2.第二章 汽轮机调节保安系统

第二章汽轮机调节保安系统主讲：万瑞麟王兆岗本章概要介绍汽轮机调节保护的任务、系统的基本组成和调节保护系统的特点，着重分析汽轮机调节系统特性对机组功率、转速的调节性能的影响，介绍调节保护系统各环节的工作原理。第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统组成第二节保安系统第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统组成一、汽轮机调节保护系统的任务汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质(电压与频率)要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率(或称周波)决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系统的特性分担这部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制(AFC)装置来分配调频机组的负荷，这一调节过程称为二次调频。然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之为“内扰”。为抵御机组“内扰”的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制信号，在发生“内扰”时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调节转速，又调节功率的调节系统称之为功(率)频(率)调节系统。汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。此外，机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障。因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外，还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下，保护系统快速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽轮机的蒸汽供给，使机组快速停机。汽轮机调节保护系统的原理性结构如下图所示。汽轮机调节保护系统原理性框图1综合上述，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机。汽轮机调节系统的原理性构成如图5所示。转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。二、汽轮机调节系统的基本组成和种类汽轮机调节保护系统原理性框图5由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。原型性机械液压调节系统6机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如图6所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换。机械液压调节系统汽轮机调节系统的静态特性一、四方图由前已知，汽轮机调节系统是由转速感受机构、中间放大器和配汽机构三大环节组成。这三个环节的传递特性便决定了汽轮机的转速与调节汽门的开度，在额定参数工况下也就决定了机组的功率。我们将额定参数工况下汽轮机的功率与转速之间的对应关系称为调节系统的静态特性。为描述汽轮机调节系统各环节的放大传递特性和静态特性，在调节系统静态特性分析中用特殊的四象限图----四方图来表示，其中第Ⅱ象限表示转速感受机构特性，第III象限表示中间放大环节的传递特性，第Ⅳ象限表示配汽机构特性，第I象限则为调节系统的静态特性。这里以图6所示的机械液压调节系统为例，说明调节系统静态特性曲线的绘制和分析影响静态特性的因素。在机组额定转速n0=3000r/min附近，当转速n升高时，调速器滑环在飞锤离心力的作用下上移Δz，反之亦然。转速n与滑环位移Δz间的一一对应关系即为转速感受机构特性，其特性曲线如下图中第Ⅱ象限所示。汽轮机调节系统的四方图8转速功率油动机行程滑环位移量在稳定工况下，错油门滑阀处于居中位置，油动机活塞的行程Δm与调速器滑环位移Δz间的关系决定于杠杆的传动比，滑环的位移Δz愈大，油动机活塞所带动的调节汽门的开度就愈小，中间放大环节的传递特性曲线如图8中第Ⅲ象限所示。油动机活塞的行程Δm通过配汽机构决定了调节汽门的开度，在额定参数工况下，也就决定了汽轮机的进汽量，亦即决定了汽轮机的功率P。随着油动机活塞行程Δm的增大，调节汽门的开度增加，汽轮机的功率随之提高。油动机活塞行程Δm与机组功率P间的关系即为配汽机构特性，其特性曲线如图8中第Ⅳ象限所示。有了转速感受特性、中间放大传递特性和配汽机构特性三条曲线，便可唯一地确定出第I象限中调节系统的静态特性曲线。对某一功率Pi，由配汽机构特性曲线得到对应的油动机活塞的行程Δmi；由中间放大环节的传递特性曲线得到对应于Δmi的调节器滑环位移Δzi，再由转速感受特性曲线求得对应于Δzi的转速ni。Pi与ni在第I象限的交点即为调节系统静态特性曲线上的状态点。对所有的汽轮机功率P，同样地可求得对应的转速n和第I象限的状态点，所有的状态点便连成调节系统的静态特性线，从而得到描述调节系统静态特性的四方图。二、速度变动率由四方图的汽轮机调节系统静态特性曲线可知，对应于汽轮机不同的功率，机组的转速是不同的，静态特性曲线的斜率表明了这种差异。我们定义：汽轮机空负荷时所对应的最大转速nmax与额定负荷时所对应的最小转速nmin之差，与额定转速n0的比，称为调节系统的速度变动率或速度不等率，通常用Δ表示，即式1速度变动率表示了单位转速变化所引起的汽轮机功率的增(减)量。在机组并网运行时，各机组感受电网频率的变化是相同的，但调节系统速度变动率的不同，使各机组功率的改变量不同。如果电网频率与偏离额定频率的偏离量为Δn，那么由调节系统静态特性曲线和速度变动率的定义可求得机组功率改变的相对量为式2式中：P0为机组的额定功率。上式表明，速度变动率愈大，单位转速变化所引起的功率变化就愈小。因此，速度变动率的大小，对机组安全、稳定运行和参与电网一次调频有着重要影响。速度变动率愈小，即静态特性曲线愈平坦，则转速变化很小就会引起汽轮机较大的功率变化，使汽轮机的进汽量和蒸汽参数变化较大，机组内各部件的受力、温度应力等都变化很大，将造成寿命损耗，甚至造成部件损坏。Δ=0的极限情况下，只要电网频率稍有改变，机组的负荷就由额定负荷变为空负荷，或由空负荷变为额定负荷，机组负荷产生严重晃动而无法运行。因此，调节系统的速度变动率一般不得小于3.0％。但是，速度变动率也不宜太大，因为过大的速度变动率，一方面使机组参与电网一次调频能力下降；另一方面使调节系统甩负荷后的稳定转速过高，稍有不慎，有可能使甩负荷后最高飞升转速超过危急保安器的动作转速，不利于机组安全和甩负荷后重新并网带负荷。所以，调节系统的速度变动率一般不要超过6.0％综上所述，汽轮机调节系统的速度变动率，应根据机组在电网中所处的地位和安全性方面的要求来确定。对一次调频要求较高的带尖峰负荷机组，速度变动率应取小些，如Δ=3.0％～4.0％；对带基本负荷的机组，速度变动率则应取大些，如Δ=4.0％-6.0％。一般地，速度变动率通常设为Δ=5.0％。对调节系统动态特性稍差的机组，速度变动率应取小些。在实际调节系统中，转速感受及中间放大传递特性存在着一定非线性。特别是配汽机构，调节汽门的开度与通流量存在着严重的非线性。虽然经配汽机构校正，但第Ⅳ象限的特性曲线仍有一定的非线性，因而调节系统的静态特性曲线并非是直线，即静态特性曲线上各处的速度变动率并不相同。我们将由式1定义的速度变动率称为整(总)体速率变动率，而将下式定义的速度变动率称为局部速度变动率：式3实上，我们也不应该要求调节系统静态特性线为直线。在机组空负荷附近，为便于机组并网操作，要求速度变动率大些，容易控制机组并网前的转速。另外，在机组带初负荷后应有一定的暖机时间，以免刚带负荷后机组加热太快产生过大的热应力和胀差。为防止电网频率变化对机组带初负荷暖机的影响，通常在机组0~10％负荷范围内，对其最大局部速度变动率不作限制。汽轮机调节系统速度变化率分布9相反地，在机组满负荷附近，过小的速度变动率在电网频率降低时容易使机组过载，危及机组的运行安全。所以，在机组满负荷处的速度变动率也应取得大些。一般在90％～100％负荷范围内，最大局部速度变动率不大于整体速度变动率的3倍。因此，调节系统速度变动率在满足整体设计要求条件下，其分布应当是两端大、中间小且无拐点平滑变化，如9图所示，但中间段的最小局部速度变动率不得小于整体速度变化率的40％。由调节系统四方图可知，影响速度变动率分布的因素是转速感受、中间传递和配汽机构三大环节，其中配汽机构特性是影响速度变动率中间段分布的主要因素。因为不恰当的调节汽门开启重迭度有可能使调节系统静态特性线出现拐点。改变调节系统的速度变动率，工程上以改变中间传递特性曲线的斜率为主。第Ⅲ象限特性线愈陡，亦即斜率的绝对值愈大，则对应于一次控制信号的范围及速度变动率就愈小。三、迟缓率在汽轮机调节系统中，相对运动部件间不可避免地存在动、静摩擦，机械传动机构中存在着旷动间隙，滑阀存在一定的盖度，这些非线性因素的存在，使转速感受特性