汽轮机调速

汽轮机调速（共9篇）

汽轮机调速 篇1

摘要：基于汽轮发电机机电液自动控制调速系统, 采用微处理器DPU为核心的, 具备CRT显示、控制操作、打印记录、系统试验等功能的独立完整的控制系统。机组的启停运行操作和监控、系统的自诊断信息等集中在操作员站的CRT画面上和键盘上, 通过键盘和CRT画面能完成所有控制操作, 及获得系统运行的各种信息。

关键词：液压调节系统,MACS-II,DEH

在火力发电过程中, 汽轮机的控制至关重要, 不仅在开车阶段要通过汽轮机的转速调发电机频率和同期, 在并网运行时更需通过控制汽轮机的驱动蒸汽量调节发电机的输出功率.中煤集团哈尔滨煤化工有限公司原汽轮机的调节保安系统是采用流量平衡原理设计的, 其调速器为脉冲泵式, 采用油压力反映转速。主汽阀之自动关闭器, 为手操开启。油动机滑阀为机械弹簧力平衡式。危急遮断器滑阀没有辅助安全油, 遮断电磁阀及手动打闸, 不控制危急遮断器滑阀。

1 DEH的组成

DEH控制系统由三大部分组成:电子控制柜硬件;控制系统软件;液力执行机构。和利时公司的DEH电子控制柜由MACS-II DCS系统中的一个现场控制站构成, 详述如下:

硬件组成:DEH是以微处理器DPU为核心的, 具备CRT显示、控制操作、打印记录、系统试验等功能的独立完整的控制系统。机组的启停运行操作和监控、系统的自诊断信息等集中在操作员站的CRT画面上和键盘上, 通过键盘和CRT画面能完成所有控制操作, 及获得系统运行的各种信息。

DEH电子控制柜由现场控制站、冗余服务器、操作员站、工程师站、通讯网络、打印机、继电器盘、操作回路和硬接线手操盘等组成。

软件组成:DEH控制装置的控制功能, 主要由软件来完成。

控制系统软件:DEH采用MACS-II系统的Windows NT作为功能码进行系统组态的软件平台, 主控单元采用QNX软件。

多任务实时控制软件:QNX软件固化在现场控制站的主控单元上, 可以完成信号转换与处理, 控制运算, 通信, 自诊断, 自动切换等功能。

I/O板级软件:固化在输入/输出 (I/O) 功能模板中, 一般仅完成信号处理、与主控单元通信等较低层次的处理功能。

2 控制回路及控制功能

DEH控制系统的控制回路及其功能, 不仅仅局限于液压转速调节系统的翻版, 而是考虑到电厂综合自动化对汽轮机调节的要求来进行设计的。此外, 由于采用了微机控制装置, 在设计思想上应尽量把对整个控制装置 (包括发讯器及执行机构) 的运行状态纳入到微机的监视范围中。基于这种考虑, 在MACS DEH中设计了如下的控制回路和控制功能, 参看图1电调系统简化方框图

2.1. 控制回路

控制回路包括:转速控制, 频率控制, 功率控制 (功控) , 调节阀门开度控制 (阀控) , 机前主汽压控制 (压控) , 汽压及真空保护控制, 防超速保护控制, 装置等。

1) 转速控制回路。转速控制回路中包括转速目标值给定, 转速变化率给定, 转速参考值给定, 转速的PI调节器, 转速测量及三取二逻辑与相应的逻辑回路, 本回路承担汽轮发电机组的转子转速控制任务。2) 功率控制回路。功率控制回路中包括目标功率值给定, 功率变化率给定, 功率参考值给定, 机组一次调频对功率参考值给定的修正, 最大功率限制及限制值给定, 主蒸汽压力变化率对功率参考值的修正, 电功率测量及二选大逻辑, 功率PI调节器, 一次调频限制及汽压修正功率给定的投切等。3) 阀门开度控制回路。阀门开度控制回路包括目标阀门开度值给定, 开度变化率给定, 开度参考值给定, 左右高压油动机开度测量及大选逻辑和开度PI调节器。4) 机前主汽压控制回路。机前主汽压控制回路包括机前主汽压给定, 主汽压测量及大选逻辑和压力PI调节器。5) 汽压及真空保护控制回路。包括汽压保护值设定PV及此设定值对实际汽压P减去一常量PV信号的跟踪, 即当汽压保护回路不投时PV始终等于P-PV。汽压保护PI调节器和汽压保护的投切回路。真空保护回路包括真空度测量, 函数变换和真空保护的投切回路。6) 防超速保护 (OPC) 控制回路。MACS DEH装置中共有三处设置了OPC保护功能, 第一处在功率放大器中, 第二处在DEH模件中, 第三处在I/O控制站主控模件中。

上述控制回路可以完成如下这些控制功能:

2.2. 系统控制功能

大范围转速闭环控制功能

自动升速控制。根据机组的四种温度状态:冷态 (t 120 c) , 温态 (120 c t 300 c) , 热态 (300 c t450 c) 和极热态 (t 450 c) , 对应设置了不同的四条升速曲线, 司机按下某一温度状态和升速“自动”按钮, 并给出启机指令 (按启机按钮) 后, 转速控制器将机组由0转/分自动提速到3000转/分, 其间, 到达暖机转速后的暖机 (如500转/分, 1000转/分) 指令, 暖机时间 (t1, t2) 设定, 暖机时间已到后的再升速和到达临界转速区 (nc) 后的冲临界加速率的切换都将自动进行, 无需司机干预, 直到机组升速到3000转/分。在自动升速过程中, 若要改变升速率, 可按相对应的按钮, 这时“自动”升速指令自动取消, 若仍要求自动, 则再按一次“自动”按钮, 使“自动”灯点亮, 这时机组按新设定的变化率升速, 其他自动功能不变。

半自动升速。转速控制回路中, 设置三档目标转速 (500转/分、1000转/分、3000转/分) 给定, 前两档为暖机转速, 后一档为额定转速。

司机设定了转速变化率和目标转速并按下“启机”按钮后, 转速控制回路将控制机组按此变化率自动升速到所预定的目标转速, 不作停留。若在低于此目标转速处要求恒速时可按“保持”按钮, “保持”按钮灯闪亮, 机组恒速暖机, 要求继续升速时, 再按一次“保持”钮, “保持”灯灭, 机组继续升速, 如是, 直到机组达到3000转/分。在临界转速区内仍自动按冲临界转速区的变化率升速, 这时按“保持”按钮无效。

超速试验。超速试验功能是用于检测液调保安控制系统中, 危急遮断器撞击子动作转速试验的。机组转速到达3000转/分后, 若需作撞击子动作转速试验, 可按下“超试”按钮和“确认”按扭, 按钮灯闪亮, 这时, 目标转速自动设定为3240转/分, 升速率自动选择为100转/分2, 并且闭锁103%nO与110%的OPC保护功能, 机组将自动升速到3240转/分后恒速, 之后, 司机可按“点动超速”按钮, 使机组继续升速, 3240转/分后的升速完全置于司机的手动操作之下, 在超速试验的升速过程中, 如果想取消本次超速试验, 可再按一次“超试”按钮, 按钮灯灭, 目标转速给定自动回到3000转/分。

发电机频率及同期控制功能。机组启动到3000转/分后, 进入定速暖机阶段, 定速暖机结束, 发电机的励磁机投入, 发电机立即有电压输出, 为了顺利并网, 此电压值, 频率和相位应与电网的一致, 其中的频率与相位是由汽轮机来调整的, 这种调整称之为同期, 同期调整有两种手段, 一种是由自动同期装置发出增、减频率的开关量信号, DEH系统中的频率给定器接受此信号来增、减机组的转速, 每收到一个脉冲, 机组增或减1转/分, 这种控制称为自动同期, 另一种是由司机观察同步表, 手动操作频率给定的增或减按钮, 从而改变发电机频率, 达到同期目的, 增或减按钮每按一次, 转速变化1转/分, 这种控制称为手动同期。

机前主蒸汽压力闭环控制功能。机前主汽压是指主汽门前的蒸汽压力。主蒸汽管道中的汽压, 取决于两个主要因素, 一是锅炉中蒸汽的单位时间的蒸发量, 一是流入汽轮机的主蒸汽流量 (取决于调节伐门开度) 。这两个量相等, 管道中的压力就稳定。

MACS DEH系统中, 设置了主汽压力闭环控制功能, 以适应锅炉故障时的机跟炉控制, 维持汽压稳定和机组的安全运行。由于锅炉的响应速度很慢。为了改善调节品质加快汽压的响应速度, 在汽压PI调节器前, 设置了汽压偏差的微分信号以增加动态放大倍数, 提高汽压动态变化的响应速度。

防超速保护控制功能。机组甩满负荷后的转速超调量是衡量调节系统器动态品质的一个十分重要的指标。MACS DEH系统对于防超速保护控制 (所谓OPC功能) 给予了十分的关注。

MACS DEH中, 设置了三重OPC保护。三层OPC保护控制中, 第二, 第三层具有智能判断功能, 第一层和第二层获得了甩负荷后的快速关闭油动机的控制。三层保护互补, 并且也具有冗余功能, 置0信号的来源也是多路的, 即使油开关跳闸信号未测到, 甩负荷后的其他反映也能使调节阀立刻关闭。

汽轮机调速 篇2

可编程水轮机调速器说明书

一 概 述

GYT型高油压可编程水轮机调速器，是在先进而成熟的电子、液压技术的基础上，研制成功的水轮机调速器。它具有结构简单、运行可靠、性能优良、操作维护方便等突 出特点，是水轮机调速器更新换代的理想产品。

二 主要功能

·测量机组和电网频率，实现机组空载及孤立运行时的频率调节； ·空载时机组频率自动跟踪电网频率，便于快速自动准同期； ·手动开停机、增减负荷及带负荷运行；

·自动开停机，并网后根据永态转差率（bp）自动调整机组出力； ·无条件、无扰动地进行自动和手动的相互切换；

·液晶屏采集并显示机频、网频、导叶开度等调速器主要参数，以及手动、自动等运行 状态；

·通过按键及液晶屏整定、记忆并显示调速器的运行参数；

·检测到电气故障时，能自动地切为手动，并将负荷固定于故障前的状态；

·电控柜采用交、直流同时供电。任一种电源消失后调速器仍能运行。但如果厂用直流 消失，调速器将不能进行手自动切换和紧急停机。

三 电气部分的主要特点

·采用可靠性极高的可编程（PLC），体积小，抗干扰能力强，能适应恶劣的工业环境，平均无故障时间达三十万小时以上；

·采用内部测频方式，可同时满足适时性和测频精度的要求，机频故障时可自动地切为 手动；

·调节规律为 PID 智能控制，具有良好的稳定性及调节品质；

·具有可扩展通讯接口，通过外挂通讯模块与上位机通讯十分方便（外挂通讯模块需单 独订货）。

四 机械液压部分的主要特点

· 采用了电液比例随动装置、高压齿轮泵等现代电液控制技术，具有优良的速动性及稳 定性，工作可靠，标准化程度高。

· 工作油压提高到16MPa，减少了调速器的液压放大环节，体积小,重量轻，结构简单。· 采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接触，油质不易劣化，氮气极少 漏失，不需经常补气,电站可省去相应的高压空气系统。

·液压缸（即接力器，下同）与回油箱分开安装，便于电站布置。·具有液压锁定装置，确保机组停机可靠。·可根据用户需要，设置两段关闭装置。

五 主要技术参数

比例系数P 1-10 积分系数I 0.5-20 s 微分系数D 0–5 s 频率给定ＦG 45Hz～55 Hz 功率给定ＰG 0～100％ 永态转差系数bp 1～10％ 人工死区Ｅ 0～2% 机频、网频信号电压 AC 0.3～110 V 交流电源 AC 200 V 直流电源 DC 220 V 或DC 110 V 工作油压 16 Mpa 六 主要技术指标

转速死区ix ≤0.03％

静态特性曲线线性度误差 ＜5％

自动空载三分钟转速摆动相对值 ≤±0.15％ 不动时间Ｔq ≤0.2 秒

平均故障间隔时间 ≮8000h 时漂8h ≮0.1%，温漂每1℃ ≮0.01%，电压漂移在±10%Ur ≮0.05%。无事故连续运行时间 ≮30000小时

七、电气部分的构成和基本功能

调速器的电气控制柜位于回油箱上面，柜体设前门及左右门，便于调试和检修。电控柜 主要由可编程控制器(简称可编程或PLC)、频率信号接口板（简称信号接口板）、开关阀、液晶屏、电源系统等组成。

可编程由基本单元和模/数混合模块组成。上电后，可编程上的“POWER”红灯亮。正常 运行时，可编程上“RUN”绿灯亮。可编程基本单元的主要功能是程序执行，信号的输入、输出，以及系统监控等。它的输入点和输出点均有相应的指示灯。

信号接口板用于对机频、网频信号进行预处理，以向可编程提供频率测量所需的信号。液晶屏采集并显示调速器和机组的主要参数及运行状态。通过按键可整定并记忆调速器 的调节参数，并把修改后的参数送给可编程。

电源系统由交流开关、直流开关、变压器、电源转换模块和三个开关电源组成。厂用交 流通过变压器后和厂用直流一起经过电源转换模块再送给开关电源和可编程。厂用直流220V 不经过直流开关直接供给紧急停机电磁阀和手自动切换阀回路。空气开关除了具备开、关电源的作用外，还具备过流保护功能。

八、面板显示及操作

面板显示及操作见提供的显示屏操作手册

九、机械液压部分的构成和基本功能 1，防泄露电磁换向阀

采用二位三通换向阀，是电液转换的核心元件，根椐信号控制液压缸动作。

2，大波动操作阀

当电网波动时，此时换向阀动作，液压缸快速动作

3，紧急停机阀

紧急停机阀采用二位四通电液换向阀。正常情况下，紧急停机阀处于复归状态，油路不 通；紧急停机时，控制液压缸紧急停机。该阀两端有手动应急按钮，在无直流电源等情况下，可直接用手操作。

4，液压缸

两个液压缸通过控制环驱动导水机构。

5，位移传感器

位移传感器用于将液压缸的机械位移（0-100%）转换成相应电气信号（约0-10V），反馈到电气部分。

6，液压锁锭装置

液压锁锭装置由锁定电磁阀及两个液压锁定阀组成。锁定电磁阀解除时，液压锁定阀为 一通路，不影响液压缸动作；锁定电磁阀投入后，液压锁定阀为一单向阀，不影响液压缸的 关机动作，但液压缸全关后即不可能开机，起到了锁定作用。

7，两段关闭装置

两段关闭装置由行程阀、单向节流阀和可调撞杆组成。其功能是在液压缸关至整定位置时，使液压缸关机速度因节流阀而减缓，实现两段关闭。第二段关闭速度由单向节流阀调整拐点位置由可调撞杆调整。

8，回油箱

用于贮存液压油，并作为调速器电控柜及控制阀组的安装机体。

9，电机及油泵

电机及高压齿轮泵用于供给压力油。

10，安全阀

安全阀在油泵出口处，当系统油压高于额定油压而油泵仍在工作时，可将油泵输出的高 压油直接排入油箱。调整阀内弹簧的预压量可整定其动作值。

11，蓄能器

囊式蓄能器是一种油气隔离的压力容器，钢瓶内有一只丁晴橡胶囊，用来贮存氮气，压 力油进入钢瓶后，压缩囊内的氮气，从而存储能量。

12，单向阀

用于防止油泵停止工作时压力油倒流。

13，吸油滤油器

安装在油泵吸油口上，以阻拦较大的机械杂质，保护油泵。

14，滤油器

安装在油泵出口，提高压力油的清洁度，保证系统可靠工作。

15，电接点压力表

当油压下降或上升到整定值时，相应的接点闭合，将讯号发送给油泵电机控制柜，开启 或关闭油泵。压力表

用于观察主供油阀后的系统压力。

十 机械部分的安装 GYT型高油压可编程水轮机调速器柜体及液压缸在电站布置灵活，不受任何限制。

液压缸为两个HSGF 系列双作用单活塞杆工程用液压缸，活塞杆联接方式为外螺纹。安装图参见附图。

1，电气部分的安装

1．1 电柜的安装

电柜柜体用螺钉固定在油箱上；电磁阀、电液换向阀及压力继电器的插头分别插在相应阀体的插座上。

1．2 位移传感器的安装及连接

位移传感器安装于液压缸上，安装时应使其钢丝绳的运动与活塞杆平行，以尽可能正确 地反映液压缸的位移，位移传感器与电柜的连接采用多芯屏蔽线。

1．3 对外配线

调速器对外接线端子排的定义见端子接线图。

为避免干扰，从PT 引来的机频、网频信号应用屏蔽线接入；不同电压等级的信号必须用 不同的电缆布线。“开机”、“停机”、“并网”、“增”、“减”是远方的控制命令。当远方发出某个命令且调速器处于自动工况时，调速器将执行该命令。“机频”、“网频”是机频、网频信号的输入端子，须用屏蔽线将PT（电压互感器）上的信号接入。“AC220V”、“DC220V”是厂用交流电和厂用直流电的输入端子，须注意DC220V 的正、负极应与端子保持一致，否则会烧毁紧急停机电磁阀和手自动切换阀上的续流二极管。“紧急停机”是外部紧急停机令的输入端子。“紧急停机复归”是外部紧急停机复归令的输入端子。“故障报警”是一对空接点，其容量为5A、28VDC 或5A、220VAC。机械液压部分的调整

2.1, 确保液压系统的清洁

污染是导致液压系统故障的主要原因。污染可加速液压元件的磨损，导致其性能下降； 堵塞阀的间隙和孔口，引起阀的故障。因此，严格控制液压系统的污染是提高调速器动作可 靠性的重要保证。

各液压管道和部件在组装、充油前要反复清洗，严防金属屑、密封材料碎屑等机械杂质 和水分混入液压油中。新油须经仔细过滤后，才可注入油箱中，在调速器运行初期应随时检 查滤油器，发现堵塞及时清洗或更换。

注意保持液压系统的密封性，防止灰尘、昆虫、水和其他杂物混入。

2.2 注油和充气

将过滤后的清洁油注入油箱，使油面处于规定范围。蓄能器内的氮气是用随机提供的充氮工具充入的。充气时，先将蓄能器顶部螺帽旋下，把充氮工具螺口1 旋上，然后将充氮工具螺帽２与高压氮气瓶口相联。顺时针旋转充氮工具的旋阀３，顶开蓄能器气门芯，然后打开氮气瓶的阀门充气。观察压力表４上的压力值，当压力值在氮气瓶的阀门关闭后达到额定值时，即可停止充气。逆时针旋转充氮工具的旋阀３至上止点，拆下充氮工具，旋上蓄能器顶部螺帽，就完成了充气过程。如果充气压力过高，可通过旋塞５放气。(见充气图)2．3，低油压时的调整

ａ 认真检查各部件的安装、联结是否符合要求，比例阀、手动阀等是否处于中位，手自 动切换阀是否处于手动位置，紧急停机阀是否处于复归位置。

ｂ 开启油泵，使油压升至12MPa，缓慢打开主供油阀，观察各充油部件及油管有无振动 和渗漏，并作相应处理。

ｃ 用手动操作阀在小范围内反复操作液压缸，逐步扩大至全行程，以排除各充油部件及 管路中的空气。操作时应注意随时保持油压。

ｄ 反复手动操作后，将油压升至额定工作油压，油泵投入自动。

2．4 额定油压下的调整

ａ 密封性检查

在工作油压下，用手动操作阀反复操作液压缸在全行程范围内运动，再次检查充油部件密封性，并作相应处理。b 开关机时间的调整

手动将液压缸开到全开，然后通过应急按钮手动操作紧急停机阀，使液压缸全速向关机侧运动，用秒表记下此时的关机时间，并调整与液压缸开机腔相连的单向节流阀，使关机时间达到要求值。调速器切自动，不输入机频信号，在触摸屏上设置开限值为“99.99 % ”发开机令，此时液压缸将全速开到全开，用与液压缸关机腔相连的单向阀调整开机时间。注意调整完后将开限恢复原值。C 两段关闭装置的调整

如调速器具有两段关闭装置，则应在上述调整完成之后投入并进行调整。拐点位置由可调撞杆位置整定,第二段关闭时间由单向节流阀调整，逆时针旋转节流阀旋钮, 可开大节流阀,缩短关机时间；反之则延长关机时间。电气部分的调整

首先仔细检查外部配线是否准确无误，厂用交、直流供电是否正常。如一切正常，即可 合上电源开关给调速器供电。上电后调速器处于手动状态。将液压缸手动关到全关，调整位移传感器的安装位置，使其中抽头上的输出电压在0.2～0.6V 之间。然后调整综合放大板上的调零电位器，使液晶屏上的导叶开度为0.40(％)；再将液压缸手动开到全开，调整综合放大板上的调幅电位器，使导叶开度为99.6(％)。用手动操作使液压缸在全行程范围内运动，此时导叶开度将相应变化。如开度变化方向与液压缸运动方向相反，则应将位移传感器连在“+12V”和“GND”上的接线对换。入。

十一、运行、维护及注意事项

1、运 行

手动运行时，电控柜不起控制作用，但运行人员可以从面板上观察调速器所处的状态及 机频、开度等。开停机、增减负荷等操作，均由手动操作阀完成。若机组带固定负荷在手动 工况下运行时间较长时，也可操作锁定投入按钮将锁定投入，以防止机组过负荷。调速器在手动工况稳定运行且无电气故障时，可操作切自动按钮将调速器切为自动工况。自动工况向手动工况切换，可随时用切手动按钮无条件、无扰动地进行。“并网”信号在并网运行时必须保持，通常由油开关重复接点发出。“并网”信号消失或接触不良，调速器都判断为甩负荷，将液压缸关回空载开度。“停机”令信号级别最高，自动运行工况时，只要接到“停机”信号，调速器都将把液压缸关至全关位置。自动开机时，“开机”令必须保持10 秒，否则调速器将认为开机不成功，将液压缸关至全关。开机、停机、并网、带负荷等操作参见充水后试验。

2、维 护

2．1、电气部分的维护 由于采用高可靠性的PLC 和设计合理的外围电路，电控柜故障率较低，无须日常维护。大修时应检查接线是否松动并彻底清除积尘，还可视情况按照“试验”一节进行必要的调速 器试验。

电接点压力表的接点用久后易氧化发黑，影响使用，应及时予以更换。

2．2、机械部分的维护

运行中应注意保持调速器用油的清洁，以保证调速器能正常、可靠地工作。吸油滤油器 和压油滤油器应定期清洗或更换。调速器所用液压油应定期检验，不合格时应及时处理或更 换。

蓄能器具有良好的密封性。为防止个别胶囊或气门芯有漏气现象，影响正常运行，在使 用初期应进行必要的检漏。在调速器没有明显泄漏的情况下，油箱内的油位如有不正常的下 降，即可判断蓄能器可能有漏气现象。检漏时，将蓄能器内压力油全部排空，然后接上充氮 工具，由其压力表观察囊内压力是否降低。如压力下降，则表示有漏气现象，须作相应处理 并进行补气。蓄能器皮囊和高压软管为耐油橡胶制品，使用寿命约3-5 年，应定期更换。

十二、注意事项

· 空载开限可以限制空载时导叶开度不超过该值。若开机时发现机频升不到50Hz，可 将空载开限加大。

· 功率开限可在0-99.99%之间任意设定，以限制导叶的最大开度。若自动运行时机组 负荷不能继续增加，应先检查是否已达到功率开限，并作适当调整。· 若有电气故障，则调速器将不可能切为自动。

· 人工死区E 为0 或者太小，并网后液压缸会因网频的波动而频繁调节；永态转差系数 bp 为1 或者太小，并网后机组负荷会因网频的升降而明显变化。

· 导叶开度零位调整时，不要将开度指示调整成0.00(%)，要比0.00 稍大一点，以使

自动停机时液压缸能关到全关位置；调整全开位置时，不要将开度指示调整为99.99(%)，要 比99.99(%)稍小一点，以使液压缸能开到全开位置。

· 手动运行时发“停机”令，调速器不会关机，而只能手动关机。

· 做模拟开机试验时，不可向调速器机频端送入50Hz 或大于50Hz 的频率信号，否则调 节输出不会增大，液压缸不会开启。

· 调节参数修改时，如超越其允许范围则修改无效，参数将自动回到默认值：P=3，I=0.15，D=1，bp=6%，E=0.4%。

· 紧急停机电磁阀不能长期带电，以免烧毁。

· 机频故障信号仅在并网工况中反映机频信号消失故障。

· 若调速器测不到网频，或测得的网频在45Hz-55Hz 范围以外，则调速器自动置网频 为50Hz,液晶屏上显示网频50.00Hz。也就是说，网频故障不影响调速器正常运行。· 插拔电气元器件时应先断电，否则会损坏元器件

· 自动停机时，在机组停稳之前，调速器液晶屏上会提前显示机频为零。手动停机时，机组停稳之后，液晶屏还会显示一个很低的机频值。这时只要将调速器切为自动，机频便会 显示为零。

汽轮机调速 篇3

摘要：水电行业属于我国的基础能源设施，在近几年的发展中其生产过程的自动化已经相当完善。要想保证水电站的发电工作能够安全有效地进行，首先就要保障调速系统的正常运行。调速系统的应用以及故障的维修和排查对水电站的安全生产和提高发电效益至关重要。本文首先介绍了在我国的水电行业中水轮机调速系统的应用情况，其次针对在实际应用过程中发生的各种故障，进行了相应的维修探究。

关键词：水轮机；调速系统应用；故障维修

在科学技术日益发达的现代化社会，各种工业生产设备的规模越来越大，效益也不断提高。这种发展在一定程度上促进了工业的快速发展，为整个社会带来了巨大的经济效益，另一方面也向人们提出机器运行的安全性的新课题。在水电行业中虽然经过多年的发展各种设施已经相当完善，但是对于设备的维护方面还是有很大的欠缺。电力生产设备的维修费用的比例已经相当高，因此在保障安全性的前提下减少设备维护费用已经是人们不可避免的难题。

1水轮机调速系统的应用

1.1水轮机调速系统的基本结构

水轮机调速器是整个水电系统中最重要的结构，在整个电厂中起着非常重要的调节作用。水轮机调速器主要由测量元件、放大元件、反馈元件和执行元件构成。水轮机过流部件属于控制的对象。在实际中人们常常把调速器以及其所控制的对象称为水轮机调速系统，该系统的结构相当复杂。水轮机调速器的主要作用是调节水轮机导水叶的开度，在并入电网前调节机组频率，并网后通过感知电网负荷的变化，对电厂的有功功率输出进行及时的调节，同时要保证机组的正常转速（对调相机组），只有这样才能使发、供电网络处于一个相对稳定的状态。水轮机调速器的运行可靠与否不但直接影响所产电能的质量，甚至还会危及整个电力网的安全。

1.2水轮机调速系统的发展历程

作为水轮发电机组中的重要组成部分，水轮机调速系统的性能直接影响到整个发电机组的正常工作以及发电厂的经济效益。现代社会的科学技术日新月异的发展，在水电行业中也逐渐普及了微机调速系统的应用。从水轮机调速系统研发至今，我国的水轮机调速系统的应用也经历了一系列的发展变化，其中最主要的变化体现在水轮机调速器的变化中。就我国的情况来看，水轮机调速器的变化主要有一下几个阶段：纯机械液压式调速器（俗称机调）、电动液压式调速器（俗称电调）、可编程控制器电液式调速器（俗称微机调）等，其中按照转轮叶结构不同控制方式还可以进一步进行分类。调速器中的液压随动系统也由原来复杂繁琐的多级液压系统升级成了简单明了的一级液压系统。所有的这些变化在为在为电厂中调速器的选择和革新方面提供了新型思路的同时，也为水电行业的发展带来前所未有的便利。

1.3水轮机调速系统的工作机制

水轮机调速系统是水电站主要的控制设备之一，其主要的作用是根据一定的控制规律改变水轮机导叶开度以及轮叶的转角，进而对于进入水轮机的水流进行相应的控制，从而达到保障机组正常运转及与电网同步的目的。水轮机调速系统是一个比较完善的闭环系统，其主要构成有水轮机控制设备以及被控制系统。工作过程是：特定的测量元件将机组的转速和有效功率测量出来，然后将这些测量结果与给定的信号和反馈回来的信号进行综合，再将这些信息经过一系列内部机构的处理，最后把综合的信息反映到液压执行元件，作出调节导水叶和转轮叶的动作。

水轮机调速系统的工作效果主要是通过机械液压装置来实现的，机械液压装置主要是由压力罐和接力器构成的。首先向压力罐气囊中充入一定压力的气体，根据调速器的规格不同选择性的充入空气或者氮气，之后利用螺杆泵或者是齿轮泵把压力油抽入压力罐中。在这个过程中，原本充入的高压气体的气囊得到进一步的压缩产生一定的压强，这种力量施加在油面上产生压力油，进而积蓄相应的能量。

受到电气信号控制的电液转换装置产生一定的机械位移，借助压力油产生的能量将液压放大，进而产生一股强大的力来改变接力器的开度。进而改变导叶的开度和浆叶的角度，以达到控制导水机构的水流量的目的。

2水轮机调速系统的故障维修

2.1水轮机调速系统故障的主要类型

在水轮机调速系统中的设备形式多样，因此每种形式设备所具有的故障类型也是多种多样的，对于不同的故障类型我们应该采取不同的应对方式才能使整个系统的工作更加流畅。一般情况下，按照故障对于设备的影响时间可以分为永久性故障和暂时性故障；按照故障对于系统的正常工作的影响程度来看可以分为破坏性故障和非破坏性故障；按照故障发生的原因又可以分为内因故障和外因故障。总的来说，按照以往的故障发生和发展的过程可以将所有的故障分为突发性和渐变性两大类故障。突发性的故障主要是指在故障发生之前整个系统并没有特殊的征兆，故障的发生到产生相应的影响之间没有相应的过渡阶段，并且一般具有较强的破坏性，很难通过早期的实验或者反映来进行故障的预防工作。渐变性故障指的是在进行实际工作的过程中，由于种种原因使得设备的性状遭到一定的破坏，并最终超过设备自身的允许范围发生相应的故障。

突发性故障与渐变性故障虽然有一些区别，但是在实际中这两种故障可以在一定程度上进行转化。当一些渐变故障达到某种程度之后就可以瞬间程度恶化，引起突发性故障。

2.2及时对系统中设备状态的监测结果进行分析

对水轮机调速系统的设备状态进行分析是建立在对其进行了全面监测的基础之上的。要想真正掌握水轮机调速系统中设备的健康情况，就要用多种手段对调速系统设备进行检测，进而对检测结果进行全面分析。同时建立详尽的设备档案，在检测过程中可以获得大量的与系统设备分析和故障诊断方面有关的信息，对这些信息进行详细的分析能够可以在对设备的优化过程中起到重要的帮助。在对设备进行检测的时候应该包括停机状态和运行状态两个状态，在对于处于停机状态下的设备进行检测的结果一般情况下能够比较直观的反映出设备的健康状况，因此不需要进一步的深入分析。

2.3具体的故障维修方法

要想真正从维护方面提高设备的使用寿命就应该做到以下几点：第一，注意保护油液的性能以及清洁。油液是水轮机调速器的主要工作载体，在运行过程中水轮调速器对于油液的粘度要求非常严格，粘度偏低会使设备转动部分润滑性变差，而粘度过高又会使设备在低温时磨损增大。但是目前在水电行业中普遍使用的油液，其粘度非常容易受到周围环境的影响。因此一定要注意保护好油液的相关性能以及其清洁度。第二，及时对泄漏情况进行处理。调速器在运行过程中的高速动性很容易造成一定范围内的液压冲击进而造成一定的泄漏。要及时发现泄漏问题并给出相应的解决方法。第三，及时处理设备故障。在水轮机调速系统的运行初期是各种故障的多发期，这些故障都是由在进行设备安装的过程中产生的细小误差引起的，所以其发现和解决都是一件相当费时间的过程。要在系统运行初期对各种故障的產生进行特别的关注。其次在调速器运行的过程中也经常会发生各种事故，为了减少这类突发事故的发生就要定期进行相应的检查，掌握各方面设备的实际情况。第四，加强工作人员的专业素质。虽然近年来我国的维修人员的技术、素质等都有很大的提高，但是相对于正真需要掌握的技能而言还是相差甚远，由此造成有些电厂水轮机调速系统有时会出现一些“死故障”，提早报废设备，造成不必要的损失。因此要不断对维修人员进行相应的专业知识的培训，提高其处理问题的综合能力。

3总结

水电行业在我国的发展已经取得了令人骄傲的成绩，并且随着现代科学技术的进步，微机调速系统也已经被引入我国众多的水电厂得以应用，自主研发的设备也获得了很大程度的发展。但是尽管水轮机调速系统的发展态势总体呈现良好的状态，实际上还是存在许多亟待解决的现实问题。对于设备的故障维修就是其中最值得我们去研究的课题，相信经过各界的努力，水轮机调速系统将会更加完善。

参考文献：

[1]欧居修.关于水轮机调速系统的应用与故障维修[J].中国高新技术企业，2013，（22）：91-92.

[2]周红家.水轮机调速系统的应用与故障维修探讨[J].科技研究，2014，（23）：38-39.

汽轮机调速系统常见故障分析 篇4

调速系统是汽轮机的重要组成部分, 对于汽轮机的正常运行有着重要影响。结合汽轮机调速系统的常见故障, 有针对性地采取有效措施, 全面提高检修质量和效率, 提高汽轮机调速系统的安全、稳定性。

1 汽轮机调速系统组成

汽轮机调速系统主要由液力执行机构、硬件和电子控制柜、控制系统软件共同组成。汽轮机调速系统电子控制柜由现场控制站、MACS-IIDCS系统组成[1]。调速系统微处理器DPU是DEH核心, 其是一个独立、完整的控制系统, 具有CRT显示、系统检验、打印记录、控制操作等功能。现场控制站由硬接线手操盘、冗余服务器、操作回路、继电器盘、通讯网站等组成, 系统软件主要是由DEH核心控制装置采用Windows NT的MASC-II来控制, 由QNX软件来操作主控单元, 从而实现控制运算、自动切换、自诊断、通信以及信号处理和转换等功能。

2 汽轮机调速系统常见故障处理方法

2.1 机组调速卸荷阀故障

汽轮机机组调速出现运行故障, 报警显示屏出现“汽轮机跳闸, 锅炉MFT”信号。经过检查分析, 汽轮机调速汽门卸荷阀阀芯中的O型圈在长期运行过程中受到燃油的侵蚀而发生破损, 导致卸荷阀顶部发生安全油泄露问题, 卸荷阀微开, 并且安全油阀芯并未快速开启, 使得汽轮机调速汽门油缸发生漏油问题。由于汽轮机调速汽门并未关闭, 而伺服阀流量较大, 在阀门指令信号作用下, 使得EH流量不足, 汽轮机调速系统AST油压不断下降, 最终导致汽轮机机组跳机、调速汽门关闭。针对这个问题, 应利用汽轮机机组停运机会, 全面检查所有机组阀门线圈的密封性, 及时更换质量不合格的组件, 消除安全隐患。另外, 使用其他型号的伺服阀, 将当前伺服阀替换为MDOCJ761-003型号的伺服阀, 并且用转接板进行过渡, 即使汽轮机调速系统的一只油动机损坏, MDOCJ761-003型号的伺服阀也不会影响EH系统油压[2]。

2.2 系统挂闸之后A侧中压主汽门无法自动启动

导致汽轮机调速系统油缸底部活塞出现高压油泄露问题的主要原因有:其一, 安全阀元器件自身存在缺陷;其二, AST电磁阀在启动时失电, 安全阀上部和AST电磁阀相联通使得无压回油, 杯状滑阀在油缸底端受到油压影响导致调速系统油动机各个主汽门的油缸腔和有压回油相连;其三, 主汽门电磁阀启动过程中电动机油缸活塞底部的压力油掉落。当汽轮机调速系统挂闸后, 主汽门全部开启, 经过活动电磁阀的失电试验和带电试验, 主汽门状态无变化, 这说明A侧主汽门始终处于关闭状态。这时可以拆卸A侧中压主汽门安全阀, 仔细检查, 如果安全阀已经全部进入手柄中并没有阻力, 这说明安全阀手柄螺纹过细过短, 没有按照要求旋进指定位置, 从而导致A侧中压主汽门的AST油压可以通过安全阀油孔进入有压回油。调速系统油动机底部活塞高压油经过安全阀和油压回油相通, 无法自动开启主汽门, 通过再次加工针阀手柄上的螺丝, 在装进A侧中压主汽门之后慢慢开启安全阀。

2.3 无信号输入情况下A侧GV3高压调速汽门自动打开

汽轮机调速系统在没有信号输入情况下, A侧GV3高压调速汽门自动开启, 主要原因是压力油经过滤油器流入电机伺服阀在输入GV3高压调速汽门油动机, 从而开启GV3高压调速汽门。在汽轮机调速系统正常运行条件下, 电机伺服阀没有接到输入信号, 压力油不能进入电液伺服阀, 造成电压伺服阀无法正常接收信号, 主要是由于电机伺服阀位置发生漂移, 因此要适当调整电机伺服阀机械零位。将信号源作为电机伺服阀输入信号, 电流输入要小于4MA[3], 逐步调节伺服阀机械零位, 并且在这个基础上, 关闭GV3高压调速汽门, 逐渐增加调速系统输入信号, 使汽门逐渐打开, 当调速系统汽门全部打开之后, 再逐渐降低输入信号, 关闭调速系统汽门。通过调节电磁伺服阀机械零位, 有效解决无信号输入情况下A侧GV3高压调速汽门自动打开问题。

2.4 EH油泵油压过低导致系统跳闸

汽轮机调速系统的油压变化主要是由于电机伺服阀、试验电磁阀、保护电磁阀组件等带电设备频繁动作导致的。当调速系统机组挂闸后, 油缸油压会发生变化, 经过仔细检查电机伺服阀动作异常或汽门安全阀节流孔被堵塞, EH油杂质含量较高, 这是要注意清理安全阀, 使母管上的OPC、AST和EH油压保持稳定。同时, 在调速系统机组带负载或者定速之后, 将汽轮机调节汽门全部打开, 在DEH操作界面适当调节电机伺服阀, 将挡板与衔铁喷嘴移动一边, 确保滑阀两端保持不同油压, 持续移动滑阀, 防止油口发生泄油问题。

2.5 设备部件漏油

当汽轮机油系统部件漏油时, 一方面会降低调速系统油压, 导致油动力不足, 调速系统迟缓率增大, 从而导致汽轮机调速系统晃动;另一方面, 系统部件漏油严重危害汽轮机的安全、稳定运行。汽轮机调速系统液压调节油路不平整、系统部件腐蚀或磨损严重、零部件配合间隙扩大等是造成油系统零件漏油的主要原因。结合汽轮机油系统部件漏油情况, 密切关注汽轮机油压变化情况, 必要时要将汽轮机进行停机调整, 并且对于汽轮机系统漏油要及时采用防火和堵漏措施。

3 结语

结合汽轮机调速系统的结构特点, 针对汽轮机调速系统的常见故障, 检修人员要强化安全责任意识, 有针对性地采取相应解决措施, 熟练掌握调速系统故障检修方法, 满足工业生产的日常需求, 消除一切安全隐患, 确保汽轮机调速系统安全、稳定运行。

摘要：针对汽轮机调速系统在运行、检修、安装和制造中存在的问题, 积极采取有效措施, 快速处理汽轮机调速系统常见故障。文章分析了汽轮机调速系统组成, 阐述了汽轮机调速系统常见故障处理方法。

关键词：汽轮机,调速系统,常见故障

参考文献

[1]王晓鹏.浅谈汽轮机调速系统常见故障与处理技术[J].科技创业家, 2013 (15) :74.

[2]吴作根.浅谈汽轮机调速系统常见故障及解决方法[J].中国新技术新产品, 2011 (12) :127.

浅谈汽轮机调速及检修相关问题 篇5

关键词：调速系统,静态特性试验,调速检修

汽轮机是利用蒸汽做功的一种旋转式动力机械, 它可将蒸汽的热能转换为汽轮机轴的回转机械能。汽轮机主要用作发电用的原动机, 也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。在发电厂汽轮机是重要的设备, 其正常运转直接影响企业的电力生产效益。现在电能不能大量储存, 火电厂发出的电力必须随时满足用户对用电数量和用电质量的需求, 所以汽轮机必须具备自动调节系统。

1 汽轮机的调速目的和任务简介

1.1 汽轮机调速目的

汽轮机调速系统的任务, 就是使汽轮机输出的功率与电负荷保持平衡。也就是说, 当用户电量增多时, 汽轮机的负荷也应该随着增加, 这时汽轮机的调速系统就要开大汽门。具体来说是出于下列三个原因考虑的:

1.1.1 用电量变化要求:电力客户对发电

量的要求, 这是一个动态变化的因素, 因此电力负荷就要根据需求来调整发电大小, 这样能够起到节约能源, 最大的满足用户需求, 企业利益最大化。

1.1.2 供电质量要求:供电质量主要是满

足需求的点烟和频率;其中, 电压可以通过变压器解决。电网频率则由汽轮机的转速所决定。一般情况下转速高电网的频率就高, 转速低则电网的频率低。为了得到一个稳定的、满足需求的频率, 汽轮机必须具备调速系统, 能够保证满足电网频率稳定在一定范围之内。

1.1.3 发电厂安全的需要:汽轮发电机组

工作时, 转子、叶轮、叶片等承受很大的离心力, 而且离心力与转速的平方成正比。转速增加, 离心力将迅速增加。当转速超过一定限度时就会使部件破坏, 出大事故, 为此需要设置调速系统保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行。

1.2 汽轮机调速基本任务

为此可以总结汽轮机调速系统的三个基本任务为:

1.2.1 机组独立运行时, 当工况发生变化时, 调节汽轮机的转速, 使之保持在一定范围内。

1.2.2 机组并网运行, 当电网频率发生变化时, 调整机组负荷, 使之保持在一定范围内。

1.2.3 对于带调节抽汽的汽轮机来说, 当汽轮机工况发生变化时, 调整抽汽压力在一定的范围内。

2 汽轮机超速故障分析及防控措施

2.1 超速故障产生原因分析

汽轮机调速系统的主要作用就是保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行。因此当其调速系出现故障, 就直接会导致汽轮机超速故障的产生, 继而引发设备严重损坏, 酿成严重事故。对于汽轮机调速系统存在哪些问题, 会引起什么样的故障现象, 都必须足够重视, 要深入进行探讨。结合电厂运行经验和相关技术文献以下几个方面可能会引发超速故障的产生:

(1) 调速汽门不能关闭或漏汽量大。

(2) 抽汽逆止门不严或拒绝动作。

(3) 调速系统迟缓率过大或调节部件卡涩。

(4) 运行方式不合理或调整不当。

(5) 调速系统速度变动率过大。

(6) 调速系统动态特性不当。

(7) 调速系统整定不当, 如同步器调整范围、配汽机构膨胀间隙调整不合理等。

2.2 超速事件防控措施

当然引发此类事故的原因还和超速保护系统故障和运行操作维护有着直接关系, 在此不做一一讨论, 同时为了防止汽轮机超速事件的发生, 运行和检修应做到如下几个方面:

2.2.1 自动主汽门, 调速汽门要开、关灵

活, 严密性合格, 定期做主汽门活动试验。机组大修后或甩负荷试验前, 必须进行主汽门、调速汽门严密性试验, 保证符合技术要求, 执行法规标准及制造厂的要求。

2.2.2 机组长期运行或停运时, 应做好汽

机保养工作, 运行中应对汽轮机油质进行监督并且加强滤油, 防止杂质进入汽机调节供油系统引起调节部套卡涩。停运后超过一个月应进行机械超速和压出试验, 以保证汽机保护系统安全可靠投入。在停运期间, 应对调速系统缺陷及时消除。

2.2.3 坚持调速系统静态特性试验, 汽轮

机大修后或处理调速系统缺陷更换调速部套和重新整定以后均应做汽轮机调速系统试验, 调速系统的速度变动率和迟缓率应符合技术要求, 一般规定速度变动率为额定转速的4-5%, 迟缓率不大于额定转速的的0.5%。

2.2.4 合理地整定同步器的调整范围, 上

限富裕行程不宜过大, 一般要求高限能升高速度变动率&+ (1-2) %的富裕行程, 在低限能降低3-5%的额定转速, 配汽机构凸轮应在设计间隙范围内, 以保证汽轮机在热态下能严密关闭调速汽门。

2.2.5 汽轮机的各项附加保护, 如电超速

保护、磁力断路油门等, 要进行严格的检查试验, 保证符合技术要求和标准, 正常投入运行, 不得在运行中随意切除, 如因设备存在缺陷, 需要处理时, 应经主管领导批准, 制定出切实可行的安全措施和技术措施, 处理好后投入运行。

2.2.6 对新安装机组和对机组调速系统

进行技术改造以后, 必须进行调速系统动态特性试验, 以保证汽轮机甩负荷后, 动态飞升转速不超过规定值, 汽轮机甩负荷后应能保持空负荷运行, 一般要求甩掉额定负荷后的飞升转速不超过额定转速的8%, 发现设备缺陷要及时消除。

2.2.7 机组大修后, 甩负荷试验前, 危急

保安器解体检查以后, 运行2000小时以后都应做超速试验, 超速试验要严格按照规定进行, 高速下不宜停留时间过长, 超速试验次数要力求减少, 注油试验应在超速试验前进行, 以确定危急保安器是否动作可靠, 在做超速试验时, 升速应平稳, 注意防止转速突然升高, 并应事先采取防止超速的技术措施和安全措施。

为了防止大轴在冷脆温度下增加大轴的综合应力, 延长转子的使用寿命, 超速试验最好在转子的热状态下进行, 如规程没有规定温度要求, 一般在高压缸内壁金属温度高于250度时再做超速试验。

3 汽轮机调速检修注意事项

汽轮机调速系统安全良好运转, 是以每次高质量的检修为前提的, 故为提高检修质量和检修效率, 结合实际工作经验, 总结体会出如下心得要点:

3.1 凡能改变调节系统特性的部件, 如

弹簧紧度、调整螺栓、垫片、连杆等零件的尺寸和相对位置, 拆装时必须进行做记号和测量, 做好详细记录。

3.2 解体时, 必须测量和记录每个部件

的间隙和必要的尺寸, 如错油门门芯间隙、过封度、行程等, 油动机活塞间隙、行程、调节汽门行程、调节汽门门杆间隙、弯曲度等。

3.3 拆下的零件应分别放置在专用的零

件箱内。对于精密零件应特别注意保护, 并用干净的白布或其它柔软的材料包好, 拿取时应小心, 防止碰撞、损坏。

3.4 滑阀、活塞、活塞杆、活塞环、套筒、弹

簧等部件应仔细进行检查, 无锈蚀、裂纹、毛刺等缺陷, 滑阀凸肩应保持完整, 无卷边、毛刺。滑阀、活塞上的排气孔、节流孔应清理干净, 以免堵塞油路, 影响正常工作。

3.5 滑阀、套筒、活塞、活塞杆及外壳体的凹窝、油室、孔口等应仔细地清洗, 用白布擦拭, 用面团粘净。

3.6 复装滑阀及活塞时, 应在滑阀、活

塞、活塞杆等滑动部位浇以透平油。滑动及转动部分应灵活, 无卡涩与松动现象, 全行程动作应灵活、准确。

结语

汽轮机调速系统起到调节汽机转速, 保证供电质量和供电数量, 满足电网用户的需要, 同时还肩负着保证汽轮发电机组始终在额定转速左右运行、防止汽机超速的重要任务, 为此应认真检修, 做好各项实验, 从检修方面确保调速系统的安全运行。

参考文献

[1]王杭州.汽轮机电液调节系统故障分析与对策[J].发电设备, 2003 (01) .

[2]田丰.汽轮机调速系统静态试验与静止试验差异的探讨[J].发电设备, 2001 (01) .

[3]严可国.大型汽轮发电机组故障诊断方法及监测保护系统研究[D].华北电力大学 (北京) , 2009.

[4]周红兵, 汪秉文.汽轮机调节系统故障处理[J].华中电力, 2001 (05) .

汽轮机中压调速汽门门杆断裂分析 篇6

某电厂超临界空冷机组运行近1年,大修解体后发现中压调速汽门门杆断裂一根,材质为2Cr12NiMo1W1V,工作温度为566℃,门杆断裂位置如图1所示。

2 断口分析

2.1 宏观分析

门杆断口的宏观照片如图2所示,门杆断在距端部837mm的排汽孔处,断口起始于排汽孔处的两个小缺口,排汽孔边缘线较为尖锐,未作圆角过渡处理。门杆断面的裂纹源区较为平坦,有明显的放射状条纹[1],断口都呈深灰色,断面都被严重氧化、磨损,门杆的压力平衡孔都偏离门杆中心。

2.2 断口微观分析

门杆断口的微观形貌如图3所示,门杆断口上可见韧窝、撕裂棱和二次裂纹。

3 材质分析

在中压调速汽门门杆上取样,检测分析门杆的化学成分、力学性能和金相组织。

3.1 化学成分分析

在门杆上取样,门杆的化学成分分析结果如表1所示。由表1可见,门杆的化学成分符合标准B/HJ424-2004中的规定。

3.2 力学性能

门杆的力学性能分析结果如表2所示。由表2可见,门杆的力学性能指标符合B/HJ424-2004中的规定值。

3.3金相组织

在门杆的断口上取样制备金相样品,门杆的金相照片如图4所示,门杆夹杂物评定结果为A1、B2.5、D1,断口处渗氮层深0.25～0.33mm,门杆金相组织都为回火索氏体,晶粒上有碳化物,晶粒度为4级。

4 综合分析

从断口分析来看,门杆的断裂位置处于几何突变区,门杆排汽孔处边缘未做圆角过渡处理,是应力集中区。从中压调速汽门门杆设计要求来看,门杆的断裂区域是不允许渗氮的;门杆断裂位置渗氮时未做防护,渗氮后会使此处脆性增加,会进一步加剧了应力集中效应。门杆在工作状态下承受拉应力和汽流变化引起的交变冲击载荷作用,门杆中心的压力平衡孔严重偏离门杆中心,使门杆受力时形成偏载,应力集中区对冲击载荷和偏载是非常敏感的。门杆是在交变冲击载荷、偏载和应力集中效应的共同作用下形成裂纹源,裂纹扩展至临界裂纹尺寸时发生疲劳断裂[2]。

5 结论与建议

(1)中压调速汽门门杆的断裂性质是疲劳断裂,渗氮时未按设计要求作防渗氮处理,导致应力集中区的脆性增加是门杆断裂的主要原因,机械加工上的不足也是促使门杆断裂的原因之一。

(2)建议中压调速汽门门杆不需要渗氮位置要做好防渗氮保护,保证机械加工质量。

摘要：某电厂汽轮机中压调速汽门门杆发生断裂,采用断口分析和性能分析等方法对门杆的断裂原因进行了分析。结果表明:门杆断裂位置渗氮时未做防护,渗氮后会使此处脆性增加,进一步加剧了应力集中效应,门杆中心的压力平衡孔严重偏离门杆中心,使门杆受力时形成偏载,门杆是在交变冲击载荷、偏载和应力集中效应的共同作用下形成裂纹源,裂纹扩展至临界裂纹尺寸时发生疲劳断裂。

关键词：中压调速汽门门杆,渗氮,应力集中,疲劳断裂

参考文献

[1]崔约贤,王长利.金属断口分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998.

汽轮机调速 篇7

1设计思路

中国石油锦州石化公司三催化装置投产,其汽轮机控制系统的转速控制和超速保护采用505调速器。为了提升系统的安全性,在505与现场执行机构间设置有Loopmate备用控制器,俗称附线板。某次,505控制器故障信号动作,于是自动切换为Loopmate备用控制器,切换过程基本无扰动,避免了汽压机临时停机事故的发生。

本次一催化南台气压机调速系统改造,利用505取代原机械式调速器,但Loopmate产品已经不再生产,从保证系统的安全性考虑,硬件选用YS170可编程控制器,自行编制软件,设计并实施后成为完全符合Loopmate性能要求的备用控制器。

2设计原理

调速系统控制原理如图1所示,转速传感器信号从现场进入控制室505的Snsr1#、2#通道,505调速器启车条件由“汽轮机运行条件”与“强制满足”进行或运算后输入至505的DI1通道,505的远程/本地转换由盘面设置的硬手动切换开关信号输入至505的DI2通道,逻辑停车信号由逻辑停车系统输出停车信号至505的Emergency通道,同时另一路停车信号输入至备用控制器。505的调速信号( 4 ~ 20m A) 由ACT1#输出,经信号转换( 电阻250Ω) 后变为1 ~ 5V( DC) 从HC-9607 ( YS170) 的AI1输入,经备用控制器从AO1输出到执行机构。505在故障状态下会发 出“Shut down ”信号( open) ,将此信号输入到备用控制器YS170的DI1通道,信号DI1 = 1 ( close) 为正常态 ( 表明505工作正常) ; DI1 = 0 ( open) 表明此时505工作异常,处于故障状态,当产生“Shutdown” 信号时,YS170自动由自动调节无扰动跳转到手动输出,即状态切换到状态,以维持设备的正常运行。

3功能要点

3.1在线备用控制器功能

当YS170在自动模式( 即模式) 时,输入信号X1→pv1→sv1 = mv1→Y1,拥有典型的附线板功能; 在手动模式( 即模式) 时,人工操作YS170的或键,使sv值与mv值联动,即sv1 =mv1→Y1。在正常的模式时,当DI1由“1”状态变为异常的“0”状态时,YS170自动实现到的无扰动切换,同时输出值Y1置为1s前的X1值( 即505的输出值) ,此时无法切回到模式; 当DI2由正常的“0”状态变为异常的“1”状态时,自动实现到的切换,同时输出值Y1置为4m A( 即0% ) ,即汽门关闭,此时无法切回到模式。在505非故障状态( DI1 = 1) 、机组非联锁停机状态( DI2 = 0) 时,可在附线板上进行到的自由切换。在模式,DI1下降沿触发时,YS170 由切换到的同时,输出值Y1置1s前的 X1 值; 在模式,输出值不受DI1状态变换的影响。

3.2寄存器功能设计

设计p参数状态寄存器,用于状态控制和状态检测; 设计p参数模拟显示和模拟设定寄存器, 用于YS170模拟量输入、模拟量输出和起到控制作用的状态信号的控制。P25为Loop1的切换控制原始状态寄存器; P27为经过DI1( 505的Shutdown) 信号状态判断后的控制状态;P29为505故障状态寄存器,P29 = 1表示故障, P29 = 0表示正常; P30为停机联锁状态寄存器, P30 = 1时为联锁状态,P30 = 0时为正常状态。

3.3YS170信号说明

在图2所示的YS170信号流程中,DI1表示505故障状态信号,DI1 = 1为正常状态 ( close) , DI1 = 0为故障状态( open) ; DI2表示机组联锁停机信号,DI2 = 0为正常状态,DI2 = 1为停机信号, DI2发出停机信号后,YS170执行停机,输出置为4m A; X1来自505调速器的输出信号ACT1#; X2是ZIB-9602轴位移信号输入; X3是ZIB-9604轴位移信号输入; X4来自Airpax变送器SI-954 ( 0 ~ 12kr / min) ; X5来自505 ( 经信号隔离器后) 的转速变送器SI-9605 ( 0 ~ 10kr/min) ; Y1为4 ~ 20m A信号,经过HB-9607去调速器执行机构; Y2为1 ~ 5V信号,去DCS转速显示; Y3 = Y1,去DCS指示执行机构阀位SOI-9607; DO1为∣ X2 ∣高高报警联锁停机信号( ZI-9602) ; DO2为∣ X3 ∣ 高高报警 联锁停机 信号 ( ZI-9604 ) ; DO3为 ∣ X3 ∣高报警信号( ZI-9604) ; DO4为∣ X2 ∣ 高报警信号( ZI-9602) 。

4汽轮机引蒸汽试运情况

当505故障Shutdown信号发生时,YS170副线板在模式时仍输出X1→1s→X2的值,但此时X2很高,造成Y1大幅值输出,导致现场汽轮机超速。采取的纠正措施: 当DI1下降沿发生且仅当Loop1处于模式时,X2→Y1方可输出。

从DCS系统转速参数指示精度考虑,505→ YS170→DCS( SI-9605 ) 的精度高于Airpax → DCS ( SI-755、SI-756) ,因此应对汽轮机的相关检测信号进行统一整理。

505超速控制模块采用超速信号高选机制 ( 本设计采用单独的Airpax变送器2 /3表决) ,当505超速动作 时,产生Shutdown信号,按设计YS170将从模式切换到模式,同时Y1输出保持在1s前的输出值( 此时Y1很高) ,此工况对生产安全威胁很大。采取的纠正措施: 505转速信号( 4 ~ 20m A) 经过信号隔离器进入YS170的X5,将转速信号参与逻辑判断,当实际转速超过10kr / min时,YS170将Shutdown信号视为联锁动作信号( DI2 = 1) ,如此505超速保护将与Airpax的2 /3超速保护一同动作,增强系统的可靠性。

汽轮机“顺序满足”、“强制满足”功能切换开关和速关油压力低联锁Bypass开关应放置在盘前,以方便生产操作。

再次调试过程中发现,用导线将505的AO2直接与YS170的X5相连后,505输出电流 达80m A以上,而YS170的指示值达到121% ,将导线断开后,现象消失。采取的纠正措施: 由于505与YS170是两个不同地的相对独立的设备,用导线直接相连后内部工作电位基准发生偏移,对两侧工作信号均造成影响,因此采用隔离安全栅将两者进行隔离,即安装一台MTL输出隔离栅,该问题迎刃而解。

5结束语

汽轮机调速 篇8

随着汽轮机机组的自动化水平在不断的提高, 现汽轮机组控制部分都是采用电液调节系统, 而要维持汽轮机的额定转速, 保证机组的控制系统能在额定蒸汽参数状态下安全工作, 并且要确保机组在甩负荷后, 它的转速必须控制在危急保安器动作值以下。而机组在运行过程中, 可能因为汽轮机的油动机控制油中含有杂质, 或安装不当, 从而导致汽轮机主汽门、调速汽门油动机的磨损, 最后会给机组的安全稳定和经济运行带来隐患。

2 EH油系统中油动机的工作原理

在EH油系统中, 油动机是非常重要的部件, 而EH油系统它包括了执行机构, 供油系统和危急遮断系统, 其中供油系统的主要功能是为油动机提供高压抗燃油, 并且执行机构主要是由其来驱动, 它主要是响应从DEH送来的电指令信号, 用以调节各蒸汽阀的开度。汽轮机的危急遮断系统主要是由遮断参数来控制, 也就是遮断参数在其运行时超过了额定值, 系统就会自行对汽轮机的所有进气阀门进行调节或者关闭。

而EH系统中的供油装置, 它主要是为液压油的正常理化特性和运行特性提供保障, 同时为控制部分提供所需要的液压油和压力。它主要由以下设备和系统组成, 其设备分别为油泵、溢流阀、控制块、油箱、冷油器、磁性过滤器、蓄能器、EH端子箱和滤油器等, 系统分别为自循环冷却系统和自循环滤油系统。

电-液伺服执行机构在DEH控制系统中占了非常重要的作用, 它与汽轮机控制系统中执行机构的工作原理大体上是一致的, 但从其发电容量来看, 就分有1000MW、600MW、300MW、200MW、125MW等等。

阀门的开启是由抗燃油压力来驱动, 但关闭却要靠操纵座上的弹簧力来执行。油缸作为执行机构, 它是属于单侧进油, 与控制块连接的液压油缸上装有隔离阀、逆止阀和快速卸荷阀等。加上不同的附加组件, 可组成两种基本形式的执行机构 (即开关型和控制型执行机构) 。

此外, 当快速关闭油动机时, 可以在油动机活塞尾部采用液压缓冲装置, 目的是为了使阀座与蒸汽阀碟的冲击应力保持在允许的范围内, 以便将产生的动能在冲击发生的最后瞬间转变为流体的能量。

在国产300MW型汽轮机 (东汽型) 的液压控制系统中, 根据执行机构控制对象的不同, 可将其分为高压调节汽阀执行机构 (共4套) , 高压主汽阀执行机构 (共2套) , 中压主汽阀执行机构 (共2套) 以及中压调节汽阀执行机构 (共2套) 。其中除了中压主汽阀执行机构是开关型的执行机构外, 其它的均为伺服 (控制型) 执行机构。

本文重点分析油动机出现磨损后, 对机组的影响及处理方法。

3 运行过程中, 油动机出现磨损后经常出现的缺陷

(1) 当机组带负荷工作过程中, 中压调门或高压调门的开度达到了85%, 其运行极为不稳定, 此时容易出现负荷摆动的情况, 负荷摆动甚至会高达40MW。

(2) 高压调门切换过程中, 阀门不能开启。

(3) 机组在启动升速、进行中压油动机活动试验和降负荷至中压油动机参加调节时, 多次发生扩散性幌动。

(4) 油动机及调节油管道存在着随机性的强烈振动故障。故障时, 油动机活塞上下大幅度摆动, 幅值达50mm, 二次油压的摆动范围达0.3MPa。

(5) 油动机调节系统出现迟缓和卡涩现象。 (见图3)

4 油动机内壁、活塞磨损的原因分析及处理方法

对汽轮机的油动机进行拆解后, 可根据拆解的情况进行研究, 再根据研究结果, 需结合设备的自身实际情况分析其原因, 最终得出了下面的处理方法:

(1) 对那些那些配合间隙已经不符合标准的零部件进行更换, 如油动机密封橡胶圈、油动机导向套等, 并且必须严格按照要求将更换后的配合间隙调到要求的范围内。

(2) 为了确保油动机轴与高压调节汽门的门杆处于同心位置, 可以通过调节油动机轴和高压调节气门的门杆连接中心之间的偏差, 这个偏差可以调整到小于0.20mm, 这样做的目的避免不同心而造成的歪斜, 从而引起单边卡涩。

(3) 针对导向套与油动机轴之间的轻度磨损、油动机活塞上密封材料的磨损以及确保油动机能够稳定运行, 可以将油动机导向套内的密封形式改为迷宫环自密封形式并且将导向套材料的材质改为铜质, 这样也是为了避免油动机轴在检修周期内磨损得不是太严重。

(4) 认真研究并制定油动机的预防维护计划, 油动机内部密封橡胶圈在每年的年度小修中必须全部更换。

(5) 使机组的运行方式得到优化。通过机组运行方式的优化, 可以使高压调节汽门不正常的大幅波动次数减少, 也可以使油动机的运行寿命延长。当机组运行负荷比较低时, 汽轮机可以采用部分进汽的方式, 调节汽门1号、2号、3号汽门参与调节, 同时保持4号高压调节汽门呈关闭状态;当机组的运行负荷处于60~90%之间时, 此时在汽轮机部分进汽的方式下, 高压调节汽门的1号、2号、3号开度一般在50~95%, 在此阶段, 为使高压调节汽门不产生大的响应, 主汽压力及机组运行负荷均采用全周进汽方式, 这就是说高压调节汽门的4个节汽门需同时参与调节, 一般把调节汽门的开度控制在40%以下, 开度的变化对主汽压力及运行负荷的影响相对来说较小;而当机组的运行负荷比较大时, 就得采用部分进汽的方式, 此时高压调节汽门的1号、2号、3号均需全开, 但调节能力没有, 仅仅由高压调节汽门的4号对运行负荷的调节进行响应。

(6) 机组在运行过程中, 主汽压力尽量维持在稳定状态, 这是为了避免大幅波动的主汽压力引起高压调节汽门的增益值不断变化而引起高压调节汽门开度的不断变化。

(7) 适时对油动机轴、被磨损的油动机内壁和活塞进行修复。

(8) 对EH油系统进行定期冲洗, 保证油质。冲洗时应将油动机上的伺服阀和电磁阀拆下, 换上相应的冲洗板, 拆下油动机上进油节流孔, 分开打开冲洗各油动机的进油截止阀, 关闭其它各油动机的进油截止阀;冲洗时供油压力尽量高, 但最大不得超过3.5MPa;冲洗时油温保持在50~55℃, 如油温不够, 可以启动电加热装置;为保证冲洗效果, 可采用分步冲洗的方法, 按照一次冲洗4~5只油动机的原则, 分别对高中压主汽门、高压调门、电磁阀组件和蓄能器组件、中压调门进行冲洗;在油冲洗过程中, 应经常用木棒轻打油管, 帮助震掉附着在管壁上的脏污物。

5 对其采取处理措施后的影响

修复的油动机经过长时间的跟踪观察和带负荷运行, 它工作时的反应很灵敏, 且运行时的稳定性得到了明显的改善, 油动机磨损情况也很明显的得到了改善。经过长时间的运行后, 对油动机进行了拆解检查, 发现各部套情况良好, 磨损情况不是太明显, 各配合间隙也在合理的范围内。因此, 对油动机磨损的处理措施是可行的。

(1) 调速汽门型线不良通常表现为汽机空负荷时调速系统的摆动, 为确保调速汽门阀芯与阀座接触型线的严密性, 修理时必须认真做好调门阀芯及阀座上的高温氧化皮的清理, 并对调速汽门主阀进行预装研磨。

(2) 要解决调速汽门小开度时的振动问题, 从结构角度讲, 在于改善阀内蒸汽流场, 并改小调门的卸载能力, 使调门本身始终受到一个向下、适中的不平衡蒸汽力, 处在稳定的蒸汽流场中, 以避免阀碟上下浮动。可减小调速汽门预启阀行程, 减小阀碟浮动程度, 增强阀碟稳定性或者减小调速汽门阀杆直径, 增加蒸汽平衡力。

(3) 汽轮机调速汽门的重叠度应该调至一个合适的范围内。经验表明, 在前一个调速汽门开启到其门后的压力为门前压力的85~90%时, 后一个调速汽门即开启为最合理。由于汽轮机在2号调速汽门小开度情况下, 机组负荷摆动大, 可以判断是1号调门与2号调门重叠度过大引起的调速汽门摆动。

6 结束语

汽轮机运行过程中, 造成其调速汽门失衡的原因很多, 但油动机的磨损以及密封橡圈的脱落是其最重要的一个原因, 它是汽轮机组运行中经常都有发生的, 所以这个问题必须应引起检修人员的重视, 否则这一现象将会严重危及机组的安全运行。在汽轮机调速汽门检修时, 检修人员应该严格按照检修工艺标准执行, 其中不能明白的问题应适时的与制造厂家进行沟通, 这样才能保证修理质量的提高。

摘要：为保证汽轮机在各种工况下都能稳定运行, 对调速汽门的控制要求也越来越高, 使得汽轮机调速汽门油动机的故障逐渐增多。就调速汽门油动机经常出现故障存在的主要原因进行分析, 并提出相应的措施, 以保证机组的安全稳定运行。

关键词：调速汽门,油动机,磨损

参考文献

[1]马福荣.125MW中间再热式汽轮机.水利电力出版社, 1989.

[2]刘鸣放.金属材料力学性能手册[M].北京:机械工业出版社, 2010.

汽轮机调速 篇9

随着电力系统互联规模的增大,低频振荡的问题越来越突出。电力系统低频振荡主要是机电模式的振荡。文献[1]发现励磁系统有可能削弱机组的阻尼转矩,甚至导致阻尼转矩为负。因此,负阻尼机理广泛应用于低频振荡分析和抑制方法研究[2,3,4,5,6,7]。但是,在系统实际运行中还存在负阻尼机制无法解释的低频振荡现象,如文献[8]所述中国河北南网安保线上多次发生的等幅低频振荡。由此,文献[8,9]提出了低频振荡的共振机理。文献[10,11]分析认为,原动机侧的外界振荡扰动与系统固有频率接近或相同时会引起共振。文献[12]发现,当电网侧出现扰动时,由于汽轮机组功率—频率调节采用机端有功信号,因此,实际控制方式由反馈变为前馈方式[13],使机械功率阻尼降低并出现共振频率点。当电网侧振荡扰动接近共振频率时,会引起汽轮机组机械功率大幅振荡,进而引起低频振荡。

在发电机稳定控制方面,虽然各种新理论的研究很多,但实际应用并不理想。在励磁侧配有电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS)后,若仍然发生低频振荡,现场可采用降出力的办法。但该办法抑制振荡耗费时间长,且会改变系统运行方式,容易导致系统解列。此外,现场运行经验表明,改变控制方式、系统结构和参数可能使振荡平息。文献[14]阐述了某厂在发生低频振荡时,通过改变调速系统控制方式,将闭环控制改为开环控制,使振荡平息的过程。为保证发电机的稳定性,一些发电厂甚至在正常运行时,也将调速控制系统的反馈回路断开,不将一次调频功能投入[15]。

其实,每种控制方式都有其控制目的。功率反馈、频率反馈和压力级反馈对保证一次调频和二次调频精度、线性度和及时性都有作用。只有通过对每种控制方式的阻尼特性和频率特性进行分析,才能在改变系统控制方式以抑制低频振荡时,做到有的放矢。

因此,本文对汽轮机组调速系统的3种控制方式进行了阻尼特性和频率特性分析,提出了控制方式在线调整策略,以便有效地抑制低频振荡。

1 数字电液调速系统的控制方式

一次调频要求汽轮机具有快速功率响应特性和较好的功率—频率线性调节特性。故现代大型机组调速系统普遍采用数字电液(DEH)调速控制系统。

近代高参数大容量机组普遍采用单元制中间再热,调速控制系统增加了调节级压力反馈控制回路和功率反馈控制回路,并结合前馈比例—积分(PI)校正[16,17,18],以使汽轮机输出功率能准确、快速地跟随给定值。但由于现实中汽轮机机械功率Pm测量困难,一般采用发电机出口有功功率Pe代替[17,18]。控制系统原理如图1所示[16]。图中,ωr为转速设定值,ωm为转速实际输出值。

图1中,汽轮机转速为主被调量,调速级压力为副被调量。频差放大器、发电机有功调节器和PI1控制器构成主控制回路,调速级压力调节器和PI2控制器构成副控制回路。

实际运行中,系统的虚拟开关由软件实现,开关K1和K2的指向可提供不同的运行方式,即K1与K2全部闭合,为串级PI控制方式;K1闭合而K2断开,为单级PI1控制方式;K1断开而K2闭合,为单级PI2控制方式。

2 避开共振频率点的控制思路

以上控制方式从热工控制的角度出发,主要控制目标是使汽轮机输出功率和转子频率跟随给定值。为与负荷平衡,考虑了有差调节。但是,从电力系统稳定运行的角度,则要求汽轮机输出机械功率能及时跟随电网侧负荷的变化。

当系统负荷变化时,先造成发电机有功功率的变化,然后因机械功率和电功率不平衡才引起转速变化。所以,此时调速系统中的Pe成为前馈输入信号而不是反馈信号,Pm随其变化而变化[12,14]。

若电网侧某扰动源引起的低频振荡传递到机端,使机端Pe低频振荡,由于控制方向改变,ΔPe有可能通过调速系统激起汽轮机ΔPm共振(ΔPm是ΔPe的几倍振幅),使转子的不平衡力振荡力矩迅速增大,转子大幅振荡[12]。造成这种情况的原因是Pe→Pm控制方向的共振频率与扰动频率接近或相同。

在抑制上述机理的低频振荡时存在2个问题:为满足二次调频功能以及一次调频静态调节特性,不宜改变调速系统原有的结构;另外,为保持正常的一次调频静态调节特性和抗高频干扰,电功率测量回路设计成低通信道,即无法阻止低频振荡信号进入前馈通道。

为此,本文的思路是:通过改变DEH调速系统的控制方式,来改变Pe→Pm控制方向的系统机构和特征值,从而改变共振频率点,避免ΔPm和ΔPe共振。由于调速级压力和机端ΔPe都是副被调量,故可通过开关K1和K2的闭合改变辅助控制方式,从而改变Pe→Pm的特征值及固有频率。同时保留了原有的闭环“调速”功能。

下面,分别依托简化模型和典型模型,对串级PI、单级PI1和单级PI2这3种控制方式的阻尼特性和频率特性进行分析,研究共振频率的分布特点,以便振荡时采取合适的控制方式。

3 简化模型的阻尼和频率特性分析

3.1 串级PI控制系统的阻尼和频率特性分析

根据图1,汽轮机DEH控制系统的简化系统如图2所示。

图中:Gc1(s)=Kp1和Gc2(s)=Kp2分别为主、辅控制器,为降低回路阶数,只使用比例环节;Gv(s)=Kv,为伺服系统;GCH(s)=1/(1+TCHs),为高压容积;GRH(s)=1/(1+TRHs),为再热与低压容积;Gσ(s)=1/(Tσs),为转子模型;ΔPe为电功率扰动;ΔPm为机械功率输出。令

$G{}_{\text{Ο}}=\frac{G{}_{\text{c}2}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{C}\text{Η}}}{1+G{}_{\text{c}2}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{C}\text{Η}}}(1)$

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-[(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}+\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}]G{}_{\text{c}1}G{}_{\text{Ο}}G{}_{\text{R}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(2)$

为了直接推导出系统的主要振荡模式,须先进行系统降阶。因TCH相比于TRH和Tσ较小,可将此环节降阶,即TCH=0。则将各元件模型代入式(2),得到串级PI控制的简化系统模型为:

$\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}(1-{\rm T}{}_{\text{σ}}s)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}(3)$

式中:

${\rm K}{}_{\text{m}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}2}{\rm K}{}_{\text{v}}}{1+{\rm K}{}_{\text{p}2}{\rm K}{}_{\text{v}}}(4)$

可得串级PI控制的系统无阻尼自然频率ωc和阻尼比ζc分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(5)\\ \zeta {}_{\text{c}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(6)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx为:

$\omega {}_{\text{x}}=\omega {}_{\text{c}}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(7)$

由图2可得:

$(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{σ}}s}=\text{Δ}\omega (8)$

将式(3)代入式(8),可得

$\frac{\text{Δ}\omega }{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}}=\frac{-{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s-({\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}+1)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}(9)$

由式(3)和式(9)可见,Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

以上分析表明,若$\zeta {}_{\text{c}}<\sqrt{2}/2$,则存在共振频率ωx。在该频率的ΔPe扰动下,汽轮机机械功率ΔPm会因共振而增大,进而引起转速振荡Δω增大。

3.2单级PI1控制系统的阻尼和频率特性分析

图1中,当只有PI1控制器起作用时,得到图3所示单级PI1控制系统,其他环节与串级PI控制系统相同。

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-[(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}+\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}]G{}_{\text{c}1}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{R}\text{Η}}G{}_{\text{C}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(10)$

近似令TCH=0,将各元件模型代入式(10),得到单级PI1控制的简化系统模型为:

$\frac{{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}(1-{\rm T}{}_{\text{σ}}s)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}(11)$

由式(11)可知,单级PI1控制的系统无阻尼自然频率ωc1和阻尼比ζc1分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}1}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(12)\\ \zeta {}_{\text{c}1}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(13)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}1}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx1为:

$\omega {}_{\text{x}1}=\omega {}_{\text{c}1}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}1}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(14)$

同理,可证明该控制方式下Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

3.3单级PI2控制系统的阻尼和频率特性分析

图1中,当只有PI2控制器起作用时,得到图4所示单级PI2控制系统,其他环节与串级控制系统相同。

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}G{}_{\text{Ο}}G{}_{\text{R}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(15)$

则以扰动Pe为输入,Pm为输出的闭环传递函数为:

$\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{m}}}(16)$

故单级PI2控制的系统无阻尼自然频率ωc2和阻尼比ζc2分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(17)\\ \zeta {}_{\text{c}2}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(18)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}2}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx2为:

$\omega {}_{\text{x}2}=\omega {}_{\text{c}2}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}1}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(19)$

同理,可证明该控制方式下Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

3.43种控制方式的阻尼和频率特性比较分析

现比较分析3种控制方式的阻尼比。由式(7)、式(13)和式(18)可得:

$\zeta {}_{\text{c}2}>\zeta {}_{\text{c}}>\zeta {}_{\text{c}1}(20)$

由线性单自由度系统的强迫阻尼振荡理论可知,阻尼比必须小于$\sqrt{2}/2$才有共振频率,且振幅放大倍数随阻尼比变小而增大。因此,从阻尼角度,单级PI1控制最容易出现共振,且振幅比最大,单级PI2控制最不容易出现共振,且振幅比最小,串级PI控制居中。

一般情况下,Kp1与Kv的取值都远大于1。由式(4)可知Km小于但接近1。因此,由式(7)、式(14)和式(19)可得:

$\omega {}_{\text{x}1}>\omega {}_{\text{x}}>\omega {}_{\text{x}2}(21)$

即单级PI1控制共振频率最高,单级PI2控制共振频率最低。

若发生共振,带宽B为:

$B=2\zeta \omega {}_{\text{c}}(22)$

式中:ζ为阻尼比。

将式(5)和式(6)、式(12)和式(13)、式(17)和式(18)分别代入式(22)。得到串级PI、单级PI1和单级PI2控制的带宽为:

$B{}_{\text{c}}=B{}_{\text{c}1}=B{}_{\text{c}2}=\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}(23)$

再热低压容积时间TRH较长,约10 s。故共振带宽较小,约0.1 rad/s。说明避开共振频率后振幅衰减迅速。

因此,发生共振时的调整策略是:通过切换控制方式,避开共振频率点,即可使振荡迅速减小。

4 典型模型的阻尼和频率特性

考虑典型模型、参数时,汽轮机调速控制系统为高阶系统。汽轮机模型采用3阶模型[19]:

$\frac{{\rm P}{}_{\text{m}}}{\mu }=\frac{1}{1+{\rm T}{}_{\text{C}\text{Η}}s}[f{}_1+\frac{1}{1+{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s}(f{}_2+\frac{f{}_3}{1+{\rm T}{}_{\text{C}\text{Ο}}s})2〗(24)$

式中:高压容积GCH=1/(1+TCHs);再热容积GRH=1/(1+TRHs);低压容积GCO=1/(1+TCOs);TCH=2 s;TRH=8 s;TCO=0.5 s;f1∶f2∶f3=0.3∶0.4∶0.3。

转子的传递函数为Gσ=1/(Tσs),Tσ=10 s。

调速系统模型参数[19]如下:PI1控制器为Kp1+1/(TI1s),Kp1=2.9,TI1=2 s;PI2控制器为Kp2+1/(TI2s),Kp2=1,TI2=0.55 s;电液转换器Ge=1/(1+Tes),Te=0.05 s;油动机Gs=1/(1+Tss),Ts=0.02 s;继动器G1=1/(1+T1s),T1=0.02 s;调节限制μmax=0.7,调差系数δ=5%。

在ΔPe扰动下,3种控制方式的ΔPm阶跃响应如图5所示,ΔPm幅频特性如图6～图8所示。

图5表明,单级PI1控制方式的阻尼最小,单级PI2控制方式的阻尼最大,串级PI控制阻尼居中,与第3节中简单模型得到的分析结果(式(20))是一致的。

由图6～图8可见,单级PI2控制的共振频率小于0.1 Hz,相对较小;由图6和图8可见,串级PI控制与单级PI1控制方式的共振点接近,在0.25 Hz左右,在常见的低频振荡范围内。3种控制方式的共振频率分布规律与第3节简单模型的分析结果(式(21))是一致的。

若发生强迫共振时,单级PI1控制方式的放大倍数|ΔPm/ΔPe|最大,达2.7倍左右;单级PI2控制方式的最小,约1.3倍;串级PI控制的居中。与前面阻尼分析的结果是吻合的。

5 共振抑制策略

单级PI1控制方式和串级PI控制方式的共同点是都有电功率反馈通道。在电网侧扰动瞬间和振荡过程中,给定值并未改变,机械功率的波动是由电网侧电功率扰动输入引起的。所以,该通道其实是电网侧扰动的前馈输入通道,控制方向和结构的变化,导致阻尼降低。由前面分析可知,若电网侧功率的扰动频率与共振频率相同(或接近时),机械功率出现大幅共振,导致转子不平衡功率增大,进而引起转速振幅增大。而且,为保证机械功率跟随给定值的稳态控制精度,电功率反馈通道必须为低通通道,无法阻断电网侧的低频扰动信号。

单级PI2控制避免了电网侧低频扰动信号的直接引入,转子惯性削弱了ΔPe扰动的影响。因此,由前面分析可知,对ΔPe扰动的阻尼较大,且共振频率一般不在低频振荡范围。由图7可见,单级PI2控制的共振频率为0.092 3 Hz,且带宽很小。

因此,共振抑制策略是:在正常的串级PI或单级PI1控制时若发生大幅振荡,则通过在线切换开关K1和K2,将控制方式切换到单级PI2方式,既可保留转速控制回路,保持稳定转速,又能有效地避开共振点,降低转子振幅。

假设5 s时,有大小为0.1(标幺值)、频率为0.25 Hz的振荡扰动ΔPe;在47 s时,分别将串级PI和单级PI1控制方式切换成单级PI2控制方式。切换前后,ΔPm和转速Δω的振荡情况如图9和图10所示。

由图9和图10可见,在此频率的ΔPe扰动下,串级PI和单级PI1控制方式因发生共振,ΔPm振幅较大。切换成单级PI2控制方式后,相比正常的串级PI控制方式,ΔPm振幅降低到1/5左右,Δω振幅降低一半左右;而相比单级PI1控制方式,ΔPm和Δω则降低更多。说明该抑制策略能有效地抑制低频振荡。

6 结语

在电网侧发生振荡功率扰动时,功频调速控制系统中的功率反馈通道变成了扰动功率的前馈通道,使机械功率阻尼降低,出现共振频率点。

实际运行中,系统的虚拟开关K1和K2的指向可提供3种不同的运行方式。简单模型的理论分析和典型模型的仿真分析表明,阻尼从小到大的排序为:单级PI1方式、串级PI方式、单级PI2方式;共振频率从小到大的排序则相反。

阻尼越小越容易发生低频振荡。因此,在单级PI1或串级PI控制方式发生大幅低频振荡时,可通过切换开关K1和K2,在线将控制方式切换为单级PI2方式。这样,既可保留转速反馈通道,保持转子稳定控制功能,又能有效地避开共振点,从而大幅度降低机械功率和转子振幅。

该方法不增加新的控制器,只是对原有系统的运行方式进行在线切换。对于抑制低频振荡具有实际意义。