1、第一节 汽轮机控制装置的发展第二节 汽轮机控制系统的组成第三节 汽轮机控制系统的内容 汽轮机是电厂中的重要设备，其作用是在高温高压蒸汽的推动下稳定在一定转速下旋转,完成热能到机械能的转换。汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能，驱动发电机转动；发电机再将机械能转换为电能并输送到电网；电网再将电能输送到各个用户。为了保证供电质量，就必须保证电力系统的电压、频率的稳定；同时在电网出现故障时，又要能保证机组自身的安全。也就是确保外界负荷突增时机组不过载；甩负荷时汽轮机不超速。电压的调节另有专门设备承担（发电机励磁系统等装置），不属于汽轮机调节系统的范围，而频率则直接取决于汽轮发电机的转速，一般要求汽轮发电机
2、的转速稳定在额定转速附近很小的一个范围内，通常此范围为1.53.0rpm。为了达到以上要求，汽轮机必须配备可靠的自动控制装置。汽机控制系统的发展经历了以下几个阶段1减速齿轮；2调速器；3错油门；4油动机；5调节汽门(一)机械液压调节系统(MECHANICAL-HYDRAULIC CONTROL，简称MHC)，实现转速的自动调节和负荷的手动调节。如下图所示：(二)随着汽轮机单机容量的增大和中间再热机组的出现，单元制运行方式的普遍采用以及电网自动化水平的提高，MHC已不能适应汽轮机的控制要求，于是出现了电液调节系统ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL，简称EHC)。EHC系统中执行机
3、构仍采用液压伺服装置，运算部件则由电子元件组成，这种系统具有信号综合方便，运算精度高，能适应多种运行工况的特点。早期的EHC系统采用模拟电子装置构成，由于电子器件的可靠性不高，故汽轮机控制系统多设计为EHC和MHC并存的工作方式，MHC作为EHC的后备调节手段。正常控制由EHC完成，一旦EHC故障退出，MHC立即投入。这种以模拟电路为主的EHC系统称为AEH(ANALOG ELECTRO-HYDRAULIC CONTROL)。随着模拟电子器件质量的提高，汽轮机控制系统由电液并存工作方式过渡到采用AEH纯电调的工作方式。典型的EHC系统原理方块图如下图所示。EHC系统采用了功率和频率两个调节信号
4、，有三种基本的调节回路。(1)转速调节回路。它用于单机运行工况，在机组启动时升速、并网和在停机(包括甩负荷过程)中控制转速。(2)功率调节回路。在机组并入电网运行时或机组在电网中不承担一次调频任务时，频差放大器(转速调节回路)均无输出信号，此时，机组由功率调节回路控制。(3)功频调节回路。当汽轮机参与一次调频时，调节系统构成了功率频率调节回路，此时，频率、功率调节回路均参与工作。无论功率通道产生了不平衡，还是频率通道产生不平衡，都引起调节系统动作，直至系统趋于稳定。(三)当计算机在工业控制领域得到广泛应用时，汽轮机功频电调装置进一步发展为以计算机为基础的数字式电液控制系统，这种系统称为DEH(
5、DIGITAL-HYDRAULIC CONTROL，简称DEH)。目前，我国火电厂600MW级汽轮机大都采用数字式电液控制系统。电液调节系统种类繁多，其工作原理和功能各异。但大多数电调设置转速控制、负荷控制，阀门控制、阀门管理，应力计算，应力限制，负荷限制，保护跳闸等功能，能够满足汽轮机安全运行和启停要求。一、DEH系统组成 DEH系统由两大部分组成，即液压控制系统和电气控制系统。电控部分实现各种控制功能，如转速控制、功率控制、手动/自动切换等，最终形成各个阀门的阀位指令。液控系统作为调节系统的动力单元，用以驱动阀门，使阀门的开度按着阀位指令而改变。(一)液压控制系统 1、液压控制系统的组成：
6、由供油系统、液压执行机构及危急遮断系统组成。2、液压控制系统的功能：向各阀门油动机提供符合标准的高压动力油驱动各阀门并使阀门能够停止在需要的位置当需要时能够快速遮断汽轮机进汽 (二)电控系统 DEH电控系统是以微型计算机为核心的分散控制系统，可方便地完成数据采集、过程控制、操作与监控等功能。工程师站能方便的对控制逻辑进行设计、调试、修改。1.DEH系统硬件配置 包括包括工程师站、操作员站、控制器、系统模块等工程师站、操作员站、控制器、系统模块等 2.DEH控制系统软件 DEH控制系统软件，是一组软件程序集成的工具库其作用：生成和保存控制系统的控制策略、过程画面、测点记录、I/O位置、报表生成以
7、及全系统的组态。DEH控制系统用于实现下列控制任务：（1）超速保护及自动控制：主要完成转速测量以及各种紧急情况的处理，如甩负荷、负荷不平衡、超速限制、超速遮断等；完成参数的设置、反馈环路的投切、控制方式的选择、电磁阀试验、注油试验等；完成伺服控制、手动自动方式选择、快卸、单阀/顺序阀切换、挂闸等。（2）自启动：主要完成信号检测与替换、参数越限报警保持、自动启动、应力计算及寿命管理。3.监视与操作监视与操作 电调系统配置有操作员接口站，操作员可以在CRT上进行监视、控制汽轮机；操作员选定要进行控制的相关画面，对某个参数进行调整时，键入要求的参数值，经操作员接口站主机处理后，再经分散控制单元DPU
8、接收并调整该参数值；分散控制单元将调整了的信息馈送给操作员接口站，操作员接口站将该参数的变化反映在CRT上。操作员观察到原参数值为调整后的数值，表明该参数已被分散控制单元处理器接收到。在操作员站可以实现DEH的全部控制功能。3.监视与操作监视与操作 二、DEH系统功能 (一)基本控制功能 1、挂闸 2、启动前的逻辑控制 3、转速控制 4、负荷控制 5、超速保护（如OPC超速）和负荷不平衡保护（如机组RB）6、在线试验 7、控制方式切换 8、ATC应力控制 负荷控制是电调系统最主要、最基本的功能。在负荷控制方式下，电调系统可实现如下功能：随着电网自动化程度和单元制运行水平的不断提高，对汽轮机控制
9、系统提出了更高的要求。一个完善的汽轮机控制系统包括以下内容。(一)监视系统 监视系统是保证汽轮机安全运行必不可少的设备，它能够连续监视汽轮机运行中各参数的变化，监视参数可分为两大类：机械量和热工量。属于机械量的有：汽轮机转速、轴振动、轴承振动、转子轴位移、转子与汽缸的相对膨胀、汽缸热膨胀、主轴晃度、油动机行程等。属于热工量的有：主蒸汽压力、主蒸汽温度、凝汽器真空、高压缸速度级后压力，再热蒸汽压力和温度、汽缸温度、润滑油压、调节油压、轴承温度等。汽轮机的参数监视通常由DAS系统实现。测量结果同时送往调节系统作限制条件，送往保护系统作保护条件，送往顺序控制系统作控制条件。(二)调节系统 汽轮机调节
10、系统的功能包括大范围的转速控制、负荷控制、异常工况下的负荷限制、主汽压力控制以及阀门位置控制等。系统原理框图如下图所示：1.转速控制 范围：盘车转速-额定转速-超速试验 要素：目标转速、升速率；进行、保持 原理：单回路闭环控制系统特殊工况：快速过临界转速区；(过临界转速时自动提高升速率)其它情况下的转速保持（如汽机摩检600rpm；低、中速暖机等）范围：汽机启动升速过程结束、机组完成并网后开始工作。要素：目标负荷、升负荷率；进行/保持（GO/HOLD）。原理：通过开环或闭环工作方式控制汽轮发电机组的负荷。开环工作时，根据功率定值及频差信号由负荷控制回路直接给出阀门开度指令。闭环工作时，以发电机
11、实发功率值为测量信号与功率定值相比较，得到功率偏差值经负荷控制回路运算后去控制调节阀的开度，达到调节功率的目的。l特殊工况：l(1)功率反馈限制。当机组实发功率与功率给定值之差超过某一规定值，例如差值达额定功率的10%时，系统判断为发电机甩负荷，控制系统自动切除功率反馈回路变闭环为开环，并降低功率给定值以确保机组安全。l特殊工况：l(2)变负荷速率限制。机组在变动负荷过程中进汽量的变化使汽缸、转子等部件出现热应力，为了使热应力不超过允许数值，要求对变负荷速率加以限制。由电调控制系统根据热应力在线计算回路的输出值自动选择变负荷速率，一但应力裕度系数下降，回路自动降低变负荷速率。l特殊工况：l(3
12、)主汽压力限制。单元机组运行中，为了协调锅炉和汽轮机两者在能量供需方面的关系，通常在汽轮机控制系统中引入反映锅炉运行工况的机前压力信号。汽轮机改变负荷必然引起机前压力的变化。如果机前压力低于额定压力的5%，依靠锅炉自身很难迅速恢复主汽压力，这时必须对汽轮机的负荷进行限制以加速机前压力的恢复过程。限制的措施是，在电调系统中设置一个主汽压力限制回路，使汽轮机的负荷不再受功率控制回路的控制而受主汽压力限制回路的控制，降低汽轮机的负荷（关小调门开度）以协助锅炉恢复主汽压力。l4 阀门控制与管理l 无论是启动过程中的转速控制，还是正常运行中的负荷调节以及主汽压力控制，最终都是通过对汽轮机的高、中压调节阀
13、门和高压主汽门的阀位控制来实现的，因此阀门管理与阀位控制是汽轮机电液控制系统中必备的功能。l（1）汽轮机启动过程中的阀门控制l 汽轮机启动时的阀门控制与汽轮机的启动方式有关。600MW机组都是带有中间再热的大型单元机组，汽轮机启动方式一般都采用高、中压缸联合启动。本厂600MW汽轮机启动方式及步骤：1、汽机挂闸，中主门、高调门全开，中调门、高主门全关。2、汽机冲转，0-600rpm，通过中调门控制汽机升速。（0-600rpm只有中压缸进汽）3、汽机升速，600-2600rpm，通过高主门与中调门同时控制汽机升速；按照高、中压缸1：1的蒸汽流量进汽。（600-3000rpm为高、中压缸同时进汽）
14、4、汽机转速2600rpm，中调门保持开度不变。5、汽机升速，2600-2950rpm，通过高主门控制汽机升速。6、汽机转速2950rpm，阀切换。高调门关小，汽机转速下降30rpm后，高主门全开。7、汽机升速，2950-3000rpm，通过高、中调门控制汽机升速。l（2）阀门管理 l 汽轮机高压缸有两种进汽方式，即节流调节的全周进汽（单阀）和喷嘴调节的部分进汽（顺序阀）。阀门管理是指对调节阀两种运行方式的选择和切换。l（3）阀门在线试验l 汽轮机高、中压主汽门和高、中压调门都是由液压执行机构驱动的机械装置。为了保证汽轮机故障时阀门能可靠关闭，电调系统应设置阀门在线试验功能(严密性试验、定期活
15、动试验)，即在汽轮机带负荷情况下逐个关闭阀门，以检验其工作情况。l（4）阀门快关（防止汽轮机超速）这是汽轮机参与维持电力系统动态稳定的一种技术措施。当电力系统发生短路故障时，虽然电气保护动作可以快速切除故障点，但是系统的稳定状态会受到冲击。如果汽轮机能参与事故处理，在电力系统发生故障甩负荷时，汽轮机能迅速、准确地大幅度减小负荷，随后能将负荷恢复到原水平或低于原水平，确保电力系统尽快恢复稳定。由于汽轮机的惯性很大，通常做法是，故障时同时关闭高压调节阀和中压调节阀，待过一段时间后(1s以内)重新开启阀门恢复负荷。如OPC保护动作时（103%额定转速），高、中调门关闭，待汽机转速降到3000rpm以
16、下时，高、中调门自动开启。l快关阀门控制信号通过两种渠道获取：测取汽轮机输出功率与电负荷的不平衡值，将汽轮机输出功率与发电机电功率相比较，当汽轮机功率超过发电机功率的数值达到发电机额定功率的30%时，电调系统即发出快关阀门的控制信号。此时热工逻辑判断为发电机甩负荷，快关进汽阀，防止汽轮机超速。l测取汽轮机转子的加速度值或超速值，加速度值可用实际转速经微分运算后获得。当转速和加速度值达到设定值时，电调系统发出快关阀门信号。为了使阀门能以最快速度动作，快关阀门指令一般送入阀门控制回路或者直接送入阀门的液压执行机构。（三）电液控制系统的热应力监控功能1.概述热应力是由于金属内部热状态不同而产生的应力
17、。金属的热状态不同表现为其各个部分的温度不同，因此热应力和温度差值有关。假设一圆柱形金属物各部分的温度是一致的，则不产生热应力。如果用高温工质对其加热，外表面温度将升高，内部仍保持原温度，圆柱表面金属要膨胀，内部金属保持原状，于是产生压应力。反之，如果用工质冷却金属圆柱，其表面温度降低而产生收缩，金属内部温度不变而保持原状，于是在金属圆柱内产生拉应力。无论是加热还是冷却，当时间足够长后，金属内部达到热平衡，各处温度均相同，热应力也随之消失。各类金属材料都有一定的强度，因此工作中允许金属材料出现各类应力。只要应力值小于金属的允许应力，金属部件就可以长期可靠地工作。如果应力值超出允许应力，其结果会
18、产生金属部件损坏或者使用寿命缩短。汽轮机是在高压高温下工作的机械设备，转子处于连续高速旋转状态，因此存在一定的机械应力。当汽轮机运行工况改变时，热状态的变化使汽缸、转子产生热应力。为了保证汽轮机安全运行，必须对热应力进行连续监视。热应力监视的重点部位：高压缸调节级和中压缸第一级处转子和汽缸。l转子内表面热应力用式(1-5)计算：l(1-5)l l转子外表面热应力用式(1-6)计算：l(1-6)(1IMIE)(1EMEE热应力的大小可以由温差来表征，也就是说，温差大，热应力大；温差小，热应力小。为了限制热应力不超过允许限值，可通过限制温差不超过某一限值来实现。对于缸体、阀体而言这个限值是通过中间
19、(平均)温度的函数来设置的，与升/降速度或升/降负荷相对应，形成允许上限温差和允许下限温差两个限值。通过温度传感器测得与蒸汽接触的缸体表面温度T1和在缸体50%深度的平均温度Tm，温度差由这两个温度计算后得到：dT=T1-Tm 2.应力限制检测元件测量汽轮机几个特定点的温度和其他有关参数，然后根据测量值实时计算转子外表面热应力和机械应力，最后算出汽轮机高、中压转子的实际应力。将实际应力与允许应力比较，其差值经TAC转换器转换为转速或负荷目标值和升速率、变负荷速率，再通过DEH基本控制功能去控制汽轮机升速或变负荷，形成一个闭环控制过程。整个过程要保证转子应力不超过允许应力值。应力限制回路工作原理
20、见下图。（四）保护系统汽轮机保护系统的功能为，当汽轮机运行中出现危险情况时，迅速关闭所有进汽阀门，防止发生重大事故，保护汽轮机设备安全。为了提高汽轮机保护系统工作的可靠性，保护系统还应具有在线试验功能。汽轮机保护系统由信号检测、跳闸逻辑、液压保护回路(含跳闸回路)等部分组成。l1.汽轮机保护跳闸条件l1）超速；(110112%额定转速)l2）凝汽器真空低；（-78KPa）l3）润滑油压力低；（0.0428MPa）l4）EH油压力低；（9.31MPa）l5）轴振动大；（254m）l6）推力轴承温度高；（100）l7）支持轴承温度高；（105）l8）支持轴承回油温度高；（75）l 9）低压缸排汽温
21、度高；（121）l10）高压缸排汽温度高；（427）l11）轴向位移过大；（1mm）l12）发电机定冷水中断；l13）高压差胀超限；l14）低压差胀超限；l15）锅炉MFT；l16）发电机主保护动作；l17）人工跳闸指令等。2.跳闸回路 为了提高保护回路动作的可靠性，跳闸回路和重要跳闸条件通常采用冗余设置，跳闸电路经常处于导通状态并可实现在线试验。l 为了防止汽轮发电机组在运行过程中，因部件设备工作异常而导致汽轮机重大损伤事故，安装了危急遮断系统，一旦发生异常危急机组安全时，危急遮断系统及时动作，通过自动保护系统的执行部件，即四个遮断电磁阀(20/AST），立即关闭汽轮机进汽阀门，实现紧急停机
22、。600MW机组对转速也进行严密监视，一旦转速异常，或大于了额定转速的103%时，超速保护系统动作，通过操纵自动保护系统执行部件两个OPC电磁阀（20/OPC），关闭高压调门和中压调门，减少进汽量，防止汽轮机超速。总之，自动保护系统执行部件在EH油系统中，将自动保护系统的控制信号（来自于超速保护、危急遮断系统、机械超速和手动跳闸）变成液压油信号，关闭阀门的执行部件，它包括四只自动停机遮断电磁阀（20/AST）和两只超速保护控制阀（20/OPC）、隔膜阀、两个单向阀和几只压力开关等部件。3.保护系统的逻辑 （五）液压伺服系统 液压伺服系统通常包括供油系统、液压执行机构两部分，有的EHC系统将汽轮
23、机液压跳闸回路也包含在内。1.供油系统 1）功能：向液压执行机构提供压力稳定的压力油，并保持油的理化特性。2）组成及工作原理：供油系统示意图1油箱；2滤网；3交流油泵；4压力滤油器；5卸荷阀；6溢流阀；7蓄能器；8滤油器；9冷油器 位于油箱1下方的交流高压油泵3，通过滤网2将油箱中的抗燃油吸入，抗燃油经过油泵3升压后从泵出口送至压力滤油器4过滤。过滤后的高压抗燃油经过逆止阀流入活塞式蓄能器7，与蓄能器相连的高压油母管将高压抗燃油送到各执行机构。执行机构的压力回油经滤油器8过滤后进入冷油器9，冷却后的抗燃油再注入油箱。2.电液执行机构组成：油动机、阀位检测器、试验电磁阀和电液转换器。工作原理：阀
24、门控制回路输出的阀位控制信号与阀位检测器送来的阀位反馈信号比较后得到阀位偏差信号。阀位偏差信号经放大器放大，转换为输出控制电流。输出控制电流经电液转换器转换为液压信号，控制油动机活塞缸的充油量使活塞移动，再经机械传动机构去调节汽阀的开度。阀门开度的变化经阀位检测器检测并转换为直流阀位反馈信号。直流阀位反馈信号与阀位控制信号比较，两者相等时，油动机活塞位置稳定不动，阀门开度也保持不变。典型电液执行机构工作原理图 2.电液执行机构油动机：用以直接操作蒸汽阀门。油动机大都采用弹簧复位液压开启式结构，液压缸单侧进油，充油时阀门开启，开启行程大小取决于液压缸的充油量。当液压缸泄油时，阀门借助弹簧的力量关
25、闭。油动机工作原理示意图 位移传感器阀位检测器：用来测量阀门行程，通常采用线性差动变压器作为位移传感器。为了保证阀位反馈信号的可靠性，传感器采用冗余设置。位移传感器原理如下图所示：电液转换器：又称电液伺服阀，用来将控制回路输出的电信号转换为液压信号，再经过放大后控制油动机去开、关阀门。电液转换器用于可调节的汽阀，如高、中压调阀和汽轮机启动过程中可能使用的高压主汽门。全关、全开的阀门依靠建立安全油压来开、关阀门，不配备电液转换器。l电液转换器的典型结构如下图所示：电液转换器由力矩电动机和液压放大滑阀组成。控制用压力油由喷嘴油口进入伺服阀，经过滤网过滤后进入可以随力矩电动机电枢摆动的喷油嘴。当喷嘴
26、位于中间位置时，液压放大滑阀两端油缸腔室的压力相等，滑阀位于中间位置。力矩电动机的控制绕组有电流通过时，电枢随电流的方向变化而左右偏转，喷嘴也随之偏转。当喷嘴顺时针偏转时，滑阀左侧压力增大、右侧压力减小，滑阀向右侧移动，这时油口1与压力油口P连通。由于液压缸与油口1是相连通的，压力油就进入液压缸，推动阀门开启。当控制绕组的电流消失时，喷嘴回到中间位置，滑阀也回到中间位置，油口1被堵死，液压缸不再充油，阀门也就稳定到某一开度。绕组中的电流方向相反时，喷嘴偏转方向也相反，滑阀向左移动并将油口1和排油口R连通，液压缸的油被排出而阀门关小，直到控制绕组中的电流消失、喷嘴回到中间位置，阀门开度也就不再继
27、续关小。（六）自启停控制系统 汽轮机自启停系统(TAC)是一个大范围的控制系统，原则上讲汽轮机自启停控制系统应能自动完成汽轮机从启动准备开始直至带满负荷为止的全部操作。由于主辅机运行方式、各个控制系统的控制水平以及制造厂家的设计思路和设计经验的不同，因此汽轮机TAC系统的功能和控制范围有很大差别。一台较为复杂的汽轮机自启停系统，从机组冷态启动到带满负荷应完成以下控制功能。(1)盘车阶段的控制功能(2)抽真空阶段的控制功能(3)升速阶段的控制功能(4)并网阶段的控制功能(5)带满负荷阶段的控制功能9)疏水顺序控制系统；10)循环水顺序控制系统；11)凝汽器真空顺控系统；12)凝结水控制系统；13
28、)高、低旁控制系统；14)发电机励磁系统；15)发电机自动同期系统。汽轮机TAC功能既有自动调节内容，又有顺序控制内容，涉及面很广。为了实现汽轮机从冷态静止状态到带满负荷的全部自动操作，应该设置以下控制系统：1)汽轮机调节系统；2)汽轮机保护系统；3)汽轮机监视系统；4)汽轮机热应力计算系统；5)润滑油顺序控制系统；6)控制油顺序控制系统；7)汽机盘车顺序控制系统；8)汽封控制系统；多数电调系统中配置专门的ATC控制计算机，完成数据检测，应力计算，升速率、变负荷速率控制等任务。程序按功能可以分为三类：(1)检测、监视功能程序。包括：高压缸汽室温度监测；润滑油及轴承金属温度监视；转子偏心度及振动
29、监测；盘车监测；轴封、低压排汽及凝汽器真空监视；胀差及轴向位移监视；低压排汽压力及再热汽温度监视；传感器故障监视；发电机监测。这部分功能程序用于检测、监视汽轮发电机组运行工况，为应力计算和ATC控制提供决策依据。(2)应力计算功能程序。包括：高压转子应力计算子程序；中压转子应力计算子程序，这部分功能完成高、中压转子应力的实时计算和应力预测。(3)控制功能程序。包括：转子应力控制；目标转速、升速率和变负荷速率控制；高、中压缸进水检测及疏水阀控制；暖机控制；顺序控制。控制功能程序根据转子应力裕度确定机组的目标转速、升速率、变负荷速率。按机组启动顺序，执行汽轮机从盘车启动到同期并网、带负荷的自动操作和控制。谢谢 谢谢 大大 家家!
