大的变化。(2)影响机组的安全。机组转速增加过大，将使转动部分的零部件产生过大的应力。例如，当转速增加20℅时，应力增加44℅，将超过转动零部件允许应力，这是转动部分零部件强度所不允许的。因此，为了保证供电的质量和机组的安全，汽轮发电机组必须具备能调节汽轮机功率的调节系统，其基本任务是：在外界负荷与机组功率相适应时，保持机组稳2定运行：当外界负荷改变，机组转速发生变化时，调节系统能相应的改变汽轮机的功率，使之与外界负荷相适应，建立新的平衡，并保持转速偏差不超过规定的范围。二、直接调节和间接调节(一)直接调节直接调节是一种最简单的调节系统，如图1-1所示。当外界负荷减少时，机组转速上升，通过蜗轮付7的传动，使调速器6的转速随之升高，重锤的离心力增大，克服弹簧的作用力向外移动，带动滑阀a向上移动，并通过杠杆8关小调节汽阀3，减小进汽量，使汽轮发电机组的功率与外界负荷相适应，调节系统重新稳定。若外界负荷增加时，调节系统的动作与上述过程相反。图1-2为这种直接调节的原理方块图。图1-1直接调节示意图图1-2直接调节原理图1-新蒸汽2-主汽阀3-调节汽阀4-汽轮机Ⅰ-感应机构Ⅱ-传动机构Ⅲ-配汽机构5-发电机6-调速器7-涡轮付8-杠杆直接调节结构简单，常用于功率很小的带动辅助设备的汽轮机上。(二)间接调节由于调速器的工作能力很小，不能直接带动较大的调节汽阀，因此需要在调速器与调节汽阀之间引入中间放大机构，将调速器的工作能力放大，使其能够操作很大的调节汽阀，这种具有中间放大机构的调节系统称为间接调节系统。图1-3所示为一简单的间接调节系统。当外界负荷减小时，汽轮机转速升高，调速器1的转速随之升高，滑阀a向上移动，带动错油门（滑阀）2的活塞向上移动，油动机3的活塞上侧与高压油7接通进油（下侧与排油相通），油动机活塞向下移动，关小调节汽阀4，使汽轮机功率减小，机组功率与外界负荷重新适应。在油动机活塞下移的同时，通过杠杆作用，使错油门活塞下移，至错油门活塞重新切断通往油动机的油口时，油动机停止运动，调节系统重新稳定。当负荷增加时，调节系统动作相反。图1-4为间接调节系统的原理方块图。3图1-3间接调节系统图1-4间接调节系统原理方块图1-调速器2-错油门3-油动机4-调节汽阀Ⅰ-感应机构Ⅱ-传动机构Ⅲ-配汽机构5-汽轮机5-发电机6-高压油由上述过程看出，油动机活塞的动作是由错油门活塞动作所致，油动机活塞动作后又反过来影响错油门的动作，这种油动机活塞位移反过来影响错油门活塞位移的作用，称为反馈。由于这种反馈使错油门活塞产生与原来方向相反的位移，称为负反馈，负反馈能使调节系统稳定。如果调节系统没有负反馈作用，则调节系统不能稳定工作。图1-5为一个没有反馈的调节系统，当外界负荷减小时，汽轮机转速升高，调速器滑环上移，带动错油门活塞上移，油动机活塞上侧进油（下侧排油），油动机活塞下移，使调节汽阀关小，由于错油门活塞一直偏离原来的断开位置，即油动机活塞上侧一直与高压油相通（下侧排油），因而调节汽阀将一直关小下去，直到使汽轮机功率小于外界负荷时，机组转速降低，调速器滑环下移，才带动错油门活塞下移，使油动机活塞下侧进油（上侧排油），油动机活塞上移，调节汽阀开大。同理，调节汽阀将一直开大，直到汽轮机的功率大于外界负荷时，转速又要升高，调节系统又重复上述动作，关小调节汽阀。如此周而复始，调节系统不断地重复动作，从而无法稳定地工作。因此，调节系统要处于稳定状态，错油门活塞就必须处于断开油路的位置，对于图1-4所示调节系统，则错油门活塞的支点0必须处于原来的断开位置，使错油图1-5没有反馈的调节系统1-调速器2-错油门3-油动机4-调节汽阀5-反馈杠杆4门活塞回到原来断开位置这一任务是由反馈装置完成的。在间接调节系统中，调节汽阀是由油动机操纵的，，油动机的提升力由压力油的油压和油动机活塞的面积决定，只要提高压力油的的油压或增大油动机活塞的面积，就可获得足够大的提升力。而调速器只是用来操纵错油门的活塞，可以做的较小，因而比较灵敏。三、有差调节从图1-6可见，在调速系统动作结束后，并不能保持汽轮机原来的转速不变。这是由于调速系统在稳定时滑阀必须居于中间位置，亦即杠杆中间支点o的位置不变，但在新的的稳定工况下调节阀的开度必然发生变化，根据杠杆原理，调速器滑阀也一定处于另一新的位置，所以与此相应的转速也必定不同于原来的数值。这就是说，在稳定工况下，对应于汽轮机的不同负荷，汽轮机将有不同的转速，这种在汽轮机负荷改变，调节系统动作后，稳定转速并不能维持不变的调节称为有差调节。有上述分析可知，当机组发出的功率与外负荷不相适应时，汽轮机的转速就要发生变化。汽轮机转速既是为了提高供电质量而必须保证的一个量，又是反映功率平衡的一个量。当转速发生变化时，必须对汽轮机进行调节（改变进入汽轮机的蒸汽量），改变汽轮机发出的功率，使之与外负荷平衡，才能保证汽轮机转速保持在要求范围内。四、调节系统的构成一个闭环的汽轮机自动调节系统可分成下列四个组成部分：（1）转速感受机构它是用来感受转速的变化，并将转速变化转化为其他物理量变化的调节机构。图1-3系统中的离心飞锤调速器就是转速感受机构的一种形式，它接受转速变化信号，输出滑环位移的变化。（2）传动放大机构它是处于转速感受机构之后，配汽机构之前的，起着信号传递和放大作用的调节机构。图1-3系统中的滑阀，油动机以及杠杆aob属于传动放大机构，它感受调速器的信号（滑环位移），并经滑阀和油动机放大，然后以油动机的位移，传递给配汽机构。（3）配汽机构它是接受由转速感受机构通过传动放大机构传来的信号，并能依此来改变汽轮机的进汽量的机构。图1-3系统中的调节汽阀以及与油动机活塞连接的杠杆就属于配汽机构。（4）调节对象对汽轮机调节来说，调节对象就是汽轮发电机组。当汽轮机进汽量改变时，汽轮发电机组发出的功率也发生相应的变化。图1-6间接调节系统杠杆传动关系5图1-7汽轮机调节系统框图图1-7是用框图表示的调节系统框图，从图中可以很明确的看出调节系统各组成环节以及他们之间的相互关系。图中z，s，m和l分别为滑环，滑阀，油动机以及调节汽阀的行程。五、静特性在稳定状态下,汽轮机转速与功率之间的对应关系,称为调节系统的静特性,其关系曲线称为调节系统静特性线.从图1-1可以看出，在稳定状态下，当功率较低时，调节汽阀开度较小，则离心调速器滑环稳定的位置必然较高，其对应的转速也就较高；反之，当功率较大时，则对应的转速较低。对于图1-3所示间接调节系统,稳定状态时,错油门活塞必定处在断开位置,即错油门活塞支点0应保持原来的位置,因而这种调节系统在稳定状态下其功率和转速的对应关系和直接调节是相同的,因此它们都是有差调节。他们的静态特性线如图1-8所示，由图可知：当机组功率为零(空载)时,其稳定转速为nmax,机组功率为额定值(满载)时,其稳定转速为nmin。在稳定情况下，汽轮机空载与满载时的转速差△nmax与额定转速n0之比，称为调节系统的速度变动率δ，即图1-8调节系统静态特性6（1-3）速度变动率对调节系统工作影响很大，以后将详细讨论。如果在稳定状态下,汽轮机不同的功率,对应为相同的转速,则这种调节系统为无差调节,显然无差调节的静特性为一条水平线.第二节典型调速系统介绍汽轮机的型式很多，不同型式的机组所采用的调速系统也各有特点，本节就有代表性的凝汽式汽轮机液压调速系统作一简要介绍。一、有高速弹性调速器的液压调速系统图1-9为该调速系统的原理图。调速系统采用高灵敏度的高速弹性调速器作为转速感受机构，它将转速变化信号转变为调速挡板的位移。当外界负荷减小时，汽轮机转速升高，重块离心力增大，在离心力的作用下，弹簧向外伸张，使挡油板向右移动。当挡油板向右移动时，加大了随动滑阀（又称差动滑阀）2喷油嘴的排油间隙y。压力油经节流孔a1进入随动滑阀左腔室，形成油压1P，在稳态时1P等于压力油油压PP，对随动滑阀产生一个向右的作用力；压力油还通过节流孔a1和a2进入随动滑阀右侧的腔室，并从这里经排油间隙s排向回油，于是在右腔室建立油压p2，对滑阀产生一个向左的作用力。当排油间隙s增大后，喷嘴的排油面积增大，随动滑阀右侧油室中的油压2P降低，在油压差的作用下，随动滑阀向右移动，随动滑阀的运动通过杠杆cod，带动调速器滑阀3也向右移动，增大了调速器滑阀上的排油口na的面积。压力油从反馈滑阀上图1-9高速弹性调节系统1-高速弹性调速器2-随动滑阀3-分配滑阀4-同步器5-油动机滑阀5-油动机6-反馈滑阀的油口ma和油动机滑阀5上的油口sa进入脉动油路，然后从调速器上滑阀上的油7口na排出。稳态时进入脉动油路的油流量等于排出的油流量，脉动油路压力xp不变。排油口na面积的增大，使脉动油压xp降低。油动机滑阀5顶部受压力油压力PP的作用，底部受脉动油压力xp的作用，在稳态时，上下作用力平衡，油动机滑阀处于中间位置，遮断了通往油动机的油口a和b，油动机不能动作。脉动油压xp的降低，使油动机滑阀承受的压力油向下作用力大于脉动油压xp的向上作用力，于是滑阀向下位移，打开油口ａ和ｂ，使油动机活塞上腔室通压力油，下腔室通回油，在压差的作用下，油动机活塞向下运动，通过传动机构关小调节汽门，减小汽轮机功率使之与外负荷平衡。油动机活塞向下运动时，又通过反馈斜板使反馈滑阀７右移，开大反馈油口aｍ，增大了进入脉动油路的油量，使油压ｐｘ升高，于是油动机滑阀又上移。最后当汽轮机功率与外负荷平衡，油动机滑阀回到中间位置时，系统重新稳定。当ｐｘ下降使滑阀５下行时，油口as开大，进入Px油路的油量增加，阻止PX下降，从而限制了油动机滑阀行程变化速度，使整个调整过程比较平稳。在调节过程终了时，由于油动机滑阀回升，油口as回复到原来的大小，反馈作用消失。这种仅在调整过程中起反馈作用的反馈，称之为动反馈。反馈油口am面积在系统稳定后，仍不能恢复到动作前的数值，亦即反馈作用依然存在，这种反馈称之为静反馈或刚性反馈，而油口ａｍ称之为静反馈油口。转速下降时，调节过程相同，但变化方向相反。二、径向泵液压调速系统图1-10是具有径向泵的液压调速系统原理图。这个系统采用径向钻孔式离心油泵（简称径向泵）作为转速感受机构，根据离心油泵的工作原理，泵的出口油压与转速平方成正比。如图1-10所示，径向泵出口压力油一路通至压力变换器活塞的下部腔室，作为转速变化的脉冲信号，而压力变换器活塞的上部腔室通至径向泵进口，因此压力变换器活塞上下存在一个压差，其数值即为径向泵进出口的油压差。这个压差产生的作用力和活塞上的弹簧力相平衡。径向泵出口压力油另一路经过一个节流孔a0，然后从压力变换器活塞控制的泄油口an和经油动机活塞下部套筒控制的反馈泄油口am泄